一种伸缩测量装置的研制

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(中国电子科技集团有限公司第二十二研究所 河南 新乡 453003)

·开发设计·

一种伸缩测量装置的研制

张必波，孙刚，王振

(中国电子科技集团有限公司第二十二研究所 河南 新乡 453003)

钻输式水平井测井中，测井仪刚性连接在钻杆末端，仪器下放时一旦遇阻且无预警，继续下放测井仪有破坏或脱落的风险。为提高钻输式水平井测井的安全性，研制了有遇阻预警功能的伸缩测量装置。该装置通过一套行程转换机构，在井下仪较小的内部空间内，实现了大伸缩量的准确测量，并通过电磁波将伸缩量传输到钻台上的显示器上，帮助司钻判断仪器下放状态。仪器一旦遇阻，伸缩量发生变化，显示器产生预警，提醒司钻采取必要的应对措施，有效地提高了测井的安全性。

预警；伸缩量；测井；测量；水平井

0 引 言

水平井测井过程中，在水平段内不能依靠自重将仪器送入待测井段。为满足测井要求，出现了钻杆输送和泵入两种较为常用的仪器输送方法[1]。但以上方法都采用电缆传输数据，施工工艺较为复杂，在特殊井段成功率不高。为提高测井成功率，无电缆存储式测井[2]系统应运而生，大大提高了水平井测井的成功率和时效性。

SEMLS-1000存储式测井系统井下仪通过过渡短节将仪器串与钻杆刚性连接，用钻杆作为传输设备将测井仪送入待测地层后，上提完成测井作业。测量数据存储在仪器内部存储器中，测量完毕后由专门的设备将数据读出，再用计算机软件进行处理。由于是刚性连接，向下输送仪器过程中，司钻如果不能监视到仪器的下放状态，一旦遇阻并继续下放钻杆，轻则损毁测井仪器，严重的可能会造成设备落井，造成无法挽回的损失。针对上述问题，研制具有遇阻预警功能的伸缩测量装置，对提高测井安全性具有重要意义。

伸缩测量装置通过检测其前端伸缩机构的伸缩量，判断仪器在下放过程中是否遇阻。实际测井过程中，不改变常规测井仪器串的连接顺序，将伸缩测量装置安装在仪器串的最末端。在仪器下放过程中，伸缩量不发生变化，则工况正常；如若伸缩量发生变化，则通过电磁波传输及时上传变化量，发出预警，提醒司钻采取必要措施，大大提高了测井的安全性。本文着重介绍伸缩测量装置的结构原理和实现方法。

1 研制重点

伸缩测量装置的作用就是要让司钻能全程监测仪器的下放状态，一旦仪器串遇阻时能及时预警，保证测井安全。因此，以下几点为该仪器研制内容的重中之重：1)伸缩行程要足够大，保证司钻有足够的反应时间；2)伸缩力要合理，保证仪器不能出现误报；3)测量精度要满足需求，反应及时；4)测量机构结构合理，设计紧凑，外径与常规测井仪器保持一致。

结合水平井测井施工的实际情况，提出了仪器必须满足的性能指标：1)仪器主体外径：Φ89 mm；2)最大伸缩行程：不小于500 mm；3)压缩力：压缩行程300 mm时，不小于5 000 N；4)测量范围与精度：测量范围：0～500 mm；测量精度：≤±25 mm。

2 研制方案

2.1 系统组成

如图1所示，该装置由主要由伸缩机构、测量机构和压力平衡机构三部分组成。伸缩机构是该装置的执行机构，用来保证伸缩的行程和圧缩力的大小；测量机构将伸缩机构的伸缩量转换为电位器的电信号；压力平衡机构保证测量机构在150 MPa的环境压力下，测量机构的零部件能自由动作。

图1 伸缩测量装置系统组成

2.2 伸缩机构设计

根据实际的应用需求，伸缩测量装置的最大可测行程为500 mm，并且压缩行程300 mm时，不小于5 000 N。考虑到用单支弹簧来提供所需的压缩行程和力，弹簧的加工难度，特别是压缩行程的测量难度都比较大。因此这里采用图2所示的结构形式，该机构主要包括两支弹簧、导向杆和导向胶锥。导向胶锥装在机构的最前端，用来寻找井眼轨迹，为整串仪器起到导向作用。将2支设计参数完全相同的弹簧串联在导向杆两侧，在忽略弹簧制造误差的情况下，仪器遇阻时两端将同时压缩，并且两端压缩量相等。这样就可以通过测量单支弹簧的压缩行程，计算整支仪器的伸缩量。

由于弹簧的压缩行程和所需提供的压缩力都比较大，这里采用大刚度的普通圆柱螺旋压缩弹簧，按Ⅲ类压缩弹簧计算。弹簧工作区域按全变形量的80%计算，预压缩量按压缩行程的10%计算。为保证弹簧在耐腐蚀、寿命长，弹簧作表面镀硬铬处理。

图2 伸缩机构原理图

2.3 测量机构设计

单支弹簧的压缩行程变化范围在0～250 mm之间。由于变化范围过大，必须通过有固定几何关系的转换机构，将测距缩小到电位器的可测范围内。电位器阻值与伸长量是线性的，刻度后通过测量电位器电压算弹簧的压缩行程。

这里采用井径臂[3]与斜面组合的机构进行行程转换。为减小井径臂与斜面间高副接触的摩擦力，在井径臂端部铰接一滚轮。如图3所示：斜面延轴线向前推进，时刻保证井径臂端部的滚轮紧贴斜面；随着井径臂与水平轴线间角度的变化，井径臂下端圆弧绕机架处铰点旋转，并推动电位器测量轴平移。

图3 测量机构原理图

根据图2 中的几何关系，推导出斜面延轴线的位移变化量Δs与电位器测量轴位移变化量Δx的数学关系：

(1)

根据仪器外径要求，这里取初始值：l=54 mm、α0=33.11°、β=7°和r=13 mm，Δx∈[0,7.79]。Δx与Δs的变化关系如图4所示。

图4 Δx-Δs变化曲线

综上，实际测井过程中，一旦仪器遇阻，Δs将在0～250 mm之间变化。这时通过以上转换机构，得到电位器的电压差。然后通过电压差，计算得到电位器触杆的伸缩行程Δx，再通过式(1)的转化关系，得到伸缩结构的压缩行程并通过无线通信系统，上传到司钻面前的显示器上。通过采用高精度的电位器，并保证该机构结构件的加工精度，可以有效地提高该装置的测量精度。

2.4 压力平衡机构设计

随着测井仪在井眼内推进，由泥浆的自重产生的环境压力[4]，迫使电位器触杆向仪器内部收缩，破坏了测量机构正常的工作状态。为平衡电位器触杆两端的环境压差，采用了以硅油为介质的压力平衡机构[5]。同时，硅油的体积会随温度和压力的变化而发生变化，因此必须综合考虑这两个因素对压力平衡机构的影响。如图5所示，综合考虑温度和压力对硅油体积的影响，以柱塞作为压力随动部件，配合溢流阀共同完成内外压力的调节。

图5 压力平衡机构

3 结 论

通过分析钻输存储式水平井测井工艺中的存在的问题，提出了伸缩测量装置研制的必要性。结合实际工况，分析了该装置设计的重点，并详细阐述了伸缩机构、测量机构和压力平衡机构的设计内容。通过该装置的应用，可以有效地帮助司钻判断仪器的下放状态，大大提高测井的安全性。该装置已在新疆、鄂北等地裸眼井常规测井中得到了应用，并取得了满意的效果。

[1] 马建中，祁振萍，相九涛.水平井测井仪器输送方法[J].石油仪器，2004,18(3):40-43.

[2] 黎泽刚，葛 祥，徐炳高，等.存储式测井技术在川西水平井中的应用[N].工程地球物理学报，2015-7-12(4).

[3] 梅彦利，王 炯，刘少武.四臂式双井径测井仪的研制与应用[J].石油机械，2010,38(6)：38-40.

[4] 田文鹤，周 静.一种井下压力监测系统的设计和实现[J].石油仪器，2010,24(6):7-8.

[5] 中国电子科技集团公司第二十二研究所.SDZ-3011B辅助测量装置使用维修手册[Z].2005.

DevelopmentofaMeasuringToolforFlexQuantity

ZHANGBibo,SUNGang,WANGZhen

(The22ndResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Xinxiang,Henan453003,China)

Logging tools are connected rigidly to the end of the drilling pipes in some horizontal drilling wells logging. Once the tools were blocked in the descent procedure without early warning，they may run the risk of damage or drop down the well. A measure tool for flex quantity with warning function was developed in order to improve the security of this logging procedure. This tool can measure large flex quantity accurately by a switching mechanism in its internal small space. And then flex quantity information which will help drillers to determine whether the tools could be descent continually, can be transmitted to display device on the drill floor by electromagnetic waves. Once logging tools were blocked, flex quantity were changed and warning can immediately remain drillers to take the necessary measures which can effectively improve the security of logging.

early warning; flex quantity; logging; measurement; horizontal drilling wells

张必波，男，1986年生，工程师，2011年毕业于哈尔滨工程大学机械制造及其自动化专业，现从事石油测井仪结构设计工作。E-mail：dongergui@163.com

P631

A

2096-0077(2017)06-0026-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.007

2017-03-20

屈忆欣)