井下工程参数测量系统的研制与应用

姜海龙， 柳贡慧， 李 军， 张 涛， 王 超， 任 凯

(1北京信息科技大学 2中国石油大学·北京 3北京工业大学)

为了保证钻井作业安全、高效，准确获取近钻头处的工程参数，可在近钻头处安装井下参数测量工具，实时测量井底的钻压、扭矩、振动、压力、温度等工程参数。上述工程参数的获取使得工程人员可实时掌握钻具的工作状态，根据测量参数的变化预见钻井事故，减少钻井事故发生。

一、井下测量技术研究现状

经过几十年的发展，许多国外的石油服务公司如斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿等已经研发出性能良好的MWD产品[1-6]，其设计工艺水平和工作性能不断改进和完善，基本能够满足井眼轨迹导向、地层评价和钻井风险控制的需求。这些工具普遍适用于140 MPa、150℃的井下环境，部分产品可以在200 MPa以上、200℃以上的极限环境中正常工作，并且实时上传测量参数。这些随钻测量仪器与地面技术设备相结合构成了以低风险随钻测量和低风险随钻评价为体系的“无风险钻井系统”，减少了钻井事故，提高了钻井效率。

国内有关井下参数测量研究的起步较晚,高蕴熙[7]率先提出存储式井下钻压、扭矩、压力、温度测量系统的概念。王玲等[8]设计了井下测量电路系统，为后续研究奠定了基础。王德桂等[9]设计了近钻头钻柱力学特性测量系统，采用传感器测量轴向力、扭矩、径向力大小和方向，并通过室内实验进行验证。胡泽等[10]开发的井下工程参数测量仪可测量环空压力、钻压、扭矩和钻头侧向力，首次实现了参数随钻测量与传输，并进行了单次现场实验，但实验井深较浅(300～621 m)，实验时长较短(16 h)。耿艳峰[11]重点分析了钻压、扭矩的测量原理及结构参数设计。张海花等[12]设计的井下近钻头短节通过单片机电路实现与MWD的通讯功能，并且实现了分时测量。柳贡慧教授团队[13]研发的随钻测压工具(PWD)可以实时测量近钻头钻压、扭矩、温度、环空及管柱压力，在华北油田的现场试验取得了满意的效果。随后其团队为了进一步深入研究井下动态行为，在PWD工具的基础上，增加了三轴振动测量功能，形成了完善的井下多工程参数测量系统。

对比分析国内外研究进展，国外的井下测量技术非常成熟，能够测量轨迹导向参数、储层评价参数以及钻井风险评价参数，并且实现了产品系列化，针对不同的需求可以选用不同的产品及产品组合；国内的研究则相对滞后，不仅测量参数单一(轨迹导向参数测量已初步完善并投入现场使用)，而且主要以理论研究、室内实验为主，尚不能满足现场需求，亟需进一步攻关，缩小与国外的差距。

二、测量系统设计及强度分析

1. 测量系统原理及设计

工程参数测量系统可以测量井下钻压、扭矩、X-Y-Z三轴振动、温度、管柱及环空压力共计八个参数，采样频率范围为0～1 kHz，最高工作温度为150℃，最高工作压力为80 MPa。测量本体的结构设计如图1所示。

图1 测量本体结构图

测量本体由钻压/扭矩测量单元、振动测量单元、环空压力/温度测量单元、管柱压力测量单元、通讯结构总成、信号采集/调理电路、电源管理电路和直流电源组成。在测量本体的同一个横截面上间隔120°对称设计三个应变室，应变室之间有导线孔相互连通。粘贴在应变室内的应变片组成惠斯通全桥测量电路(即钻压/扭矩测量单元)，振动、压力和温度的测量通过相应的测量单元实现。通讯结构总成是连通测量单元与信号采集/调理电路的桥梁，测量单元的输入经过通讯口活塞环与电子电路连接，实现信号的采集、调理和存储。电子电路与电源连接，实现对整个系统的能量供给。

振动、温度及压力测量采用市场上现有的成熟产品，测量模块中的传感器感知相应的物理参数变化并以电压的形式输出。为了测量钻压和扭矩，设计了基于应变测量原理的钻压/扭矩测量电桥。在轴向力和扭矩的作用下，测量本体上测量微元会产生沿轴向和45°切向方向的微小形变，相应的应变片也会随测量微元产生形变，进而引起应变电桥输出电压的改变。在一定范围内，应变电桥输出与测量微元应变成正比关系，根据测得的电压变化，可以反算测量微元的应变值，然后根据材料力学的胡克定律，可以计算出相应的应力值。在具体应用时，为了提高应变电桥在弯矩作用下的密封性，采用应变孔的密封结构而非双筒式结构；为了提高应变测量的灵敏度，应变片粘贴在应变孔的侧壁上而非应变孔底面上；为了减小贴片工艺对应变测量结果的影响，在应变电桥的桥臂上采用串联贴片方式，每个桥臂上的应变取各应变值的算数均值。

2. 测量系统强度分析

为了实现测量系统的相关功能，需要在测量本体上加工应变室以及导线孔，这会改变测量本体在不同载荷作用下的应力分布。基于此，利用有限元分析方法对设计好的测量本体进行压、拉、扭载荷作用下的应力分析，从而确定极限载荷。当拉载荷为429.5 MPa时，最大应力为834.7 MPa，接近材料屈服强度835 MPa。同样的，当压载荷为433 MPa时，最大应力为834.8 MPa；当扭载荷为1.017×1011kN·m时，最大应力为835.6 MPa。

三、室内实验

钻压/扭矩测量电桥在应用之前需要进行室内标定，获得施加载荷与输出结果的对应关系。为此，需要在实验室内对钻压/扭矩测量单元进行标定实验。

1. 钻压标定

由于测量本体尺寸超长，没有合适的拉拔实验台，所以钻压标定使用手动液压装置。在使用液压装置之前首先利用拉拔实验台对其标定，标定结果见图2。在钻压载荷的作用下，液压装置的活塞产生向下的位移，使得其中的液压油产生高压，液压油的压力显示在压力表上。由实验结果可知，钻压载荷与液压输出之间存在线性关系，且线性度良好，相关系数R高达0.99。

图2 液压装置标定实验结果

利用液压装置对工程参数测量系统进行三组标定实验。实验采用间隔5 MPa液压(即21 kN)阶梯加载的方式，加载到指定载荷保持一定时间以获得输出电压。根据输入钻压载荷和输出电压得到钻压测量电桥的特性曲线，如图3。钻压测量电桥特性曲线为一条直线，线性度良好，计算的标定误差为0.63 kN(0.13%)；三次标定实验的结果几乎重合，钻压测量电桥良好的可靠性。实验中标定装置所用液压表参数：0～60 MPa量程，0.25级测量精度。

图3 钻压测量电桥标定结果

2. 扭矩标定

扭矩标定实验使用中石油钻井院机械所的扭转实验台，此装置为加拿大进口设备。扭矩标定和钻压标定实验过程类似，同样采用阶梯加载方式并重复进行3次实验，其标定结果见图4。扭矩载荷与输出电压之间存在良好的线性关系，相关系数R高达0.99；重复实验验证了扭矩测量单元良好的可靠性。

图4 扭矩测量电桥标定

四、现场应用

1. G126X1井基础信息

G126X1井是冀东油田南堡凹陷高尚堡构造带南北斜坡带的一口评价井，目的在于评价储层油藏规模及油藏产能。测量系统在该井中的应用井段为三开2 006～2 620 m，其在井下连续工作时间为159.2 h。其中2 006～2 036 m采用常规钻具组合进行钻水泥塞作业，2 036～2 620 m采用动力钻具进行增斜钻进作业。钻具组合如表1所示。

表1 钻具组合表

2. 工程参数测量数据

图5为增斜钻进时的工程参数测量数据。随着井深从2 036 m增加到2 591 m时，环空压力增加了9 MPa，管柱压力也增加了约9 MPa，管柱压力的突变是由于接单根时关启钻井泵造成的；温度增加了21℃，最高井下温度为67℃，这与地质预测的3.8°/100 m的地温梯度吻合；横向振动幅度大于轴向振动幅度，横向振动幅度在0～0.4 g范围内波动，而轴向振动在0～0.1 g的范围内波动；钻头钻压和录井钻压基本吻合，两者之间的微小差异反映了在传播过程中衰减掉的井下动态特性；扭矩幅值较小，平均扭矩在2 kN·m以下，峰值扭矩不超过8 kN·m。这是由于该井段地层岩性为砂岩、泥岩混层，地层可钻性较高，同时施加钻压较小，小钻压导致钻头吃入深度较小，从而导致较小的井下扭矩。

图5 增斜钻进段工程参数量数据

五、结论

通过室内实验和现场应用证明，该测量系统能够测量井下钻压、扭矩、钻具三轴振动、环空压力和管柱压力以及温度共八个工程参数，所测数据与实际工况具有高度一致性。该系统是目前国内工程参数测量最为齐全的井下测量系统，且在钻井现场得到成功应用。