一種伸縮測量裝置的研制

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(中國電子科技集團有限公司第二十二研究所 河南 新鄉 453003)

·開發設計·

一種伸縮測量裝置的研制

張必波，孫剛，王振

(中國電子科技集團有限公司第二十二研究所 河南 新鄉 453003)

鉆輸式水平井測井中，測井儀剛性連接在鉆桿末端，儀器下放時一旦遇阻且無預警，繼續下放測井儀有破壞或脫落的風險。為提高鉆輸式水平井測井的安全性，研制了有遇阻預警功能的伸縮測量裝置。該裝置通過一套行程轉換機構，在井下儀較小的內部空間內，實現了大伸縮量的準確測量，并通過電磁波將伸縮量傳輸到鉆臺上的顯示器上，幫助司鉆判斷儀器下放狀態。儀器一旦遇阻，伸縮量發生變化，顯示器產生預警，提醒司鉆采取必要的應對措施，有效地提高了測井的安全性。

預警；伸縮量；測井；測量；水平井

0 引 言

水平井測井過程中，在水平段內不能依靠自重將儀器送入待測井段。為滿足測井要求，出現了鉆桿輸送和泵入兩種較為常用的儀器輸送方法[1]。但以上方法都采用電纜傳輸數據，施工工藝較為復雜，在特殊井段成功率不高。為提高測井成功率，無電纜存儲式測井[2]系統應運而生，大大提高了水平井測井的成功率和時效性。

SEMLS-1000存儲式測井系統井下儀通過過渡短節將儀器串與鉆桿剛性連接，用鉆桿作為傳輸設備將測井儀送入待測地層后，上提完成測井作業。測量數據存儲在儀器內部存儲器中，測量完畢后由專門的設備將數據讀出，再用計算機軟件進行處理。由于是剛性連接，向下輸送儀器過程中，司鉆如果不能監視到儀器的下放狀態，一旦遇阻并繼續下放鉆桿，輕則損毀測井儀器，嚴重的可能會造成設備落井，造成無法挽回的損失。針對上述問題，研制具有遇阻預警功能的伸縮測量裝置，對提高測井安全性具有重要意義。

伸縮測量裝置通過檢測其前端伸縮機構的伸縮量，判斷儀器在下放過程中是否遇阻。實際測井過程中，不改變常規測井儀器串的連接順序，將伸縮測量裝置安裝在儀器串的最末端。在儀器下放過程中，伸縮量不發生變化，則工況正常；如若伸縮量發生變化，則通過電磁波傳輸及時上傳變化量，發出預警，提醒司鉆采取必要措施，大大提高了測井的安全性。本文著重介紹伸縮測量裝置的結構原理和實現方法。

1 研制重點

伸縮測量裝置的作用就是要讓司鉆能全程監測儀器的下放狀態，一旦儀器串遇阻時能及時預警，保證測井安全。因此，以下幾點為該儀器研制內容的重中之重：1)伸縮行程要足夠大，保證司鉆有足夠的反應時間；2)伸縮力要合理，保證儀器不能出現誤報；3)測量精度要滿足需求，反應及時；4)測量機構結構合理，設計緊湊，外徑與常規測井儀器保持一致。

結合水平井測井施工的實際情況，提出了儀器必須滿足的性能指標：1)儀器主體外徑：Φ89 mm；2)最大伸縮行程：不小于500 mm；3)壓縮力：壓縮行程300 mm時，不小于5 000 N；4)測量范圍與精度：測量范圍：0～500 mm；測量精度：≤±25 mm。

2 研制方案

2.1 系統組成

如圖1所示，該裝置由主要由伸縮機構、測量機構和壓力平衡機構三部分組成。伸縮機構是該裝置的執行機構，用來保證伸縮的行程和圧縮力的大小；測量機構將伸縮機構的伸縮量轉換為電位器的電信號；壓力平衡機構保證測量機構在150 MPa的環境壓力下，測量機構的零部件能自由動作。

圖1 伸縮測量裝置系統組成

2.2 伸縮機構設計

根據實際的應用需求，伸縮測量裝置的最大可測行程為500 mm，并且壓縮行程300 mm時，不小于5 000 N。考慮到用單支彈簧來提供所需的壓縮行程和力，彈簧的加工難度，特別是壓縮行程的測量難度都比較大。因此這里采用圖2所示的結構形式，該機構主要包括兩支彈簧、導向桿和導向膠錐。導向膠錐裝在機構的最前端，用來尋找井眼軌跡，為整串儀器起到導向作用。將2支設計參數完全相同的彈簧串聯在導向桿兩側，在忽略彈簧制造誤差的情況下，儀器遇阻時兩端將同時壓縮，并且兩端壓縮量相等。這樣就可以通過測量單支彈簧的壓縮行程，計算整支儀器的伸縮量。

由于彈簧的壓縮行程和所需提供的壓縮力都比較大，這里采用大剛度的普通圓柱螺旋壓縮彈簧，按Ⅲ類壓縮彈簧計算。彈簧工作區域按全變形量的80%計算，預壓縮量按壓縮行程的10%計算。為保證彈簧在耐腐蝕、壽命長，彈簧作表面鍍硬鉻處理。

圖2 伸縮機構原理圖

2.3 測量機構設計

單支彈簧的壓縮行程變化范圍在0～250 mm之間。由于變化范圍過大，必須通過有固定幾何關系的轉換機構，將測距縮小到電位器的可測范圍內。電位器阻值與伸長量是線性的，刻度后通過測量電位器電壓算彈簧的壓縮行程。

這里采用井徑臂[3]與斜面組合的機構進行行程轉換。為減小井徑臂與斜面間高副接觸的摩擦力，在井徑臂端部鉸接一滾輪。如圖3所示：斜面延軸線向前推進，時刻保證井徑臂端部的滾輪緊貼斜面；隨著井徑臂與水平軸線間角度的變化，井徑臂下端圓弧繞機架處鉸點旋轉，并推動電位器測量軸平移。

圖3 測量機構原理圖

根據圖2 中的幾何關系，推導出斜面延軸線的位移變化量Δs與電位器測量軸位移變化量Δx的數學關系：

(1)

根據儀器外徑要求，這里取初始值：l=54 mm、α0=33.11°、β=7°和r=13 mm，Δx∈[0,7.79]。Δx與Δs的變化關系如圖4所示。

圖4 Δx-Δs變化曲線

綜上，實際測井過程中，一旦儀器遇阻，Δs將在0～250 mm之間變化。這時通過以上轉換機構，得到電位器的電壓差。然后通過電壓差，計算得到電位器觸桿的伸縮行程Δx，再通過式(1)的轉化關系，得到伸縮結構的壓縮行程并通過無線通信系統，上傳到司鉆面前的顯示器上。通過采用高精度的電位器，并保證該機構結構件的加工精度，可以有效地提高該裝置的測量精度。

2.4 壓力平衡機構設計

隨著測井儀在井眼內推進，由泥漿的自重產生的環境壓力[4]，迫使電位器觸桿向儀器內部收縮，破壞了測量機構正常的工作狀態。為平衡電位器觸桿兩端的環境壓差，采用了以硅油為介質的壓力平衡機構[5]。同時，硅油的體積會隨溫度和壓力的變化而發生變化，因此必須綜合考慮這兩個因素對壓力平衡機構的影響。如圖5所示，綜合考慮溫度和壓力對硅油體積的影響，以柱塞作為壓力隨動部件，配合溢流閥共同完成內外壓力的調節。

圖5 壓力平衡機構

3 結 論

通過分析鉆輸存儲式水平井測井工藝中的存在的問題，提出了伸縮測量裝置研制的必要性。結合實際工況，分析了該裝置設計的重點，并詳細闡述了伸縮機構、測量機構和壓力平衡機構的設計內容。通過該裝置的應用，可以有效地幫助司鉆判斷儀器的下放狀態，大大提高測井的安全性。該裝置已在新疆、鄂北等地裸眼井常規測井中得到了應用，并取得了滿意的效果。

[1] 馬建中，祁振萍，相九濤.水平井測井儀器輸送方法[J].石油儀器，2004,18(3):40-43.

[2] 黎澤剛，葛 祥，徐炳高，等.存儲式測井技術在川西水平井中的應用[N].工程地球物理學報，2015-7-12(4).

[3] 梅彥利，王 炯，劉少武.四臂式雙井徑測井儀的研制與應用[J].石油機械，2010,38(6)：38-40.

[4] 田文鶴，周 靜.一種井下壓力監測系統的設計和實現[J].石油儀器，2010,24(6):7-8.

[5] 中國電子科技集團公司第二十二研究所.SDZ-3011B輔助測量裝置使用維修手冊[Z].2005.

DevelopmentofaMeasuringToolforFlexQuantity

ZHANGBibo,SUNGang,WANGZhen

(The22ndResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Xinxiang,Henan453003,China)

Logging tools are connected rigidly to the end of the drilling pipes in some horizontal drilling wells logging. Once the tools were blocked in the descent procedure without early warning，they may run the risk of damage or drop down the well. A measure tool for flex quantity with warning function was developed in order to improve the security of this logging procedure. This tool can measure large flex quantity accurately by a switching mechanism in its internal small space. And then flex quantity information which will help drillers to determine whether the tools could be descent continually, can be transmitted to display device on the drill floor by electromagnetic waves. Once logging tools were blocked, flex quantity were changed and warning can immediately remain drillers to take the necessary measures which can effectively improve the security of logging.

early warning; flex quantity; logging; measurement; horizontal drilling wells

張必波，男，1986年生，工程師，2011年畢業于哈爾濱工程大學機械制造及其自動化專業，現從事石油測井儀結構設計工作。E-mail：dongergui@163.com

P631

A

2096-0077(2017)06-0026-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.007

2017-03-20

屈憶欣)