（油气井工程专业论文）油气井随钻声波遥测系统的结构设计.pdf

t h es t r u c t u r a ld e s i g no fm w da c o u s t i ct e l e m e t r ys y s t e m o f o i la n dg a sw d l s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：d u a n z h i f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gy i f a s c h o o lo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) ；鞑、 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已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：日期：年月日 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 指导教师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 参，j k v 、 摘要 随钻声波遥测是在钻井作业过程中，利用声波作为载波将并下信息传输至地面的无 线传输技术，亦可以将地面信号传送到井下，从而实现地面与井下的双向通信。随钻声 波遥测是一种较新的无线传输技术，其优点是成本低、体积小、传输速度快、数据量相 对较大、不受地层特性影响等；其缺点是声波传输方式不仅与钻杆自身的周期性管结构 有关，更对信道阻尼非常敏感，声波沿钻柱传播时，信号会发生严重衰减，在钻进时易 受到周围噪音环境的干扰。 为了实现油气井井下声波遥测，提出以纵波为信息传输载体，研究声波在钻杆这一 信息传输通道中的传输规律，探讨了通阻带交替、通带非平滑伴有谐振尖峰的梳状滤波 器结构及产生机理，分析了端面、管箍截面积、杆长等对通阻带分布的影响，以及泥浆 介质、径向辐射、粘弹性地层的阻尼影响，从而优选出载波频率、脉冲形式及数目。在 分析适用于井下声波信号传输的声波换能器参数要求的基础上，研究了换能器的结构及 声匹配和电路匹配，并对声换能器在钻杆信道的位置进行了设计。机械结构设计是随钻 声波遥测系统实现其测量功能的前提和基础，其机械部分是声波随钻遥测系统的壳体构 架，为换能器、传感器及电路提供包容空间，因此，其结构及强度设计是否合理关系到 遥测系统的安全和测量稳定性。井下发射短节作为整个钻柱的组成部分，必须在高温高 压的环境中保持足够的强度和抗腐蚀性，同时还必须保证仪器舱的密封性。在本文中比 较系统的对声波遥测系统的发射部分和接收部分进行机械结构的设计，设计出几种适合 于钻井作业中工作的声波遥测系统，优选出最佳方案并对其进行强度校核计算。 关键词：随钻声波遥测，声波传输，换能器，随钻工具 t h es t r u c t ur a ld e s i g no fm w da c o u s t i ct e l e m e t r y s y s t e m o f o i la n dg a s 台l l s ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d u a nz h i f e n g d i r e c t e db yw a n g f a a b s t r a c t t h ea c o u s t i ct e l e m e t r yw h i l ed r i l l i n gi saw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yw h i c hu s e a c o u s t i ca sc a r r i e r , w h i c ht r a n s m i t sb o r e h o l ei n f o r m a t i o nt ot h eg r o u n di nt h ed r i l l i n gp r o c e s s i tm a ya l s ot r a n s m i t si n f o r m a t i o nf r o mg r o u n dt ob o r e h o l e ，s oa st or e a l i z et h eb o r e h o l ea n d g r o u n db i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n s t h ea c o u s t i ct e l e m e t r yw h i l ed r i l l i n gi sar e l a t i v e l y n e ww i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e t h ea c o u s t i ct e l e m e t r yw h i l ed r i l l i n gh a st h ea d v a n t a g e o fl o wc o s t ，s m a l ls i z e ，f a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d ，ar e l a t i v e l yl a r g ea m o u n to fd a t av o l u m e ，f r e e f r o mt h ei m p a c to ff o r m a t i o np r o p e r t i e s t h ea c o u s t i ct r a n s m i s s i o nd i s a d v a n t a g ei sa c o u s t i c t r a n s m i s s i o nm e t h o dn o to n l yi nc o n n e c t i o nw i t ht h ed r i l lp i p es t r u c t u r eo fi t sp e r i o d i c ，b u ti s v e r ys e n s i t i v et ot h ec h a n n e ld a m p i n g t h es i g n a la t t e n u a t i o nw i l lb es e r i o u sw h e nt h es o u n d w a v ei sp r o p a g a t i n ga l o n gt h ed r i l ls t r i n g t h ea c o u s t i ct r a n s m i s s i o ni ss u s c e p t i b l et oa m b i e n t n o i s ei nt h ed r i l l i n ge n v i r o n m e n t i no r d e rt or e a l i z ed o w n h o l ea c o u s t i ct e l e m e t r yi no i la n dg a sw e l lb yu s i n gl o n g i t u d i n a l w a v ea sa ni n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nc a r r i e r , s o u n dw a v et r a n s m i s s i o nr u l ei nd r i l l p i p ea st h e i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nc h a n n e lw a ss t u d i e d a l t e r n a t i o no fp a s s b a n da n ds t o p - b a n d ， s t r u c t u r eo fc o m bf i l t e ra n df o r m i n gm e c h a n i s m so fp a s s - b a n da c c o m p a n i e db yr e s o n a n c e p e a kw e r ed i s c u s s e d t h ei n f l u e n c eo ft r a n s v e r s ep l a n e ，t h el e n g t ho fd r i l lp i p ea n dc r o s s s e c t i o no fc o u p l i n gi n t e r p o l a t i o no nd i s t r i b u t i o no fp a s s b a n da n ds t o p - b a n dw e r ea n a l y z e d d a m p i n ge f f e c to fd r i l l i n gf l u i d ，r a d i a lr a d i a t i o na n dv i s c o e l a s t i cf o r m a t i o nw e r ea l s o a n a l y z e d t h ec a r r i e rf r e q u e n c y , p u l s ef o r ma n dn u m b e rw e r eo p t i m i z e d b a s e do na n a l y s i so f p a r a m e t e r s r e q u i r e m e n t so ft h ea c o u s t i ct r a n s d u c e rw h i c ha r es u i t a b l ef o rd o w n - h o l es i g n a l t r a n s m i s s i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h es t r u c t u r e ，a c o u s t i cm a t c h i n ga n dc i r c u i tm a t c h i n go ft h e t r a n s d u c e ra n da c o u s t i ct r a n s d u c e rl o c a t i o ni nt h ed r i l lc h a n n e lw a sd e s i g n e d m e c h a n i c a l s t r u c t u r ed e s i g ni st h ep r e m i s ea n df o u n d a t i o no ft h ea c o u s t i ct e l e m e t r ys y s t e mw h i l ed r i l l i n g r e a l i z i n gm e a s u r i n gf u n c t i o n i t sm e c h a n i c a lp a r t sa r es h e l ls t r u c t u r eo f t h ea c o u s t i ct e l e m e t r y s y s t e mw h i l ed r i l l i n g ，p r o v i d i n gi n c l u s i v es p a c ef o rt r a n s d u c e r , s e n s o ra n dc i r c u i t t h e r e f o r e ， t h es t r u c t u r ea n ds t r e n g t ho fd e s i g ni sr e a s o n a b l er e l a t e dt ot h et e l e m e t r ys y s t e m ss e c u r i t ya n d m e a s u r e m e n ts t a b i l i t y a sp a r to ft h ed r i l ls t r i n g ，d o w n h o l el a u n c hs h o r tj o i n tm u s tb et o m a i n t a i ns u f f i c i e n ts t r e n g t ha n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ei nt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e e n v i r o n m e n t ，b u ta l s op r o v i d eag o o ds e a lb e t w e e ni n s t r u m e n tc a p s u l ea n dd r i l lf l u i d t h e s t r u c t u r a lo ft r a n s m i t t i n gp a r ta n dr e c e i v i n gp a r ti na c o u s t i ct e l e m e t r ys y s t e mw e r es y s t e m i c d e s i g n e di nt h ep a p e r t h i sp a p e rd e s i g n e ds e v e r a lk i n d so f a c o u s t i ct e l e m e t r ys y s t e ms u i t a b l e f o rd r i l l i n ge n v i r o n m e n t t h eo p t i m a ld e s i g ns c h e m ec a nb ec h o s e na n ds t r e n g t hc a l c u l a t i o n w a sv e r i f l e d k e yw o r d s ：a c o u s t i ct e l e m e t r yw h i l ed r i l l i n g ，a c o u s t i ct r a n s m i s s i o n ，t r a n s d u c e r , d o w n h o l et o o l 目录 第1 章前言1 1 1 课题研究的目地和意义1 1 2 国内外随钻声波遥测系统的研究现状2 1 2 1 国外随钻声波遥测系统的研究现状2 1 2 2 国内随钻声波遥测系统的研究现状3 1 3 目前存在的问题和本文研究的内容4 1 3 1 目前存在的问题4 1 3 2 研究内容5 第2 章国内外的井下随钻工具6 2 1 国外主要井下随钻工具一6 2 1 1p o w e r d r i v e 系统( s c h l u m b e r g e r ) 6 2 1 2a u t o t r a kr c l s 系统( b a k e rh u g h e s ) 1 l 2 1 3g e o - p i l o t 系统( h a l l i b u r t o ns p e r r y s u n ) 一1 4 2 2 国内主要井下随钻工具17 2 2 1y s t - 4 8 r 泥浆脉冲随钻测斜仪17 2 2 2 普利门p w m d 无线随钻测斜仪。18 2 2 3 中天启明z t 系列随钻工具2 0 2 2 4 随钻测量工具c g m w d 2 4 第3 章随钻声波遥测系统的原理及关键技术3 0 3 1 随钻声波遥测系统的原理及组成3 0 3 2 信号的发射3l 3 2 1 换能器3 2 3 2 2 井下电源4 1 3 3 声波信号在钻柱的传输特性4 1 3 3 1 信道的有限元模型4 l 3 3 2 钻柱信道特性分析4 3 3 3 3 声传播信号分析4 7 3 3 4 周围介质的影响5 2 3 4 信号的接收6 1 第4 章随钻声波遥测系统的结构设计一6 2 4 1 随钻声波遥测系统的设计要求6 2 4 1 1 随钻测量系统的设计原则6 2 4 1 2 随钻声波遥测系统的组成和工作原理6 2 4 1 3 随钻声波遥测系统技术参数的确定6 3 4 2 随钻声波遥测系统的发射部分设计6 4 4 2 1 发射部分结构设计方案6 5 4 2 2 设计方案的优选及加工图。8 8 4 2 3 设计方案的强度校核9 0 4 3 随钻声波遥测系统的接收部分设计9 7 结 论。9 9 参考文献9 9 j l 炙谢1 0 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究的目地和意义 第1 章前言 油气资源是国家最重要的战略性资源，关系着一个国家的国防安全与国计民生，而 如何准确地、高质量地建立油气井这一获取原油和天然气的唯一通道一直是钻井工程领 域的重要课题u j 。目前陆上的油田已进入了开发后期，比较容易开发的大块的油气藏几 乎都已动用，现在油气田开发的工作重点是如薄油藏、边际油藏、断块油藏、剩余油藏 等难动用储量的开发和海上石油的开发，石油钻井行业将面临更加复杂的地质条件和更 加恶劣的自然环境，所有这些都对油气钻井的精度和钻达油气藏的命中率提出了更高的 要求。 而油气钻井的井下信息的获取与传输技术正是提高钻井精度的关键。其中，井下信 息的高速双向传输技术更是已经成为了“重中之重 1 2 。井下信息的传输有两种方式： 有线传输和无线传输，最早发展并应用的是有线传输技术，这种方式能够获得比较高的 数据传输速率，但是它同样存在着结构连接复杂、成本过高和钻井作业不方便等缺点。 随后，泥浆脉冲、电磁波和声波这三种无线传输技术得以快速发展。泥浆脉冲和电磁波 m w d 都已经投入了商业应用，而声波m w d 仍在研究之中，遇到的主要困难是声波信 号在传输过程中存在着严重衰减的问题。 泥浆脉冲传输的方式是当前钻井作业中应用最广泛的一种，其优点就是利用钻井液 来作为传输介质，不再需要绝缘电缆，但是有数据传输速率较慢( 一般在每秒几个b i t 左 右) 、传输信号也易受到干扰、难以实现近钻头测量和不能用于欠平衡与空气钻井等缺 点。目前，泥浆脉冲传输方式已经不能够满足日益发展的钻井对信号传输的要求。 电磁波传输方式是指利用电磁波作为信号传输的媒介来实现信号的传输，可在欠平 衡井、充气钻井中使用，具有信息传输速度快和可实现地面与井下的双向通讯等优点； 其缺点是受地层电阻率的影响很大，地层的电阻率越小，信号衰减就越严重，其传输的 距离有限，只能进行浅井作业【3 j 。 声波信号传输是利用声波作为信息传输载体把井下信息传输至地面的无线传输技 术，同时地面信号还可传送到井下，从而能够实现地面与井下的双向通信。这是一种目 前很被看好的无线传输技术，有望获得更高的数据传输速率。 l 。、 第一章前言 声波在在钢中的传播速度最快，能够达到5 0 0 0 m s ，而在钻井过程中使用的钻柱就 为声波的传输提供了一个传输通道，并且此通道不受地层特性和钻井液成分等因素的影 响，目前，随钻声波测量技术大多数都是将钻柱作为传输信道来进行研究。 随钻声波遥测的优点是结构简单、成本较低和易于定向发射等 4 1 ，并且声波在固体 介质中传播速度极快，而石油钻井的井下本身就具备这样的通道，一个连续的钢质钻柱， 更是为声波的井下信息高速传输提供了得天独厚的条件。声波传输方式的缺点是声波传 输方式不仅与钻杆自身的周期性管结构有关，更对信道阻尼非常敏感，声波沿钻柱传播 时，信号会发生严重衰减。在钻进时易受到周围噪音环境的干扰。对钻柱中声波的传播 衰减特性及与机械结构的匹配的研究是声波传输方式研究的重点。 要想实现这一目标，精心设计的井下信号传输系统是关键，其中首要的前提和基础 就是要有一个设计合理、加工精良、装配准确的承载结构。本文较为系统的进行了油气 井井下测控工具的结构设计，提出了多种方案，对油气井井下测控工具结构的强度、密 封、耐压、功能等诸方面都进行了探讨，并优选出最佳方案进行强度校核。 目前，在钻井行业对于声波遥测机械结构方面的研究还很少。基于声波的井下信息 传输方式是一种较理想的传输方式，具有较大的发展潜力，需要人们在这方面多做些工 作。 1 2 国内外随钻声波遥测系统的研究现状 国内外一直就没有停止对声波井下信息传输方面的研究，并且理论研究和实验结果 越来越鼓舞人心。但是对于在钻杆中声波传输的规律和衰减特性、换能器与结构的匹配 研究及延长钻井时声波传播深度还是较欠缺。目前，虽然只有极少数的国外几大石油服 务公司的声波随钻遥测系统进行了现场试验，但是没有具体的商业应用。同时，出于技 术保密的原因，国内在钻井时只能是租用国外这些随钻声波遥测工具，成本很高而且得 到的数据并不完善。因此，对随钻声波遥测系统进行系统分析和研究就显得十分必要。 下面就将有关随钻声波遥测系统的相关研究进展情况做一简单小结与分析。 1 2 1 国外随钻声波遥测系统的研究现状 1 9 4 8 年美国太阳石油公司尝试做了一系列声波传输的现场实验，由于声波在传播过 程中衰减严重而中止了研究。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 9 7 2 年b i l l r k i r k w o o d 和t h o m a sc t b a m e s 分析了钻杆的宏观周期性结构，提出了 通、阻带交替梳状滤波器的结构特性，并对理想化的钻杆做了了理论的分析。在他们的 文章中还分别给出了在钻杆中零阶扭转波和纵波的这种频带结构，但仅仅是预测了通带 和阻带的边缘，并没有对每个通带内具体的声波传播特性进行研究。 1 9 8 5 年，d r u m h e l l e r 和p o l e t t o 分析了纵波沿理想钻杆的频带特性、通带内的细微 频谱结构、钻杆外形尺寸以及管内外等效的简化损耗对传输的影响，他们还对钻杆中纵 波的衰减和纵波与弯曲波的耦合等问题作了较细致的研究，并完成了大量的现场实验【5 1 。 1 9 9 4 年，美国研制成功了一种基于超声波的油井信息双向传输系统，这种系统是一 种用井筒液体作为传递媒体来提供声波双声道无线通讯的通讯和控制系统，该系统包括 四个子系统：个人计算机( p c ) 、地面接口盒( s i b ) 、地面声波收发装置( s a t ) 及一套井下 声波工具( d a t ) 。 1 9 9 6 年，日本国家石油公司进行了一系列的井下信息的声波传输实验【6 1 ，该系统是 利用以钻杆组合作为数据传输的通道，采用了磁致伸缩换能器，在井下1 9 2 4 米处成功 的进行了声波信号的传输，传输速率能够达到1 0 b p s 。 2 0 0 4 年9 月贝克休斯公司和e v o l o g i c s 公司在美国o k l a h o m a 州的b e t a 进行了用 声波来传输井下信息的现场实验，该系统利用钻柱本身作为声波数据传输的通道，最大 的井深达到了6 2 0 米，传输速率高达为7 2 0 b p s 。据e v o l o g i c s 公司的人称，该仪器在井 下信息的传输距离完全能够达到1 0 0 0 米，数据传输速率亦可以达到5 0 b p s 。 2 0 0 4 年美国h a u i b u r t o n 公司最新研制的井下无缆声遥测工具a t s ，它是通过1 2 7 m m 采油管来用声波传送井下数据，每隔2 m i n 传输一组数据，能在井下连续工作2 0 天，如 果在井下1 9 3 5 m 处安装一个中继器，其工作的深度能够达3 6 7 4 m 。 2 0 0 7 年，e x t r e m ee n g i n e e r i n gl t d 和x a c td o w r d a o l et e l e m e t r yi n c 在井深为2 5 0 0 m 进行了用声波来传输信息的实验及现场测试，最大井深可达到2 5 0 0 m ，传输速率也可达 到2 0 b p s 。 1 2 2 国内随钻声波遥测系统的研究现状 目前，国内几乎没有这方面的研究成功报道，只有一些较为接近的研究成果。青岛 海洋大学、清华大学和中国石油大学等都对油井参数声波传输技术进行了研究，1 9 9 9 年青岛海洋大学曾研制过一种用声波来为数据信息载体来实现油井参数无线传输的系 3 第一章前言 统；西安石油学院刘光汉教授等人研究开发了可利用井内钢铁介质来传输井下信息的井 下无电缆遥测技术，并在古城油田g 3 5 0 4 井、g 2 4 0 4 井进行试验取得成功 r l ；清华大学 的李成和丁天怀等研究了声波在油管中的传输特性；中国石油大学( 华东) 石油工程学院 很早就关注基于声波的井下信息无线传输技术的研究和进展，对声波在钻杆中短距离的 传播特性进行了初步的研究和实验，为进一步研究奠定了坚实的基础。 1 3 目前存在的问题和本文研究的内容 1 3 1 目前存在的问题 目前，随钻声波遥测系统越来越成为了井下信息传输研究的热点，虽然有很多国内 外的公司和研究人员做了很多声波传输方面的实验，但是还是鲜有商业运用的范例。随 钻声波遥测系统还有着很多的问题需要我们来解决： ( 1 ) 信号衰减严重。在钻柱信道中声波传输实验中可以得出声波在钻柱中的衰减比 较严重，这种衰减不仅与钻杆自身的周期性管结构有关，更加对信道阻尼非常敏感，同 时易受到周围噪音环境的干扰。 ( 2 ) 换能器。由声波传输实验中可知井下声波通信的通频带一般都集中在低频带处， 而且为了提高信噪比就得提高发射信号的幅度和能量，我们都知道使用大尺寸的换能器 才能产生这个频带的声波，同时还得减薄压电陶瓷片的厚度来提高发射信号的幅度和能 量，这些对井下有限的空间是一个考验。 ( 3 ) 信道稳定性差。钻杆传输信道在钻井时会受到很多因素影响而发生变化。尤其 是对噪声( 井下噪声和地面噪声) 很是敏感，而这些噪声也是随着钻井参数的变化而变化， 通过改变信噪比的大小噪声的高低就会使得声波信道的传输能力发生明显的变化，从而 会导致声波传输信道的性能变差。 ( 4 ) 传播距离短。在钻井作业过程中，声波在钻柱中的传输衰减很严重，极大的限 制了声波传输的距离，目前，声波遥测成功应用的井深一般都在2 5 0 0 m 以内。 ( 5 ) 可靠性低。因为声波在钻柱中传输时会发生很大程度的衰减，声波传输距离较 短，而大多数井的深度都要超过声波所能传输的距离，所以一般就会使用中继器来延长 信号的传输距离。但使用中继器会使得将钻具结构发生变化，从而就会使传输信道特性 发生变化，而且中继器也是一个单独声波接收和发射系统，更会使得整个随钻声波遥测 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系统的复杂程度增大，从而导致声波通道的可靠性降低。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 了解声波在钻柱中传播理论研究 声波在钻柱中传播是一个极其复杂的过程，因其通道中存在着大量的边界问题，声 波的衰减是声波在钻柱中传播不可避免的现象，扩散衰减、散射衰减和吸收衰减是声波 在钻柱中3 种主要衰减方式，我们需要对声波在钻柱中的主要衰减特点进行研究，以便 于进行声波遥测系统的机械结构设计。 ( 2 ) 满足向钻柱中传播声波的声波换能器 通过对换能器的理论分析和声匹配和电路匹配等手段，研究满足可以向钻柱发射和 接收声波信号的换能器。 ( 3 ) 调研井下随钻测量工具 通过调研国内外的随钻测量工具的结构特点，找出这些工具的基本特点，为设计随 钻声波遥测系统的结构设计做基础。 ( 4 ) 随钻声波遥测系统的结构设计 针对钻柱中的声波传播和衰减问题进行研究，配合声波换能器，设计出多套不同机 械结构的随钻声波遥测系统，从中选出最经济、最合适、最耐用的结构来进行理论强度 校核和a n s y s 有限元分析。 5 第二章国内外的并下随钻工具 第2 章国内外的井下随钻工具 随钻测量( m w d ) 技术是指可以把安装在近钻头处的井底组合钻具中的测量工具所 测得一些近钻头的附近的信息，不需要中断正常钻进就把信息传送到地面并在钻进过程 中进行测量的这样一门技术。 现在石油钻井中应用的m w d 系统种类非常多，结构和功能也有所不同，但是现有 的m w d 系统一般分了五个部分：井下电源；工程参数传感器；信号遥测通道；脉冲发 生器；地面系统。测量信息的种类主要是有四大类：钻进参数；定向参数；地层评价参 数；安全钻井参数。 2 1 国外主要井下随钻工具 目前，国际上主要有八家m w d 制造公司，它们生产大约2 0 个系列的8 种产品， 能够测量大约3 0 多种参数，基本可以满足各种定向井类型的需要【引。这些公司主要是以 斯伦贝谢( s c h l u m b e r g e r ) 、哈里波顿( h a l l i b u r t o n ) 、贝克休斯( b a k e rh u 曲e s ) 、g e o l i n k 、斯 佩里太阳钻井服务、康普乐等很具有代表性的钻井服务公司。 m w d 的信号传输的方式主要有两种：有线和无线，无线传输方式有泥浆脉冲、电 磁波、声波三种方式。2 0 世纪8 0 年代时有线随钻测量仪已经大规模使用，但是由于成 本等原因很快就被发展中的泥浆脉冲无线m w d 所取代 9 1 。9 0 年代高性能的泥浆脉冲随 钻测量系统成功的攻克了在深井、高温等恶劣环境下工作的难题，在钻井作业中开始大 规模应用泥浆脉冲式m w d ，但是钻井液脉冲m w d 在欠平衡井中无法使用。而电磁波 随钻测量系统却具有不受钻井液介质的影响、双向通讯、可在恶劣环境中工作和井下信 息传输速度快等特点，其传输速率较快，可以达到l o o b i t s 以上。 近年来，随着随钻测量技术的应用越来越广泛，石油公司都加强了对随钻测量技术 的研发力度。但是先进的随钻测量技术主要是被s c h l u m b e r g e r 、h a l l i b u r t o n 和b a k e r h u g h e s 这三大公司所垄断。以下就介绍一些先进的随钻工具： 2 1 1p o w e r d r i v e 系统( s c h l u m b e r g e r ) 1 、p o w e r d r i v e 组成部分和工作原理 p o w e r d r i v e 系统是由井下的旋转导向工具、随钻测量系统、地面和井下的双向信息 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 通讯系统及地面计算机监控系统这四部分组成，见图2 1 ，其是调制式全旋转导向钻井 系统的最典型的代表，p o w e r d r i v e 系统是用推靠钻头的偏置原理来进行导向。 图2 - 1p o w e r d r i v e 系统的组成部分 f i 9 2 - 1c o m p o n e n to fp o w e r d r i v es y s t e m p o w e r d r i v e 有3 个组成部分：上端的电子控制部分( c o n t r o lu n i t ，简称c u ) 、中 间的加长短接( e x t e n s i o ns u b ，简称e s ) 和下端的机械部分( b i a su n i t ，简称b 。 图2 - 2p o w e r d r i v e 的整体图 f i 9 2 - 2 t h eo v e r v i e wd i a g r a m so fp o w e r d r i v e 7 第二章国内外的井下随钻工具 机械部分 图2 - 3p o w e r d r i v e 的组成部分 f i 9 2 - 3 t h ec o m p o n e n to fp o w e r d r i v e ( 1 ) 电子控制部分c u p o w e r d r i v e 的指挥中枢就是电子控制部分c u ，电子控制部分可以静止不转或独立 于外面的钻铤而旋转【1 0 】。电子控制部分的内部包括有泥浆驱动发电机、温度传感器、转 速传感器、陀螺、振动传感器、流量变化传感器等。 电子控制部分的工作原理：开泵后，发电机就会开始发电，井底的方位角和井斜角 被陀螺测得，然后使其内部的电子控制部分固定在某一个方位上，确保在钻杆旋转时电 子控制部分内部的控制轴总是对准在所需要的方位上，地面石油工程师所需要的高边工 具面角的反方向就可由这个方位加上一个校对值就得出。 扭矩仪( 顺时针) 叶轮 图2 - 4p o w e r d r i v e 的电子控制部分c u f i 9 2 - 4 t h ec o n t r o lu n i to fp o w e r d r i v e ，如有需要，还可由地面工作人员可以给p o w e r d r i v e 发送命令来调整控制轴的方位角： 在不同的时间给定不同的工作排量，并按一定的时间编排，排量的变化被电子控制部分 内部的传感器探测出，并由其内部的程序进行核对，假如和预先所设定的指令相同，就 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 会开始执行新的工作指令。 ( 2 ) 加长短接e s ：在其内部安装有一个泥浆滤网，负责过滤分流后驱动b u 当中推 力块的泥浆。 ( 3 ) 机械部分b u b u 就是由一个泥浆导流阀和三个由泥浆推动的推力块所组成的一个机械执行装 置。 c u 的控制轴连接着泥浆导流阀，控制轴的方位来确定泥浆导流阀的方向，假如有 3 一5 的钻井液经过这个泥浆导流阀来进行分流，这部分钻井液就会流向转到该方向上 的推力块a ，推力块a 受力后就伸出来对井壁有一个推挤的作用，推力块也就相应的会 受到井壁的反作用力，就对钻头生成了一个侧向力，可将钻头推向石油工程师所要求的 那个方位。当推力块b 转到这个位置后，泥浆的液压作用就会转向推力块b ，从而使得 推力块b 伸出伸出来对井壁有一个推挤的作用，而在井壁的挤压下推力块a 会缩回去， 周而复始，就此实现旋转导向的功能。 地面工程师通过电子控制部分来决定推力块是在哪个方位伸出及伸出次数的几率。 钻头压降来决定对井壁推力的大小，可由地面工作人员通过调节泥浆排量的大小而进行 控制。 图2 5p o w e r d r i v e 的机械部分b u f i 9 2 - 5 t h eb i a su n i to fp o w e r d r i v e 9 第二章国内外的井下随钻工具 图2 - 6p o w e r d r i v e 的定向机构 f i 9 2 - 6 t h es t e e r i n ga c t u a t o ro fp o w e r d r i v e 支撑座出 p a d o u t 图2 - 7 定向机构的支撑座 支撑座入 p a d i n f i 9 2 - 7 t h es t e e r i n ga c t u a t o rp a d s t a r k c o n t r o i v a l v t 图2 - 8 定向原理示意图 f i 9 2 - 8 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs t e e r i n ga c t u a t o r 2 、p o w e r d r i v e 详细参数： 长度：4 9m ； l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 排量：5 0 0 - - 1 0 0 0g p m ； 转速：4 0 - 2 2 0r p m ； 工具压降：1 0 0p s i ； 最小钻头所需压降：5 0 0p s i ； 最高运行温度：1 2 0 0c ； 泥浆比重：7 5 2 0p p g 1 2 】； l c m ：使用m w d 指示 3 、旋转导向系统p o w e r d r i v e 的优点 ( 1 ) 反映和降低了钻井段的狗腿度，可使得井眼更平滑。 ( 2 ) 使用p o w e r d r i v e 所钻出的井径比较规则，而传统泥浆马达在转动井段的井径基 本上不扩大，在滑动井段的井径却又扩大很多，由此造成的井径的忽大忽小会成为井下 事故的重要隐患，同时也不利于固井时计算水泥量。 ( 3 ) 使用p o w e r d r i v e 钻井会大大降低卡钻的机会。因为其钻具组合中的所有部分都 在旋转，而使用传统泥浆马达在滑动钻进时除钻头旋转外，其它都是贴在下井壁上，这 样就易造成卡钻1 3 1 。 ( 4 ) p o w e r d r i v e 组合中的所有钻具在钻进过程中总是在旋转，这就有利于岩屑的搬 移，大大的减少了岩屑床形成的机会，可以更好的清洁井眼。这点对钻大位移井、大斜 度井和水平井有着很重要的意义。 ( 5 ) 由于p o w e r d r i v e 钻具组合在钻进过程中总是在旋转，非常有利于高难度井中钻 压的传递，这样就可以使用较高的转盘转速和钻压，从而提高机械钻速。 2 1 2a u t o t r a kr c l s 系统( b a k e rh u g h e s ) 1 、a u t o t r a k 系统的组成 1 9 9 3 年，b a k e rh u g h e 8i n t e q 公司和a g i p 公司合作在直井钻井装置( s d d ) 和垂直 钻井系统( v d s ) 的基础上成功研制了旋转闭环系统( r c l s ) 。1 9 9 6 年在4 口井中试验该系 统大获成功，1 9 9 7 年注册为a u t o t r a k 并推向了市场1 4 1 。 a u t o t r a k 系统由a u t o t r a k 工具、钻井液脉冲信号发生装置、m w d 解码系统、地面 监控计算机和地质导向工具这五部分所组成，a u t o t r a k 系统的结构示意图如图2 - 9 所示， 其导向原理就是推靠钻头的偏置原理。 1 1 第二章国内外的井下随钻工具 图2 - 9a u t o t r a k 系统主要组成部分 f i 9 2 - 9 t h ec o m p o n e n to f a u t o t r a ks y s t e m 导向装置 佃惭 1 o r eo n ) 目【田瞳蕊图尊 头 传摩器蠢央 双向遣讯和魂力饔疑 压曲电即l 卑定向 成量t t s m 2 5 询 ： 望竺竺! 壁! 竺 l一位醒1 撅8 0 m 呲0 9 n )黼l位毫废 ”p ” i 。9 m l ( 4 9 a ) 佑乡1 5 1 均 j l i 。，忍z 圈置堕麓塑翟窆蜀巴强霹翟豳雹翟互互五五盍互：i 盈一1 优化麓糟皇度仪o r 研舞收正中予但( c c n ) c o - p i l o t i 图2 1 0a u t o t r a k 系统的旋转闭环钻进系统 f i 9 2 l o i h er o t a r yc l o s e - l o o pd r i l l i n gs y s t e mo f a u t o t r a ks y s t e m 2 、系统的工作原理 a u t o t r a k 就是由安装在不旋转滑套上的3 个伸缩块和井壁之间的相互作用所产生的 合力来进行地质导向【