一种测井仪器在流体中所受推力的测量方法研究

郭宝左，高秦群，张文忠

(1. 中国舰船研究院 北京 100192；2. 西部钻探测井公司，新疆 克拉玛依 834000)

一种测井仪器在流体中所受推力的测量方法研究

郭宝左1，高秦群1，张文忠2

(1. 中国舰船研究院 北京 100192；2. 西部钻探测井公司，新疆 克拉玛依 834000)

由于测井仪器在被泵送的过程中，其所受流体的推力难以直接进行测量，因此，本文提出了一种间接的测量方法，即利用密封液体内部压强处处相等的原理，采用盲孔将指定端面处的压力引出到便于观察的仪器尾部，用压力传感器实现动态压力测量。文中通过试验与数值模拟2种手段对该方法进行验证，并在此基础上进行工业应用试验。结果表明，该方法测量结果准确，操作简单方便，节约成本，能够满足工程应用的要求。

测井仪器；推力；试验；数值模拟

0 引 言

在水平井测井中，由于受到井眼条件的限制，测井仪器的输送方法是测井是否成功的关键[1–2]。目前比较成熟的输送方法主要有油管输送、牵引器输送、钻具输送和挠性管输送等[3–4]，钻具输送因其施工效率高、成本低等优点在生产现场具有较为广泛的应用。在对测井仪器进行钻具输送时，仪器通常放在钻杆前端，由钻杆顶着向前输送，由于仪器是由多段短节组成，长度可达几十米，并且直径较小，在水平推进的过程中往往容易造成仪器的损坏。针对这一问题，设计了一套钻杆内测井仪器输送系统，将几十米长的仪器放置在钻杆内部，当钻杆到达井底水平段的末端时，再开动泥浆泵，用高压泥浆将整个仪器从钻杆中泵出。为了防止仪器与钻杆脱离，发生仪器落井事故，在仪器根部设有一段外径增大的台阶，另在钻杆出口端的孔口处设有一个内径变小的台阶，当仪器根部直径较大的台阶到达该变径处，便不能再向前运动，这样仪器虽大部分被释放到钻杆外面，却仍能保证根部与钻杆相连。仪器完全泵出后，再上提钻具进行测井。此外，在钻杆上还开设了泄流孔，以便仪器在下放和上提测井时进行泥浆循环，防止卡钻。

在对仪器进行泵送时，仪器受到的推力大小是决定其能否成功泵出的关键因素。推力太小，仪器不能有效地克服摩擦阻力，无法成功地从钻杆中泵出；推力太大，又会使仪器泵出速度过快，与井壁地层发生强烈冲击而被损坏。因此，必须将仪器所受的推力控制在适当范围内。产生推力的流体由泥浆泵提供，通常通过调节泵的“泵冲”来控制泵压和流量。对仪器推力而言，泵压可分为有效泵压和损耗泵压（沿程损失）两部分，每次测井时，井深不同，所消耗的沿程压力损失也大不相同，因此在地面用泵压控制推力比较复杂。其实仪器所受的推力是由泥浆作用在仪器两端的压力差决定的，同一管道内流量越大，流体与仪器的相对流速越大，产生的压差越大，推力也就越大。由于钻杆内孔没有分支，钻杆内泥浆流量一致，因此考虑用调节流量的方法控制仪器的推力要相对简单一些。要实现这一目的，应当首先对流体施加给仪器的推力进行准确测量，找出推力与流量的对应关系，计算出推动仪器所需的流量值，从而在地面控制泥浆泵的泵冲，使仪器安全可靠地泵出。

1 测量方法及原理介绍

由于泵与钻杆构成输送高压流体的密封管道，仪器在充满高压流体的密封通道中，随流体运动，要直接测量运动的物体所受的推力，不容易实现。而仪器推力是由仪器几个端面的轴向压差形成的合力，压差产生是因仪器几处直径变化产生了局部压力损失。为了便于分析，将仪器简化成实验模型，保留造成局部压力损失的仪器根部（悬挂部分）的长度和外径不变，而将与局部压力损失无关的仪器全长缩短，建立实验模型（见图1）。

单独对仪器部分进行受力分析：根据图2所示，仪器所受的推力主要由端面A、变径B及端面C处的压差形成，即

式中：P（A），P（B），P（C）分别为A，B，C三处的流体压强；S（A），S（B），S（C）分别为A、B、C三处仪器的轴向受力面积。由于仪器在随流体流动的过程中，C端外伸出钻杆，C端所受流体的压强P（C）很小，可忽略不计，由此可知，只要测得仪器在A，B两处的压强，便可近似求出仪器所受的推力，即

假设流体不可压缩，根据伯努利方程[4]可建立起A、B两处压强的关系，即：

式中：ZA，ZB分别为A，B两处的位置水头，由于是等高流动，故ZA=ZB；vA，vB分别为A，B两处的流体速度，由连续性方程可知，vAs1=vBs2，其中s1，s2分别为A，B两处流体的过流面积；γ=ρg，表示流体的重度；hA-B为A，B两处能量的损失，主要为摩擦阻力损失。由此，对式（2）进行变换可得：

由式（4）可知，当知道A处的压强pA，速度vA及摩擦阻力损失hA-B后即可求得B处的压强pB。

但由于仪器随流体不断向前运动，计算流体相对速度vA时还需减去仪器运动速度。基于此，本文提出了一种简易的间接测量方法，其原理如图3所示，该系统采用钢管加工成模拟钻杆，通过管件与供水装置相连接，中间再串接上调节阀和流量计，构成供水通道，将模拟仪器装进模拟钻杆，构成模拟仪器泵出系统，此时在模拟仪器与模拟钻杆间环形空隙内的液体与仪器实际在井下时周围液体的流体力学特性完全一致。

在泵送过程中，仪器随流体流动，端面A处与变径B处的压强将难以测量。根据帕斯卡原理，密闭空间中静止的液体，当某一部分压强发生变化时，将大小不变地向各个方向传递。我们将仪器模型内部做成密闭的空腔，并使液体充满内部空间，在仪器端面A处及变径B处分别设置开口，将仪器内部空腔与外部环形空隙内的液体连通。测量时，首先将B口堵住、A口打开，利用液体对压力的传递作用，仪器末端压力传感器的测量值即为端面A处的压强，然后拆开系统，将A口堵住、B口打开后重新进行测量，则此时压力传感器的测量值又变成变径B处的压强。由此，只需根据压力传感器的读数便可得到仪器在运动过程中端面A及变径B处的压强差，进而求得整个仪器所受的推力，操作简单方便。

2 试验结果

采用图3所示的装置进行试验操作，试验开始后，调节水泵流量，使其逐渐增大，当流量增大到21 m3/h时，仪器刚好能被泵出，测得此时A处的压强值为0.136 MPa，由式（3）求得B处的压强为0.098 MPa，由式（1）求得推力为588.5 N。选取几个不同的流量点，分别得到对应的推力值，将数据进行汇总后如表1所示。图4为试验现场。

表 1 仪器在不同流量下的推力值Tab. 1 The thrust of the instrument under different flow rate

另外，由图5所示的曲线可看出推力随流量的变化趋势，仪器所受的推力随着流量的增加而逐渐增大。当流量在较小范围内增加时，推力增长幅度较小；当流量超过一定范围后，推力增长幅度迅速增大。因此，需将流量控制在合适的范围内，以防止推力过大使仪器造成损坏。

3 数值模拟

近年来，随着计算流体动力学技术的快速发展，采用数值模拟手段对流体流动特性进行研究越来越受到技术人员的青睐[5–6]。本文运用ICEM CFD软件对模拟仪器泵出几何模型（见图6）进行网格划分，划分时采用六面体为主的混合网格，网格总数约为24万。将网格导入到Fluent中进行计算，其中，流体介质设置为水；左端面设为速度入口，右端面设为自由出流；湍流模型选用标准k-ε模型，由于流场并不复杂，因此离散方程直接采用 2 阶格式进行计算。

与试验中所采用的流量一致，将其换算成不同的入口流速进行模拟，图7所示为流速21 m3/h时流动区域的静压分布图，分别提取A处和B处的流体静压值，并根据式（1）求得推力值为573.2 MPa。按照同样的办法，将不同流量下推力的模拟计算结果进行汇总后如表2所示。

将表1和表2的数据汇总后制成图8所示的模拟值与试验值的对比图，可以看出，2种计算结果非常接近，试验值略高于模拟值。经过计算，最大误差仅为6%，证明采用该测量方法所得结果准确可信。

表 2 不同流量下推力值的模拟结果Tab. 2 Simulation results of thrust values under different flow rates

4 工业应用

在仪器和钻具成品加工后，又对钻具仪器实物装置进行地面测试，如图9和图10所示，采用该方法检验仪器在地面泵出时的临界推力，与估算所需泥浆的流量值的差异，以确定实井操作时所需的最小泵出流量。目前已完成2例实井测井：1）固安试验井，井深3 350 m，仪器成功泵出完成测井，泵出流量25 m3/h ；2）陕西靖边镰xxx-x井，井深1 618 m，水平段520 m，仪器成功泵出完成测井，泵出流量43 m3/h。实际应用表明，该方法操作简单，测量结果可靠，且成本低，符合工程应用的要求。

5 结 语

为了得到测井仪器在输送过程中所受的流体推力，在无法直接测量的情况下，本文提出了一种间接测量方法。通过试验与数值模拟验证了该方法的有效性，并在此基础上进行了工业应用测试。采用该方法计算得到的推动仪器所需的泵冲，能够成功地在井下将仪器从钻杆内泵出而不损伤仪器，对井口操作具有指导意义。该试验方案还可进一步改进，在被测端面安装 2 个内置式压力传感器，将导线从模拟仪器下端引出，可同时读取 2 个端面压力值，操作更加简便。

[1]杨留强. 套管水平井测井输送技术[J]. 国外测井技术, 2013(6): 8–11.

[2]姜岳庆. 水平井测井及仪器输送方法研究[D]. 大庆: 东北石油大学, 2013.

[3]王永波, 杨文明, 刘静章. 水平井生产测井仪器输送工艺探讨[J]. 石油仪器, 2006(2): 85–86.

[4]杨留强. 套管水平井测井输送技术[J]. 国外测井技术, 2013(6): 8–11.

[5]赵元秀. 石油化工离心泵内流场流动特性数值分析及性能预估[D]. 上海华东理工大学, 2014.

[6]陈瞰瞰, 池明, 阮龙飞, 陈亮. 基于CFD软件的石油化工研究[J]. 石化技术, 2015(10): 252–253.

Research on the measurement of the thrust force of a logging instrument in fluid

GUO Bao-zuo1, GAO Qin-qun1, ZHANG Wen-zhong2
(1. China Ship Research and Development Academy, Beijing 100192, China; 2. Western Drilling Logging Company, Kelamayi 834000, China)

The fluid thrust of logging instrument is difficult to directly measure in process of being pumped, therefore, this paper proposed an indirect measurement method, namely use the blind to led the pressure at the end to the tail of the instrument for convenient obseration, according to the principle of sealing liquid internal pressure equal everywhere, thus realized dynamic pressure measurement with pressure gauge. In this paper, through the means of experiment and numerical simulation, this measurement is verifed, and on this basis, the results of industrial application test show that this method is accurate, convenient to operate, saving cost, and meet the requirements of engineering applications.

logging instrument；thrust；experiment；numerical simulation

TU855

A

1672 – 7649(2017)07 – 0129 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.027

2017 – 04 – 13

科技部重大科学仪器设备开发资助项目(2016YFF0100027)

郭宝左(1966 – )，男，工程师，主要从事石油测井仪器研发工作。