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随钻测量

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145第七章 随钻测量随钻测量(称 定向钻进中一种先进的技术手段,可以不间断定向钻进而测量近钻头孔底某些信息,并将信息即刻传送到地表的过程。随着技术的进步,现代随钻测量已发展为随钻测井(,简称 仅可以监控定向钻进,还可以进行综合测井,获取信息的种类有:(1)定向数据(井斜角,方位角,工具面角);(2)地层特性(伽马射线,电阻率测井记录);(3)钻井参数(井底钻压,扭矩,每分钟转数)。传感器是装在作为下部钻具组合整体的一部分的特殊井下仪器中。井下仪器中还有一个发射器,通过某种遥测信道将信号发送到地面。目前使用的最普通的遥测信道是钻柱内的钻井液柱。信号在地面上被检测到后,经过译码和处理,就按方便和可用的方式提供所需的信息。图 7出了 统的主要部分。最大优点是它使司钻和地质工作者实时地“看”到井下正在发生的情况,从井底测量参数到地面接收到数据只延误几分钟,所以可以改善决策过程。图 7统概况尽管 概念不是新的,但只是在近几年钻井技术的进步才使之成为现实。30 年代出现的电测技术对鉴别和评价地层起了很大作用。但是,它的主要缺点是必须在起出钻柱后才能使用电缆下井。等到实际测井时,由于钻井液浸入的影响,妨碍了地层真实特性的测量。当钻头钻穿不同地层时,由于没有确定的方法辨别出岩性的变化,—些重要的层位可能没有检测到。有时,后来的电测显示出错过了油层段顶部的取心点,或是钻头钻得过深钻到了产油层下部的水层中。钻井液测井和监测钻速虽可指供一些井底情况,但由于要等到岩屑循环到地面的时间延误使这一过程效率太低。所以,需要一种能够在钻井时瞬时而连续地监测地层的系统。对这一系统有如下要求:(1)坚固可靠的传感器,可在钻进动态条件下在钻头处或钻头附近测量需要的数据;(2)将资料传送到地面的方法简单有效;(3)可以方便地在任何钻机上安装并操作的系统,对正常钻进作业影响不大;146(4)成本合理,并能给作业者带来效益。为开发满足这些要求的系统,人们作过多次尝试。主要问题是井下和地面之间的遥测传输系统。从 1930 年到 1960 年,人们研究了 4 种不同的遥测系统:(1)电传导(硬导线系统)(2)电磁发射;(3)地震(声)波;(4)钻井液压力脉冲。直到 1960 年,这些遥测系统的研究主要是为了随钻测井。定向井的日益增加,特别是花费高昂的近海地区,刺激了人们去开发既能处理定向测量数据又能处理地层评价数据的随钻测量系统。由于在海上平台中利用传统测量工具费用很高,人们不久就认识到使用定向随钻测量仪器更具有商业潜力。起初的 统就只提供定向数据,紧接着就有了可以附加测量钻井参数和地层数据的另外—些工具。尽管有关其它 3 种遥测方法的研究还在继续着,但迄今为止却只有这些依靠钻井液压力脉冲的 统在技术上和经济上是成熟的。自 1979 年以来,统有了很多的改进,可以提供更多的传感器和更高的可靠性。随着更多的 司进入市场,可利用的工具种类越来越多,竞争也使价格不断降低。在国外一些地区,使用 成为定向钻进的准标工艺。在其它应用中 使用也带来了效益,尤其是测井。在多种传感器工具的发展中,为了提供实时数据,人们已认识到数据传输率(井底数据送到地面上的速度)也须改进。第一节 遥测通道上述 4 种遥测通道在习惯上一般分为两大类,电传导硬导线属于有线随钻 统,电磁波法、地震(声)波、钻井液压力脉冲传输属于无线随钻 统。一、硬导线法最直接的方法是通过某种导体将电信号传到地面。硬导线法最初是在 80 年代作为一种在钻进过程中将地层资料传到地面上的方法而被提出的。1.钻杆上附加绝缘导线这种方法是将连续导体附在钻杆内使其成为钻杆整体的一部分。装在接头内的特殊联接装置使钻柱可在整个长度内导电。传感器装在一个特制的钻铤内。铠装电缆(或跨接线)将这个钻铤与钻杆下端连接起来。这样避免了穿过 底钻具组合)各种部件所需的整个线路。跨接线的长度必须与 总长相等,以保证维持—定的张力。系统的另—端,在方钻杆顶部安装一个绝缘的滑环。该滑环与处理信号并给出最终结果的地面设备相连,(图 7这种系统的主要缺点是:(1)制造特殊钻杆柱须另加费用; (2)在接头处获得连续电路比较困难。 图 7用特制钻杆的硬导线系统1472.通过钻柱下入电缆为克服第一种方法的缺点,另一种方法是通过钻杆内部下入电导线。导线的类型与电测中的电缆相似,是铠装电缆。这里有个明显的缺点是随着钻井的加深,加接单根时必须提出电缆和仪器,或者是预先将电缆线套入到钻杆内孔中,显然,这是非常麻烦的,有时甚至是不可行的。解决这一问题的一种方法是,在钻柱中段某一合适位置加接一个侧入式密封装置,该装置类似一个三通接头,上下通道连接钻柱,侧向通道可将预先下入钻柱内的定向测量仪器的电缆线变换到钻柱外侧,电缆线附着在钻柱外壁上,这种方法对于钻进中钻柱不回转时是有效的,但也必须防止电缆线的磨损与挤压。另一种解决问题方法是通过在钻杆内部的卷轴上存放—段额外长度的电缆。装在系统内的电机锁梢可使在加新单根时电缆暂时中断。但是,在起钻前须先把整段电缆全部收回(图 8—3)。尽管有一系列的操作问题有待克服,但是比起其它遥测方法来,硬导线系统确实还是有—些优点:(1)传输速率高,可使很多信息实时传递;(2)井底不须附加动力源;(3)可以双向传递信息(即可以向下传递信号激活诸如可调弯接头,或井下防喷器等某些部件);(4)因为不存在信号减弱的问题,所以不象其它方法那样效果受深度的限制。 二、电磁波法自从上个世纪 40 年代以来,国内外一些研究机构一直研究利用电磁波穿过地壳传递信号。目前,俄罗斯、美国等一些国家已取得实质性进展,研究成果已在试验与实践中得到实现,该方法根据电磁波在地层中的传播特性,采用电磁波为信号传输通道,把一个电磁波发射器装在井内仪器中,井内仪器作为 一个组成部分,通过井内仪器中的传感器采集近钻头井底信息,电波发送器产生可调制信号,以二进制码形成发送所需数据。地面上通过安装在井场附近的天线接收这些信号。最具典型的是俄罗斯已研制成功的电磁波通道式井底遥测系统,其结构组成与工作原理如图 7底遥测系统包括井内仪器 1 和地表装置 2。地表装置用来接收、分离并实时变换和记录有用信号。井内仪器包括测斜用方位角传感器 3,顶 角传感器 4 和带正余弦回转互感器的变图 7用电缆环的硬导线系统图 7磁波通道井底遥测系统148向器 位置传感器 5,还有信号变换器 6,自给式电源(涡轮发电机 7)和信号发送器 8。一个信号发送电极是钻杆柱 9,另一个发射电极是下部钻具组合,它们之间被隔离器 11 绝缘。在离钻机 50~300m 的范围内往地下打人一根接收天线 12。遥测系统工作时,在隔离器 11 的周围、钻柱 9 与接收天线 12 之间的岩石中将有电流流过,在地表装置中接收的信号是上述电流造成的电位差。接收装置 2 借助相关分析方法处理来自井底的信号,并把测得的参数显示在屏幕 13 上。这种系统有几个优点:(1)数据传输速度快,载波信息量大;(2)受泥浆介质和水泵特性的影响小,即使在提下钻过程中也能检测数据。(3)系统安装比其他方法安装简便。但是这种方法受地磁特性影响大,信号衰减严重,适用孔深相对较浅。如果将上述优点与信号衰减问题加以权衡时,那么只有低频电磁波可以有效地传输,而这些有时很难与钻机上电动设备发出的频率区分开来。 三、声波法该系统利用声波(或地震波)传播的机理来工作的。为克服钻井作业中的背景噪声,须安装大功率的地震发生器。钻进过程中,声波沿着钻杆、地层等不同介质传播到地表。地表监测仪器接收到信号,经过处理得到相关的有价值的数据。声学信号的形式不仅随钻井规程而改变,而且还受所钻岩石性质不稳定的影响。声学通道传送的信息量很小。因为钻杆直径和锁接头直径是变化的,所以使声波产生反射、干涉、强度降低,从而很难在干扰噪声中分辨出有用信号。当钻杆柱和钻头与井底相互作用时,会在钻杆柱中出现纵向弹性波。监测井底过程的基础是分析钻杆柱地表部分的振动。能够顺利监测的主要参数是岩石破碎工具的回转频率,因为记录的频谱中占绝对优势的是牙轮的振动谐波,与其余谐波分量相比它的强度和能量最大。由于振动的幅值和频率与牙轮的磨损程度具有相关性,所以,可据此来判断工具的状态。当钻进规程保持不变时,信号的幅值变化情况还可反映岩石的力学性质。声学信息通道的主要缺点是信号随深度衰减很快。所以,在钻杆柱中每隔 400~500的电路包括接收器、放大器和向地表发送信号的发射器。在每个中继站里要布置接收器、放大器、发射器和电源。要在钻杆柱内附加这么多元件,又要让钻杆柱在很深的钻井条件下工作,使得声学信息通道式 统使用起来很复杂。所以,带声学信息通道的系统能使用的最大井深为 3000~4000m。国外推出一种利用钻头信号源测量的随钻测量技术。钻进过程中可以利用钻头所产生的噪声作为随钻定位的声源,在地面上通过几个与井架有一定距离的传感器,接收井下钻头所辐射的球面波。通过微电脑进行统计分析,确定信号间的时差,来进行钻头的随钻定位。现场检测结果表明,其定位误差与目前常用测井仪器的定位误差相近。四、钻井液压力脉冲法目前国内外应用比较广泛的 统都是基于某种形式的钻井液脉冲遥测技术。钻井液脉冲式 井底信息借助水力通道以压力脉冲的形式传输,信号传播的载体是钻井液。钻井过程中的水力学路径是个封闭的体系(图 7用电动机或柴油机 2 驱动的泵 1 往井内压送钻井液,供给井底动力机 7,冷却并润滑钻头 8,并沿管外空间 9 带出钻出的岩屑。钻井液在泥浆池 10 中被过滤,再进入钻井泵 1 的入口处,从而形成钻井液的流动循环路径。149气动液压补偿器 3(即空气室)可降低钻探泵出口处的压力脉冲。钻井液沿着高压软管 4 送入钻杆柱 5 中。高压软管管壁的柔性比钻杆管壁好,故软管进一步削弱了泵 1 出口处的压力脉冲。脉动器 6 产生的压力脉冲沿钻井液在管柱 5 内部传送至压力传感器 11。压力传感器安装在高压软管 4 的后面,把压力脉冲变换成电信号,以便遥测系统的地表部分进行处理。井内仪器由井底涡轮发电机借助钻井液流发电或电池组供电;井内的传感器将井内物理量转变为模拟电信号,经过井内 件信号处理转换为数字信号;这些数字信号被送到信号发射器,经编码、压缩等处理后,控制井内仪器阀门的开闭产生的断续或连续泥浆压力脉冲信号;压力脉冲信号通过水力通道到达地表,由 收器(即压力传感器)转变为电信号,经过解码、滤波等处理得到井内测量数据。尽管不同公司研制生产的钻井液脉冲式 统在结构性能上有些差异,但这些在用的系统之间都有某些相似之处。图 7钻井液脉冲遥测系统的主要部件。井下各部件都装在无磁钻铤中。这种钻铤是 司提供的特制钻铤。因为要容纳 具的部件,所以其内径比普通钻铤的要大。其主要部件有:(1)操作系统的动力源;(2)测量所需信息的传感器;(3)以代码的形式将数据传输到地面的发送器;(4)协调工具各种功能的微处理机或控制系统。控制系统的设计是为了在需要信息时(例如要进行定向测量时)能够操作仪器。在测量开始时,井下仪器必须识别某些物理变化(例如停钻或关泵)。从这点开始,控制系统接通传感器电源,储存测得的信息,然后启动发送器以编码信息的形式发送数据。地面设备主要有:(1)检测压力变化并将其转化为电讯号的立管压力传感器;(2)用来减少或消除钻井泵和井下马达可能引起压力变化干扰的电子过滤仪器;(3)处理结果的地面计算机; 图 7井液脉冲遥测系统的部件(4)用来将结果告诉给司钻的钻台上的显示器,或记录连续测井曲线的绘图仪。钻井液压力脉冲遥测比其它方法的优越之处在于它比较简单。不需要特殊的钻杆,不图 8井液压力脉冲式 力通道示意图150会因为井眼中有导线而增加复杂情况,而且只需要对正常钻井作业中作很小改变。压力脉冲以大约 1200~1500m/s 的速度通过钻井液柱,载波信息通道不受地层电磁特性孔内震动波干扰,信号衰减小。但对实时传送的速度与信息量是有限制的。井内仪器工作在钻井液的恶劣环境中,这就对钻井液有严格的要求:含砂量<1%~4%,含气量<7%,以便使信号顺利传输和井内仪器正常工作。第二节 钻井液脉冲传输系统信号发射器和地面的信号接收、处理设备一起构成了钻井液压力脉冲式 号传输系统。现有的钻井液脉冲传输系统的主要区别是采用哪种处理方法来传送数据。目前使用的钻井液压力脉冲式 要采用三种方式在井底将数据编码、 信号传输和在地面上译码,这三种钻井液脉冲传输方式井内仪器执行元件控制。信号发射器负责控制执行元件阀门,把测量结果调制成压力脉冲信号向地面传输。阀门的构造形式有开关阀和旋转阀。压力信号分正、负脉冲和连续波三种类型。正脉冲发射器的压力升和负脉冲发射器的压力降都对应二进制的“1” ,反之对应“0” 。连续波发射器采用旋转阀,由一个两相同步电机驱动产生固定频率的压力连续波,通过瞬时改变转速快慢得到 180°的相位,相位为 0°对应二进制的“0” ,相位为 180°对应二进制的“1” 。信号接收设备主要由接收泥浆压力脉冲信号的压力传感器和后续的信号处理设备与 组成。一、正脉冲系统在井下仪器中(图 7一个节流阀,由液压调节器操纵。执行机构根据井下仪器中传感器采集的数据经编码变换控制节流阀的开启与关闭,当阀动作时,通过钻柱的钻井液液流中形成瞬间的压缩,引起立管内的压力增加。为了将数据传到地面,多次操纵阀门,产生—系列脉冲。统的接收部分安装在钻机主动钻杆中,由传感器检测出信号并由地面计算机译码。计算机首先识别出—组参考脉冲,随后是数据脉冲。通过在特定的时帧内检测有没有脉冲来对信息进行译码。然后将这个二进制码转换为十进制的结果。脉冲顺序由一个图表记录仪来监视。当译码机构发生电误障时,可根据图表记录仪上的脉冲顺序进行人工译码。带涡轮、螺杆钻具的 统工作时,只要有钻井液在循环就能进行连续测量。用图 7脉冲系统原理示意图图 7脉冲系统原理示意图151转盘钻进时,由于钻具的回转、振动等导致数据波动大,所以,应该以静态测量数据为准。正脉冲发生器因传输速率高(一般可达 5),在井下参数测量(特别是 获得广泛应用。国际上的正脉冲发生器型号较多,结构与性能各异,但基本原理相同。国外公司的正脉冲发生器在我国应用过的产品有 , 。二、负脉冲系统发送器由阀门组成,当阀打开时,使—小部分钻井液从钻柱内流向环形空间,因此,快速开闭这个阀就会引起立管中的压力下降,这可由压力传感器检测出来(图 7为了形成压力负脉冲的信息通道,必须在管内和管外空间之间建立初始压力降。压力降消耗在水力喷射钻头的工作过程中和 统的钻具组合中。在钻杆壁上有一个连接钻柱管内外空间的阀门, 当阀门打开很短时间(时会产生脉冲。脉冲的下降值取决于钻井泵高压管线中的压力降。水力压力脉冲的前沿坡度为 5~6s。在井内仪器中装有参数检测传感器、编码电路和由阀门和大功率线圈组成的脉冲发生机构。压力负脉冲发生器的重要的特征是在钻杆壁上有一个可更换式喷嘴,它的横截面比阀门的截面积小得多。这种技术方案可减小阀门的磨损。同正脉冲系统—样,数据脉冲前有一系列参考脉冲来建立译码过程。不同的公司,对信息的译码方法不同。在—个时帧内,或两个相继脉冲之间的时间间隔内有无脉冲是目前在用的解释负脉冲顺序的两个特点。同正脉冲系统一样,利用图表记录仪也可以人工来解释脉冲顺序。负脉冲发生器在早期的 应用较广,如我国引进的美 司的 输速率 但因负脉冲 传输速率低,不能满足测量更多参数的需要,所以逐步被正脉冲发生器所取代。三、连续波系统不同于前两种系统,在这种系统中不产生明显的脉冲。发送器是一个旋转的阀,该阀由—对与钻井液液流成直角的有槽的圆盘组成。其中一个是固定的,另—个是由马达驱动的(图 7马达以一定速度转动,产生一个规则的连续压力变化,这实际上是个驻波。这个波作为载体将数据传送到地面。当要传送信息时,降低或提高马达的速度以便使载波的相发生变化(即反向),发出信号的相位由向调节器发出反馈信号的传感器控制,由此载波被凋制成可以表示所需的数据。在发送信息的过程中,阀图 7续波系统原理示意图152门以固定的频率回转,产生与高精度时间传感器同步的信号。地面设备压力传感器采集到的信号在地表接收装置中经过滤波、放大,恢复同步脉冲的次序并确定所采集信号的相位。相位位移被相敏元件及其积分电路识别出来。在接收装置上分离出同步的字,循环同步传送的字被译码。这是个比较复杂的通信系统,比前两种钻井液脉冲方法能提供更高的数据传送速度(可以达到 ,然而,它的井下和地面装备都很复杂,技术难度大,限制了它的广泛使用,目前只有 司(有产品,并用于自己的工具系统中。连续波脉冲发生器是井下脉冲发生器的发展方向。第三节 钻井液脉冲信号的传输特性钻井液脉冲式 关键技术是脉冲信号的传输,脉冲信号的传输过程是一种能量转换过程,在这一过程中,钻井液脉冲信号的传输与钻井水力学有着密切的关系,同时,信号的传输特性也受钻井液介质的影响。一、钻井液脉冲信号的传输特性1、基本方程应用管道中一维不定常流动的运动方程和连续方程,可以得到描述泥浆脉冲传输特性的基本方程这是一组双曲型偏微分方程组。求解这类定解问题的一种典型万法是特征线法。由于管道中的扰动将同时向上游和下游方向传播,所以钻柱中的泥浆脉冲将产生前行波和反行波。同时,钻柱中的流动参数也是前行波和反行波的叠加。式(7式 (7的第一式分别称为 C+和 二式分别称为 C+和 此,原来求解一维不定常流动的问题已转变成在 x— t 平面上沿特征线求解常微分方(77753程的问题。并且,没有任何数学上的近似处理。2、求解方法对沿特征线的相容性方程进行数值求解时,首先需要用特征线网格来离散方程。如果把管道沿其长度方向分成 n 段,其段长为 Δx,取时间步长 Δt = Δx /α,且认为波速 α 为常数,那么在 x— t 平面上就可得到矩形计算网格,并且网格的对角线恰好是特征线,如图 7示。显然,Δx 选得越小,计算精度就越高,但耗费的计算时间也越长。当 Δx 选定后,时间步长 Δt 的选取就不能随意了,它的选取必须满足稳定性准则。求解时,如果沿特征线对流量 Q 采用一阶逼近,则有可见,新时刻计算点 P 的参数可由其相邻计算点 A 点和 B 点前一时刻的参数确定。当粘性效应所引起的能量损失较大时,采用一阶近似将会影响计算精度,甚至会导致解的不稳定性。这时就需要采用二阶近似,此时有这是一个非线性方程组,可以采用迭代法求解。3、实例分析某 3000m 直井,采用 81/2"井眼和 5"钻杆;泥浆密度为 1200kg/m 3, 泥浆排量为28 l/s ,泥浆粘度 5s;钻头水眼 2×8 13量系数 浆脉冲的传(77 7x—t 平面上的矩形网络154输速度为 1200m/s。如果在立管上安装一分支管路,并通过该分支管路分别向钻柱内增加或减少相同的泥浆流量,使钻柱内产生相应的正脉冲和负脉冲,试分析泥浆脉冲信号的传输特性。该算例是,在井口采用聚合流和分散流的方式,使钻柱内产生正脉冲和负脉冲,进而研究泥浆脉冲信号从井口到井底的传输过程。应用本文的理论模型,可得出如图 7图7示的分析结果。图中的 “压力”是指表压、位置水头压力和速度水头压力之和。通过分析,可以得到以下几点认识:(1)井底与井口的压力信号存在一个延迟时间,该延迟时间就是泥浆脉冲的传输时间。本例中的延迟时间为 2)泥浆脉冲的传输过程是一种能量转换过程。由于存在泥浆的粘性阻力和管路系统的弹性变形,泥浆脉冲在传输过程中存在着明显的衰减。(3)在泥浆脉冲发生过程中,如果没有能量损失,将产生一个矩形波信号;当考虑泥浆的粘性阻力时,信号的波峰( 或波谷) 将变为一条斜线,并且在信号发生的前后,存在明显的能量损失。(4)在边界(如钻井泵、钻头 )处,泥浆脉冲将产生反射,在管路中往复传播形成震荡波,并逐渐衰竭。(5)对于正脉冲信号,波峰处斜线的斜率为正。所以,当脉冲信号过后,管路系统中的压力将高于该点处的原始压力( 负脉冲信号与之相反) 。随着流动逐渐趋于稳定,其压力也将逐渐恢复到原始压力,如图 7示。浆脉冲信号的传输速度及其影响因素在泥浆脉冲传输系统中,信号的传输速度是一个基本参数。然而,泥浆中含有粘土、岩屑、重晶石粉等固相物质,并且往往存在着游离状态的气体而形成气泡,从而增加了问题的复杂性。中国石油勘探开发研究院刘修善、苏义脑在研究中综合考虑这些因素的影响,提出了泥浆脉冲传输速度的计算模型。该模型比较符合钻井工程实际,对正、负泥浆脉冲信号都是适用的。1、基本方程图 7脉冲信号 图 7脉冲信号图 7力恢复曲线1561572、气体和固体对传输速度的耦合影响泥浆中含有粘土、岩屑、重晶石粉等固相物质,并且往往存在着游离状态的气体,形成气泡。它们将对泥浆脉冲信号的传输速度产生一定的影响。泥浆中的固相颗粒可认为是充分悬浮的,因此属于伪均质流。而含气量通常是很小的。虽然泥浆的流动属于气、液、固三相流,但它们的流速基本一致,所以可按单向流来处理。从前面的分析知,信号的传播速度 α 主要取决于系统的弹性模数。为了研究系统的表观体积弹性模数,现分析如图 3 所示的容器。容器的右端有一活塞,容器中液体的体积为 ,气体所占的体积为 ,固其压力为 p 。以得到混合物密度的计算公式(13))(, 11581593、影响因素分析由(21)式可以看出,泥浆脉冲的传输速度与以下参数有关:(1)流体的组成:体积含气率 β g、固体的体积浓度 β s;(2)流体的性质:液体的体积弹性模数 体的体积弹性模数 厚比的影响162第四节 无线随钻测量系统井下仪器的动力源由于无线随钻 测系统没有返回到地面的电缆导体,所以操纵仪器的动力源必须安装在井下。目前,无线随钻 测系统所使用的动力源主要有两种方式。一、电池组由于电池组没有运动部件,所以它具有紧凑和可靠的优点。但是它的使用寿命和工作时间有限,并且受温度影响。同时,更换电池的费用也比较高,这种方式曾成功地使用在只要求定向数据的应用中,在传输多参数时能力受限。它有限的动力输出不能满足多传感器工具的需要(图 7二、涡轮式交流发电机随着 着多传感器的趋势发展,涡轮发电机越来越广泛地用来为工具提供动力。它利用通过仪器的钻井液液流作为涡轮叶片的动力,带动连接交流发电机的轴(图 7产生的电流必须用稳压器来控制。尽管这种系统比电池组能提供更多的动力和更长的工作寿命,但当涡轮损坏时就会发生断电故障。为防止损坏,在涡轮的钻井液进口处装一个滤网来滤掉钻井液中的岩屑。因为要倒掉岩屑或拿开滤网以使钢丝绳起下的仪器通过,而且为了易于取放,可将滤网装于钻柱顶部。163图 7俄罗斯电磁波式孔底遥测系统井下仪器所配备的蜗轮发电机机构原理示意图。发电机包括带绕组的定子 1 和外壳 2,其中定子为轴向静止状态,而外壳起转子的作用。在外壳 2 中,固定了为建立磁场和在定子 1 绕组上产生电动势的磁铁 3。外壳 2 的一头与涡轮 4 相连,而另一头与涡轮 5 相连。外壳与涡轮连接的地方借助密封圈 6、7 进行密封。涡轮 4、5 用于驱动带磁铁 3 的外壳 2 旋转,以形成交变的旋转磁场。在涡轮 4 的内部安装了二个轴承 8、9。在涡轮 4 的前端面上留有注油孔,里面有带密封圈11 的封闭螺栓 10。在这个孔里还装有带弹簧 13 和钢球 14 的阀座 12。在轴承 8、9 之间安装了隔离圈 15、16,而轴承 8、9 本身则靠防松卡圈 17 来固定。涡轮 4 相对外壳的位置用防松卡圈 18 来确定。定子 1 安装在轴承 19 上,轴承 19 的端面密封靠卡圈 20、衬套 21、T 形衬套 22 和带密封圈 24 的柱塞 23 来实现。在卡圈 20 和衬套 21 之间装有六根弹簧,以保证在端面密封的接触处能形成足够的轴向力。各密封件用销钉 26 和螺钉 27 连接,并被固定在定子 1 上。衬套 22 靠支撑套 28 来保证同心。借助销钉 29 对支撑套 28 进行校正,并用防松卡圈 30 固定。发电机基本参数和特性如下:周围环境温度,℃ 10~90在 10—70动频率的范围内加速度,m/s ≯100最大静水压力, 60最大交变载荷, 1000额定转速,r/ 1400额定功率,W 225发电机输出电压,V 15发电机在隔离电路之间的最小绝缘电阻,K Ω 100图 7轮发电机结构原理示意图图 7用电池组的 器图 7用涡轮发电机 器164产品的外形尺寸直径, 82长度, 567质量, ≯25第五节 随钻测量系统井下仪器的传感器在 下仪器中,必须有一些电子元器件采集井底信息,并将这些非电量的物理量转换成电量的物理量,这些电子元器件称为随钻测量井下仪器的传感器。由于 感器必须在井内钻进过程中工作,即要承受钻进过程的振动,又要保证传感器能连续测量井内物理信息,因此,它与普通测斜仪、定向仪不同,一般不能采用锁紧——松开接触式的传感器,同时,井下仪器上的传感器都必须十分坚固以承受井下恶劣环境,并具有稳定的工作性能和长的工作寿命。起初的 器仅能检测定向钻井的几何参数 ——顶角、方位角和工具面向角,随着钻井工程对井底信息量和实时性要求的不断提高,特别是现代地质导向钻进技术的不断发展,目前的 器已不仅能检测定向钻井的几何参数,而且还能检测井底的钻压、扭具、温度和地层的伽马射线、电阻率等。当然,针对于不同的工作阶段和性质,井底信息的采集可能有所侧重,目前在用的只有一种系统具有可以不起出全部下部钻具来更换损坏的部件(传感器组/电子元件)的功能。一个传感器损坏了并不意味着必须起出仪器。如果操作者确信其他传感器仍在提供所需信息,损失一个数据并不重要( 如定向井作业时伽马射线没有测到,而操作者认为定向数据更为重要) 。一、定向传感器在钻进过程中连续地测量井眼参数应用教多的是加速度计和磁力仪等坚固的固态传感器。加速度计测量地球的重力场分量,而磁力仪测量地球的磁场分量。无论在哪种情况,场都是在特定的方向起作用,因此,通过对测量仪器相对于该方向的方位,采用正交三轴定位布置的磁力计和加速度计就可以确定井斜角,方位角及工具面角( 见图 71、加速度计图 7加速度计工作原理示意图。它利用一个石英铰固定一个测试体,使该物体只能沿一个轴运动。当仪器下井后,沿该轴作用的重力分量将推动测试体运动。测试体的移动在电容器之间产生不平衡,由伺服放大器检测出来。然后在线圈内通电,产生一个反力,使测试体恢复原来位置。重力分量越大,所需要的产生反力的电流就越大。测量已知电阻上的电压降,就可直接得到重力分量值。对于三轴的加速度计,其三个分量的矢量和必等于重力加速度 g。由于可以用其他方图 7速度计和磁力计沿三个正交轴的布置图图 7速度计的工作原理165法在任何位置测得重力加速度 g,所以实际上只需两个加速度计。但是,三轴加速度计确 实可以提供检验输出结果和识别错误的手段。2、磁力仪磁力仪是检测固定轴向地磁场强度的传感器,图 7一个有环绕线圈的软铁磁心。如将磁心( 或螺线管)放在变化的磁场中,则磁通量将集中在螺线管内,并在线圈内产生电流。电流的大小取决于暴露在磁场中的导磁物质的量。线圈环与磁力线成90°时,电流较大。当线圈环转动到以较小的面积暴露在磁场中时,电流就会减少。因此,线圈中获得的电流大小可以用作测量磁场和线圈之间角度的一种方法。但是,这个电流只在磁场交变时才产生。地磁场是恒定的。移动线圈来产生电流是不可行的,因为这样会降低方向测量的精度,线圈环应当对准测量仪的一个参照轴并保持固定。为说明饱和式磁力仪的原理,可参照图 7示的两个相同的磁心。磁心具有相等的高导磁率,并有相反绕向的主线圈和次线圈,在主线圈上通过一个交变电流,产生磁场,磁心饱和。因为次线圈的绕向相反,如果没有外部磁场,总的输出电压为零。如果存在外部磁场,会使其中一个线圈比另一个先饱合,输出电压出现不相同,引起电压脉冲。将耦合线圈与外磁场形成某个角度,会产生一个与线圈环内磁通变化率相交的电压,电压大小也对应于外部磁场强度。所以,三轴饱和式磁力仪可以用来测量地磁场沿三个正交轴的分量。 3、 井斜角、方位角和工具面角的推导加速度计输出的电压对应于三个正交轴分别记为 y、和 7同样,磁力仪的输出记为 v 和 意,z 轴是仪器轴,方向向下,y 轴被规定为与工具面一致。它可作为弯接头刻度线参照的基准线。(1)井斜角如图 7铅垂面内的直角三角形中,井斜角是从铅垂线到 z 轴( 加速度计轴)的夹角,井斜角 α 可由下式求出:图 7变磁场中绕线环产生的电流图 7和磁力仪,合成电压的峰值与平行于线圈轴的磁场强度成正比图 7斜角 α =G G 7TF= x/ 66(2)工具面角重力工具面角(沿井眼向下看时,由重力矢量所确定的高边和 y 轴(加速度计轴)之间的夹角(如图 7此角可由下式求得:磁工具面角(磁北极与 y 轴之间的夹角。这时:(3)方位角方位角是在水平面内从北极按顺时针旋转到 z 轴的夹角。为计算井方位角,必须将磁力仪和加速度计的读数分解到两个轴上(图 7—21)。轴 井眼方向在水平面内的投影。轴 垂直,所以,方位角 β 可由下式求得:将 算式 得到下列方程:将 2 代入前面的公式得:(72( 7 7 7 7位角 β =7 7 767这里 g =(G 1/2 ,方位角表达式里包括加速度计和磁力仪的测量结果。二、地层参数测量传感器1、伽马射线传感器伽马射线是由放射性元素如钾、钍和铀的同位素发射出来的。这些元素在页岩中比在其它岩石中更普遍地存在。因此通过测量一岩石序列的伽马射线发射量,就能确定页岩区。装在 器中的伽马射线传感器可在钻头钻过地层时检测到放射量。为了尽快地检测到岩性的变化,伽马射线传感器应尽可能地装在靠近钻头的位置,以便在仪器有反应之前只钻过很少的新地层。实际上,钻头与伽马射线传感器之间的距离大约为 6于在钻井液中和在钻铤中的衰减作用,实际上,地层所发射的伽马射线只有其中很小的比率被检测出来。现在使用的有两种传感器:(1)盖革这种类型的传感器由一个充着相当低压力的惰性气体的圆筒组成。在筒腔的中心穿过一个高压电极(±1000V)。当伽马射线进入筒腔时,引起气体电离,产生向着电极中心的高速运动的电子流(图 8因此,这个电子流就可用来检测地层所释放的伽马射线量。( 768图 7革 —米勒管(2)闪烁计数器(地层发射的自然伽马射线能通过碘化钠晶体。射线激发晶体,产生闪光。晶体发射的光撞击光电阴极并释放电子。电子经过一系列阳极后引起更多的电子放射。这样就产生一个与原闪光成正比的电压脉冲(图 8—13)。通过记录给定时间段内的脉冲数,就可以测量进入传感器内的放射量。这与用在电缆测井仪器中的伽马传感器基本上是同一原理。图 7烁记数器盖革为它只能检测到放射的射线总量中很小的一部分。然而它也确有优点,它很坚固可靠,并且比闪烁记数器便宜。控制系统将传感器的测量结果换化为数字码,并储存起来准备传递。同定向测量一样,数据作为一系列钻井液脉冲传送到地面。最终结果是以连续测井形式沿井深画出的伽马射线响应图(以每秒冲数测量 )。2、电阻率传感器电阻率是地层对电流阻抗的度量。地层的响应取决于孔隙空间的流体含量(油和气为绝缘体,而盐水为导体) 。位电极系 )改装的。两个电极安在 器外侧的两个绝缘橡胶套上(图 8上面的电极发出电流,流过地层并由下面电极检测出来。实际结果是受井眼直径,钻井液浸蚀和地层厚度影响的。这些影响必须采用某些修正系数来补偿。这种类型的传感器对使用油基钻井液的井眼是无效的。已经研制成功的电感式传感器可以装在 器里。如同伽马射线传感器的情况一样,电阻率装备也需尽量安在靠近钻头的位置以便对地层变化很快作出反应。图 7阻率传感器(电位装置)169三、钻进参数传感器1、温度传感器温度传感器通常装在钻铤的外壁,用来监测环空中的钻井液温度。传感元件可以是电阻随温度变化的金属片(如铂)。传感器的温度测量范围一般调在 50°F~350°F 之间。2、井底钻压/扭矩传感器这些是由装在靠近钻头的特制的特殊接头上的灵敏应变仪系统来测量的。应变仪能测钻压的轴向力和扭矩的扭力。将成对的应变片贴在接头的对边,会消除弯曲应力产生的影响。接头的设计必须可以补偿温度和压力的影响。3、涡轮转速传感器用井下涡
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