井下動力學(xué)測量工具研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議

劉 偉，王小鵬，王 旭，張 廷，白文雄，郭先敏

(1.中國石油長慶油田分公司 第七采油廠，甘肅 環(huán)縣745700;2. 中國石油長慶油田分公司 第七采油廠采油工藝研究所，甘肅 環(huán)縣745700;3. 中石油長慶油田分公司 第九采油廠，西安710000;4. 中國石油長慶油田分公司 老井側(cè)鉆與套損治理項目組，西安710000;5. 中國石油長慶油田分公司 機械制造總廠，西安 710201;6.中國石化勝利石油工程公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

在鉆井過程中，轉(zhuǎn)矩、彎矩、沖擊和振動等復(fù)雜的鉆井動力學(xué)特性會使機械鉆速大幅降低，嚴重情況下還有可能損壞鉆具和鉆頭，破壞井眼質(zhì)量，使鉆井成本成倍增加。因此，需要準確地了解井下鉆柱、鉆頭的動力學(xué)特性，預(yù)測底部鉆具組合和鉆頭的工作動態(tài)，以避免發(fā)生復(fù)雜事故。井下動力學(xué)測量是一種可有效減少井下故障的技術(shù)手段，通過井下動力學(xué)測量工具采集鉆進過程中的各種井下動力學(xué)數(shù)據(jù)，通過實時分析，有助于優(yōu)化鉆進參數(shù)，改善鉆進性能，提高鉆井效率。鉆后分析井下動力學(xué)數(shù)據(jù)，有助于區(qū)域鉆井井身結(jié)構(gòu)、底部鉆具組合和鉆頭切削結(jié)構(gòu)優(yōu)化。多年來，井下動力學(xué)測量工具的核心技術(shù)一直被國外大型油服公司所壟斷。近幾年，雖然國內(nèi)在該工具技術(shù)的許多領(lǐng)域已有突破性研究進展，但與國外工具技術(shù)，尤其在新的井下動力學(xué)測量工具技術(shù)方面相比，仍存在明顯差距。針對此問題，筆者對當(dāng)前井下動力學(xué)測量工具的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了梳理，并在對比國內(nèi)外工具技術(shù)差異的基礎(chǔ)上，提出了井下動力學(xué)測量工具的未來發(fā)展建議，以期為我國井下動力學(xué)測量技術(shù)及相關(guān)工具的發(fā)展提供一些新的思路。

1 國外井下動力學(xué)測量工具發(fā)展現(xiàn)狀

目前，井下動力學(xué)測量工具比較成熟，產(chǎn)品已成系列化，應(yīng)用效果較好的主要有Schlumberger、Halliburton、Baker Hughes和NOV等國外公司的產(chǎn)品。根據(jù)實測數(shù)據(jù)的采集與處理方式劃分，井下動力學(xué)測量工具可分為存儲式和傳輸式2種。存儲式工具在井下采集并存儲數(shù)據(jù)，起鉆后在地面進行數(shù)據(jù)回放和處理。傳輸式工具在井下采集的數(shù)據(jù)則實時傳輸至地面，進行記錄和處理分析。

1.1 存儲式井下動力學(xué)測量工具

1.1.1 Baker Hughes公司產(chǎn)品簡介

2013年，Baker Hughes公司推出了MultiSenseTMHD動態(tài)傳感器模塊[1-2]，軸向安裝在PDC鉆頭的公扣端，如圖1所示。該傳感器模塊現(xiàn)有?114.3 mm、?168.275 mm和?193.675 mm 3種尺寸，可以提供粘滑振動、渦動、跳鉆、扭轉(zhuǎn)振動、橫向振動、軸向振動和溫度的測試數(shù)據(jù)，為鉆后分析及后續(xù)施工方案優(yōu)化提供依據(jù)。采樣頻率500 Hz，連續(xù)采集時間200 h。該傳感器模塊記錄數(shù)據(jù)有后臺和突發(fā)2種工作模式，后臺模式計算并存儲軸向和橫向加速度計的平均值以及轉(zhuǎn)速的最大、最小和平均值，突發(fā)模式則以一定的時間間隔存儲記錄出現(xiàn)的高頻峰值數(shù)據(jù)。

圖1 MultiSenseTMHD動態(tài)傳感器模塊

2021年，Baker Hughes公司又推出了MultiSenseTM2.0動態(tài)傳感器模塊[3]，該傳感器模塊內(nèi)有三軸加速度計、單軸陀螺儀和溫度傳感器，從PDC鉆頭接頭外側(cè)安裝在接頭內(nèi)，如圖2所示。該傳感器模塊采用先進的傳感技術(shù)，可采集并記錄連續(xù)的三軸振動(±40 g)、沖擊(±200 g)、高達1 000 Hz頻寬的高頻扭轉(zhuǎn)振蕩(HFTO)、粘滑、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù)，采樣頻率>1 000 Hz，可存儲連續(xù)高頻(250～2 000 Hz)突發(fā)數(shù)據(jù)。連續(xù)采集時間200 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力103.425 MPa，適用于?149.2～?444.5 mm PDC鉆頭，無內(nèi)徑限制。MultiSenseTM2.0動態(tài)傳感器模塊也可安裝在短節(jié)/接頭內(nèi)，連接在鉆柱的任何位置。

圖2 MultiSenseTM2.0動態(tài)傳感器模塊

1.1.2 Schlumberger公司產(chǎn)品簡介

2014年，Schlumberger公司推出了OptiLog*測量工具[4]，如圖3所示。該工具配置有三軸加速度計、單軸磁力計和PT1000溫度傳感器，可測量并記錄沖擊(0～200 g)、振動(0～60 g)、轉(zhuǎn)速和內(nèi)部溫度等參數(shù)，采樣頻率1 024 Hz，連續(xù)采集時間200 h。鉆進結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)可輸入PERFORM Toolkit*數(shù)據(jù)優(yōu)化和分析軟件對鉆井性能進行優(yōu)化。該工具最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力172.375 MPa。目前有外徑171.45、209.55和241.3 mm 3種規(guī)格，長度分別為0.96、0.95和0.95 m。

圖3 OptiLog*測量工具

同年，Schlumberger公司還推出了IDart測量工具[5-6]，該工具配置有三軸加速度計、單軸陀螺儀和溫度傳感器，可測量并記錄井下溫度、轉(zhuǎn)速、橫向振動、軸向振動及高頻扭轉(zhuǎn)振蕩(HFTO)等參數(shù)，采樣頻率高達2 048 Hz，連續(xù)采集時間120 h。目前，該工具主要有2種規(guī)格(如圖4)，即，長0.558 8 m

圖4 IDart測量工具

的Idart鉆頭接頭、長1.1176 m的Idart鉆柱短節(jié)。現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該工具與基于時間的動態(tài)模擬系統(tǒng)配合使用，有助于研發(fā)工程師更好地了解并解決井下動力學(xué)問題。

1.1.3 Halliburton公司產(chǎn)品簡介

2018年，Halliburton公司推出了CerebroTM鉆頭動態(tài)記錄儀[7-8]，該記錄儀軸向安裝在PDC鉆頭接頭內(nèi)，如圖5所示。該記錄儀配有13個傳感器，包括三軸加速度計(±200 g)、三軸磁力計、三軸陀螺儀、三軸測斜儀和溫度傳感器，可測量并記錄振動、轉(zhuǎn)速、井斜、溫度和磁場強度等參數(shù)，采樣頻率1 000 Hz，連續(xù)采集時間150 h。

圖5 安裝有CerebroTM鉆頭動態(tài)記錄儀的PDC鉆頭

2020年，Halliburton公司又推出了Cerebro ForceTM鉆頭傳感器模塊[9]，該傳感器模塊安裝在PDC鉆頭接頭上，如圖6所示。該傳感器模塊采用先進的Cerebro ForceTM In-Bit傳感技術(shù)，可測量并存儲三軸沖擊(±200 g)、三軸振動(±8 g)、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度和磁場強度等參數(shù)，從而能夠計算輸出機械比能、渦動半徑和頻率、粘滑嚴重度和扭轉(zhuǎn)振動的數(shù)據(jù)，以此為高效、精確的鉆井提供新的設(shè)計和優(yōu)化參數(shù)。該模塊的采樣頻率為1 000 Hz，連續(xù)采集時間100 h，最高工作溫度130 ℃，最大工作壓力137.9 MPa，適用于?200.025～?311.15 mm PDC鉆頭，無內(nèi)徑限制。

圖6 安裝有Cerebro ForceTM鉆頭動態(tài)

1.1.4 Sanvean Technologies公司產(chǎn)品簡介

2019年，Sanvean Technologies公司推出的CuBIC○R3G鉆井動態(tài)記錄儀[10]設(shè)計緊湊，有BHA&鉆柱CuBIC(直徑19.05 mm、長度147.32 mm)和近鉆頭CuBIC PuK(直徑47.498 mm、長度28.448 mm)2種類型(如圖7)，安裝在現(xiàn)有的BHA/鉆柱工具和鉆頭中，可采集并記錄三軸振動(±16 g，采樣頻率25～100 Hz)、三軸沖擊(±200 g，采樣頻率800 Hz)、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù)。利用Gamechanger軟件平臺與地面數(shù)據(jù)結(jié)合，有助于鉆后分析并進行鉆井性能優(yōu)化，從而達到降本增效的目的。該記錄儀最高工作溫度175 ℃，最大工作壓力103.425 MPa，連續(xù)采集時間200 h，適合安裝在外徑120.65～244.475 mm的工具中。

圖7 CuBIC○R3G動態(tài)傳感器模塊

2021年，Sanvean Technologies公司又推出了CuBIC○RHF高頻鉆井動態(tài)記錄儀[11]。該記錄儀有CuBIC HF和PuK HF 2種類型，尺寸和外形與BHA&鉆柱CuBIC和近鉆頭CuBIC PuK相同，安裝在現(xiàn)有的BHA/鉆柱工具和鉆頭(CuBIC HF@鉆頭中心線、PuK HF@鉆頭接頭)中，可采集并記錄高頻連續(xù)三軸沖擊(±200 g，采樣頻率800～1 600 Hz)和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。該記錄儀最高工作溫度150 ℃(160 ℃可選)，最大工作壓力103.425 MPa，連續(xù)采集時間150 h@800 Hz、連續(xù)采集時間100 h @1 600 Hz。

1.1.5 NOV公司產(chǎn)品簡介

2020年，NOV公司推出的BlackBox Eclipse II 井下測量工具[12]，是BlackBox Eclipse鉆井動態(tài)存儲式測量工具的升級版(如圖8)，在測量精度、分辨率、采樣頻率等方面都有很大提升。該工具配置有三軸加速度計、陀螺儀和溫度傳感器，可采集并存儲三軸振動(±200 g)、轉(zhuǎn)速和溫度等數(shù)據(jù)，連續(xù)高頻數(shù)據(jù)分析有助于提高鉆井效率，為客戶處理鉆井難題提供定制化的解決方案。采樣頻率：低g加速度的轉(zhuǎn)速和溫度數(shù)據(jù)100 Hz，高g加速度數(shù)據(jù)1 500 Hz。該傳感器模塊最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa，存儲容量8 GB，連續(xù)采集時間120 h。適合安裝在外徑120.65～241.3 mm的BlackBox短節(jié)/接頭中，并可在BHA或鉆柱中靈活布置。

圖8 BlackBox Eclipse II動態(tài)傳感器模塊

2021年，NOV公司又推出了BitIQTM鉆頭傳感器模塊[13]。該模塊包括三軸(軸向、切向和橫向)加速度計、單軸陀螺儀和溫度傳感器，安裝在PDC鉆頭接頭璧上，如圖9所示。該傳感器模塊可采集并記錄三軸振動(±120 g)、轉(zhuǎn)速和井下溫度等數(shù)據(jù)，為鉆后分析及鉆進參數(shù)優(yōu)化和最佳方案實施提供依據(jù)，主采樣頻率128 Hz，存儲容量16 MB，連續(xù)采集時間200 h，外徑42 mm，最高工作溫度125 ℃，最大工作壓力103.425 MPa。

圖9 安裝有BitIQTM鉆頭傳感器模塊的PDC鉆頭

1.2 傳輸式井下動力學(xué)測量工具

1.2.1 Schlumberger公司產(chǎn)品簡介

2015年，Schlumberger公司推出了OptiDrill測量工具[14-16]，如圖10所示。該工具配置有應(yīng)變儀、加速度計、磁力計、陀螺儀和PT1000溫度傳感器，不僅可實時采集軸向振動(0～31.75 g)、橫向振動(0～63.5 g)、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速和連續(xù)井斜等參數(shù)，而且還可捕獲頻率為50～2 000 Hz連續(xù)數(shù)據(jù)的長持續(xù)時間，有利于施工人員詳細了解鉆井系統(tǒng)的狀態(tài)和響應(yīng)，采樣頻率高達10 kHz，信道數(shù)量19個，存儲容量200 MB(250 h@低頻0.5 Hz)(可配置)、1 500 MB(140 h@高頻50 Hz)。這些數(shù)據(jù)通過IntelliServTM有線鉆桿高速遙測網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至地面，與地面測量值結(jié)合在一起，并在儀表盤上實現(xiàn)了可視化。某直井眼擴眼器隨鉆擴眼鉆進過程中，20 min內(nèi)發(fā)生數(shù)次的低級別扭轉(zhuǎn)振動向前旋渦動轉(zhuǎn)變的示例如圖11所示。井下數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)結(jié)合分析后，有助于施工人員進行鉆井優(yōu)化，從而提高鉆井性能和效率，達到降低成本的目的。該工具最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力206.85 MPa。目前有外徑175 mm和233.1 mm 2種規(guī)格，長度分別為2.99 m和3.51 m。

圖10 OptiDrill測量工具

圖11 低級別扭轉(zhuǎn)振動向前旋渦動轉(zhuǎn)變示意圖

1.2.2 Nabors公司產(chǎn)品簡介

2015年，Nabors公司推出了業(yè)內(nèi)長度最短(帶電阻率總長僅為10.06 m)的AccuSteer○RM/LWD工具[17]，如圖12所示。該工具采用模塊化設(shè)計，結(jié)合了智能遙測(鉆井液脈沖+電磁)技術(shù)，在復(fù)合鉆進和滑動鉆進時可以改變數(shù)據(jù)序列，利于提高測量數(shù)據(jù)質(zhì)量，并保持導(dǎo)向性的高度控制。該工具最高工作溫度175 ℃、最大工作壓力137.9 MPa，連續(xù)采集時間>500 h，可測量定向數(shù)據(jù)、近鉆頭連續(xù)井斜、方位伽馬、鉆井動態(tài)數(shù)據(jù)(鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩和瞬時狗腿嚴重度，50 Hz)、井下轉(zhuǎn)速(Max/Min/Avg轉(zhuǎn)速和粘滑指數(shù)，500 Hz)、隨鉆壓力(環(huán)空壓力、井眼壓力、井底壓差、當(dāng)量循環(huán)密度和當(dāng)量靜態(tài)密度，17 Hz)、沖擊和振動(最大沖擊加速度500 g、最大振動加速度20 g，15～1 000 Hz)和傳播電阻率。

圖12 AccuSteer○RM/LWD工具

1.2.3 NOV公司產(chǎn)品簡介

2017年，NOV公司推出了BlackStreamTM工具系列，包括BlackStreamTMASM(沿鉆柱測量)工具、BlackStreamTMEMS(增強測量系統(tǒng))井下測量工具和BlackStreamTMMWD工具。

BlackStreamTMASM工具[18-20](如圖13)與IntelliServTM有線鉆桿相連，并按固定間隔嵌入在鉆柱上，可以提供沿井筒鉆井環(huán)境的完整視圖。BlackStreamTMASM工具配置有雙軸橫向加速度計、雙軸切向加速度計、單軸軸向加速度計、單軸陀螺儀、壓力傳感器和溫度傳感器，可以實時測量橫向振動(±120 g)、扭轉(zhuǎn)振動(±5 000 rad/s2)、軸向振動(±35 g)、轉(zhuǎn)速、內(nèi)/外部壓力和溫度等參數(shù)，采樣頻率256 Hz，信道數(shù)量25個，緩沖區(qū)大小256字節(jié)。這些數(shù)據(jù)通過IntelliServTM有線鉆桿高速遙測網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至地面，經(jīng)過地面數(shù)據(jù)采集、可視化和軟件分析后，為鉆井施工人員提供詳細信息，以便對鉆井作業(yè)進行優(yōu)化。此外，BlackStreamTMASM工具還可實時提供當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)數(shù)據(jù)，有助于消除壓力剖面和井筒條件的不確定性。目前，BlackStreamTMASM工具有3種規(guī)格。

1) 外徑126.365 mm，長度1.8 m，連續(xù)采集時間750 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力172.375 MPa，適用于?101.6 mm鉆桿。

2) 外徑168.275 mm，長度1.8 m，連續(xù)采集時間1 000 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力172.375 MPa，適用于?127 mm鉆桿。

3) 外徑177.8 mm，長度1.8 m，連續(xù)采集時間1 000 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力172.375 MPa適用于?139.7 mm和?149.225 mm鉆桿。

IntelliServTM有線鉆桿高速遙測網(wǎng)絡(luò)通常包括：

1) 井下轉(zhuǎn)換接頭用于與第三方M/LWD及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)建立連接，實現(xiàn)與BHA相應(yīng)組件的雙向通信。

2) 有線鉆柱組件包括鉆桿、鉆鋌、震擊器等，數(shù)據(jù)信號以高達56 000 bps的傳輸速率沿整個鉆柱傳輸。

3) DataLinks屬于井下網(wǎng)絡(luò)電子短節(jié)，沿鉆柱轉(zhuǎn)發(fā)、過濾及放大信號。

4) 頂驅(qū)數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)接頭用于連接鉆柱和頂驅(qū)。

5) 地面網(wǎng)絡(luò)控制器是連接鉆柱網(wǎng)絡(luò)至地面系統(tǒng)的接口。

圖13 BlackStreamTMASM工具

BlackStreamTMEMS(增強測量系統(tǒng))井下測量工具[21-23](如圖14)能夠以800 Hz的頻率實時采集并存儲橫向振動(±120 g)、軸向振動(±35 g)、扭轉(zhuǎn)振動(±5 000 rad/s2)、轉(zhuǎn)速、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、環(huán)空壓力、內(nèi)部壓力、溫度和彎矩等參數(shù)，并利用IntelliServTM有線鉆桿高速遙測網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸至地面，從而可為解決粘滑、渦動等鉆井難題定制合理的解決方案，以優(yōu)化鉆井性能并降低成本。目前，BlackStreamTMEMS工具有3種規(guī)格。

1) 外徑130.175 mm，長度4.267 2 m，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa，電池壽命400 h。

2) 外徑171.45 mm，長度2.895 6 m，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa，電池壽命225 h。

3) 外徑228.6 mm，長度4.267 2 m，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa(P670抗硫材料)，最大工作壓力172.375 MPa(無磁P650HS材料)，電池壽命350 h。

圖14 BlackStreamTMEMS井下測量工具

BlackStreamTMEMS工具僅在母接頭處嵌有IntelliServTM線圈，這樣IntelliServTM有線鉆桿高速遙測網(wǎng)絡(luò)不會到達位于該工具之下的任何工具。新款BlackStreamTMEMS StreamThru工具底部公接頭處也嵌入有IntelliServTM線圈，這樣就可以將BlackStream EMS StreamThru工具的測量數(shù)據(jù)和該工具之下任何其他有線鉆桿驅(qū)動工具存儲的測量數(shù)據(jù)并行遙測傳輸至地面。這種改進消除了BlackStreamTMEMS工具的設(shè)計缺陷，即由于缺少底部線圈而使BlackStreamTMEMS工具成為有線鉆桿網(wǎng)絡(luò)的最末一級工具。因此，這種改進不僅有助于在有線鉆桿網(wǎng)絡(luò)中下入多個BlackStream EMS StreamThru工具，而且還可以下入其他第三方有線鉆桿驅(qū)動工具。目前，BlackStream EMS StreamThru工具有外徑171.45 mm和228.6 mm 2種規(guī)格，與BlackStreamTMEMS工具相比，在工具尺寸、外形設(shè)計、傳感器以及數(shù)據(jù)采集方面均保持一致。

BlackStreamTMMWD工具[24-26](如圖15)與IntelliServTM有線鉆桿相連，結(jié)合了BlackStreamTMEMS工具的功能，配有動態(tài)傳感器(橫向振動(±120 g)、軸向振動(±35 g)、扭轉(zhuǎn)振動(±5 000 rad/s2)、轉(zhuǎn)速、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩、環(huán)空壓力、內(nèi)部壓力和溫度，采樣頻率800 Hz)、定向傳感器(井斜、方位、重力工具面、磁性工具面)和伽馬射線傳感器。目前，BlackStreamTMMWD工具有2種規(guī)格。

1) 外徑130.175 mm，長度13.45 m，電池壽命225 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9MPa；

2) 外徑171.45 mm，長度11.08 m，電池壽命350 h，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力137.9 MPa。

圖15 BlackStreamTMMWD工具

2 國內(nèi)井下動力學(xué)測量工具發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對井下動力學(xué)測量工具的研究起步較晚，近年來積極進行了大量的研究工作，并在可安放在鉆柱中任意位置的存儲式井下動力學(xué)測量工具和通過鉆井液脈沖方式傳輸數(shù)據(jù)至地面的傳輸式井下動力學(xué)測量工具方面取得了一定數(shù)量的研究成果，但距離商業(yè)化應(yīng)用還有待時日。

2.1 存儲式井下動力學(xué)測量工具

2011年，中國石油鉆井工程技術(shù)研究院翟小強等[27]設(shè)計了1種存儲式井下振動測量工具，并進行了室內(nèi)試驗。該工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計成1個短節(jié)(如圖16)，采用存儲式測量方式，在井下測量到振動信號后進行處理和存儲。該工具包括電子測量系統(tǒng)和機械系統(tǒng)2部分。電子測量系統(tǒng)的功能是進行數(shù)據(jù)的采集和存儲。機械系統(tǒng)則是把電子測量系統(tǒng)進行密封和安裝，以保證工具正常測量。機械系統(tǒng)的設(shè)計是把電子測量系統(tǒng)安裝在儀器筒中，在測量接頭上開出安裝槽，儀器筒安裝在測量接頭上的槽內(nèi)。儀器筒設(shè)計成3個獨立的器件倉，分別安放三軸加速度傳感器、電子電路和電池。測量接頭扣型為430×410(NC50)、外徑為177.8 mm，內(nèi)徑為57.0 mm。機械總體裝配如圖17所示。

圖16 存儲式井下振動測量工具總體結(jié)構(gòu)

圖17 存儲式井下振動測量工具機械總體結(jié)構(gòu)

2012年，中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院鉆井工藝所劉偉等[28]提出了1種井下振動記錄儀并進行了室內(nèi)測試。該記錄儀由獲取振動信號的壓電式三軸加速度計以及對信號進行處理、分析部分組成，設(shè)計如圖18所示。該記錄儀可安放在鉆柱中的不同位置或距離鉆頭較近的位置，以測量鉆柱或鉆頭處的振動。安裝1個或者多個記錄儀可為井下鉆柱振動分析提供詳實、可靠的測量數(shù)據(jù)。

圖18 井下振動記錄儀示意圖

2019年，中石化石油機械股份有限公司吳蔚娓等[29]提出了1種存儲式井下振動測量儀，并建立了井下振動風(fēng)險評級方法對實測振動數(shù)據(jù)進行分析。該測量儀是1個專用的測試接頭，有效長度為238 mm，嵌有加速度傳感器，連接在鉆頭和螺桿鉆具之間，利用接頭內(nèi)安裝的三軸加速度傳感器，分別測量鉆井過程中鉆頭的橫向、軸向和徑向的加速度值。測試接頭由本體、加速度傳感器測量系統(tǒng)、壓蓋、密封圈和卡簧組成。如圖19所示，在本體沿直徑方向鉆傳感器孔，三向加速度測量系統(tǒng)安裝在傳感器孔內(nèi)并加以密封。目前，該測量儀已在國內(nèi)某油田進行了現(xiàn)場試驗，所用鉆頭為PDC鉆頭，螺桿鉆具和轉(zhuǎn)盤雙驅(qū)動，排量50 L/s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50 r/min，試驗取得徑向、軸向和切向加速度值。

圖19 測量儀接頭結(jié)構(gòu)示意

2.2 傳輸式井下動力學(xué)測量工具

2.2.1 西南石油大學(xué)

2010年，西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室王旭東[30]和中石化勝利油田鉆井工藝研究院張?；╗31]等分別對近鉆頭井下鉆井工程參數(shù)測量系統(tǒng)進行了試驗研究，系統(tǒng)測量參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)矩、側(cè)向力、環(huán)空壓力和溫度等。

大學(xué)生職業(yè)生涯規(guī)劃主要分為四個階段：自我認知階段、職業(yè)認知階段、分析決策階段和職業(yè)實踐階段。班主任應(yīng)該將大學(xué)四年學(xué)習(xí)與這四個階段想對應(yīng)，逐步引導(dǎo)學(xué)生正確認識自己、認識社會，學(xué)會為自己進行職業(yè)生涯的規(guī)劃。

2011年，西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室馬天壽等[32]設(shè)計了可連接在鉆柱中任意位置的井下工程參數(shù)測量短節(jié)，短節(jié)測量參數(shù)包括井下鉆壓、轉(zhuǎn)矩、側(cè)向力、環(huán)空壓力、鉆柱內(nèi)壓等參數(shù)。這些成果為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

2020年，西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院張智亮等[33]提出了1種井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的井下參數(shù)測量模塊由測量短節(jié)和供電及信號傳輸短節(jié)組成，如圖20所示。測量短節(jié)可實時測量鉆壓、彎矩、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、鉆柱內(nèi)外壓力、振動、井斜角和方位角等參數(shù)并進行數(shù)據(jù)處理，鉆井液脈沖發(fā)電機完成信號的上傳及系統(tǒng)的供電。所選用傳感器的芯片及元件均耐溫150 ℃。測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后以鉆井液脈沖的方式實時傳輸至地面，地面數(shù)據(jù)采集、綜合分析軟件對這些數(shù)據(jù)進行實時分析，預(yù)測、評估鉆井作業(yè)中的風(fēng)險，進而給出風(fēng)險提示和降低風(fēng)險的措施，實現(xiàn)井下監(jiān)測、井上控制，避免風(fēng)險發(fā)生，實現(xiàn)無風(fēng)險鉆井。井下安全監(jiān)控系統(tǒng)先后在新疆油田、吐哈油田、青海油田和塔里木油田等11口井進行了先導(dǎo)性試驗，成功預(yù)測了多種井下故障，提高了井筒安全性，確保了鉆井安全。

圖20 井下參數(shù)測量模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 中國電子科技集團公司

2017年，中國電子科技集團公司第二十二研究所趙昱等[34]提出了1種井下工程參數(shù)測量儀，該測量儀實際上是1個鉆鋌短節(jié)，總體結(jié)構(gòu)組成如圖21所示。該測量儀采取在鉆鋌璧上開槽的方式，安裝多種傳感器和電路板，并使用蓋板和密封圈實現(xiàn)密封，可測量并存儲三軸振動和沖擊(最大采樣頻率2 000 Hz)、鉆壓(最大采樣頻率2 000 Hz)、轉(zhuǎn)矩(最大采樣頻率2 000 Hz)、彎矩(最大采樣頻率200 Hz)、鉆井液壓力和溫度(最大采樣頻率200 Hz)等參數(shù)并在井下實時計算各參數(shù)特征量，處理后的數(shù)據(jù)能夠以鉆井液脈沖的方式實時傳輸至地面。該測量儀外徑171.45 mm、長度1.5 m、連續(xù)工作時間>100 h、存儲容量8 GB、工作溫度-40～150 ℃、最大工作壓力140 MPa。該測量儀樣機共進行了3口井的現(xiàn)場試驗，均安裝在螺桿上方，累計鉆進約400 h，進尺約2 600 m，最大作業(yè)垂深1 970 m。

圖21 井下工程參數(shù)測量儀結(jié)構(gòu)組成

2.2.3 中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院

2018年，中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院賈衡天等[35]設(shè)計了1種井下工程參數(shù)測量鉆鋌短節(jié)，該短節(jié)由應(yīng)變傳感器陣列、環(huán)空水眼溫度壓力傳感器單元、工程參數(shù)信號調(diào)理單元、工程參數(shù)信號采集存儲單元、和測量系統(tǒng)供電通信單元構(gòu)成，如圖22所示。該短節(jié)能夠通過各種傳感器測量在井下鉆井作業(yè)工程中的鉆壓、轉(zhuǎn)矩、環(huán)空水眼壓力、溫度和轉(zhuǎn)速等重要工程參數(shù)，并通過MWD工程參數(shù)數(shù)據(jù)上傳單元從井下上傳至地面，作為地面鉆井作業(yè)人員進行鉆井操作的依據(jù)，從而提高鉆井作業(yè)的安全水平和效率。該測量短節(jié)在銀川鹽湖縣開展了現(xiàn)場試驗，連續(xù)工作共120 h，從井深800～2 000 m進行隨鉆鉆壓、轉(zhuǎn)矩、環(huán)空壓力和水眼壓力參數(shù)測量。

圖22 井下工程參數(shù)測量鉆鋌短節(jié)

2.2.4 北京信息科技大學(xué)

2020年，北京信息科技大學(xué)姜海龍等[36]提出了1種井下工程參數(shù)測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)組成如圖23所示。該測量系統(tǒng)是1個鉆鋌短節(jié)，可以測量井下鉆壓、轉(zhuǎn)矩、x-y-z三軸振動、溫度、管柱及環(huán)空壓力等8個參數(shù)，采集的數(shù)據(jù)能夠以鉆井液脈沖的方式實時傳輸至地面，采樣頻率范圍0～1 000 Hz，最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力80 MPa。冀東油田G126X1井應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)測量參數(shù)準確，能夠真實反映井下實際工況；系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，井下工作時間可達150 h，滿足現(xiàn)場作業(yè)要求，可為鉆井作業(yè)提供有力的支持。

圖23 測量本體結(jié)構(gòu)

3 國內(nèi)外井下動力學(xué)測量工具的差異

3.1 存儲式工具

存儲式井下動力學(xué)測量工具，以測量短節(jié)/接頭和傳感器模塊為例。

1) 安放位置。國外的工具可安放在鉆柱/BHA和鉆頭的各個位置，實現(xiàn)了全方位測量。國內(nèi)目前只有安放在鉆柱/BHA中的測量接頭，而對鉆頭傳感器模塊的研究未見相關(guān)報道。

2) 性能指標。國外工具的最高工作溫度175 ℃，最大工作壓力172.375 MPa，最大采樣頻率2 048 Hz，最長連續(xù)采集時間200 h。國內(nèi)工具仍處于試驗階段，未見相關(guān)數(shù)據(jù)報道。

3) 測量參數(shù)。國外工具的測量參數(shù)不再局限于振動、轉(zhuǎn)速和溫度等少數(shù)幾個參數(shù)，如HalliburtonTM公司的Cerebro ForceTM鉆頭傳感器模塊不僅可測量振動、沖擊、轉(zhuǎn)速、溫度和壓力，而且還可從鉆頭中直接獲取鉆壓、轉(zhuǎn)矩和彎矩，這是很大的進步，有助于加深對井下環(huán)境的理解。國內(nèi)的工具僅局限于振動測量。

3.2 傳輸式工具

傳輸式井下動力學(xué)測量工具，以鉆鋌短節(jié)為例。

1) 傳輸方式。國外推出的新型傳輸式工具不僅包括通過有線鉆桿高速遙測網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的系列化工具，而且還出現(xiàn)了采用鉆井液脈沖和電磁遙測兩種數(shù)據(jù)傳輸模式的工具。國內(nèi)的傳輸式工具的數(shù)據(jù)傳輸方式仍舊以傳統(tǒng)的鉆井液脈沖方式為主，有線鉆桿和雙模式遙測仍處于基礎(chǔ)研究階段。

2) 性能指標。國外工具的最高工作溫度175 ℃，最大工作壓力206.85 MPa，最大采樣頻率10 kHz，最長連續(xù)工作時間1 000 h。國內(nèi)工具的最高工作溫度150 ℃，最大工作壓力140 MPa，最大采樣頻率2 kHz，最長連續(xù)工作時間150 h。

3) 測量參數(shù)。國外工具的測量參數(shù)包括沖擊、橫向振動、軸向振動、扭轉(zhuǎn)振動、轉(zhuǎn)速、溫度、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、彎矩、環(huán)空壓力、內(nèi)部壓力、井底壓差、當(dāng)量循環(huán)密度和當(dāng)量靜態(tài)密度。國內(nèi)工具的測量參數(shù)涉及鉆壓、彎矩、轉(zhuǎn)矩、溫度、轉(zhuǎn)速、鉆柱內(nèi)外壓力、三軸振動和沖擊，種類略少于國外。

4 國內(nèi)井下動力學(xué)測量工具發(fā)展建議

1) 進行多參數(shù)測量的微型記錄儀研究。傳感器是井下動力學(xué)測量工具的核心元件，而微型化是傳感器未來發(fā)展的趨勢之一。工具尺寸微型化，無需額外增加測量短節(jié)/接頭長度，以避免影響定向和動態(tài)響應(yīng)及提高機械故障風(fēng)險。因此，不管是存儲式工具，還是傳輸式工具，都有必要將多個傳感器元件、數(shù)據(jù)壓縮軟件、采集電路、電源等模塊化設(shè)計成微型記錄儀，安放在鉆柱/BHA中的接頭和鉆頭接頭中，實現(xiàn)振動、沖擊、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、鉆壓、轉(zhuǎn)矩和彎矩等多項參數(shù)測量。另外，為了承受井下惡劣的工作環(huán)境，還要選擇耐溫耐壓、耐沖擊振動的傳感器，如陶瓷傳感器。

2) 提高井下動力學(xué)測量數(shù)據(jù)的采樣頻率。高頻數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)采樣的時間問隔較短，采樣頻率大于一般研究時所采用的頻率。分析結(jié)果證實，與低采樣頻率相比，較高的采樣頻率有助于獲得更詳細的井下動力學(xué)數(shù)據(jù)，如扭轉(zhuǎn)振動、粘滑、渦動和跳鉆等。因此，在保證測量精度、存儲空間足夠大的情況下，應(yīng)盡可能提高數(shù)據(jù)的采樣頻率，確保其高于原始信號最高頻率的兩倍以上，這樣才能保證采集的信號不失真，從而才有可能把數(shù)字信號表示的信號還原成為原來信號。

3) 強化有效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的攻關(guān)研究。鉆井過程中，鉆井性能實時優(yōu)化必須有足夠的井下動力學(xué)數(shù)據(jù)支持，因此需要數(shù)據(jù)實時快速傳輸?shù)挠行緩健Ｇ靶┠?，井下動力學(xué)數(shù)據(jù)的傳輸主要依賴于鉆井液脈沖技術(shù)，但有時脈沖速率過低，難以真正滿足眾多參數(shù)隨鉆實時快速傳輸?shù)囊螅蚨鵁o法獲得連續(xù)的高頻數(shù)據(jù)，這樣就容易遺漏重要的信息；電磁遙測可代替鉆井液脈沖遙測，但是井深和與地層相關(guān)的諸多因素限制了其實際應(yīng)用。因此，有效鉆桿高速遙測網(wǎng)絡(luò)和鉆井液脈沖遙測+電磁遙測雙數(shù)據(jù)傳輸模式應(yīng)成為井下動力學(xué)數(shù)據(jù)傳輸方式的主要發(fā)展方向。對于有線鉆桿網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)從電力及信號傳輸、設(shè)計與連接、加工制造等關(guān)鍵技術(shù)上加強攻關(guān)研究，力求取得突破；鉆井液脈沖+電磁遙測雙數(shù)據(jù)傳輸模式可作為鉆井液脈沖系統(tǒng)的替代或補充，既擁有電磁遙測高傳輸速度的優(yōu)點，也擁有可靠的鉆井液脈沖遙測備份手段，比以前的電磁遙測適用于更深的地層，因此應(yīng)解決MWD遙測工具中鉆井液脈沖遙測模塊和電磁遙測模塊的連接以及鉆井液脈沖模式和電磁模式之間的切換等關(guān)鍵技術(shù)問題。

4) 開展用于動力學(xué)測量的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的前瞻研究。智能微塵是未來高新技術(shù)之一，該技術(shù)的出現(xiàn)，使用于井下動力學(xué)測量的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成為可能。智能微塵讓擁有智能的無線傳感器縮小成如同沙?；驂m埃的大小，每一粒智能微塵都是由電池、傳感器、微處理器、雙向無線電接收裝置和軟件組成。因此，可以將智能微塵按照一定的間隔嵌入到井下鉆柱/BHA和鉆頭的各個位置，構(gòu)建成智能傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，每個智能微塵都是該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，可以探測井下的諸多動力學(xué)參數(shù)。

5 結(jié)語

國外井下動力學(xué)測量工具開發(fā)較早，形成了較為成熟的系列化工具。我國井下動力學(xué)測量工具的研發(fā)相對較晚，近年來雖取得了突破性進展，但大多數(shù)研究成果還處于試驗階段，未得到規(guī)?；瘧?yīng)用。國內(nèi)井下動力學(xué)測量技術(shù)及相關(guān)配套裝備工具的研發(fā)需要多學(xué)科共同配合，單憑一家的力量難以完成。因此，需要分工合作，在提高數(shù)據(jù)采樣頻率的同時，持續(xù)進行多參數(shù)測量的微型記錄儀、有效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的攻關(guān)研究，早日實現(xiàn)井下動力學(xué)測量工具的商業(yè)化應(yīng)用，并開展智能監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究。