（油气井工程专业论文）井下工程参数测量技术研究.pdf

r e s e a r c ho nm e a s u r i n gt e c h n o l o g yf o rw e l l - e n g i n e e r i n gp a r a m e t e r s w a n gy i n s h e n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh a n l a i j ua n db uy u h u a n a b s t r a c t i nv i e wo fd e v e l o p i n ga c t u a l i t yo fm e a s u r e m e n tw h i l ed r i l l i n gh o m ea n da b r o a da n dt h e n e e do fd e v e l o p m e n to ft h ef i e l d t h i sp a p e rc a r r i e so u tar e s e a r c hi n t ot h em e a s u r e m e n to f w e l l e n g i n e e r i n gp a r a m e t e r s ( d r i l l i n gp r e s s u r e ，t o r q u e ，t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，s h a k e ) a n d i n t r o d u c e st h ep r o c e s so fw e l l e n g i n e e r i n gp a r a m e t e r sm e a s u r i n gd e v i c ed e s i g n i n ga n dt h e c o u r s eo fs o f tw a r ea n d h a r d w a r ed e b u g g i n g t h es y s t e mm a k e su s eo ft h er i p em c u t e c h n o l o g ya n de x p a n d st h em i c r o s i g n a lr e g u l a t o rm o d u l e ，l a r g ec a p a c i t ym e m o r i e s ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd i f e r e n tk i n do fv o l t a g e r eg u l a t o r sa r o u n dt h em c ut of i n i s ht h e d e s i g no fs y s t e mi nt h el a b o r a t o r y t h em e a s u r e m e n ts y s t e mc o n s i s t so fd o w nh o l et r a n s d u c e r 、 m i c r o c o n t r o l l e r 、s i g n a l r e g u l a t o rc i r c u i t s 、f l a s hm e m o r ya n dh i g he n e r g yb a t t e r y t h es y s t e mc a nw o r ka u t o m a t i c a l l y u n d e rt h ec o m m a n do fs u r f a c eo p e r a t o r t h i sp a p e rc h o o s e sh i g hp e r f o r m a n c et r a n s d u c e r s w h i c ha r ef i tf o rd o w nh o l ec o m p l e xe n v i r o n m e n ta n dd e s i g nd i s t r i b u t i o no fs t r a i ng a u g e b a s e do nt h ed y n a m i c a lp r o p e r t i e so fd r i l lc o l l a ra n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sa n d s t r a i n ，am e a s u r e m e n tm o d e lh a sb e e np u tf o r w a r d ，a n da ne x p e r i m e n t a lm o d e lh a sb e e ns e t u p t h ec o r r e l a t i o n sa m o n gw o b a n dt o bw e r em a i n l ys o l v e dt h r o u g ht h em e a s u r e m e n t m o d e l p h a s e - l o c ka n da m p l i f i c a t i o nt e c h n i q u ei sa p p l i e dt ow e a ks i g n a l sp r o c e s si nd e t a i la n d ae l e c t r i cc i r c u i to fp r o c e s s i n gw e a ks i g n a l sf r o mm e a s u r e m e n to fd r i l l i n gp r e s s u r ea n dt o r q u e n e a r - t h e b i ti sd e s i g n e d i tc o u l de f f e c t i v e l ys e p a r a t ew e a kn a r r o w - b a n ds i g n a l sf r o mt h em e s s o fn o i s ea n dr e d u c en o i s ea n di n t e r f e r em i x e do nt h ew e a ks i g n a l s t h es y s t e ma d o p t sn e w h i g ha c c u r a c ym i c r o c o n t r o l l e r - a d u c 8 4 8 ，w h i c hh a sm a n yf e a t u r e s s u c ha sh i g hp r e c i s i o n16 - b i ta dc o n v e r t e r , d a t at r a n s m i s s i o na n ds t o r a g eo nr e a lt i m e ，t h e h i g h e s tr u nt e m p e r a t u r e12 5 ，l o wp o w e ra n dh i g hi n t e g r a t i o n l a s tu s i n ge x p e r i m e n t a lm o d e li nt h el a b o r a t o r y , h a r d w a r es y s t e mw a st e s t e da n ds o f t w a r e s y s t e mw a sd e b u g g e d ，t h e nt h es y s t e mw a sm a d er u n n i n gt e s t a l lt h et e s t i n ga n dr u n n i n g r e s u l t sa c h i e v e dt h ep r o s p e c t i v ea i mo fd e s i g n k e yw o r d s ：w e l l - e n g i n e e r i n g ，m e a s u r e m e n t ，a d u c 8 4 8 ，p h a s e - l o c ka n da m p l i f i c a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：羔灶 日期砷年夕月衫日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：兰丝丝 指导教师签名：哥刁尹够 日期：勿步年夕月衫日 日期：& 1 年厂月2 6 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言弟一早月i j 苗 1 1 课题的研究意义 随着石油勘探开发的不断深入，地层结构越来越复杂，深井、超深井和高温、高压 井以及大斜度水平井等特殊复杂井越来越多，事故及复杂情况的发生率越来越高。据有 关资料全国各大油田每年都不同程度的发生卡钻、掉牙轮、断钻具甚至机毁人亡的恶性 事故，经济损失惨重【l 】。在钻井过程中，钻压、扭矩、温度、振动、内外泥浆压力等工 程参数的测量显得十分重要。 钻压在一定程度上决定了钻进速度的快慢，钻压对下部钻具结构的运动状态、屈曲 及其它性能具有重要的影响。在工作过程中，一般以钻台指重表所示的钻压作为井底作 用在钻头上的钻压，称为指示钻压。实际上，由于钻柱在弯曲的井眼中与井壁接触，钻 柱与井壁之间产生摩擦，使得钻头真实钻压与钻台指重表指示钻压有较大的偏差。目前， 旋转导向钻井技术广泛应用于定向井、大位移井和水平井钻井等特殊工艺井中，可以通 过改变钻井方式连续控制井眼轨迹。在滑动钻进时，由于摩阻、钻柱受力、井眼约束、 钻井液粘附等因素的影响，使得钻台指示钻压与井底实际钻压存在偏差，而在进行下部 钻具造斜率及轨迹的预测时需要知道钻头上的实际钻压，然后计算钻头侧向力来预测钻 具的造斜能力。如果根据钻台指示钻压来预测，对一些对钻压比较敏感的底部钻具组合 来说，预测值与真实值差距较大，这样在靶区要求小的水平井或定向井中就有可能造成 工作被动，甚至造成脱靶。对钻压敏感的下部钻具组合来说，钻压的精确控制对钻具的 使用效果十分关键，如动力学防斜技术中的各种钻具组合对钻压十分敏感，而有时应用 的效果差，其主要原因就是对钻压的控制不精确。所以，可以借助井下工程参数测量系 统开展水平井、大位移井中井底实际钻压、摩阻研究，定量分析钻压对底部钻具组合的 影响，以便更好地指导现场施工。 钻柱内外压差与其它钻井参数的测量可以预报井下一些不正常的问题，及时采取措 施补救，还可以进行钻井水力学研究。环空压力测量的主要目的是有助于将当量循环密 度和当量静液密度保持在地层破裂压力梯度、孔隙压力梯度和井眼稳定压力梯度窗口 内。井下环空压力正在成为所有钻井工艺过程的标准测量参数，井下环空压力的测量能 准确地控制钻井过程，减少和消除井下复杂情况及事故，缩短钻井时间，提高钻井速度【2 1 。 在钻井过程中，钻柱及钻头的振动对钻井效能有较大的影响，特别是在深井硬地层 中钻进，严重的井下振动可能造成钻头先期损坏、钻柱发生疲劳破坏、无法正常钻进、 第一章前言 转速受到限制等情况的发生。在中石化重点勘探区的南方海相地层中钻进时，井下发生 剧烈的振动，致使无法正常钻井，即使在小钻压下也发生较强烈的振动，钻头切削齿发 生先期损坏，严重影响了该地区的勘探开发进程。但对振动现象的预期性控制是不现实 的，因为钻井过程面临的是具有各向异性的岩石。然而，如何消除或减小井下钻柱及钻 头的剧烈振动，必须先了解井下振动的根本原因、规律及其影响因素，然后研制相应的 井下工具，优选钻井参数，尽量减小井下振动，提高钻井效能。因此可用于观察钻具的 振动情况，调整井下钻具的工作条件，消除振动过程，防止钻具疲劳和钻头意外磨损， 同时能有效地保护m w d ( 随钻测量) 和井下动力马达等工具【3 】。提高钻井时效，降低 钻井成本。据国外同行介绍，国外运用这项技术已将钻头的平均寿命延长1 3 以上。利用 井下工程参数测量系统的实际测量数据，可以分析研究钻柱振动规律和特征，引起振动 的各种原因，解释一些振动现象，检验振动控制措施的效果和合理性、各振动计算模型 的实用性。 扭矩和摩阻作为钻井过程中的重要参数，其大小从一定程度上决定着大位移井、水 平井的延伸长度，所以钻井工程设计必须预算扭矩、摩阻的大小，而扭矩、摩阻的大小 都是根据一些扭矩、摩阻模型来计算，故计算出来的值与实钻过程中的值有一定误差， 通过井下工程参数测量系统测量井下钻柱真实扭矩来逐步修正、完善模型，以便准确指 导大位移井、水平井钻井设计，以保证适当地选择钻机和提升设备，并合理地设计钻柱 及现场施工。 因此，在钻进过程中对井下工程参数进行实时测量具有重要的意义。 1 2 井下工程参数测量的研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 国外的随钻测量( m w d ) 、随钻测井( l w d ) 等技术同趋成熟，能够相对准确地测量 钻井过程中的定向数据( 井斜角、方位角、工具面角) 、地层特性( 电阻率、伽马射线、 孔隙度等) 以及钻井工程参数( 井底钻压、扭矩等) ，大大提高了钻井过程控制能力和地层 评价能力，降低了钻井风险和钻井事故率【4 】。 随钻测量设备在世界上已经商业化，代表性的服务公司有，斯伦贝谢公司 ( s c h l u m b e r g e r ) 、贝克休斯公司( b a k e rh u g h e s ) 、哈里波顿公司( h a l l i b u r t o n ) 、康普乐公司、 斯佩里太阳钻井服务公司、g e o l i n k 公司等【5 1 。 早在1 9 6 8 年美国e p r 公司研制出一种测量和记录井下钻柱受力和运动的工具，并 成功地进行了现场试验。该工具从开始研制到试验成功大约经历了1 0 年时间。主要测 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 量参数有轴向力、扭矩、弯曲力、轴向加速度、周向加速度、径向加速度和钻柱内、外 钻井液压力共8 个参数。其测量方式是将测量工具接在钻柱的适当部位随钻柱一起下井， 在井下进行测量和数据记录存储，等起钻时随钻柱一起取出，然后将测量数据在地面进 行回放，并进一步处理分析。该工具的研究报告指出，正常钻进过程中会出现钻柱反扭 矩和反转、钻头在井底的涡动、井底钻压波动以及有时钻头会离开井底的现象。 1 9 8 5 年，法国石油研究院研制了一种称为t r a f o r 的专门进行钻柱动力学实测研究的 m w d 装置，且以后陆续对该装置进行了钻柱振动等方面的研究。该装置可以测量包括 井下转速、钻压、扭矩、x ，y ，z 方向的弯矩、钻柱内外压力、钻柱内外温度等1 5 个井 下参数，以及包括地面转速、泵压、扭矩、大钩载荷和纵向加速度等5 个地面参数。该 装置的采样速率高达1 8 0 0 次s ，可以较精确地描述钻柱在井下的受力和运动状态。但是， 该装置必须采用专门的有线钻杆进行数据信号的有线传输，研究成本十分昂贵。 1 9 9 4 年，美国a m o c o 公司和s p e r r y s u n 公司的研究人员联合发表了关于钻头和钻 柱动力学实测研究的文章，他们利用一种称为d d s 的钻柱动力传感器接头对钻头的回 旋运动和钻柱的扭转振动进行了研究，并对比了室内试验和现场试验之间存在的差距。 加拿大研制的p w d ( p r e s s u r ew h i l ed r i l l i n g ) 工具开始是为欠平衡钻井使用而开发 的。环空流体经过钻铤短节进入井下压力记录仪，以一种较新的形式连接到m w d 工具 上，可及时传递数据。现已开发了既能记录又能实时传递信息形式的仪器短节( 主要有 ( p 8 9 m m 、( p 1 2 0 6 m m 、q ) 1 7 1 4 m m 、( p 2 0 3 m m 和( p 2 4 1 m m 几种尺寸) ，原始的绝对压力， 使用测量和深度信息资料可转换成当量钻井液密度( e m w ) ，传感器通常安装在离钻头 5 一- , 3 0 m 处，希望在钻头上有较高的压力降。其实，许多m w d 测量工具均有能力测量 井下压力，但是，大多数限定在测量经过井下钻具组合的压力差，以监测井下马达和 m w d 性能，有时也校验特殊情况的水力模型。该工具在挪威海上s t a t f j o r d 油田钻井时 使用，并得到了较好的效果。 国际录井公司开发的v i b r a ( 钻具振动分析技术) 已应用于d l s 型综合录井仪配套 软件中，它是一种利用常规地面传感器检测进行钻具振动分析的技术。钻具振动分析技 术应用于综合录井中不仅能帮助录井工程师实时了解钻具和钻头的情况，为工程提供异 常预报服务，而且为地质师判断地层岩性提供了一种新的方法。d l s 的钻具振动分析技 术主要是对扭矩( t o r q u e ) 、转速( r p m ) 、大钩负荷( h o o k l o a d ) 和立压( s p p ) 传感 器测量信号以1 0 h z 的速率进行实时采集，再利用快速傅立叶变换技术分解高频扭矩信 号，以检测、分析正弦振动的大小和频率的变化，由此产生一个振动的测量值和能谱图， 3 第一章前言 显示钻具振动的分析结果。当发生钻具有害振动时，报警设置会发出报警，并能将工程 参数变化后振动的改变情况实时反馈给录井人员和钻台。d l s 的v i b r a 软件可在实时信 号往数据库存储过程中对以往的数据进行回放。数据库存储原始数据都是以原来的采集 速度存储的，通过对原始数据的回放，对扭矩信号能谱的分析可以展示钻具扭力振动的 存在及振动大小情况。 e i fa q u i a i n e 钻井研究部的“动态测量仪”是一种集中的测量短接，安装在方钻杆之 上或动力水龙头之下，包括多个应变和几个加速度计。测力仪长约l m ，安装方便，且 不会干扰正常钻进作业，内装能够连续工作2 0 0 h 的蓄电池。该工具可测量纵向、扭转 和横向加速度、张力、扭矩、温度以及旋转速度，这些原始测量值( 拉力，扭矩，轴向、 扭转、横向加速度，温度和转速) 经数字化处理后由电磁波传输到动态钻井控制单元 ( d d c u ) 进行处理。经数据分析后，转化成井场上钻井动态操作室计算机屏幕上的频 率光谱，并将常规地面测量与这些参数一起显示，进行趋势分析，然后由钻井动态专家 对其显示数据进行分析，提供给司钻所需调整的钻进参数。目的是优化破岩机理，防止 过早起出钻头，减少钻柱疲劳破坏，实时跟踪新钻地层，优化钻井液循环( 清洗和润滑) ， 评价钻井期间井的整体状况。 b a k e r h u g h e si n t e q 和e i f 油气勘探开发公司在1 9 9 9 年研制了一种先进的c o p i l o t 井下钻井参数实时测量系统。该系统包括一个井下短节和一套地面控制装置，所使用的 传感器包括钻压传感器、扭矩一弯矩应变计、磁力计、轴向与径向加速度计以及钻杆内 外的压力传感器。可以将实测值与标准值进行比较，通过泥浆脉冲将有关信息传至地面， 司钻根据井下钻具组合的动态和受力可以实时获知井下的异常工况。井下存储器存储的 数据在起钻后可以回放。该公司目前已生产出4 台直径为9 1 7 1 5 m m 的井下钻井参数实 时测量系统，并投入现场使用。 法国地质服务公司( g e o s e r v i c e s ) 与法国石油学院( i f p ) 共同开发了a l s e v e 系 统，该系统对井下钻头转速、扭矩和振动进行检测，并判断钻头是否正常工作，司钻根 据钻台显示装置的提示，在有害振动刚发生便迅速采取纠正措施。 s e c u r i t yd b s 研制了一种仪器化钻头。钻头上安装有加速度计、应变计、接触传感 器、温度和电导率测量仪，可以检测钻头3 个轴向的加速度、钻压和扭矩、钻头的中心 轨迹、井眼偏心率。采样频率2 k h z ，记录频率2 5 0 h z 5 0 0 h z ，井下记录数据，井上回 放。该钻头已在法国、意大利、英国成功地进行了现场试验。 科学钻井公司的随钻测量环空和钻柱内压力装置。主要用于避免产生抽吸压力和激 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 动压力，监测井涌和轻度溢流，保证当量循环密度的精确计算及维持在安全窗口内，监 测井眼清洁，欠平衡钻井时保持环空压力低于油藏流动压力，监测井下马达和钻头的压 力降，降低地层破裂而导致的漏失，减少井眼不稳定，避免深水钻井时环空压力上升， 早期监测钻杆冲蚀情况等。 2 0 0 5 年b p 公司与s c h l u m b e r g e r 公司联合开发的“无风险钻井系统”集成了斯仑贝谢 公司专家系统、先进的预测软件、钻井数据库软件和最新硬件，它可通过预先考虑可能 出现的问题并制定风险计划从而消除问题，当有新的信息可利用时，这种可变的井眼计 划就不断的更新。其核心技术就是利用井下工具将测量的井下环空压力、井下参数( 钻 具振动、转速、粘滑度、钻压等) 、孔隙压力等实时传输到地面，然后进行对比分析， 实时修正各种模型，优化钻井参数，预测、预防及提前控制井下事故的发生，达到安全 钻井、提高钻井速度和效率的目的。 ( 2 ) 国内现状 近年来，国内不少研究机构相继开发了m w d 、l w d 系统，但总体水平参差不齐、 与国外技术相比仍有较大差距，且测量参数以地层特性参数为主，缺少对钻井工程参数 的测量技术【6 】。由于国内对井下工作状况的随钻测量及数据传输技术没有完全掌握，试 图用有线的方法把井下信号传送到地面，但由于种种原因未能实现。故国内研制的测量 接头都把测量的数据存储到芯片中，起钻后进行数据回放，以便指导下一步施工及相关 的研究，但今后的发展方向是把测量接头与m w d 结合，随钻实时显示井下钻头附近的 工况，以便及时采取措施防止井下事故的发生，达到优化钻井性能的目的。 目前国内钻压的测量大多数是通过传感器测量地面大绳死绳端的张力，然后通过机 械或液压的形式传递到指重表上，其测量精度小，误差大，不能准确的显示钻头实际钻 压。y c 一2 b 型钻压仪测量的是精确的地面指示钻压，而不是井下钻头上的实际钻压。武 汉化工学院自动化的程汉湘等研制的钻压遥测系统通过数字形式显示钻压，可远距离监 测，可以更清楚地观察到钻压的变化，判断钻头的工作状况，其缺点显示的钻压不是井 下钻头上的实际钻压。高蕴熙、卢仁义、周本芳研制的扭矩( 包括悬重和钻压) 随钻遥 测系统，是在方钻杆的上、下两端各增加一个短接，分别置放扭矩、悬重传感器及信号 处理电路，通过调频发射和接收，能实时显示方钻杆的扭矩及钻具的悬重和钻压，还能 能将数据记录下来，记录的数据可为水平井摩阻及钻柱设计研究提供实验数据。 石油大学( 华东) 研制了一种实用的钻柱测量接头，它可连接在钻柱的不同位置随 同钻柱入井，实测、记录并存储钻柱在井下不同位置的受力与运动等参数，起钻后进行 5 第一章前言 数据回放，并进行钻柱力学分析以验证各理论模型的准确性以及对各种理论模型进行修 正，为钻井工程钻柱设计与研究提供准确、实用的理论模型。测量接头测量参数r ”有9 个：井下钻柱的轴向力、弯曲力、扭矩、纵向加速度、径向加速度、周向加速度、钻柱 内流体压力、钻柱外流体压力和环境温度。该测量接头与地面没有导线连接，其工作状 态是通过地面压力开关所产生的泥浆压力脉冲来启动或停止数据采集装置的。测量接头 在胜利油田侧平1 井及侧平5 9 井施工中进行现场测试，基本达到了预期设计要求，机 械设计合理，密封可靠，各机械部件满足强度要求。 西南石油学院电子教研室高蕴熙等研制的井下扭矩、钻压随钻测量系统【8 】：采用的 方法是在紧靠钻头处，增加一个测量短节，内放电源、传感器及有关电路，通过井下传 感器随钻测量钻井过程中的扭矩。钻压、压力和温度，并将结果存储于大容量的存储器 中，起钻后进行数据回放，以便指导下一步钻进。 中原油田钻井工艺研究院研制的z n y - i i 型转盘扭矩监测仪，该仪器可以和项丝固 定转盘的钻机配套使用，其传感器仿项丝的独特设计使其安装、调试、测量十分方便可 靠，可以准确的预测井下异常情况，提供给钻井工程技术人员真实的井下钻具扭矩的瞬 时值以及整个钻井过程扭矩值曲线记录，是判断井下情况的重要依据，并可以作为井史 资料永久保存。 目前存在的问题是，国外对这项技术已经成熟，能准确测量井下工程参数，但产品 价格很贵，并且对中国采取技术封锁，国内掌握不到核心技术。虽然国内一些科研院所 正在对此研究，但都没有形成成熟的产品，停留在实验室阶段，并没有在现场得到推广 应用，不能解决实际问题。 因此，对此项技术的进一步研究，意义重大。 1 3 课题研究的主要内容和技术路线 1 3 1 课题研究的主要内容 本课题主要进行钻压、扭矩、温度、振动、泥浆压力等工程参数的测量原理研究 和室内实验为主。首先对测量系统进行理论分析；然后设计、制作室内实验装置；最后 通过室内实验，验证测量原理的可行性和准确性，并逐步完善测量系统，为研究成果的 井下应用奠定基础。 ( 1 ) 根据不同测量参数硬件部分的结构设计，进行钻压、扭矩等参数测量的数学 模型建立、模型参数解耦等技术研究； ( 2 ) 根据井下复杂环境的要求，对压力、温度、振动传感器进行选型； 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 钻压、扭矩、温度等传感器输出信号的调理电路的设计与研制； ( 4 ) 通过室内实验测试，对理论研究结果进行检验，并逐步改进和完善。 1 3 2 课题的技术路线 ( 1 ) 首先进行测量系统的受力分析、建立测量系统工作过程的力学模型，初步了 解测量系统在井下工作的受力情况及其特征； ( 2 ) 选定适合井下复杂环境的高性能集成传感器并对其合理布局消除耦合误差， 制作室内实验装置，模拟传感器的井下工作状态，在室内进行测试。结合理论分析，完 善实验系统； ( 3 ) 然后进行部分仿真计算，通过计算结果，设计井下微弱信号调理电路、数据 采集、存储、传输电路，制作对应的p c b 板； ( 4 ) 在实验室内利用设计的实验模型进行系统的实验研究和软硬件整体调试，实 现测量系统的要求。 7 第二章井下工程参数测量系统的总体设计 第二章井下工程参数测量系统的总体设计 2 1 系统的环境要求和特点 由于本系统需要在高温、高压、高振动的环境中连续长时间的作业，对系统的设计 就要考虑到诸多方面的问题。本系统是对井下的工程参数进行实时的测量并且上传存 储，应当贴近钻头测量，根据以_ l z i 程的实际要求本系统应具备如下特点【9 】： ( 1 ) 耐高温 因为在钻进过程中随着钻井深度的不断加深，在钻头、钻铤和组合钻具的附近就要 产生很高的温度，并且由于深度增加底层的温度也不断提升，这就需要整个系统有着良 好的耐高温性能，并且系统本身长时间运行也必然会产生热量，所以本系统采用的绝大 部分元件均符合军品标准温度范围，以符合实际恶劣环境工作的需要。 ( 2 ) 耐高压 在钻井的过程中井下所产生的压力是很大的，而且种类很多，包括钻井压力、环空 压力、侧向压力、底层压力、钻井液压力等等。这就需要整个系统的耐高压性能良好。 ( 3 ) 抗振动 高振动也是井下作业的特点之一，由于振动对井下电子测量设备的影响很大，甚至 可以带来系统损坏的结果，所以抗振动也是本系统应该具有的特点。 ( 4 ) 体积小 本系统是针对井下的工程参数进行随钻测量，需要连接各种传感器进行信号的采集 处理，而且传感器要更贴近钻头，系统和传感器直接相连装在贴近钻头空间狭小的组合 钻具里，所以系统的绝大部分元件均采用贴片封装的元件，尺寸小。 ( 5 ) 直流供电耗电量低 系统的一次性作业时间较长，根据钻井的实际工程需要设计工作时间至少为1 0 0 小 时，而井下作业一般都是采用的井下电池作为所有井下电子测量设备的电源，这就需要 设计时考虑的系统耗电的问题。尽量选用高温节能型集成芯片，即高温低供电c m o s 工 艺的芯片。在保证电路性能的前提下，降低电源工作电压，提高电源转化效率。简化电路， 减少元器件数量。可考虑充分利用c p u 的计算和处理功能来代替硬件电路，实现硬件的 软件化。经计算各元件耗电均在几十毫瓦左右，满足系统的要求。 2 2 系统的整体结构 如图2 1 所示，系统由脉冲信号发生器、驱动短节、电池短节、测量短节组成。测 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 量短节的传感器采集扭矩、钻压、温度等数据，由测量短节解耦、计算、储存井传输到 驱动器，控制和驱动脉冲发生器将这些井下信息转化成泥浆脉冲信号传输到地面系统。 这次研究的内容主要是测量短节。 图2 - 1 系统组成 f i e 2 - 1t h ec o n s t i t u t i o no f t h es y s t e m 测量短节由传感器部分和电路测量部分组成。传感器部分内装有具有扭矩、钻压 温度等传感器；电路测量部分由信号调理电路和c p u 电路组成。如图2 2 所示。 图2 - 2 电路和传感器的位置 f i 蛸2 t h ep o s i t i o no f t r a n s d u c e r a n d c i r c u i t s 2 3 系统的工作原理 本课题根据当前石油工业化发展的需要，利用锁相放大技术对传感器出来的微弱信 号进行调理，然后再结合先进的高集成度嵌入式微控制器技术来设计一套具有低功耗、 小体积、高精度的信号测量采集系统。系统工作原理见下图2 - 3 。 ( 1 ) 传感器模块：主要将需要测量的钻压、扭矩、温度、压力、振动等物理量转 换为电量，该模块输出的电信号比较微弱，需要后续的信号调理。 ( 2 ) 信号调理模块：这部分主要是将传感器输出的微弱电信号进行放大率波处理， 调理成为电压大小在25 + 25 v 范围内的标准模拟电压信号，以便于进行a d 转换。 ( 3 ) 单片机模块：采用了a d 公司生产的高精度微控制器a d u c 8 4 8 完成数据的采 集和存储，完成除了电源和传感器模块外，其余的模块均受此模块控制，都是在它的统一 9 第二章井下工程参数测量系统的总体设计 指挥下协调工作。 ( 4 ) 电源模块：用井下专用的耐高温，高容量的锂电池，单节3 6 v 。 图2 - 3 系统原理框图 f i 9 2 3 t h es y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a m 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三罩井i 孓工程参数测量原理 3 1 应变片的工作原理 设一根金属电阻丝，其材料的电阻率为p ，原始长度为l 。不失一般性，假设其横 截面是直径为d 的圆形，面积为a ，初始时该电阻丝的电阻值r 为： 尺=pjl(3-1) 在外力作用下，电阻丝会产生变形。假设电阻丝沿轴向伸长，其横向尺寸会相应缩小， 横截面的半径减少导致横截面面积发生变化。导线的横截面原面积为： 么= 孚( 3 - 2 ) 其相对变化为： 塑：尘+ ( 1 + 2 ) s ( 3 - 3 ) r p 、 其中，为电阻丝材料的泊松比。丝l 为金属导线长度的相对变化，用应变表示，即： d l 三 在式中，前一项是由电阻丝变形后电阻率发生变化所引起的； 形后几何尺寸发生变化所引起的。上式通常表示为： 一d r ：k 。占 r 。 ( 3 4 ) 后一项是由电阻丝变 ( 3 - 5 ) 其中，k s 为单根金属丝的灵敏系数。表示电阻变化率与它的轴向应变成线性关系。 b ：! 塑+ ( 14-2t)(3-6) p ( 1 ) 金属应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于导体材料的“电阻应变效应”： a,o0(3-7) p 于是k s 可以表示为： k s = 1 + 2 t( 3 8 ) 以金属材料为敏感栅的电阻应变计的灵敏系数k s 一般在2 0 - - 4 0 之间。 ( 2 ) 半导体应变片 1 1 第三章井下工程参数测量原理 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的“压阻效应”。当半导体材料沿晶轴方 向受到机械应力作用时电阻率发生变化，这种性质称压阻效应。电阻率的相对变化为： a p ：刀，e 占( 3 9 ) p “ 式中，e 为晶体材料的弹性模量，万，为压阻系数，盯为机械应力。 由于刀l e ( 1 + 2 ) ，则 k s = 石工e + ( 1 + 2 ) 石e ( 3 1 0 ) 其灵敏系数k 。值取决于半导体材料的类型、杂质浓度、晶轴方向和温度等。 3 2 钻铤的受力分析与仿真 钻铤是钻井的重要工具，它是连接地下与地面的枢纽。在转盘钻井时，靠它来传递 破碎岩石所需要的能量，给井底施加钻压，以及循环钻井液等【1 6 】。在井下动力钻井时， 井下动力钻具是用钻铤送到井底并靠它来承受反扭矩，同时钻头和动力钻具所需要的液 体能量也是通过钻铤送到井底的。钻铤在不同的钻井方式( 转盘钻井、井下动力钻井) 下和不同的钻井工序( j 下常钻进、起下钻等) 中，其工作状态是不同的。在不同的工作 状态下，钻铤受到不同的作用力。钻进过程中，钻铤所受的力与力矩主要有【1 0 】：对钻头 施加的钻压、传递钻柱的扭矩、由钻柱运动和井底反作用力产生的弯曲力矩以及钻进过 程过程中的钻头振动。在不同的工作状态下，不同部位的钻铤受力的情况是不同的。下 面主要分析钻铤受到z 方向的钻压尸、围绕z 方向的一对扭矩q 、瓜】，两个方向的弯 矩w x 、盼四个作用，如图3 1 所示。 、 适三二乡 尹q 一 。 ) ，一 n ，_，p 、夕 q 一惮l 一， 飞 一， 嘲x 西， 图3 - 1 钻铤模型 f i 9 3 1 t h em o d e lo fd r i l lc u a r 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 2 1 钻压 钻柱受到的轴向载荷主要有由自重产生的拉力、由钻井液产生的浮力和因加钻压而 产生的压力。此外，钻柱与井壁、钻井液间的摩擦，循环钻井液时在钻柱内及钻头水眼 上所消耗的压力，起下钻时上提或下放钻柱速度的变化等均会产生附加的轴向载荷【l l 】。 3 2 2 扭矩 在转盘钻井时，必须通过转盘把一定的扭矩传递给钻柱，用于旋转钻柱和带动钻头 破碎岩石。因此，在钻井过程中钻柱受到钻头扭矩的作用，在钻柱各个截面上都产生剪 应力。钻柱所受扭矩和剪应力的大小与钻柱尺寸、钻头类型及直径、岩石性质、钻压和 转速、钻井液性质及井眼质量等因素有关，很难准确地计算。钻柱承受的扭矩在井口处 最大，向下随着能量的消耗逐渐减小，在井底处最小。在井下动力钻井中，钻柱承受的 扭矩为动力钻具的反扭矩，在井底处最大，往上逐渐减小。 3 2 3 弯矩 正常钻进时，当施加的钻压超过钻柱的临界值时，下部钻柱就弯曲变形。在转盘钻 井中，钻柱在离心力的作用下亦会产生弯曲。钻柱在弯曲井眼内工作时，也将发生弯曲。 产生弯曲变形的钻柱在轴向压力的作用下，将受到弯曲力矩的作用，在钻柱内产生弯曲 应力。在弯曲状态下，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。弯曲应力的 大小与钻柱的刚度、弯曲变形部分的长度及最大挠度等因素有关。由于井下钻柱的弯曲 变形是一个复杂的问题，故弯曲力矩及弯曲应力的计算也十分复杂，在此不作讨论。 3 2 4 振动 ( 1 ) 纵向振动 钻进时，钻头转动( 特别是牙轮钻头) 会引起钻柱的纵向振动，在钻柱中性点附近 产生交变的轴向应力。纵向振动和钻头结构、所钻地层性质、泵量不均匀、钻压及转速 等因素有关。当纵向振动的周期和钻柱本身固有的振动周期相同时( 或成倍数) ，就会 产生共振现象，振幅急剧增大，称为“跳钻”。严重的跳钻常常造成钻头损坏、钻杆磨损 加剧以及迅速的疲劳破坏。 ( 2 ) 扭转振动 当井底对钻头旋转的阻力不断变化时，会引起钻柱的扭转振动，因而产生交变剪应 力，降低钻柱的寿命。扭转振动和钻头结构、岩石性质均匀程度、钻压及转速等因素有 关。特别是使用刮刀钻头钻软硬交错地层时，钻柱可能产生剧烈扭振，出现“蹩跳”现象。 1 3 第三章井下工程参数测量原理 ( 3 ) 横向摆振 在某一临界转速下，钻柱将出现摆振，其结果是使钻柱产生公转，引起钻柱严重偏 磨。由以上分析可知，转盘钻井时钻柱的受力情况是比较复杂的。这些载荷就性质来讲， 可分为不变的和交变的两大类。由轴向载荷和扭矩产生的拉应力、压应力和剪应力属于 不变应力；属于交变应力的有弯曲应力、扭转振动引起的剪应力以及纵向振动所产生的 拉应力和压应力。在整个钻柱长度内，载荷作用的特点是在井口处主要受不变载荷( 拉 应力) 的作用而靠近井底则主要是交变载荷( 拉、压、弯曲应力) 等。这种交变载荷的 作用正是钻柱疲劳破坏的主要原因。 3 3 测量系统的仿真分析 采用了有限元分析软件a n s y s l l 0 进行对测量短节进行仿真计算。计算中，将测量 短节模型简化为一厚壁圆筒，圆筒外径为o1 3 4 米，内径为00 6 2 米，长度为1 米。其 他计算参数为：杨氏模量2 e + l l ，泊松比为0 3 ，密度为7 8 5 0 k g m 3 。以下仅介绍钻铤测 量短节受钻压和扭矩作用的计算结果。 3 31 钻压作用结果计算 本研究中钻铤受到的钻压范围3 0 - - 5 0 k n ，以下分别是钻压作用下的轴向应变、应 力分布，以及部分定量结果。 ( 1 ) 固定钻压作用结果计算 以下足计算中，将钻压固定为3 0 k n 。 ，。 讯 图3 - 2 测量短节的计算网格 f i 9 3 2 c a l c u l a t i o ng r i do f g a u g i n gn i p p l e 削3 - 3 删揖短仃韵轴向席娈吲 f l 曲- 5 a x i a ls t r a i no f g a u g i n gn i p p l e 图3 - 3 中，因计算过程中假定测量短节末端( 右端) 固定，其应变量为零，从右到 左应变量依次线性增加，应变量的变化为0 到01 3 5 e 0 4 m 。下面的曲线就是圆筒轴向方 向上的位移分量的变化曲线。以非受压端为0 点，由于圆筒长l 米，则受压端为l 。横 坐标为距离非受压端( 即约束端) 的轴向长度，纵坐标为轴向方向上的位移分量。 圈3 - 4 测量短节的轴向应变分布 f i 9 3 - 4 a x i a ls t r a i nd i s t r i b u t eo f g a u g i n gn i p p l e 2 ) 不问钻压作用r 的计算结果 存材料的线形池围内，小m 钻压作川的计算结果1o 钻压为3 0 k n 时的结果相似，差 第三章井下工程参数测量原理 别仅仅是数值的不同。计算结果参见表3 1 。 童 们 绺 趟 叵 撂 弋 咄 t a b l e 表3 - 1 不同钻压作用下的计算结果 钻压轴向应力分轴向位移( 1 0 m ) ( k n )量( 1 0 7 p a ) 最小值最人值 3 0o 2 7 10 1 3 40 3 5o 3 1 60 1 5 8o 4 00 3 6 10 1 8 0o 4 5 0 4 0 6 0 2 0 3o 5 00 4 5 10 2 2 6o 钻压( p ) 删 图3 - 5 轴向最小应变与钻压的关系图 f i 9 3 - 5r e l a t i o n s h i po fm i n i m a la x i a ls t r a i na n dd r i l lp r e s s u r e 由以上关系能够得出，可以通过轴向应变量的大小来测量钻压。钻压与轴向应变量 成f 比，钻压测量位置最好在钻压施加端。 3 3 2 扭矩作用结果计算 针对扭矩范围1 0 k n m 一2 5k n m ，以下仍然分固定扭矩( 1 0 k n m ) 和变化扭矩两种情 况进行计算。 ( 1 )固定扭矩的计算结果 1 6 中国i 油大学( 华东) 碰学位论文 图3 - 6 测量短节的周向应变 以圆筒外壁非受自；需手一誉筹“嚣茗骂嚣线no 平f g 行a u 0 器羔爱5 1 1 晶一点离此点的距离为以圆筒外壁非受扭端的一点为点，在与轴线平行的直线上的一点离此点的距离为 纵坐标，则得到圆筒外壁周向位移随该距离变化的曲线圈，见下图。 圈3 - 7 测量短节周向应变分布 f 1 9 3 7 c i r c u m f e r e n t i a ls t r a i nd i s t r i b u t eo f g a u g i n g n i p p l e ( 2 ) 不同扭矩作用下的计算结果 与钻压的计算结果类似，扭矩为其它值时，结果与扭矩为固定值基本相同，仅仅相 关的数值不同，扭矩变化时的计算结果参见表3 2 。 第三章井下工程参数测量原理 t a 表3 - 2 不同扭矩作用的计算结果 扭矩( k n m ) 最人周向位移( 1 0 - 3 米) 1 00 2 9 l 1 10 3 2 0 1 20 3 4 9 1 30 3 7 8 1 40 4 0 7 1 50 4 3 6 1 60 4 6 5 1 70 4 9 4 1 80 5 2 3 1 90 5 5 2 2 0 0 5 8 2 2 l0 6 l l 2 20 6 4 0 2 30 6 6 9