過鉆頭測井系統(tǒng)數字樣機建立與模擬

陳穎杰，韓 雄，徐婧源，鄧傳光，劉 陽，袁和義

(1.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部，四川成都 610041)(2.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院，四川廣漢 618300)(3.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川成都 610213)(4.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川成都 610500)

常規(guī)電纜測井由于受水平井井眼軌跡和地質條件限制通常無法進行有效測井，而利用隨鉆測井(LWD)和各種鉆桿傳送測井技術雖然能獲得有效的測井資料，但其作業(yè)成本卻顯著增加。過鉆頭測井(through bit logging，TBL)系統(tǒng)作為一套獨特且經濟高效的測井系統(tǒng)，因其在大斜度井、水平井測井中具有明顯的優(yōu)勢，近年來得到作業(yè)者的廣泛青睞。如遇到井壁穩(wěn)定性差的井段時，工程上需要對該井段地層資料進行了解，通常采用特殊的鉆具組合，將測井工具從鉆具中心孔道送入井下鉆頭位置進行坐掛，形成測井工具前端從鉆頭處伸出的結構，從而通過鉆頭拖動測井儀器開展測井作業(yè)［1－2］。因TBL系統(tǒng)需要承受井下高溫高壓環(huán)境，所以其性能指標要求很高，開發(fā)難度很大。目前，國際上主要的一些石油服務公司(如Halibut、Baker Hughes等公司)已經對該技術進行研發(fā)，并推出了成熟的產品［3－9］，而國內對該技術的研發(fā)正處于起步階段，沒有取得突破性成果。為縮短TBL系統(tǒng)的研發(fā)時間，降低開發(fā)成本，國際石油公司一貫的做法是首先建立TBL系統(tǒng)數字樣機，在產品研發(fā)前期進行模型評估分析，在產品開發(fā)中期進行輔助測試與改進，在產品開發(fā)后期進行完善與優(yōu)化，這些做法都獲得了較好的效果。因此中國也可以采取這種TBL系統(tǒng)研發(fā)思路，通過建立TBL系統(tǒng)數字樣機來提高研發(fā)效率。

1 TBL系統(tǒng)尺寸規(guī)范

TBL系統(tǒng)主要由兩部分構成:過鉆頭測井專用鉆頭和特殊尺寸測井工具。

1)測井工具常用尺寸規(guī)范。

TBL測井系統(tǒng)的測井工具具有直徑小、耐高溫和高壓的特點。由相關文獻［10－12］可知，儀器外徑同為53.975mm的測井儀系列能通過大多數鉆桿、震擊器、鉆鋌和鉆頭(技術規(guī)格見表1)。

2)專用鉆頭尺寸規(guī)范。

過鉆頭測井使用的鉆頭主要包括2種類型:①由常規(guī)的聚晶金剛石復合PDC鉆頭改造而來，通過在鉆頭中心安裝一個可活動的鑲嵌塊體，構成一個直徑大約63.5mm的可開啟和關閉的通道。在鉆頭作業(yè)過程中，測井工具可伸出鉆頭到目的層進行測井操作，完成后可將測井工具縮回鉆頭以內，進而關閉測井工具通行孔眼，繼續(xù)鉆井。②由常規(guī)PDC鉆頭改造而成，通過在鉆頭齒冠(即鉆頭中心面處)形成一個直徑為63.5mm的孔，根據巖性要求，裝配各種刀具。盡管兩種鉆頭均有一定的優(yōu)勢，但后者因其結構簡單、井下作業(yè)可靠度高等特點而得到廣泛的應用。

表1 國外TBL測井儀技術規(guī)格

2 TBL系統(tǒng)數字樣機建立

數字樣機是產品開發(fā)者搭建的3D數字化平臺，可以形象直觀地對產品原型進行優(yōu)化設計，提高產品開發(fā)效率。

TBL系統(tǒng)由懸掛短節(jié)和測井工具(以聲波測井儀為例)組成。懸掛短節(jié)主要由TBL鉆頭、電纜投撈頭、懸掛器、懸掛桿組成;聲波測井儀主要由1個聲波發(fā)射短節(jié)和2個聲波接收短節(jié)組成。

TBL系統(tǒng)數字樣機開發(fā)流程(如圖1所示):首先開展TBL系統(tǒng)零部件的尺寸結構設計，再利用機械建模軟件繪制零部件的3D模型，并搭建裝配體，最終形成數字樣機平臺(如圖2～圖4所示)，基于該平臺，開展模擬仿真，完善初始設計，最終形成合格的TBL系統(tǒng)設計。

圖1 TBL系統(tǒng)數字樣機開發(fā)流程

3 TBL樣機模擬測試

SolidWorks軟件提供了完整的全動態(tài)建模操作模式，利用其外形設計模塊、運動學與動力學分析模塊、有限元分析模塊，即可以實現TBL數字樣機的優(yōu)化完善。

圖2 TBL測井系統(tǒng)數字樣機圖

圖3 TBL懸掛短節(jié)內部結構

圖4 TBL測井儀器內部結構(以聲波測井儀為例)

3.1 系統(tǒng)工作流程

1)用個性化TBL鉆頭擴孔到井底，為測井做準備。

2)司鉆將鉆頭提離井底為測井儀器留出足夠空間，通過鉆桿將測井儀器送到井下。

3)將測井儀精確定位在鉆頭下面后，測井工程師測試測井儀的各項性能，然后斷開電纜并將電纜回收到地面。

4)隨著司鉆上提鉆桿，測井儀器測量并記錄地層數據。

5)上提測井儀，直至儀器進入套管，完成測井作業(yè)。

6)鉆頭和測井儀進入套管后測井人員用電纜下放回收工具，拴住測井儀，并將其回收到地面。

7)將測井儀取出鉆柱后，司鉆可擴孔到底或繼續(xù)其他作業(yè)程序，準備下一階段的鉆井活動。

3.2 靜態(tài)模擬

對于TBL系統(tǒng)，零部件的靜態(tài)配合準確性是系統(tǒng)在井下順利工作的重要保證。靜態(tài)檢測包括零部件之間的配合和靜力學分析。利用TBL數字樣機平臺在虛擬環(huán)境中檢測可能存在的設計缺陷，然后修正，達到優(yōu)化設計的目的。

TBL聲波測井儀器的隔聲體和電子倉兩部分是系統(tǒng)的最薄弱部位，它們的強度直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定。在設計中，隔聲體選用40CrMnMo作為主體材料。40CrMnMo鋼的性能參數［10］:σb=980MPa， σs= 785MPa， E = 200 000 ～211 700MPa，G=80 800MPa，ν=0.28。

當測井工具遇阻或遇卡時，需要上提旋轉測井工具，此時TBL系統(tǒng)承受的拉力和扭矩載荷最大。

隔聲體:上提力＜100 kN，內外壓差0MPa，扭矩10kN·m。

電子倉:上提力 ＜100 kN，內外壓差 ＜105 MPa［9］，扭矩 10kN·m。

在此工況下，運用SolidWorks有限元分析模塊對隔聲體和電子倉進行強度分析:一方面檢測出工具最大應力位置，并核實是否超出材料的強度極限，同時查看其安全系數;另一方面檢測工具的應力應變。經有限元分析(如圖5和圖6所示)，電子倉最大應力為180.67MPa，位置是在開槽的尖角處;隔聲體的最大應力為195.68MPa，在鍵槽位置。最大應力均遠小于材料的屈服強度極限785MPa，安全系數為4，系統(tǒng)安全。

圖5 電子倉的應力云圖

3.3 動態(tài)模擬

圖6 隔聲體的應力云圖

1)一方面，為保護鉆頭附近的井壁，鉆頭出口處的流體需要足夠平穩(wěn);另一方面，為保證測井工具入井時具有足夠的流體推動力，鉆頭出口處應盡量減少水功率消耗。假設鉆頭入口流量為10L/s，通過模擬表明(如圖7和圖8所示)，設計的鉆頭出口處流速快速降低(從內部的3.32m/s下降至出口的0.50m/s左右)，且分布均勻，滿足對井壁沖蝕小的要求;另外整個鉆頭的壓降維持在0.1MPa以內，水力損失小。

圖7 鉆頭液體通過流速分布圖

圖8 鉆頭液壓分布圖

2)由于過鉆頭測井工具需要依靠鉆井液的流動推力使其沿著鉆桿內部前進，所以該系統(tǒng)的流體動力特征是保證其中的測井儀器順利到達目標位置的一個重要條件。因此需要模擬鉆井液排量和推力的關系，從而確定工具是否能夠被順利推進。

鉆井液推動測井工具前進，模擬參數如下:目標外徑65mm，鉆桿內徑72mm，模擬液體為水介質，流量10L/s，工具串質量100kg，管壁摩擦系數0.5。模擬結果顯示(如圖9和圖10所示)，測井工具所受的推力為1 222.39N，而其所受到的摩擦力為490N，因此可以順利地推動測井工具移動。

圖9 井下測井工具串推動模型

圖10 工具串推動下的流體動力學特征

4 結束語

本文設計了適用于8－1/2″井眼尺寸的TBL系統(tǒng)，并基于SolidWorks軟件平臺搭建了數字樣機，其中測井儀器外徑為 53.975mm、長度為3 190mm，專用鉆頭內徑為 63.5mm、外徑為215.9mm。通過數字樣機模擬表明設計的TBL系統(tǒng)可滿足上提力＜100kN、工作壓力＜105 MPa、扭矩＜10kN·m的井下工況環(huán)境，同時該系統(tǒng)的流體動力特性可保證測井工具串在鉆桿內具有足夠的前行動力，能順利到達目標位置坐掛;流體在鉆頭處的壓降功耗小，且對井壁的沖刷小，較好地保護了井壁，符合設計預期。

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