过钻头测井系统数字样机建立与模拟

陈颖杰，韩 雄，徐婧源，邓传光，刘 阳，袁和义

(1.中国石油西南油气田公司勘探事业部，四川成都 610041)(2.中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院，四川广汉 618300)(3.中国石油西南油气田公司输气管理处，四川成都 610213)(4.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川成都 610500)

常规电缆测井由于受水平井井眼轨迹和地质条件限制通常无法进行有效测井，而利用随钻测井(LWD)和各种钻杆传送测井技术虽然能获得有效的测井资料，但其作业成本却显著增加。过钻头测井(through bit logging，TBL)系统作为一套独特且经济高效的测井系统，因其在大斜度井、水平井测井中具有明显的优势，近年来得到作业者的广泛青睐。如遇到井壁稳定性差的井段时，工程上需要对该井段地层资料进行了解，通常采用特殊的钻具组合，将测井工具从钻具中心孔道送入井下钻头位置进行坐挂，形成测井工具前端从钻头处伸出的结构，从而通过钻头拖动测井仪器开展测井作业［1－2］。因TBL系统需要承受井下高温高压环境，所以其性能指标要求很高，开发难度很大。目前，国际上主要的一些石油服务公司(如Halibut、Baker Hughes等公司)已经对该技术进行研发，并推出了成熟的产品［3－9］，而国内对该技术的研发正处于起步阶段，没有取得突破性成果。为缩短TBL系统的研发时间，降低开发成本，国际石油公司一贯的做法是首先建立TBL系统数字样机，在产品研发前期进行模型评估分析，在产品开发中期进行辅助测试与改进，在产品开发后期进行完善与优化，这些做法都获得了较好的效果。因此中国也可以采取这种TBL系统研发思路，通过建立TBL系统数字样机来提高研发效率。

1 TBL系统尺寸规范

TBL系统主要由两部分构成:过钻头测井专用钻头和特殊尺寸测井工具。

1)测井工具常用尺寸规范。

TBL测井系统的测井工具具有直径小、耐高温和高压的特点。由相关文献［10－12］可知，仪器外径同为53.975mm的测井仪系列能通过大多数钻杆、震击器、钻铤和钻头(技术规格见表1)。

2)专用钻头尺寸规范。

过钻头测井使用的钻头主要包括2种类型:①由常规的聚晶金刚石复合PDC钻头改造而来，通过在钻头中心安装一个可活动的镶嵌块体，构成一个直径大约63.5mm的可开启和关闭的通道。在钻头作业过程中，测井工具可伸出钻头到目的层进行测井操作，完成后可将测井工具缩回钻头以内，进而关闭测井工具通行孔眼，继续钻井。②由常规PDC钻头改造而成，通过在钻头齿冠(即钻头中心面处)形成一个直径为63.5mm的孔，根据岩性要求，装配各种刀具。尽管两种钻头均有一定的优势，但后者因其结构简单、井下作业可靠度高等特点而得到广泛的应用。

表1 国外TBL测井仪技术规格

2 TBL系统数字样机建立

数字样机是产品开发者搭建的3D数字化平台，可以形象直观地对产品原型进行优化设计，提高产品开发效率。

TBL系统由悬挂短节和测井工具(以声波测井仪为例)组成。悬挂短节主要由TBL钻头、电缆投捞头、悬挂器、悬挂杆组成;声波测井仪主要由1个声波发射短节和2个声波接收短节组成。

TBL系统数字样机开发流程(如图1所示):首先开展TBL系统零部件的尺寸结构设计，再利用机械建模软件绘制零部件的3D模型，并搭建装配体，最终形成数字样机平台(如图2～图4所示)，基于该平台，开展模拟仿真，完善初始设计，最终形成合格的TBL系统设计。

图1 TBL系统数字样机开发流程

3 TBL样机模拟测试

SolidWorks软件提供了完整的全动态建模操作模式，利用其外形设计模块、运动学与动力学分析模块、有限元分析模块，即可以实现TBL数字样机的优化完善。

图2 TBL测井系统数字样机图

图3 TBL悬挂短节内部结构

图4 TBL测井仪器内部结构(以声波测井仪为例)

3.1 系统工作流程

1)用个性化TBL钻头扩孔到井底，为测井做准备。

2)司钻将钻头提离井底为测井仪器留出足够空间，通过钻杆将测井仪器送到井下。

3)将测井仪精确定位在钻头下面后，测井工程师测试测井仪的各项性能，然后断开电缆并将电缆回收到地面。

4)随着司钻上提钻杆，测井仪器测量并记录地层数据。

5)上提测井仪，直至仪器进入套管，完成测井作业。

6)钻头和测井仪进入套管后测井人员用电缆下放回收工具，拴住测井仪，并将其回收到地面。

7)将测井仪取出钻柱后，司钻可扩孔到底或继续其他作业程序，准备下一阶段的钻井活动。

3.2 静态模拟

对于TBL系统，零部件的静态配合准确性是系统在井下顺利工作的重要保证。静态检测包括零部件之间的配合和静力学分析。利用TBL数字样机平台在虚拟环境中检测可能存在的设计缺陷，然后修正，达到优化设计的目的。

TBL声波测井仪器的隔声体和电子仓两部分是系统的最薄弱部位，它们的强度直接影响到系统的稳定。在设计中，隔声体选用40CrMnMo作为主体材料。40CrMnMo钢的性能参数［10］:σb=980MPa， σs= 785MPa， E = 200 000 ～211 700MPa，G=80 800MPa，ν=0.28。

当测井工具遇阻或遇卡时，需要上提旋转测井工具，此时TBL系统承受的拉力和扭矩载荷最大。

隔声体:上提力＜100 kN，内外压差0MPa，扭矩10kN·m。

电子仓:上提力 ＜100 kN，内外压差 ＜105 MPa［9］，扭矩 10kN·m。

在此工况下，运用SolidWorks有限元分析模块对隔声体和电子仓进行强度分析:一方面检测出工具最大应力位置，并核实是否超出材料的强度极限，同时查看其安全系数;另一方面检测工具的应力应变。经有限元分析(如图5和图6所示)，电子仓最大应力为180.67MPa，位置是在开槽的尖角处;隔声体的最大应力为195.68MPa，在键槽位置。最大应力均远小于材料的屈服强度极限785MPa，安全系数为4，系统安全。

图5 电子仓的应力云图

3.3 动态模拟

图6 隔声体的应力云图

1)一方面，为保护钻头附近的井壁，钻头出口处的流体需要足够平稳;另一方面，为保证测井工具入井时具有足够的流体推动力，钻头出口处应尽量减少水功率消耗。假设钻头入口流量为10L/s，通过模拟表明(如图7和图8所示)，设计的钻头出口处流速快速降低(从内部的3.32m/s下降至出口的0.50m/s左右)，且分布均匀，满足对井壁冲蚀小的要求;另外整个钻头的压降维持在0.1MPa以内，水力损失小。

图7 钻头液体通过流速分布图

图8 钻头液压分布图

2)由于过钻头测井工具需要依靠钻井液的流动推力使其沿着钻杆内部前进，所以该系统的流体动力特征是保证其中的测井仪器顺利到达目标位置的一个重要条件。因此需要模拟钻井液排量和推力的关系，从而确定工具是否能够被顺利推进。

钻井液推动测井工具前进，模拟参数如下:目标外径65mm，钻杆内径72mm，模拟液体为水介质，流量10L/s，工具串质量100kg，管壁摩擦系数0.5。模拟结果显示(如图9和图10所示)，测井工具所受的推力为1 222.39N，而其所受到的摩擦力为490N，因此可以顺利地推动测井工具移动。

图9 井下测井工具串推动模型

图10 工具串推动下的流体动力学特征

4 结束语

本文设计了适用于8－1/2″井眼尺寸的TBL系统，并基于SolidWorks软件平台搭建了数字样机，其中测井仪器外径为 53.975mm、长度为3 190mm，专用钻头内径为 63.5mm、外径为215.9mm。通过数字样机模拟表明设计的TBL系统可满足上提力＜100kN、工作压力＜105 MPa、扭矩＜10kN·m的井下工况环境，同时该系统的流体动力特性可保证测井工具串在钻杆内具有足够的前行动力，能顺利到达目标位置坐挂;流体在钻头处的压降功耗小，且对井壁的冲刷小，较好地保护了井壁，符合设计预期。

［1］ 赵平.测井和地层评价新进展［J］.国外油田工程，2010，26(10):43－44.

［2］ 武少国，郭永军，刘新全.过钻头测井技术与应用［J］.石油机械，2006，34(4):76 －77.

［3］ Stephen Pesky.Recent advances in well logging and formation evaluation ［J］.World Oil，2010，35(10):78 －84.

［4］ Kuchinski，Stayton.Mitigating the risks associated with the acquisition of formation evaluation data［J］.AADE，2007，45(6):53－54.

［5］ Ernst Matula.Through － bit tools log difficult wells［J］.The A-merican Oil＆ Gas Reporter，2009，34(3):33 －35.

［6］ John Runia.Through － bit logging:applications in difficult North Sea wells［J］.JPT，2002，43(4):39 －40.

［7］ Mark Proet.Through bit logging:application in difficult wells，offshore North Sea［J］.SPE，2004，21(5):95 －96.

［8］ John Runia，Shell Research.Through bit logging:a new method to acquire log data，and a first step on the road to through bore drilling［J］.SPWLA，2004，25(5):114 －115.

［9］ Richard L Reichmann.An innovative new system for obtaining open hole logs in difficult wells［J］.AADE，2011，49(2):85 －86.

［10］John Rania.Through bit logging:a new method to acquire log data，and a first step on the road to through bore drilling［J］.SPWLA，2004，25(5):72 －73.

［11］John Runia.Through bit logging:a new method to acquire log data［J］.Petro physics Journal，2005，46(4):289 －294.

［12］Dennis Denney.Through － bit logging:applications in difficult North Sea wells［J］.JPT，2005，46(8):48 －49.