鉆具振動短節的工具研究

王帥 于懷彬 賀越騰 董宏政 郭科佑

摘 要：鉆井過程中鉆具振動參數的測量，有助于了解井底鉆具的工作狀態，并掌握井下鉆具的實際工作鉆壓、扭矩、溫度等參數，從而可以優化鉆具組合、改善施工參數，以達到提高鉆速、減少事故發生的目的。完成了存儲式底部鉆具振動測量短接的總體設計方案，并針對施工過程中存在的問題，對工具的結構進行了優化改進，設計更加合理，提高了工具使用壽命。

1 底部鉆具振動測量技術簡介

隨著石油勘探開發的不斷深入，地層結構越來越復雜，深井、超深井和高溫、高壓井以及大斜度水平井等特殊復雜井越來越多，事故及復雜情況的發生率越來越高。在鉆井過程中，鉆壓、扭矩、溫度、振動、內外泥漿壓力等工程參數的測量顯得十分重要。

鉆壓在一定程度上決定了鉆進速度的快慢，鉆壓對下部鉆具結構的運動狀態、屈曲及其它性能具有重要的影響。在工作過程中，由于鉆柱在彎曲的井眼中與井壁接觸，鉆柱與井壁之間產生摩擦，使得鉆頭真實鉆壓與鉆臺指重表指示鉆壓有較大的偏差。通過借助井下工程參數測量系統開展水平井、大位移井中井底實際鉆壓、摩阻研究，定量分析鉆壓對底部鉆具組合的影響，可以更好地指導現場施工。

同時鉆柱內外壓差與其它鉆井參數的測量可以預報井下一些不正常的問題，及時采取措施補救，還可以進行鉆井水力學研究。環空壓力測量的主要目的是有助于將當量循環密度和當量靜液密度保持在地層破裂壓力梯度、孔隙壓力梯度和井眼穩定壓力梯度窗口內。井下環空壓力正在成為所有鉆井工藝過程的標準測量參數，井下環空壓力的測量能準確地控制鉆井過程，減少和消除井下復雜情況及事故，縮短鉆井時間，提高鉆井速度。

同時在鉆井過程中，鉆柱及鉆頭的振動對鉆井效能有較大的影響，特別是在深井硬地層中鉆進，嚴重的井下振動可能造成鉆頭先期損壞、鉆柱發生疲勞破壞、無法正常鉆進、轉速受到限制等情況的發生。利用井下工程參數測量系統的實際測量數據，可以分析研究鉆柱振動規律和特征，引起振動的各種原因，解釋一些振動現象，檢驗振動控制措施的效果和合理性、各振動計算模型的實用性。

因此，在鉆進過程中對井下工程參數進行實時測量具有重要的意義。

2 底部鉆具振動工具的設計

底部鉆具振動工具的總體結構如圖1所示，工具由測量本體、應變室、電源板腔室和高溫電池室組成。測量本體是由無磁鉆鋌加工而成，目的是在井下測量時消除地磁場對MWD測量結果的影響。在測量本體的同一個橫截面上對稱設計三個應變室，三個應變室的作用主要是測量壓力、扭矩，通過將應變片貼在三個應變室的邊緣，構成應變電橋測量電路，將測得的電壓信號調理之后，輸出至數字板采集端，振動、壓力和溫度的測量通過相應的測量單元實現。三個電路板腔室主要目的是存放數字采集板、系統電源板、信號調理板以及振動傳感器;振動傳感器安裝在偏心位置，電源板主要是給測量系統統一供電，信號調理板主要作用是將傳感器采集到的信號進行放大、濾波處理等操作;數字采集板是用來采集信號調理板調理之后的傳感器信號，并且將采集到的數據存儲在FLASH塊中，方便后期讀取和處理。電路板腔室之后連接高溫供電電池，以實現對整個系統的供電。

底部鉆具振動短節測量參數如表1所示，在150℃高溫下穩定工作時間長達410小時的工作，測量誤差小于1%。

2.1 壓力、溫度測量方案

壓力傳感器的測量主要是通過應變片在力的作用下會產生形變，如果利用多組應變片組成應變片電橋電路，通過調理電路，將應變片的電壓變化轉化為真實的壓力值，就可以測量井下的壓力數值。

應變室結構如圖2所示，鉆壓測量應變片粘貼在應變室的側壁上，扭矩測量應變片粘貼在應變室的底面壁上。應變室之間有對稱分布的導線通孔相互連通，便于應變片的連線從而組成應變測量全臂電橋，應變室采用螺紋圓蓋板密封，從而實現保護測量橋路的目的。

2.2 改變內壓和外壓的測量方式

設計中內壓取壓點選在通訊活塞環的下端面處，外壓取壓點位于測量本體上，在本體上開孔安裝壓力傳感器測量環空壓力，避免傳感器的磨損，且壓力讀取簡便、直接，測得的數值更準確。

3、測量系統的溫度與振動測試

3.1 溫度測試

測試測量系統溫度測試的目的是檢測在高溫環境下的工作穩定性情況，確保測量系統能夠滿足井下高溫條件下長時間穩定工作的要求。

測試的圖片如圖4所示，在測試過程中，務必保持信號發生器的輸出電壓為28.8V，若過高或過低都將損壞電路板。同時注意在高溫測試結束之后，不要急于拿出電路板，待冷卻至常溫后，在戴上手套取出電路板，以防燙傷以及損壞電路板。測量電路系統在高溫烘箱中在150℃環境井下工作24小時，完整記錄了實驗過程中的信號曲線。測試證明，項目所研究的底部鉆具振動測量電路系統符合研究指標，可以在150℃環境中工作。

3.2 振動測試

測量系統振動測試的目的是檢測系統在強振動情況下能否正常穩定的工作，在強振動條件下，測量系統能否繼續穩定的工作也是測量系統的重要指標之一。

實驗過程中，分別設定了X、Y軸各測10g和20g，Z軸測10g、20g、30g;實驗過程中，底部鉆具振動測量電路系統記錄了振動傳感器的測量數據，如圖所示。試驗證明，底部鉆具振動測量電路系統抗震能力超過20g，能夠滿足井下工作要求。

4 結論

底部鉆具振動測量短節的研制，對鉆井施工參數的優化及工況的提高具有很大意義，根據其測得的井下鉆壓、扭矩、振動、壓力等參數，可以改善井下鉆具的工作狀態，提高鉆井速度，減少施工復雜的發生。設計的底部鉆具振動短節，具有測量參數多、測量精度高的優點，且通過對電路系統的高溫測試、振動測試，充分證明了所設計制造的測量短節能夠滿足現場工況要求。下一步就是進行工具的現場試驗，驗證其對現場施工參數的指導意義。

參考文獻：

[1]姚永漢，狄勤豐，朱衛平， 底部鉆具組合的渦動特征分析.石油鉆探技術，2010.38（4）：84-88.

[2]諶德榮，韓肖軍，低功耗油田下壓力溫度測量儀器的設計[J].華北工學院測試技術學報，2000.14（3）：171-176.

[3]李子豐， 梁爾國.鉆柱力學研究現狀及進展[ J] .石油鉆采工藝，2008 ， 30（2）：1 -9 .

[4] 蘇華， 張學鴻， 王惠德.鉆柱力學發展綜述之三：鉆柱動力學[ J] .大慶石油學院學報， 1994 ， 18（3）：45-53 .

[5]韓春杰，閻鐵，深井鉆柱振動規律的分析與應用[J].天然氣工業，2005（9）：76-79

[6]李德葆， 張元潤.振動測量與試驗分析[ M] .北京：機械工業出版社， 1992-05 .

[7]劉進田，下部鉆具振動分析及計算.石油礦場機械，2013.42（3）：50-54