94B9井下工程参数随钻测量仪的研制.docVIP

井下工程参数随钻测量仪 王银生2 杨锦舟1 韩来聚1 张海花1 施斌全1 （1. 胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营，257017；2. 中国石油大学（华东），山东东营，邮编257061 摘 要：井下工程参数测量仪是石油钻井行业中的一种重要的随钻测量仪器。本文介绍了井下工程参数随钻测量仪的结构及关键技术。实验结果表明，该仪器测量准确、性能稳定可靠、功耗较低、抗干扰能力较强，具有良好的推广应用价值。 关键词：近钻头 钻井 随钻测量 可靠性 钻井过程中，近钻头处钻井工程参数的随钻准确测量对安全、高效钻井十分重要。随着井深的增加，特别是各种分支井、水平井的开发，钻井事故及复杂情况的发生率越来越高。每年国内各大油田都不同程度地发生卡钻、掉牙轮、钻具断落等钻井工程事故，而这些事故与近钻头处工程参数的变化密切相关。因此，实时监测钻井工程参数的变化可以有效地防止此类事故的发生。 近年来，国内不少研究机构相继开发了MWD、LWD 系统，但总体水平参差不齐，与国外技术相比仍有较大差距，且测量参数以地层特性参数为主，缺少对钻井工程参数的测量技术。 本文介绍的井下工程参数随钻测量仪器，能够测量并实时传输出井下真实的钻压、扭矩，振动、温度、内外泥浆压力等工程参数，为钻井工程师准确快速地调整钻进参数、改变钻井方式、科学安全钻井提供实时依据，从而达到科学无风险钻井的目的。 1 系统组成 井下工程参数随钻测量仪由两大部分组成，第一部分为数据采集和处理电路，用来测量出井下的相关参数。第二部分为脉冲发生器，把采集的数据通过泥浆脉冲实时传输到地面部分。 1.1 传感器和信号调理电路 温度测量采用TMP275芯片，该芯片为两线制数字温度传感器，其精确度可以达到0.25℃；工作环境温度为：-40℃—125℃；MSOP-8和SO-8封装。 内外泥浆压力测量采用美国霍尼西尔公司专门用于油田随钻测量的Model S型号压力传感器，该传感器体积小，耐高温（一40℃ ～+148℃），最大量程为15000psi。 振动测量采用美国Measurement Specialties Inc公司生产的高性能MODEL 4602加速度传感器，该传感器也具备井下环境工作的特点，体积小，耐高温（一54℃ ～+121℃），最大量程为500个g 钻头处的钻压和扭矩采用电阻应变片组成的测量桥路。应变片贴在专门设计的测量筒上，由专线引至电子仪器仓内。 由于井下环境十分复杂和恶劣，测量出的信号很微弱（毫伏级）且噪声很大，不易处理。为解决这一问题，采用锁相放大技术对其进行处理，利用相关原理从巨大的噪声里提取该信号，然后用仪表放大器（AD8221和AD630）进行多级放大，使输出电压达到O～2.5V，方便单片机采集和处理。 1.2 井下数据采集设备 单片机采用AD公司的51系列单片机ADμC848，集成了16位的Σ-Δ型AD转换器，具有一定范围的程控放大功能，可以简化电路设计和的体积，便于井下设计。 图1 井下数据采集流程 1.3 软件 软件系统功能设计包括2个主要模块：①系统初始化模块，其作用是设置系统运行环境、初始化各参数；②实时中断处理模块，包括系统监视中断和定时中断，前者在系统程序受扰“跑飞”时能自动恢复系统，后者完成系统工作状态的数据采集、处理和传输 [2]。软件系统的工作流程见图2. N Y 图2 软件系统的工作流程 1.4 传输系统 无线MWD 按传输通道的不同分为泥浆脉冲、电磁波和声波3种方式。在研制井下工程参数随钻测量仪时，采用美国APS 公司的旋转阀式脉冲发生器，与自行研制的电子测量短节配套，用锂电池组供电，组成一种新型MWD 无线随钻测量系统——APS 旋转阀定向测量系统[3]。该系统是地面装置与井下仪器之间传输信息的关键设备，它通过瞬态改变井眼中钻井液的压力，发射包含测量信息的泥浆脉。 2 关键技术 井下环境十分恶劣和复杂，振动剧烈约200，且压力也高达近百个兆帕，这样的环境要求系统能在高温、高压及强烈振动等情况下工作,这也是技术难点。 2.1 抗高温措施 仪器工作在井下,随着井深的增加，井底温度不断升高（一般在125 ℃左右,有时更高）。为保证仪器在高温下仍能正常工作，元器件全部使用耐高温、低功耗的军品器件，并采用可靠性降额设计，确保其承受的电应力和温度应力低于设计额定值，延缓参数退化，增加工作寿命[4]。 2.2 抗振动措施 为了提高井下电路的抗振动性能，电路板安装结构采用了合理的机械设计，确保电路板与仪器外筒之间无相对运动、元器件接触良好。同时，利用随钻测量仪器的振动传感器实时监测仪器振动情况，使测量值更接近于真实数值[4]。 2.3 供电部分 井下工程参数测量仪供电系统采用耐高温、高能锂电池，通过DC/DC（电压转换电路