钻具振动短节的工具研究

王帅 于怀彬 贺越腾 董宏政 郭科佑

摘 要：钻井过程中钻具振动参数的测量，有助于了解井底钻具的工作状态，并掌握井下钻具的实际工作钻压、扭矩、温度等参数，从而可以优化钻具组合、改善施工参数，以达到提高钻速、减少事故发生的目的。完成了存储式底部钻具振动测量短接的总体设计方案，并针对施工过程中存在的问题，对工具的结构进行了优化改进，设计更加合理，提高了工具使用寿命。

1 底部钻具振动测量技术简介

随着石油勘探开发的不断深入，地层結构越来越复杂，深井、超深井和高温、高压井以及大斜度水平井等特殊复杂井越来越多，事故及复杂情况的发生率越来越高。在钻井过程中，钻压、扭矩、温度、振动、内外泥浆压力等工程参数的测量显得十分重要。

钻压在一定程度上决定了钻进速度的快慢，钻压对下部钻具结构的运动状态、屈曲及其它性能具有重要的影响。在工作过程中，由于钻柱在弯曲的井眼中与井壁接触，钻柱与井壁之间产生摩擦，使得钻头真实钻压与钻台指重表指示钻压有较大的偏差。通过借助井下工程参数测量系统开展水平井、大位移井中井底实际钻压、摩阻研究，定量分析钻压对底部钻具组合的影响，可以更好地指导现场施工。

同时钻柱内外压差与其它钻井参数的测量可以预报井下一些不正常的问题，及时采取措施补救，还可以进行钻井水力学研究。环空压力测量的主要目的是有助于将当量循环密度和当量静液密度保持在地层破裂压力梯度、孔隙压力梯度和井眼稳定压力梯度窗口内。井下环空压力正在成为所有钻井工艺过程的标准测量参数，井下环空压力的测量能准确地控制钻井过程，减少和消除井下复杂情况及事故，缩短钻井时间，提高钻井速度。

同时在钻井过程中，钻柱及钻头的振动对钻井效能有较大的影响，特别是在深井硬地层中钻进，严重的井下振动可能造成钻头先期损坏、钻柱发生疲劳破坏、无法正常钻进、转速受到限制等情况的发生。利用井下工程参数测量系统的实际测量数据，可以分析研究钻柱振动规律和特征，引起振动的各种原因，解释一些振动现象，检验振动控制措施的效果和合理性、各振动计算模型的实用性。

因此，在钻进过程中对井下工程参数进行实时测量具有重要的意义。

2 底部钻具振动工具的设计

底部钻具振动工具的总体结构如图1所示，工具由测量本体、应变室、电源板腔室和高温电池室组成。测量本体是由无磁钻铤加工而成，目的是在井下测量时消除地磁场对MWD测量结果的影响。在测量本体的同一个横截面上对称设计三个应变室，三个应变室的作用主要是测量压力、扭矩，通过将应变片贴在三个应变室的边缘，构成应变电桥测量电路，将测得的电压信号调理之后，输出至数字板采集端，振动、压力和温度的测量通过相应的测量单元实现。三个电路板腔室主要目的是存放数字采集板、系统电源板、信号调理板以及振动传感器;振动传感器安装在偏心位置，电源板主要是给测量系统统一供电，信号调理板主要作用是将传感器采集到的信号进行放大、滤波处理等操作;数字采集板是用来采集信号调理板调理之后的传感器信号，并且将采集到的数据存储在FLASH块中，方便后期读取和处理。电路板腔室之后连接高温供电电池，以实现对整个系统的供电。

底部钻具振动短节测量参数如表1所示，在150℃高温下稳定工作时间长达410小时的工作，测量误差小于1%。

2.1 压力、温度测量方案

压力传感器的测量主要是通过应变片在力的作用下会产生形变，如果利用多组应变片组成应变片电桥电路，通过调理电路，将应变片的电压变化转化为真实的压力值，就可以测量井下的压力数值。

应变室结构如图2所示，钻压测量应变片粘贴在应变室的侧壁上，扭矩测量应变片粘贴在应变室的底面壁上。应变室之间有对称分布的导线通孔相互连通，便于应变片的连线从而组成应变测量全臂电桥，应变室采用螺纹圆盖板密封，从而实现保护测量桥路的目的。

2.2 改变内压和外压的测量方式

设计中内压取压点选在通讯活塞环的下端面处，外压取压点位于测量本体上，在本体上开孔安装压力传感器测量环空压力，避免传感器的磨损，且压力读取简便、直接，测得的数值更准确。

3、测量系统的温度与振动测试

3.1 温度测试

测试测量系统温度测试的目的是检测在高温环境下的工作稳定性情况，确保测量系统能够满足井下高温条件下长时间稳定工作的要求。

测试的图片如图4所示，在测试过程中，务必保持信号发生器的输出电压为28.8V，若过高或过低都将损坏电路板。同时注意在高温测试结束之后，不要急于拿出电路板，待冷却至常温后，在戴上手套取出电路板，以防烫伤以及损坏电路板。测量电路系统在高温烘箱中在150℃环境井下工作24小时，完整记录了实验过程中的信号曲线。测试证明，项目所研究的底部钻具振动测量电路系统符合研究指标，可以在150℃环境中工作。

3.2 振动测试

测量系统振动测试的目的是检测系统在强振动情况下能否正常稳定的工作，在强振动条件下，测量系统能否继续稳定的工作也是测量系统的重要指标之一。

实验过程中，分别设定了X、Y轴各测10g和20g，Z轴测10g、20g、30g;实验过程中，底部钻具振动测量电路系统记录了振动传感器的测量数据，如图所示。试验证明，底部钻具振动测量电路系统抗震能力超过20g，能够满足井下工作要求。

4 结论

底部钻具振动测量短节的研制，对钻井施工参数的优化及工况的提高具有很大意义，根据其测得的井下钻压、扭矩、振动、压力等参数，可以改善井下钻具的工作状态，提高钻井速度，减少施工复杂的发生。设计的底部钻具振动短节，具有测量参数多、测量精度高的优点，且通过对电路系统的高温测试、振动测试，充分证明了所设计制造的测量短节能够满足现场工况要求。下一步就是进行工具的现场试验，验证其对现场施工参数的指导意义。

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