張朝龍 謝志海 曹 敏 張藝懷

(西南石油大學(xué)，四川成都，610500)

在開(kāi)采石油鉆井作業(yè)中，深井、超深井和復(fù)雜井等地質(zhì)情況非常復(fù)雜，提前掌握井下的地質(zhì)情況可以減輕作業(yè)困難，避免鉆井事故的發(fā)生，確保鉆井作業(yè)的安全。目前井下壓力計(jì)只能等到鉆頭停止工作起鉆后才能得到數(shù)據(jù)，并且無(wú)法真實(shí)反映井下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，延遲較長(zhǎng)。使用隨鉆井下環(huán)空壓力檢測(cè)儀延遲得到了極大的縮短，但是成本很高，費(fèi)用昂貴，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本鉆井。一種微球式井下自動(dòng)釋放裝置，將測(cè)量?jī)x制作成微球狀，鉆井前將單個(gè)或多個(gè)微球安裝到連接在鉆具上的自動(dòng)釋放裝置，隨鉆具下入井內(nèi)，通過(guò)自動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)釋放，后隨泥漿一起移至地面，進(jìn)而回收采集數(shù)據(jù)。對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行分析以及新式裝備的提出對(duì)微球式井下鉆井有很高的指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)今的井下數(shù)據(jù)測(cè)量裝置分析

1.1 井下壓力計(jì)和PWD

井下壓力計(jì)的傳感器精度很高，傳感器采用硅和藍(lán)寶石材料制作。在不同的外界壓力和溫度的環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生不同的振蕩頻率，對(duì)頻率進(jìn)行處理后記錄在存儲(chǔ)器內(nèi)。在壓力計(jì)預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序下，對(duì)檢定系數(shù)進(jìn)行換算，將頻率值轉(zhuǎn)換為壓力和溫度數(shù)據(jù)。井下壓力計(jì)的測(cè)量原理是將測(cè)量?jī)x和鉆具一起下井，在下井的過(guò)程中收集數(shù)據(jù)，起鉆后才能讀取數(shù)據(jù)。

PWD隨鉆測(cè)壓是MWD隨鉆測(cè)量技術(shù)的一個(gè)部分，一般通過(guò)MWD+PWD的組合，在隨著鉆井過(guò)程中，測(cè)量井眼軌跡數(shù)據(jù)和井底環(huán)空壓力，測(cè)量后的數(shù)據(jù)通過(guò)泥漿脈沖信號(hào)傳輸?shù)降孛?，在接收到信?hào)后再由預(yù)設(shè)好的解碼系統(tǒng)解碼后得知井下的地質(zhì)狀態(tài)。

1.2 泵送式井下自動(dòng)釋放裝置

泵送式井下自動(dòng)釋放裝置的工作原理是：預(yù)先將測(cè)壓微球存放在鉆頭水眼、內(nèi)防噴等工具內(nèi)，微球的外徑小于10mm，能夠隨意通過(guò)這些工具。在鉆井停泵接單根時(shí)，將微球放入鉆具中，連接好鉆具后，使用泵加壓讓微球和鉆井液在井內(nèi)循環(huán)一周，再次到地面時(shí)進(jìn)行回收，讀取數(shù)據(jù)。

1.3 微球式測(cè)量?jī)x預(yù)儲(chǔ)存與井下自動(dòng)釋放及裝置

中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司和西南石油大學(xué)共同研發(fā)出了一種微球式測(cè)量?jī)x預(yù)儲(chǔ)存與井下自動(dòng)釋放方法及裝置。該裝置的使用方法要求在下井前預(yù)先將單個(gè)或多個(gè)微球式測(cè)量?jī)x存儲(chǔ)在自動(dòng)釋放裝置內(nèi)，該裝置連接在鉆具上，隨鉆具進(jìn)入井內(nèi)，再通過(guò)預(yù)先設(shè)定或改變泵的排量來(lái)達(dá)到控制微球測(cè)量?jī)x釋放的數(shù)量。測(cè)量?jī)x被推出至環(huán)空，在泥漿的作用下運(yùn)至地面，到地面后進(jìn)行回收，收集數(shù)據(jù)。

1.4 對(duì)上述裝置的分析

井下壓力計(jì)雖然縮短了測(cè)量和傳輸井下壓力的時(shí)間，但是成本很高，費(fèi)用昂貴，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本的作業(yè)。隨鉆井下環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)儀(PWD)大幅延長(zhǎng)了得到井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)間，使得控制鉆井的措施嚴(yán)重滯后于鉆井實(shí)際作業(yè)的進(jìn)行，增加了作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)泵送式井下自動(dòng)釋放裝置讀取測(cè)量的數(shù)據(jù)，會(huì)通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換為曲線，可以更直觀地了解井下環(huán)空壓力和溫度。井下的測(cè)壓微球收集到的數(shù)據(jù)雖然存在滯后性，但是可以為進(jìn)一步的鉆井作業(yè)提供壓力控制和理論壓力推算的依據(jù)。泵送式井下測(cè)壓微球無(wú)法通過(guò)螺桿、MWD等測(cè)量?jī)x器。微球式測(cè)量?jī)x預(yù)儲(chǔ)存與井下自動(dòng)釋放及裝置步驟簡(jiǎn)單、原理可靠、便于操作，通過(guò)本方法在環(huán)空中釋放井下微球測(cè)量?jī)x，測(cè)量?jī)x不通過(guò)鉆頭水眼或井下特殊鉆具，不會(huì)被鉆頭和井底破壞，不會(huì)堵塞鉆具，測(cè)試可靠性、成功率大幅提升。

1.5 分析后的結(jié)果

微球式測(cè)量?jī)x預(yù)儲(chǔ)存與井下自動(dòng)釋放及裝置彌補(bǔ)了其他裝置的大部分缺點(diǎn)，在微球裝置的基礎(chǔ)上，提出了自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 基于微球式測(cè)量?jī)x預(yù)儲(chǔ)存與井下自動(dòng)釋放裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

微球式測(cè)量?jī)x預(yù)存儲(chǔ)與井下自動(dòng)釋放裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在下井前預(yù)先將單個(gè)或多個(gè)微球式測(cè)量?jī)x存儲(chǔ)在自動(dòng)釋放裝置內(nèi)，該裝置連接在鉆具上，隨鉆具進(jìn)入井內(nèi)，再通過(guò)預(yù)先設(shè)定或改變偏心聯(lián)軸葉片的數(shù)量和受沖擊面積，來(lái)達(dá)到控制微球測(cè)量?jī)x釋放的數(shù)量。測(cè)量?jī)x被推出至環(huán)空，在泥漿的作用下運(yùn)至地面，到地面后進(jìn)行回收，收集數(shù)據(jù)。

2.1 裝置設(shè)計(jì)介紹

2.1.1 核心結(jié)構(gòu)

葉片與偏心板內(nèi)置聯(lián)軸機(jī)構(gòu)，進(jìn)行連接傳動(dòng)，如圖1。

圖1 偏心聯(lián)軸機(jī)構(gòu)

2.1.2 整體結(jié)構(gòu)和工作方式

整體結(jié)構(gòu)和工作方式如圖2。

圖2 整體結(jié)構(gòu)

2.2 裝置工作原理

連通孔結(jié)構(gòu)、微球存儲(chǔ)槽和釋放腔結(jié)構(gòu)，形成了一個(gè)能將短節(jié)內(nèi)孔與井筒環(huán)空連接的通道，微球釋放腔的通道僅能容納一個(gè)微球測(cè)量?jī)x，偏心聯(lián)軸機(jī)構(gòu)每轉(zhuǎn)一圈會(huì)釋放一個(gè)測(cè)量?jī)x，偏心聯(lián)軸會(huì)隨著鉆井液的流動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，由于儲(chǔ)槽內(nèi)的壓力高于井筒環(huán)空中的泥漿壓力，因此在微球存儲(chǔ)槽中的微球測(cè)量?jī)x兩側(cè)形成壓差，在該壓力差的作用下，微球測(cè)量?jī)x會(huì)從微球裝填槽向外部釋放。

為控制微球測(cè)量?jī)x的釋放速度，可改變?nèi)~片的數(shù)量或受沖擊面積控制偏心聯(lián)軸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度進(jìn)而控制微球測(cè)量?jī)x的釋放速度。

在加工時(shí)可調(diào)整槽間距以存放不同數(shù)量微球測(cè)量?jī)x，為提高測(cè)量短節(jié)的可靠性，設(shè)計(jì)雙螺旋槽冗余結(jié)構(gòu)。如存儲(chǔ)的數(shù)量較多，可采用多螺旋槽結(jié)構(gòu)。如存儲(chǔ)的數(shù)量較少，也可采用直槽結(jié)構(gòu)。

2.3 裝置的優(yōu)勢(shì)

該裝置在微球式測(cè)量?jī)x預(yù)儲(chǔ)存與井下自動(dòng)釋放及裝置的基礎(chǔ)上，繼承了其優(yōu)點(diǎn)，并利用偏心聯(lián)軸機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化了裝置的復(fù)雜性，確保了裝置工作的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

對(duì)原有的測(cè)量井下數(shù)據(jù)的裝置和方法進(jìn)行對(duì)比與分析，并深度分析了微球式測(cè)量?jī)x預(yù)儲(chǔ)存與井下自動(dòng)釋放及裝置。在其基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)，并巧妙運(yùn)用偏心聯(lián)軸機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，增加了井下自動(dòng)釋放裝置的穩(wěn)定性。