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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(jié)構(gòu)等幾大部分組成。天線系統(tǒng)采用“四發(fā)雙收”的方式和結(jié)構(gòu),工具上端和下端各有2個發(fā)射天線,工具中部設(shè)有2個接收天線。工具側(cè)壁設(shè)有測量控制電路倉體,工具中心設(shè)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(dǎo)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(shù)難點
電磁波電阻率隨鉆測量系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)尺寸的影響,設(shè)計空間小,機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,強度和可靠性要求高,具有以下幾個主要的設(shè)計難點:
1)設(shè)計空間小,受工具直徑尺寸的限制,中心預(yù)留泥漿通道后,可供使用的空間極為有限,對機械設(shè)計工作帶來了很多的限制。
2)機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,工具設(shè)有4個發(fā)射天線,2個接收天線,天線內(nèi)設(shè)有線圈,需要與控制電路進行連接通訊,整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(zhuǎn)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(shè)計中遇到的技術(shù)難點,經(jīng)過科學論證和反復(fù)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(jié)構(gòu)進行設(shè)計。
2)在系統(tǒng)機械設(shè)計中,避免出現(xiàn)導(dǎo)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(yīng)力集中,增加強度儲備。
3)采用多重密封設(shè)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(shè)計平臺,設(shè)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(zhuǎn)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(cè)壁中,中心留有泥漿通道,系統(tǒng)兩端設(shè)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(shù)難點
中子孔隙度隨鉆測量系統(tǒng)在機械設(shè)計中,受工作原理的需求、空間結(jié)構(gòu)的限制和安全方面的要求,具有3方面的設(shè)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(gòu)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(shè)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(dǎo)致嚴重后果,因此需要對中子發(fā)生器安裝部位設(shè)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(shù)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(jié)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(shè)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(gòu)的設(shè)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(shè)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(guān)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(shù)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(shè)計中采用特制的四芯旋轉(zhuǎn)連接器和多重密封保護措施。
1)特制的四芯旋轉(zhuǎn)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(shè)計的密封保護結(jié)構(gòu)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(yù)先導(dǎo)向機構(gòu)”,該機構(gòu)的作用是在儀器之間進行螺紋連接時,預(yù)先進行定位導(dǎo)向,實現(xiàn)“未接觸先導(dǎo)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(zhuǎn)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(jié)論
1)隨鉆測井儀器由于受到設(shè)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(shè)計工作帶來了極大的不利因素。因此在設(shè)計中,應(yīng)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(shè)計工作創(chuàng)造條件。
2)隨鉆測井儀器因其系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)修長等特點,被形象地比喻成“圓珠筆”。在機械設(shè)計中,利用三維設(shè)計軟件的虛擬裝配、干涉檢查等功能,可使結(jié)構(gòu)觀察和分析更為直接,設(shè)計者能夠及早方便地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷。參數(shù)化虛擬設(shè)計改善了零部件的設(shè)計方法,提高了設(shè)計靈活性,使隨鉆儀器的功能結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)空間限制,現(xiàn)場組裝維護的難度很大。因此需要設(shè)計相應(yīng)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(shè)計儀器的同時要考慮拆裝工具的設(shè)計,便捷的“工裝”與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)研究院