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井下工程参数随钻测量仪的研制

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井下 工程 参数 测量仪 研制
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井下工程参数随钻测量仪 王银生 2 杨锦舟 1 韩来聚 1 张海花 1 施斌全 1(1. 胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营,257017;2. 中国石油大学(华东) ,山东东营,邮编 257061)摘 要:井下工程参数测量仪是石油钻井行业中的一种重要的随钻测量仪器。本文介绍了井下工程参数随钻测量仪的结构及关键技术。实验结果表明,该仪器测量准确、性能稳定可靠、功耗较低、抗干扰能力较强,具有良好的推广应用价值。关键词:近钻头 钻井 随钻测量 可靠性钻井过程中,近钻头处钻井工程参数的随钻准确测量对安全、高效钻井十分重要。随着井深的增加,特别是各种分支井、水平井的开发,钻井事故及复杂情况的发生率越来越高。每年国内各大油田都不同程度地发生卡钻、掉牙轮、钻具断落等钻井工程事故,而这些事故与近钻头处工程参数的变化密切相关。因此,实时监测钻井工程参数的变化可以有效地防止此类事故的发生。近年来,国内不少研究机构相继开发了 统,但总体水平参差不齐,与国外技术相比仍有较大差距,且测量参数以地层特性参数为主,缺少对钻井工程参数的测量技术。本文介绍的井下工程参数随钻测量仪器,能够测量并实时传输出井下真实的钻压、扭矩,振动、温度、内外泥浆压力等工程参数,为钻井工程师准确快速地调整钻进参数、改变钻井方式、科学安全钻井提供实时依据,从而达到科学无风险钻井的目的。1 系统组成井下工程参数随钻测量仪由两大部分组成,第一部分为数据采集和处理电路,用来测量出井下的相关参数。第二部分为脉冲发生器,把采集的数据通过泥浆脉冲实时传输到地面部分。传感器和信号调理电路 温度测量采用 片,该芯片为两线制数字温度传感器,其精确度可以达到 工作环境温度为:125℃; 装。内外泥浆压力测量采用美国霍尼西尔公司专门用于油田随钻测量的型号压力传感器,该传感器体积小,耐高温(一40℃ ~+148℃) ,最大量程为15000动测量采用美国 司生产的高性能602 加速度传感器,该传感器也具备井下环境工作的特点,体积小,耐高温(一 54℃ ~+121℃) ,最大量程为 500 个 变片贴在专门设计的测量筒上,由专线引至电子仪器仓内。由于井下环境十分复杂和恶劣,测量出的信号很微弱(毫伏级)且噪声很大,不易处理。为解决这一问题,采用锁相放大技术对其进行处理,利用相关原理从巨大的噪声里提取该信号,然后用仪表放大器(行多级放大,使输出电压达到O~便单片机采集和处理。井下数据采集设备单片机采用美国 司的 51 系列单片机——集成了 16 位的 Σ 换器,具有一定范围的输入程控放大功能,能够适应较宽的输入信号范围,可以简化电路设计和减小单片机的体积,便于井下测量系的设计 [1]。井下数据采集流程见图 1。传感器信号调理单片机软件软件系统功能设计包括2个主要模块:①系统初始化模块,其作用是设置系统运行环境、初始化各参数;②实时中断处理模块,包括系统监视中断和定时中断,前者在系统程序受扰“跑飞”时能自动恢复系统,后者完成系统工作状态的数据采集、处理和传输 [2]。软件系统的工作流程见图2. 传输系统无线 传输通道的不同分为泥浆脉冲、电磁波和声波 3 种方式。在研制井下工程参数随钻测量仪时,采用美国 司的旋转阀式脉冲发生器,与自行研制的电子测量短节配套,用锂电池组供电,组成一种新型 线随钻测量系统——转阀定向测量系统 [3]。该系统是地面装置与井下仪器之间传输信息的关键设备,它通过瞬态改变井眼中钻井液的压力,发射包含测量信息的泥浆脉。2 关键技术井下环境十分恶劣和复杂,振动剧烈约 200 ,且压力也高达近百个兆帕,2压及强烈振动等情况下工作,这也是技术难点。系统初始化开始启动 抗高温措施仪器工作在井下,随着井深的增加,井底温度不断升高(一般在 125 ℃左右,有时更高) 。为保证仪器在高温下仍能正常工作,元器件全部使用耐高温、低功耗的军品器件,并采用可靠性降额设计,确保其承受的电应力和温度应力低于设计额定值,延缓参数退化,增加工作寿命 [4]。抗振动措施为了提高井下电路的抗振动性能,电路板安装结构采用了合理的机械设计,确保电路板与仪器外筒之间无相对运动、元器件接触良好。同时,利用随钻测量仪器的振动传感器实时监测仪器振动情况,使测量值更接近于真实数值 [4]。供电部分井下工程参数测量仪供电系统采用耐高温、高能锂电池,通过 C(电压转换电路)转换成各部分需要的电压。在不影响数据采集的前提下,对放大电路板及传感器电路实行间歇供电,即需要采集数据时供电,数据采集完成后立即停止供电,平均工作电流只有几十毫安,电池组井下工作时间为 150 h 左右,其工作时间大大延长。 4 结束语系统经实验室多次实践,在实验室内效果良好,由于采用了 性能单片机作为系统核心,硬件结构得到简化,功耗较低,性能稳定,实时性好,有较高的可靠性和抗干扰能力。在实验过程中也发现一个问题,就是泥浆脉冲传输的速率很慢,约有几个在空气钻井中该仪器不能应用,所以我们正试图用电磁波传输方式来代替泥浆脉冲,可以高速传输井下数据,达到真正的实时传输。参考文献[1] 孟耀华. 基于 钻井压力数据采集系统 . 单片机与嵌入式系统应用,2007,10(2):45] 胡泽,赖欣,顾三春,等. 基于西南石油学院学报,2006,28(4):94] 李军,马哲,杨锦舟,等. 一种新型的 006,02(30):30] 肖红兵,马哲,李闪. 随钻自然伽马井下测量仪器的研制. 石油仪器,2002,16(2) :15~17作者简介:王银生(1983—) ,男,中国石油大学(华东)油气井工程在读硕士研究生。联系电话:(0546)最好提供座机号(大号) ,15954666211,讯地址:山东省东营市北一路 827 号钻井工艺研究院自动化所。WD of is of of is is to
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