深水固井循環(huán)溫度的測量方法及裝置設(shè)計

馮穎韜 溫達(dá)洋 宋茂林 崔策(中海油服油田化學(xué)研究院，河北 三河 065201)

0 引言

目前，深水區(qū)已成為全球油氣勘探的熱點，也是全球油氣儲量和產(chǎn)量增長的重要領(lǐng)域之一[1]，井下泥漿循環(huán)溫度是保證固井作業(yè)安全和固井工程質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一，直接影響固井水泥漿配方，水泥漿凝固強(qiáng)度和候凝時間等[2-5]。特別對深井而言，水泥漿性能對溫度十分敏感，溫度測量偏低會嚴(yán)重縮短水泥漿可泵送時間，易引發(fā)固井事故，溫度測量偏高會延長候凝時間[6]，甚至可能發(fā)生超緩凝，水泥柱頂部十天以上都無強(qiáng)度，延誤后續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)。因此，準(zhǔn)確測量井下泥漿循環(huán)溫度非常重要。

1 總體設(shè)計

深水固井循環(huán)溫度投測儀(圖1)，也稱為井下循環(huán)溫度測量記錄儀(DTM，Downhole Temperature Measuring instrument)是一款專門用于記錄井底泥漿循環(huán)溫度的儀器。儀器選用AD公司的高精度數(shù)字溫度傳感器，13/16位轉(zhuǎn)換精度，并具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性。儀器的總體功耗較低，只有0.2W，存儲容量高達(dá)64M bit，可在井下連續(xù)工作350h以上。DTM設(shè)計了加長、加重短節(jié)、減振短節(jié)、測量短節(jié)、提升短節(jié)，還專門設(shè)計了溫度快速傳導(dǎo)塊等，有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。

圖1 深水固井循環(huán)溫度投測儀的組成

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 核心測溫部件設(shè)計

核心測溫部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括：電池短節(jié)、電路的封裝、電路骨架設(shè)計、傳感器的設(shè)計與封裝。

電池選用美國EI公司的井下專用高溫鋰電池，電池額定電壓7.2V，額定電量15Ah，具體尺寸如圖2所示。

圖2 高溫鋰電池尺寸

電路板制作完成后，設(shè)計專用的灌封模具，使用灌封機(jī)抽真空的方式對電路板灌封硅膠，便于電路板的保護(hù)和安裝，灌封后電路板的形狀和尺寸，分別如圖3、圖4所示。

圖3 電路灌封后形狀示意圖

圖4 電路板灌封后的尺寸圖

2.2 儀器外殼設(shè)計

儀器外保護(hù)筒使用17-4沉淀硬化不銹鋼材料，整體壁厚6.5mm，兩端采用PARKER O圈密封，保證儀器承壓密封140MPa的壓力不產(chǎn)生塑性變形，如圖5所示。

圖5 儀器外保護(hù)筒設(shè)計圖

加長、加重短接的設(shè)計，主要考慮儀器在不同泥漿密度條件下投測時儀器到底的速度和時間。短接采用相同長度、相同螺紋接頭的形式根據(jù)不同的泥漿環(huán)境連接不同數(shù)量的加重短接，根據(jù)不同的井斜連接不同數(shù)量的加長短接，如圖6、圖7所示。

圖6 加重短節(jié)

圖7 下接頭(引斜)

3 電路系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電路部分總體設(shè)計

電路系統(tǒng)設(shè)計要求：低功耗和高可靠。

低功耗：為保證系統(tǒng)在井下的工作時間，整個系統(tǒng)采用了低功耗設(shè)計，通過優(yōu)化電源電路、改進(jìn)軟件結(jié)構(gòu)、選取低功耗芯片來實現(xiàn)。高可靠性：為了在井下惡劣環(huán)境保證系統(tǒng)正常工作，進(jìn)一步完善了系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，主要采用了選用耐高溫芯片、增加過流保護(hù)電路等設(shè)計方法來實現(xiàn)。

電路設(shè)計采用了采集板與傳感器板獨立設(shè)計，如圖8所示。采集電路板尺寸：108*25mm，傳感器板尺寸：22*15.6mm。

圖8 采集板和傳感器板的PCB設(shè)計圖

采集板主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、RTC時鐘、Flash存儲、電源、UART通訊、I2C通訊等部分組成，如圖9所示。傳感器板的核心器件是AD公司的某款數(shù)字溫度傳感器，該溫度傳感器能夠進(jìn)行快速溫度采集，并且能夠達(dá)到16位轉(zhuǎn)換精度。

圖9 硬件框圖

3.2 高溫鋰電池選用

儀器選用EI公司的高溫鋰電池供電。兩節(jié)電池串聯(lián)，額定輸出7.2VDC，額定電流100mA，電池外徑25.4mm。

圖10所示為鋰電池的放電曲線，電池輸出電壓始終保持在3.6V左右，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池電壓下降時，說明電池電量接近耗盡狀態(tài)，如若繼續(xù)放電，電池的輸出電壓將迅速降低。

圖10 鋰電池放電曲線

鋰電池的容量為15Ah，本項目設(shè)計的采集電路工作電流約為30mA，則鋰電池在充滿電的情況下，可以連續(xù)工作時間為：15Ah/30mA=500h。通常地，深井在3000～4000m左右，起鉆速度200～600m/h，則根據(jù)不同情況，每次入井作業(yè)時間在10～20h之間。按照投測儀每次入井作業(yè)時間10h計算，則理論上可作業(yè)50次；按照每次入井作業(yè)時間20h計算，則理論上可作業(yè)25次，極大降低了單次作業(yè)的成本。

4 投測儀的現(xiàn)場試驗

投測儀新疆區(qū)塊分別在井深2000m和3000m的兩口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗測試。試驗結(jié)果如圖11、圖12所示，本文設(shè)計的投測儀在實際測井工作中，各項性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求，投測儀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、測溫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。測井試驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，可以獲得溫-深數(shù)據(jù)曲線。

圖11 2000m井深的測井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)果曲線

圖12 3000m井深的測井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)果曲線

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種深水循環(huán)溫度投測類儀器，可準(zhǔn)確測量固井前循環(huán)期間的循環(huán)溫度，指導(dǎo)現(xiàn)場固井水泥漿設(shè)計。本文設(shè)計的投測儀無需電纜，操作簡便，可直接投入到鉆柱中，自動記錄當(dāng)前時間與溫度信息。本文設(shè)計的投測儀通過現(xiàn)場試驗驗證各項性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，測溫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。測井試驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，可以獲得溫-深數(shù)據(jù)曲線，為固井水泥漿設(shè)計提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。