井下动力学测量工具研究现状及发展建议

刘 伟，王小鹏，王 旭，张 廷，白文雄，郭先敏

(1.中国石油长庆油田分公司 第七采油厂，甘肃 环县745700;2. 中国石油长庆油田分公司 第七采油厂采油工艺研究所，甘肃 环县745700;3. 中石油长庆油田分公司 第九采油厂，西安710000;4. 中国石油长庆油田分公司 老井侧钻与套损治理项目组，西安710000;5. 中国石油长庆油田分公司 机械制造总厂，西安 710201;6.中国石化胜利石油工程公司 钻井工艺研究院，山东 东营 257017)

在钻井过程中，转矩、弯矩、冲击和振动等复杂的钻井动力学特性会使机械钻速大幅降低，严重情况下还有可能损坏钻具和钻头，破坏井眼质量，使钻井成本成倍增加。因此，需要准确地了解井下钻柱、钻头的动力学特性，预测底部钻具组合和钻头的工作动态，以避免发生复杂事故。井下动力学测量是一种可有效减少井下故障的技术手段，通过井下动力学测量工具采集钻进过程中的各种井下动力学数据，通过实时分析，有助于优化钻进参数，改善钻进性能，提高钻井效率。钻后分析井下动力学数据，有助于区域钻井井身结构、底部钻具组合和钻头切削结构优化。多年来，井下动力学测量工具的核心技术一直被国外大型油服公司所垄断。近几年，虽然国内在该工具技术的许多领域已有突破性研究进展，但与国外工具技术，尤其在新的井下动力学测量工具技术方面相比，仍存在明显差距。针对此问题，笔者对当前井下动力学测量工具的国内外发展现状进行了梳理，并在对比国内外工具技术差异的基础上，提出了井下动力学测量工具的未来发展建议，以期为我国井下动力学测量技术及相关工具的发展提供一些新的思路。

1 国外井下动力学测量工具发展现状

目前，井下动力学测量工具比较成熟，产品已成系列化，应用效果较好的主要有Schlumberger、Halliburton、Baker Hughes和NOV等国外公司的产品。根据实测数据的采集与处理方式划分，井下动力学测量工具可分为存储式和传输式2种。存储式工具在井下采集并存储数据，起钻后在地面进行数据回放和处理。传输式工具在井下采集的数据则实时传输至地面，进行记录和处理分析。

1.1 存储式井下动力学测量工具

1.1.1 Baker Hughes公司产品简介

2013年，Baker Hughes公司推出了MultiSenseTMHD动态传感器模块[1-2]，轴向安装在PDC钻头的公扣端，如图1所示。该传感器模块现有ø114.3 mm、ø168.275 mm和ø193.675 mm 3种尺寸，可以提供粘滑振动、涡动、跳钻、扭转振动、横向振动、轴向振动和温度的测试数据，为钻后分析及后续施工方案优化提供依据。采样频率500 Hz，连续采集时间200 h。该传感器模块记录数据有后台和突发2种工作模式，后台模式计算并存储轴向和横向加速度计的平均值以及转速的最大、最小和平均值，突发模式则以一定的时间间隔存储记录出现的高频峰值数据。

图1 MultiSenseTMHD动态传感器模块

2021年，Baker Hughes公司又推出了MultiSenseTM2.0动态传感器模块[3]，该传感器模块内有三轴加速度计、单轴陀螺仪和温度传感器，从PDC钻头接头外侧安装在接头内，如图2所示。该传感器模块采用先进的传感技术，可采集并记录连续的三轴振动(±40 g)、冲击(±200 g)、高达1 000 Hz频宽的高频扭转振荡(HFTO)、粘滑、转速和温度等参数，采样频率>1 000 Hz，可存储连续高频(250～2 000 Hz)突发数据。连续采集时间200 h，最高工作温度150 ℃，最大工作压力103.425 MPa，适用于ø149.2～ø444.5 mm PDC钻头，无内径限制。MultiSenseTM2.0动态传感器模块也可安装在短节/接头内，连接在钻柱的任何位置。

图2 MultiSenseTM2.0动态传感器模块

1.1.2 Schlumberger公司产品简介

2014年，Schlumberger公司推出了OptiLog*测量工具[4]，如图3所示。该工具配置有三轴加速度计、单轴磁力计和PT1000温度传感器，可测量并记录冲击(0～200 g)、振动(0～60 g)、转速和内部温度等参数，采样频率1 024 Hz，连续采集时间200 h。钻进结束后，这些数据可输入PERFORM Toolkit*数据优化和分析软件对钻井性能进行优化。该工具最高工作温度150 ℃，最大工作压力172.375 MPa。目前有外径171.45、209.55和241.3 mm 3种规格，长度分别为0.96、0.95和0.95 m。

图3 OptiLog*测量工具

同年，Schlumberger公司还推出了IDart测量工具[5-6]，该工具配置有三轴加速度计、单轴陀螺仪和温度传感器，可测量并记录井下温度、转速、横向振动、轴向振动及高频扭转振荡(HFTO)等参数，采样频率高达2 048 Hz，连续采集时间120 h。目前，该工具主要有2种规格(如图4)，即，长0.558 8 m

图4 IDart测量工具

的Idart钻头接头、长1.1176 m的Idart钻柱短节。现场测试结果表明，该工具与基于时间的动态模拟系统配合使用，有助于研发工程师更好地了解并解决井下动力学问题。

1.1.3 Halliburton公司产品简介

2018年，Halliburton公司推出了CerebroTM钻头动态记录仪[7-8]，该记录仪轴向安装在PDC钻头接头内，如图5所示。该记录仪配有13个传感器，包括三轴加速度计(±200 g)、三轴磁力计、三轴陀螺仪、三轴测斜仪和温度传感器，可测量并记录振动、转速、井斜、温度和磁场强度等参数，采样频率1 000 Hz，连续采集时间150 h。

图5 安装有CerebroTM钻头动态记录仪的PDC钻头

2020年，Halliburton公司又推出了Cerebro ForceTM钻头传感器模块[9]，该传感器模块安装在PDC钻头接头上，如图6所示。该传感器模块采用先进的Cerebro ForceTM In-Bit传感技术，可测量并存储三轴冲击(±200 g)、三轴振动(±8 g)、钻压、转矩、弯矩、转速、压力、温度和磁场强度等参数，从而能够计算输出机械比能、涡动半径和频率、粘滑严重度和扭转振动的数据，以此为高效、精确的钻井提供新的设计和优化参数。该模块的采样频率为1 000 Hz，连续采集时间100 h，最高工作温度130 ℃，最大工作压力137.9 MPa，适用于ø200.025～ø311.15 mm PDC钻头，无内径限制。

图6 安装有Cerebro ForceTM钻头动态

1.1.4 Sanvean Technologies公司产品简介

2019年，Sanvean Technologies公司推出的CuBIC○R3G钻井动态记录仪[10]设计紧凑，有BHA&钻柱CuBIC(直径19.05 mm、长度147.32 mm)和近钻头CuBIC PuK(直径47.498 mm、长度28.448 mm)2种类型(如图7)，安装在现有的BHA/钻柱工具和钻头中，可采集并记录三轴振动(±16 g，采样频率25～100 Hz)、三轴冲击(±200 g，采样频率800 Hz)、转速和温度等参数。利用Gamechanger软件平台与地面数据结合，有助于钻后分析并进行钻井性能优化，从而达到降本增效的目的。该记录仪最高工作温度175 ℃，最大工作压力103.425 MPa，连续采集时间200 h，适合安装在外径120.65～244.475 mm的工具中。

图7 CuBIC○R3G动态传感器模块

2021年，Sanvean Technologies公司又推出了CuBIC○RHF高频钻井动态记录仪[11]。该记录仪有CuBIC HF和PuK HF 2种类型，尺寸和外形与BHA&钻柱CuBIC和近钻头CuBIC PuK相同，安装在现有的BHA/钻柱工具和钻头(CuBIC HF@钻头中心线、PuK HF@钻头接头)中，可采集并记录高频连续三轴冲击(±200 g，采样频率800～1 600 Hz)和转速等数据。该记录仪最高工作温度150 ℃(160 ℃可选)，最大工作压力103.425 MPa，连续采集时间150 h@800 Hz、连续采集时间100 h @1 600 Hz。

1.1.5 NOV公司产品简介

2020年，NOV公司推出的BlackBox Eclipse II 井下测量工具[12]，是BlackBox Eclipse钻井动态存储式测量工具的升级版(如图8)，在测量精度、分辨率、采样频率等方面都有很大提升。该工具配置有三轴加速度计、陀螺仪和温度传感器，可采集并存储三轴振动(±200 g)、转速和温度等数据，连续高频数据分析有助于提高钻井效率，为客户处理钻井难题提供定制化的解决方案。采样频率：低g加速度的转速和温度数据100 Hz，高g加速度数据1 500 Hz。该传感器模块最高工作温度150 ℃，最大工作压力137.9 MPa，存储容量8 GB，连续采集时间120 h。适合安装在外径120.65～241.3 mm的BlackBox短节/接头中，并可在BHA或钻柱中灵活布置。

图8 BlackBox Eclipse II动态传感器模块

2021年，NOV公司又推出了BitIQTM钻头传感器模块[13]。该模块包括三轴(轴向、切向和横向)加速度计、单轴陀螺仪和温度传感器，安装在PDC钻头接头璧上，如图9所示。该传感器模块可采集并记录三轴振动(±120 g)、转速和井下温度等数据，为钻后分析及钻进参数优化和最佳方案实施提供依据，主采样频率128 Hz，存储容量16 MB，连续采集时间200 h，外径42 mm，最高工作温度125 ℃，最大工作压力103.425 MPa。

图9 安装有BitIQTM钻头传感器模块的PDC钻头

1.2 传输式井下动力学测量工具

1.2.1 Schlumberger公司产品简介

2015年，Schlumberger公司推出了OptiDrill测量工具[14-16]，如图10所示。该工具配置有应变仪、加速度计、磁力计、陀螺仪和PT1000温度传感器，不仅可实时采集轴向振动(0～31.75 g)、横向振动(0～63.5 g)、钻压、转矩、弯矩、压力、温度、转速和连续井斜等参数，而且还可捕获频率为50～2 000 Hz连续数据的长持续时间，有利于施工人员详细了解钻井系统的状态和响应，采样频率高达10 kHz，信道数量19个，存储容量200 MB(250 h@低频0.5 Hz)(可配置)、1 500 MB(140 h@高频50 Hz)。这些数据通过IntelliServTM有线钻杆高速遥测网络实时传输至地面，与地面测量值结合在一起，并在仪表盘上实现了可视化。某直井眼扩眼器随钻扩眼钻进过程中，20 min内发生数次的低级别扭转振动向前旋涡动转变的示例如图11所示。井下数据和地面数据结合分析后，有助于施工人员进行钻井优化，从而提高钻井性能和效率，达到降低成本的目的。该工具最高工作温度150 ℃，最大工作压力206.85 MPa。目前有外径175 mm和233.1 mm 2种规格，长度分别为2.99 m和3.51 m。

图10 OptiDrill测量工具

图11 低级别扭转振动向前旋涡动转变示意图

1.2.2 Nabors公司产品简介

2015年，Nabors公司推出了业内长度最短(带电阻率总长仅为10.06 m)的AccuSteer○RM/LWD工具[17]，如图12所示。该工具采用模块化设计，结合了智能遥测(钻井液脉冲+电磁)技术，在复合钻进和滑动钻进时可以改变数据序列，利于提高测量数据质量，并保持导向性的高度控制。该工具最高工作温度175 ℃、最大工作压力137.9 MPa，连续采集时间>500 h，可测量定向数据、近钻头连续井斜、方位伽马、钻井动态数据(钻压、转矩、弯矩和瞬时狗腿严重度，50 Hz)、井下转速(Max/Min/Avg转速和粘滑指数，500 Hz)、随钻压力(环空压力、井眼压力、井底压差、当量循环密度和当量静态密度，17 Hz)、冲击和振动(最大冲击加速度500 g、最大振动加速度20 g，15～1 000 Hz)和传播电阻率。

图12 AccuSteer○RM/LWD工具

1.2.3 NOV公司产品简介

2017年，NOV公司推出了BlackStreamTM工具系列，包括BlackStreamTMASM(沿钻柱测量)工具、BlackStreamTMEMS(增强测量系统)井下测量工具和BlackStreamTMMWD工具。

BlackStreamTMASM工具[18-20](如图13)与IntelliServTM有线钻杆相连，并按固定间隔嵌入在钻柱上，可以提供沿井筒钻井环境的完整视图。BlackStreamTMASM工具配置有双轴横向加速度计、双轴切向加速度计、单轴轴向加速度计、单轴陀螺仪、压力传感器和温度传感器，可以实时测量横向振动(±120 g)、扭转振动(±5 000 rad/s2)、轴向振动(±35 g)、转速、内/外部压力和温度等参数，采样频率256 Hz，信道数量25个，缓冲区大小256字节。这些数据通过IntelliServTM有线钻杆高速遥测网络实时传输至地面，经过地面数据采集、可视化和软件分析后，为钻井施工人员提供详细信息，以便对钻井作业进行优化。此外，BlackStreamTMASM工具还可实时提供当量循环密度(ECD)数据，有助于消除压力剖面和井筒条件的不确定性。目前，BlackStreamTMASM工具有3种规格。

1) 外径126.365 mm，长度1.8 m，连续采集时间750 h，最高工作温度150 ℃，最大工作压力172.375 MPa，适用于ø101.6 mm钻杆。

2) 外径168.275 mm，长度1.8 m，连续采集时间1 000 h，最高工作温度150 ℃，最大工作压力172.375 MPa，适用于ø127 mm钻杆。

3) 外径177.8 mm，长度1.8 m，连续采集时间1 000 h，最高工作温度150 ℃，最大工作压力172.375 MPa适用于ø139.7 mm和ø149.225 mm钻杆。

IntelliServTM有线钻杆高速遥测网络通常包括：

1) 井下转换接头用于与第三方M/LWD及旋转导向系统建立连接，实现与BHA相应组件的双向通信。

2) 有线钻柱组件包括钻杆、钻铤、震击器等，数据信号以高达56 000 bps的传输速率沿整个钻柱传输。

3) DataLinks属于井下网络电子短节，沿钻柱转发、过滤及放大信号。

4) 顶驱数据旋转接头用于连接钻柱和顶驱。

5) 地面网络控制器是连接钻柱网络至地面系统的接口。

图13 BlackStreamTMASM工具

BlackStreamTMEMS(增强测量系统)井下测量工具[21-23](如图14)能够以800 Hz的频率实时采集并存储横向振动(±120 g)、轴向振动(±35 g)、扭转振动(±5 000 rad/s2)、转速、钻压、转矩、环空压力、内部压力、温度和弯矩等参数，并利用IntelliServTM有线钻杆高速遥测网络将这些数据传输至地面，从而可为解决粘滑、涡动等钻井难题定制合理的解决方案，以优化钻井性能并降低成本。目前，BlackStreamTMEMS工具有3种规格。

1) 外径130.175 mm，长度4.267 2 m，最高工作温度150 ℃，最大工作压力137.9 MPa，电池寿命400 h。

2) 外径171.45 mm，长度2.895 6 m，最高工作温度150 ℃，最大工作压力137.9 MPa，电池寿命225 h。

3) 外径228.6 mm，长度4.267 2 m，最高工作温度150 ℃，最大工作压力137.9 MPa(P670抗硫材料)，最大工作压力172.375 MPa(无磁P650HS材料)，电池寿命350 h。

图14 BlackStreamTMEMS井下测量工具

BlackStreamTMEMS工具仅在母接头处嵌有IntelliServTM线圈，这样IntelliServTM有线钻杆高速遥测网络不会到达位于该工具之下的任何工具。新款BlackStreamTMEMS StreamThru工具底部公接头处也嵌入有IntelliServTM线圈，这样就可以将BlackStream EMS StreamThru工具的测量数据和该工具之下任何其他有线钻杆驱动工具存储的测量数据并行遥测传输至地面。这种改进消除了BlackStreamTMEMS工具的设计缺陷，即由于缺少底部线圈而使BlackStreamTMEMS工具成为有线钻杆网络的最末一级工具。因此，这种改进不仅有助于在有线钻杆网络中下入多个BlackStream EMS StreamThru工具，而且还可以下入其他第三方有线钻杆驱动工具。目前，BlackStream EMS StreamThru工具有外径171.45 mm和228.6 mm 2种规格，与BlackStreamTMEMS工具相比，在工具尺寸、外形设计、传感器以及数据采集方面均保持一致。

BlackStreamTMMWD工具[24-26](如图15)与IntelliServTM有线钻杆相连，结合了BlackStreamTMEMS工具的功能，配有动态传感器(横向振动(±120 g)、轴向振动(±35 g)、扭转振动(±5 000 rad/s2)、转速、钻压、转矩、弯矩、环空压力、内部压力和温度，采样频率800 Hz)、定向传感器(井斜、方位、重力工具面、磁性工具面)和伽马射线传感器。目前，BlackStreamTMMWD工具有2种规格。

1) 外径130.175 mm，长度13.45 m，电池寿命225 h，最高工作温度150 ℃，最大工作压力137.9MPa；

2) 外径171.45 mm，长度11.08 m，电池寿命350 h，最高工作温度150 ℃，最大工作压力137.9 MPa。

图15 BlackStreamTMMWD工具

2 国内井下动力学测量工具发展现状

国内对井下动力学测量工具的研究起步较晚，近年来积极进行了大量的研究工作，并在可安放在钻柱中任意位置的存储式井下动力学测量工具和通过钻井液脉冲方式传输数据至地面的传输式井下动力学测量工具方面取得了一定数量的研究成果，但距离商业化应用还有待时日。

2.1 存储式井下动力学测量工具

2011年，中国石油钻井工程技术研究院翟小强等[27]设计了1种存储式井下振动测量工具，并进行了室内试验。该工具的结构设计成1个短节(如图16)，采用存储式测量方式，在井下测量到振动信号后进行处理和存储。该工具包括电子测量系统和机械系统2部分。电子测量系统的功能是进行数据的采集和存储。机械系统则是把电子测量系统进行密封和安装，以保证工具正常测量。机械系统的设计是把电子测量系统安装在仪器筒中，在测量接头上开出安装槽，仪器筒安装在测量接头上的槽内。仪器筒设计成3个独立的器件仓，分别安放三轴加速度传感器、电子电路和电池。测量接头扣型为430×410(NC50)、外径为177.8 mm，内径为57.0 mm。机械总体装配如图17所示。

图16 存储式井下振动测量工具总体结构

图17 存储式井下振动测量工具机械总体结构

2012年，中国石油集团钻井工程技术研究院钻井工艺所刘伟等[28]提出了1种井下振动记录仪并进行了室内测试。该记录仪由获取振动信号的压电式三轴加速度计以及对信号进行处理、分析部分组成，设计如图18所示。该记录仪可安放在钻柱中的不同位置或距离钻头较近的位置，以测量钻柱或钻头处的振动。安装1个或者多个记录仪可为井下钻柱振动分析提供详实、可靠的测量数据。

图18 井下振动记录仪示意图

2019年，中石化石油机械股份有限公司吴蔚娓等[29]提出了1种存储式井下振动测量仪，并建立了井下振动风险评级方法对实测振动数据进行分析。该测量仪是1个专用的测试接头，有效长度为238 mm，嵌有加速度传感器，连接在钻头和螺杆钻具之间，利用接头内安装的三轴加速度传感器，分别测量钻井过程中钻头的横向、轴向和径向的加速度值。测试接头由本体、加速度传感器测量系统、压盖、密封圈和卡簧组成。如图19所示，在本体沿直径方向钻传感器孔，三向加速度测量系统安装在传感器孔内并加以密封。目前，该测量仪已在国内某油田进行了现场试验，所用钻头为PDC钻头，螺杆钻具和转盘双驱动，排量50 L/s，转盘转速50 r/min，试验取得径向、轴向和切向加速度值。

图19 测量仪接头结构示意

2.2 传输式井下动力学测量工具

2.2.1 西南石油大学

2010年，西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室王旭东[30]和中石化胜利油田钻井工艺研究院张海花[31]等分别对近钻头井下钻井工程参数测量系统进行了试验研究，系统测量参数包括钻压、转矩、侧向力、环空压力和温度等。

大学生职业生涯规划主要分为四个阶段：自我认知阶段、职业认知阶段、分析决策阶段和职业实践阶段。班主任应该将大学四年学习与这四个阶段想对应，逐步引导学生正确认识自己、认识社会，学会为自己进行职业生涯的规划。

2011年，西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室马天寿等[32]设计了可连接在钻柱中任意位置的井下工程参数测量短节，短节测量参数包括井下钻压、转矩、侧向力、环空压力、钻柱内压等参数。这些成果为后续研究奠定了基础。

2020年，西南石油大学机电工程学院张智亮等[33]提出了1种井下安全监控系统，该系统的井下参数测量模块由测量短节和供电及信号传输短节组成，如图20所示。测量短节可实时测量钻压、弯矩、转矩、转速、钻柱内外压力、振动、井斜角和方位角等参数并进行数据处理，钻井液脉冲发电机完成信号的上传及系统的供电。所选用传感器的芯片及元件均耐温150 ℃。测得的数据经过处理后以钻井液脉冲的方式实时传输至地面，地面数据采集、综合分析软件对这些数据进行实时分析，预测、评估钻井作业中的风险，进而给出风险提示和降低风险的措施，实现井下监测、井上控制，避免风险发生，实现无风险钻井。井下安全监控系统先后在新疆油田、吐哈油田、青海油田和塔里木油田等11口井进行了先导性试验，成功预测了多种井下故障，提高了井筒安全性，确保了钻井安全。

图20 井下参数测量模块结构示意图

2.2.2 中国电子科技集团公司

2017年，中国电子科技集团公司第二十二研究所赵昱等[34]提出了1种井下工程参数测量仪，该测量仪实际上是1个钻铤短节，总体结构组成如图21所示。该测量仪采取在钻铤璧上开槽的方式，安装多种传感器和电路板，并使用盖板和密封圈实现密封，可测量并存储三轴振动和冲击(最大采样频率2 000 Hz)、钻压(最大采样频率2 000 Hz)、转矩(最大采样频率2 000 Hz)、弯矩(最大采样频率200 Hz)、钻井液压力和温度(最大采样频率200 Hz)等参数并在井下实时计算各参数特征量，处理后的数据能够以钻井液脉冲的方式实时传输至地面。该测量仪外径171.45 mm、长度1.5 m、连续工作时间>100 h、存储容量8 GB、工作温度-40～150 ℃、最大工作压力140 MPa。该测量仪样机共进行了3口井的现场试验，均安装在螺杆上方，累计钻进约400 h，进尺约2 600 m，最大作业垂深1 970 m。

图21 井下工程参数测量仪结构组成

2.2.3 中国石油集团钻井工程技术研究院

2018年，中国石油集团钻井工程技术研究院贾衡天等[35]设计了1种井下工程参数测量钻铤短节，该短节由应变传感器阵列、环空水眼温度压力传感器单元、工程参数信号调理单元、工程参数信号采集存储单元、和测量系统供电通信单元构成，如图22所示。该短节能够通过各种传感器测量在井下钻井作业工程中的钻压、转矩、环空水眼压力、温度和转速等重要工程参数，并通过MWD工程参数数据上传单元从井下上传至地面，作为地面钻井作业人员进行钻井操作的依据，从而提高钻井作业的安全水平和效率。该测量短节在银川盐湖县开展了现场试验，连续工作共120 h，从井深800～2 000 m进行随钻钻压、转矩、环空压力和水眼压力参数测量。

图22 井下工程参数测量钻铤短节

2.2.4 北京信息科技大学

2020年，北京信息科技大学姜海龙等[36]提出了1种井下工程参数测量系统，结构组成如图23所示。该测量系统是1个钻铤短节，可以测量井下钻压、转矩、x-y-z三轴振动、温度、管柱及环空压力等8个参数，采集的数据能够以钻井液脉冲的方式实时传输至地面，采样频率范围0～1 000 Hz，最高工作温度150 ℃，最大工作压力80 MPa。冀东油田G126X1井应用效果表明，该系统测量参数准确，能够真实反映井下实际工况；系统性能稳定可靠，井下工作时间可达150 h，满足现场作业要求，可为钻井作业提供有力的支持。

图23 测量本体结构

3 国内外井下动力学测量工具的差异

3.1 存储式工具

存储式井下动力学测量工具，以测量短节/接头和传感器模块为例。

1) 安放位置。国外的工具可安放在钻柱/BHA和钻头的各个位置，实现了全方位测量。国内目前只有安放在钻柱/BHA中的测量接头，而对钻头传感器模块的研究未见相关报道。

2) 性能指标。国外工具的最高工作温度175 ℃，最大工作压力172.375 MPa，最大采样频率2 048 Hz，最长连续采集时间200 h。国内工具仍处于试验阶段，未见相关数据报道。

3) 测量参数。国外工具的测量参数不再局限于振动、转速和温度等少数几个参数，如HalliburtonTM公司的Cerebro ForceTM钻头传感器模块不仅可测量振动、冲击、转速、温度和压力，而且还可从钻头中直接获取钻压、转矩和弯矩，这是很大的进步，有助于加深对井下环境的理解。国内的工具仅局限于振动测量。

3.2 传输式工具

传输式井下动力学测量工具，以钻铤短节为例。

1) 传输方式。国外推出的新型传输式工具不仅包括通过有线钻杆高速遥测网络传输数据的系列化工具，而且还出现了采用钻井液脉冲和电磁遥测两种数据传输模式的工具。国内的传输式工具的数据传输方式仍旧以传统的钻井液脉冲方式为主，有线钻杆和双模式遥测仍处于基础研究阶段。

2) 性能指标。国外工具的最高工作温度175 ℃，最大工作压力206.85 MPa，最大采样频率10 kHz，最长连续工作时间1 000 h。国内工具的最高工作温度150 ℃，最大工作压力140 MPa，最大采样频率2 kHz，最长连续工作时间150 h。

3) 测量参数。国外工具的测量参数包括冲击、横向振动、轴向振动、扭转振动、转速、温度、钻压、转矩、弯矩、环空压力、内部压力、井底压差、当量循环密度和当量静态密度。国内工具的测量参数涉及钻压、弯矩、转矩、温度、转速、钻柱内外压力、三轴振动和冲击，种类略少于国外。

4 国内井下动力学测量工具发展建议

1) 进行多参数测量的微型记录仪研究。传感器是井下动力学测量工具的核心元件，而微型化是传感器未来发展的趋势之一。工具尺寸微型化，无需额外增加测量短节/接头长度，以避免影响定向和动态响应及提高机械故障风险。因此，不管是存储式工具，还是传输式工具，都有必要将多个传感器元件、数据压缩软件、采集电路、电源等模块化设计成微型记录仪，安放在钻柱/BHA中的接头和钻头接头中，实现振动、冲击、转速、温度、压力、钻压、转矩和弯矩等多项参数测量。另外，为了承受井下恶劣的工作环境，还要选择耐温耐压、耐冲击振动的传感器，如陶瓷传感器。

2) 提高井下动力学测量数据的采样频率。高频数据是指数据采样的时间问隔较短，采样频率大于一般研究时所采用的频率。分析结果证实，与低采样频率相比，较高的采样频率有助于获得更详细的井下动力学数据，如扭转振动、粘滑、涡动和跳钻等。因此，在保证测量精度、存储空间足够大的情况下，应尽可能提高数据的采样频率，确保其高于原始信号最高频率的两倍以上，这样才能保证采集的信号不失真，从而才有可能把数字信号表示的信号还原成为原来信号。

3) 强化有效数据传输技术的攻关研究。钻井过程中，钻井性能实时优化必须有足够的井下动力学数据支持，因此需要数据实时快速传输的有效途径。前些年，井下动力学数据的传输主要依赖于钻井液脉冲技术，但有时脉冲速率过低，难以真正满足众多参数随钻实时快速传输的要求，因而无法获得连续的高频数据，这样就容易遗漏重要的信息；电磁遥测可代替钻井液脉冲遥测，但是井深和与地层相关的诸多因素限制了其实际应用。因此，有效钻杆高速遥测网络和钻井液脉冲遥测+电磁遥测双数据传输模式应成为井下动力学数据传输方式的主要发展方向。对于有线钻杆网络，应从电力及信号传输、设计与连接、加工制造等关键技术上加强攻关研究，力求取得突破；钻井液脉冲+电磁遥测双数据传输模式可作为钻井液脉冲系统的替代或补充，既拥有电磁遥测高传输速度的优点，也拥有可靠的钻井液脉冲遥测备份手段，比以前的电磁遥测适用于更深的地层，因此应解决MWD遥测工具中钻井液脉冲遥测模块和电磁遥测模块的连接以及钻井液脉冲模式和电磁模式之间的切换等关键技术问题。

4) 开展用于动力学测量的智能传感器网络的前瞻研究。智能微尘是未来高新技术之一，该技术的出现，使用于井下动力学测量的智能传感器网络构建成为可能。智能微尘让拥有智能的无线传感器缩小成如同沙粒或尘埃的大小，每一粒智能微尘都是由电池、传感器、微处理器、双向无线电接收装置和软件组成。因此，可以将智能微尘按照一定的间隔嵌入到井下钻柱/BHA和钻头的各个位置，构建成智能传感器监测网络，每个智能微尘都是该网络中的节点，可以探测井下的诸多动力学参数。

5 结语

国外井下动力学测量工具开发较早，形成了较为成熟的系列化工具。我国井下动力学测量工具的研发相对较晚，近年来虽取得了突破性进展，但大多数研究成果还处于试验阶段，未得到规模化应用。国内井下动力学测量技术及相关配套装备工具的研发需要多学科共同配合，单凭一家的力量难以完成。因此，需要分工合作，在提高数据采样频率的同时，持续进行多参数测量的微型记录仪、有效数据传输技术的攻关研究，早日实现井下动力学测量工具的商业化应用，并开展智能监测传感器网络的基础研究。