新型井下工程參數測量系統的研制與應用

竇金永，于成龍，馬曉偉，李玉海，齊 悅

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413）

隨著石油勘探開發的不斷深入，準確掌握井下工程參數變得越來越重要[1-2]。井下工程參數測量系統能夠測量井下鉆壓、扭矩、轉速、鉆具內/外壓力、溫度及振動值，為調整施工參數提供可靠依據，從而提高復雜區塊鉆井時效和安全鉆井能力。大慶原有鉆井中缺乏測量井下工程參數的手段，鉆壓、扭矩、轉速等參數均為井口測量獲得，無法準確推測井下的情況，與此同時，國內外現有井下工程參數測量系統均采用蓋板式結構，其典型結構如圖1所示，該結構是在測量鉆鋌的外壁上開槽，將各測量模塊安裝于各自的槽中，通過為每個安裝槽配備蓋板實現與外部的隔離，為蓋板配置螺釘或卡簧實現固定，為蓋板配置密封圈實現密封，這種結構存在系統可靠性低的問題：一是外露部件多、密封圈設置多，一旦某一部件失效則會導致整個系統失效；二是各模塊間需要設置過線孔實現互聯，為了方便設置過線孔則不得不將各安裝槽集中布置，導致出現危險截面，通過有限元分析，其最薄弱部分在施加極限載荷下的安全系數僅為1.73（見表1）。為了解決上述問題，創新設計了套筒式井下工程參數測量系統，有效提高了系統的可靠性，實現了對上述工程參數的準確測量，并通過現場試驗進行了驗證。

圖1 典型的井下工程參數測量系統組成圖

1 技術分析

1.1 組成

套筒式井下工程參數測量系統主要包括測量鉆鋌本體、套筒、密封圈、防撞環1、防撞環2、防轉銷、上接頭、電源開關及測試端口、鉆具外壓測量模塊、主控及存儲模塊（加載溫度測量模塊、轉速測量模塊）、電池模塊、固定組件、振動測量模塊、鉆具內壓測量模塊、單羽應變片、雙羽應變片等，如圖2所示。

圖2 套筒式井下工程參數測量系統組成圖

1.2 工作原理

井下參數測量系統入井之前，通過地面測試系統對其進行測試，對測量參數和時間進行校準，并設定采樣周期，安裝供電插頭并記錄開始供電時間。之后井下參數測量系統入井，由測量鉆鋌內置的各測量模塊采集鉆壓、扭矩、轉速、鉆具內/外壓力、溫度及振動等參數，并通過主控及存儲模塊對這些數據進行存儲。其中鉆壓、扭矩測量模塊采用耐高溫箔式電阻應變片實現對鉆壓值和扭矩值的測量[3-6]；轉速測量模塊采用陀螺傳感器芯片實現對轉速值的測量；鉆具內/外壓力測量模塊采用濺射薄膜壓力傳感器實現對內/外壓力值的測量[7]；溫度測量模塊采用電流型溫度測量芯片實現對溫度值的測量；振動測量模塊采用加速度傳感器芯片實現對振動值的測量[8-9]。井下參數測量鉆鋌出井后，及時拆卸供電插頭并記錄斷電時間，之后通過地面測試系統對測量數據進行讀取和分析，從而準確掌握井下鉆具工作狀態。

1.3 主要技術參數

通過室內測試和現場試驗驗證，套筒式井下工程參數測量系統達到了表2所示的技術性能，部分性能超過國內外同類產品，其創新采用套筒式結構設計，鉆壓測量范圍達到-500～500kN，振動測量范圍達到0～70g，抗溫能力達到175℃。

表2 套筒式井下工程參數測量系統與國內外先進產品性能對比表

1.4 技術特點

承載外殼采用套筒式的結構設計，提高了可靠性。該結構將盡可能多的模塊及組件與外界隔離，有效地減少了外露部件，降低了系統失效風險；采用走線槽代替過線孔，為各模塊的優化布局提供了更大的設計空間，根據各模塊的尺寸及相關性優化為四組，均勻排布在鉆鋌本體的不同徑向截面上，避免了危險截面的形成[10]，與蓋板式相比，套筒式最小截面的面積增加109%，通過有限元分析，其最薄弱部分在施加極限載荷下的安全系數為2.11（見表3），系統組裝完成后開展了承受140MPa高壓測試和承受95kN·m抗扭測試（見圖3），測試后各部位探傷檢查合格。

圖3 高壓測試和抗扭測試現場圖

表3 套筒式結構各主要零件的安全系數表

創新采用矩形安裝槽安裝應變片，提高了鉆壓/扭矩的測量效果。得益于將蓋板密封方式優化為套筒式，應變片的安裝槽不需要獨立密封，因此不必局限于采用圓形結構，通過應變分析，將其優化為矩形結構（見圖4），從而降低槽底邊因粘連程度不同影響應變片的形變[11-12]。

圖4 應變片矩形安裝槽與圓形安裝槽對比圖

2 現場應用情況

2020年2套系統完成3口井現場試驗（見表4）。通過現場試驗驗證了該系統的可靠性，兩套儀器共工作301.9h，獲得數據53.4萬余組，通過數據分析，鉆壓、扭矩、轉速、鉆具內/外壓力、溫度、振動值均測量準確，這里僅以扭矩值的測量結果為例來說明測量效果。

表4 套筒式井下工程參數測量系統現場試驗情況統計表

第一口井第一趟鉆概況：井段為3288～3306m 直井段；鉆具組合為?215.9mmBIT（孕鑲鉆頭）×0.40m+?178mm 渦輪鉆具×13.5m+?212mmSTB×1.40m+?178mm轉換接頭×0.49m+?180mm工程參數測量系統×1.25m+?177.8mmNMDC×9.43m+?177.8mm箭型止回閥×0.50m+?165.1mmDC×156.2m+?127.0mm HWDP×144.24m+?139.7mmDP。

將本趟鉆測量的扭矩曲線與錄井扭矩曲線放在一起進行對比（見圖5），可知測量得到緊扣時最大扭矩41.75kN·m，這與實際緊扣扭矩42kN·m 相吻合；鉆進時上部鉆柱與井壁摩擦產生很大損耗，井下扭矩值遠低于鉆臺施加扭矩值；在劃眼段，下部井眼縮徑，顯著增加了下部鉆具所分配到的扭矩比例，實測值與理論分析結果相吻合；在鉆具出井卸扣過程中，由于下部坐卡，上部卸扣和旋扣，測得最小扭矩-4.5kN·m，符合實際情況。

圖5 第一口井第一趟鉆測量的井下扭矩曲線與錄井扭矩曲線對比（深色為實測扭矩曲線，淺色為錄井扭矩曲線）

3 結論

（1）研制了2套具有自主知識產權的井下工程參數測量系統，承載外殼采用套筒式的結構設計，提高了可靠性，創新采用矩形安裝槽安裝應變片，提高了鉆壓/扭矩的測量效果，填補了大慶油田此項技術空白。

（2）通過3口井現場試驗，驗證了該系統的可靠性，2 套儀器共工作301.9h，獲得數據53.4 萬余組，實現了對鉆壓、扭矩、轉速、鉆具內/外壓力、溫度和振動值的準確測量，試驗結果表明該系統滿足井下工程參數測量需要，為進一步升級為隨鉆上傳式打下了基礎。