隨鉆測井系統(tǒng)機械結構論文

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1電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)

1．1系統(tǒng)工作原理及組成

電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)主要由發(fā)射天線、接收天線、電路倉體和對接結構等幾大部分組成。天線系統(tǒng)采用“四發(fā)雙收”的方式和結構，工具上端和下端各有2個發(fā)射天線，工具中部設有2個接收天線。工具側壁設有測量控制電路倉體，工具中心設有泥漿通道，兩端的公扣和母扣端有數(shù)據(jù)對接系統(tǒng)，用來實現(xiàn)與上下相鄰工具之間數(shù)據(jù)交換與供電的功能。電磁波電阻率隨鉆測量是一種重要的電阻率測井方法，在各種不同類型的鉆井液中都能夠進行測量。它的工作原理基于電磁波在穿越地層時產(chǎn)生的衰減和相位移。由于穿越不同的地層會導致產(chǎn)生不同的衰減和相位移，通過測量電磁波的衰減和相位移就可以確定地層的介電常數(shù)和電阻率。電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)就是利用這一原理，由發(fā)射線圈向地層發(fā)射電磁波，再由不同的接收線圈接收電磁波，根據(jù)接收到的電磁波的相位差和幅度比來確定地層的電阻率。

1．2技術難點

電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)受結構尺寸的影響，設計空間小，機械結構較為復雜，強度和可靠性要求高，具有以下幾個主要的設計難點：

1）設計空間小，受工具直徑尺寸的限制，中心預留泥漿通道后，可供使用的空間極為有限，對機械設計工作帶來了很多的限制。

2）機械結構較為復雜，工具設有4個發(fā)射天線，2個接收天線，天線內(nèi)設有線圈，需要與控制電路進行連接通訊，整體結構較為復雜。

3）系統(tǒng)處于高溫高壓的工作環(huán)境下，并且要傳遞鉆壓和轉矩，對工具的強度和可靠性提出了很高的要求。

4）系統(tǒng)工作在流動的高壓泥漿中，系統(tǒng)內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)和天線線圈需要進行隔離絕緣處理，對整個系統(tǒng)的密封性能提出了很高的要求。

1．3解決方案

針對系統(tǒng)機械設計中遇到的技術難點，經(jīng)過科學論證和反復試驗，提出了4點解決方案。

1）根據(jù)隨鉆工具軸向尺寸大、徑向空間小的特點，充分利用空間，精簡結構進行設計。

2）在系統(tǒng)機械設計中，避免出現(xiàn)導致強度儲備不足的薄弱環(huán)節(jié)，對強度薄弱的部位進行優(yōu)化改進，以減少應力集中，增加強度儲備。

3）采用多重密封設計，密封圈采用耐高溫的橡膠材料，以避免橡膠高溫失效造成泄露。利用SolidWorks軟件設計平臺，設計完成的電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)

2中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)

2．1系統(tǒng)工作原理及組成

中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)工作時，由同位素中子源發(fā)出快中子，在地層運動過程中和地層中的各種原子核發(fā)生彈性散射，而逐漸損失能量、降低速度，成為熱中子。中子的減速長度L反映了孔隙度的大小，L越小，計數(shù)率越低，孔隙度越大。系統(tǒng)通過采集熱中子計數(shù)率，則可識別巖性并轉換為中子孔隙度。中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)主要由中子發(fā)生器、中子檢測器、測控電路和數(shù)據(jù)對接系統(tǒng)組成。其中，中子發(fā)生器位于水眼中心，中子檢測器需要貼近井壁以便接收反射回來的中子，測控電路位于系統(tǒng)的側壁中，中心留有泥漿通道，系統(tǒng)兩端設有數(shù)據(jù)對接系統(tǒng)，用來實現(xiàn)相鄰系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊和功率的傳輸。

2．2技術難點

中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)在機械設計中，受工作原理的需求、空間結構的限制和安全方面的要求，具有3方面的設計難點。

1）中子發(fā)生器屬于放射性儀器，對系統(tǒng)減震性能要求高，如果減震保護機構失效，中子發(fā)生器因振動產(chǎn)生破壞，放射性元素泄露會造成嚴重后果。

2）系統(tǒng)的工作原理要求中子檢測器貼近井壁，以便更好地接收反射回來的中子，縮短中子檢測器與井壁之間的距離，成為機械設計中的一個難點。

3）由上述可知，中子發(fā)生器發(fā)生破壞產(chǎn)生放射性元素泄露會導致嚴重后果，因此需要對中子發(fā)生器安裝部位設計特殊的保護措施，即便中子發(fā)生器發(fā)生破壞也能保證放射性元素不會外泄，而是保存在安全密閉空間內(nèi)，確保施工安全。

2．3解決方案

綜合分析上述技術難點，經(jīng)過科學論證和測試實驗，提出了如下解決方案：

1）中子發(fā)生器安裝部分減震方案采用彈簧減震和橡膠減震相結合的減震方式，利用彈簧進行軸向減震，利用橡膠墊進行徑向減震，充分利用兩者的優(yōu)點，以達到最好的減震效果。

2）在工具的外表面設計一個“凸臺”來作為中子檢測器的安裝位置，“凸臺”與工具相比直徑較大，與井壁的距離更小，能更好地貼近井壁接收反射中子。

3）在中子發(fā)生器安裝機構的設計中，采用多重密封的方式，利用高壓密封連接器進行功率和數(shù)據(jù)的傳輸，確保中子發(fā)生器發(fā)生破壞后放射性元素不會發(fā)生泄露。

3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計

在DRLWD隨鉆測井系統(tǒng)中，除了電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)和中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)之外，還包含有泥漿發(fā)電機和無線隨鉆測量系統(tǒng)（MWD），泥漿發(fā)電機負責給上述系統(tǒng)提供電能，MWD充當數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，以壓力脈沖的方式將隨鉆測量的信息實時傳輸?shù)降孛?，為鉆井工程師提供決策參考。在上述各系統(tǒng)之間，需要一套數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)功率和信號的傳輸，將各個獨立的子系統(tǒng)串聯(lián)起來成為一個整體的綜合測井系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對能否準確實時地將測量信息完整傳輸至地面起著至關重要的作用，在DRLWD系統(tǒng)中扮演著“動脈血管”的角色。

3．1技術難點

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要井下各個系統(tǒng)在機械連接的同時實現(xiàn)電連接，同時實現(xiàn)功率和信號的傳輸。因為隨鉆儀器的連接都在井口來完成，這意味著數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的接觸環(huán)境比較惡劣，對連接系統(tǒng)的可靠性有著很高的要求。另外，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作在高溫高壓強振動的鉆井環(huán)境中，所以對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了很高的要求。

3．2解決方案

綜合考慮各方面影響因素，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在設計中采用特制的四芯旋轉連接器和多重密封保護措施。

1）特制的四芯旋轉連接器使系統(tǒng)在傳輸功率的同時，能夠保證信號數(shù)據(jù)的同步快速傳輸。

2）特殊設計的密封保護結構確保系統(tǒng)在隨鉆儀器機械連接的同時自動實現(xiàn)電連接，且能保證鉆井過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

3）傳輸系統(tǒng)中包含一種“預先導向機構”，該機構的作用是在儀器之間進行螺紋連接時，預先進行定位導向，實現(xiàn)“未接觸先導向”，確保數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能準確無誤地實現(xiàn)接通，并保護其中的四芯旋轉連接器不會因為上扣過程中的錯位或振動而發(fā)生破壞。

4結論

1）隨鉆測井儀器由于受到設計空間小、高溫高壓強振動等不利工作環(huán)境的影響，給機械設計工作帶來了極大的不利因素。因此在設計中，應利用軸向尺寸大的特點，在不影響強度的前提下充分利用空間，為機械設計工作創(chuàng)造條件。

2）隨鉆測井儀器因其系統(tǒng)復雜、結構修長等特點，被形象地比喻成“圓珠筆”。在機械設計中，利用三維設計軟件的虛擬裝配、干涉檢查等功能，可使結構觀察和分析更為直接，設計者能夠及早方便地發(fā)現(xiàn)設計中的缺陷。參數(shù)化虛擬設計改善了零部件的設計方法，提高了設計靈活性，使隨鉆儀器的功能結構設計更為科學合理。

3）隨鉆測井儀器的工作環(huán)境惡劣，且受結構空間限制，現(xiàn)場組裝維護的難度很大。因此需要設計相應的拆裝工具來提高儀器零部件的現(xiàn)場維護能力，減輕施工人員的勞動強度。對較難拆卸的零件，設計儀器的同時要考慮拆裝工具的設計，便捷的“工裝”與合理的結構設計具有同樣重要的意義。

作者：王鵬 竇修榮 艾維平 毛為民 彭浩 單位：中國石油集團鉆井工程技術研究院