随钻测井系统机械结构论文

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1电磁波电阻率随钻测量系统

1．1系统工作原理及组成

电磁波电阻率随钻测量系统主要由发射天线、接收天线、电路仓体和对接结构等几大部分组成。天线系统采用“四发双收”的方式和结构，工具上端和下端各有2个发射天线，工具中部设有2个接收天线。工具侧壁设有测量控制电路仓体，工具中心设有泥浆通道，两端的公扣和母扣端有数据对接系统，用来实现与上下相邻工具之间数据交换与供电的功能。电磁波电阻率随钻测量是一种重要的电阻率测井方法，在各种不同类型的钻井液中都能够进行测量。它的工作原理基于电磁波在穿越地层时产生的衰减和相位移。由于穿越不同的地层会导致产生不同的衰减和相位移，通过测量电磁波的衰减和相位移就可以确定地层的介电常数和电阻率。电磁波电阻率随钻测量系统就是利用这一原理，由发射线圈向地层发射电磁波，再由不同的接收线圈接收电磁波，根据接收到的电磁波的相位差和幅度比来确定地层的电阻率。

1．2技术难点

电磁波电阻率随钻测量系统受结构尺寸的影响，设计空间小，机械结构较为复杂，强度和可靠性要求高，具有以下几个主要的设计难点：

1）设计空间小，受工具直径尺寸的限制，中心预留泥浆通道后，可供使用的空间极为有限，对机械设计工作带来了很多的限制。

2）机械结构较为复杂，工具设有4个发射天线，2个接收天线，天线内设有线圈，需要与控制电路进行连接通讯，整体结构较为复杂。

3）系统处于高温高压的工作环境下，并且要传递钻压和转矩，对工具的强度和可靠性提出了很高的要求。

4）系统工作在流动的高压泥浆中，系统内部的电路控制系统和天线线圈需要进行隔离绝缘处理，对整个系统的密封性能提出了很高的要求。

1．3解决方案

针对系统机械设计中遇到的技术难点，经过科学论证和反复试验，提出了4点解决方案。

1）根据随钻工具轴向尺寸大、径向空间小的特点，充分利用空间，精简结构进行设计。

2）在系统机械设计中，避免出现导致强度储备不足的薄弱环节，对强度薄弱的部位进行优化改进，以减少应力集中，增加强度储备。

3）采用多重密封设计，密封圈采用耐高温的橡胶材料，以避免橡胶高温失效造成泄露。利用SolidWorks软件设计平台，设计完成的电磁波电阻率随钻测量系统

2中子孔隙度随钻测量系统

2．1系统工作原理及组成

中子孔隙度随钻测量系统工作时，由同位素中子源发出快中子，在地层运动过程中和地层中的各种原子核发生弹性散射，而逐渐损失能量、降低速度，成为热中子。中子的减速长度L反映了孔隙度的大小，L越小，计数率越低，孔隙度越大。系统通过采集热中子计数率，则可识别岩性并转换为中子孔隙度。中子孔隙度随钻测量系统主要由中子发生器、中子检测器、测控电路和数据对接系统组成。其中，中子发生器位于水眼中心，中子检测器需要贴近井壁以便接收反射回来的中子，测控电路位于系统的侧壁中，中心留有泥浆通道，系统两端设有数据对接系统，用来实现相邻系统之间的数据通讯和功率的传输。

2．2技术难点

中子孔隙度随钻测量系统在机械设计中，受工作原理的需求、空间结构的限制和安全方面的要求，具有3方面的设计难点。

1）中子发生器属于放射性仪器，对系统减震性能要求高，如果减震保护机构失效，中子发生器因振动产生破坏，放射性元素泄露会造成严重后果。

2）系统的工作原理要求中子检测器贴近井壁，以便更好地接收反射回来的中子，缩短中子检测器与井壁之间的距离，成为机械设计中的一个难点。

3）由上述可知，中子发生器发生破坏产生放射性元素泄露会导致严重后果，因此需要对中子发生器安装部位设计特殊的保护措施，即便中子发生器发生破坏也能保证放射性元素不会外泄，而是保存在安全密闭空间内，确保施工安全。

2．3解决方案

综合分析上述技术难点，经过科学论证和测试实验，提出了如下解决方案：

1）中子发生器安装部分减震方案采用弹簧减震和橡胶减震相结合的减震方式，利用弹簧进行轴向减震，利用橡胶垫进行径向减震，充分利用两者的优点，以达到最好的减震效果。

2）在工具的外表面设计一个“凸台”来作为中子检测器的安装位置，“凸台”与工具相比直径较大，与井壁的距离更小，能更好地贴近井壁接收反射中子。

3）在中子发生器安装机构的设计中，采用多重密封的方式，利用高压密封连接器进行功率和数据的传输，确保中子发生器发生破坏后放射性元素不会发生泄露。

3数据传输系统设计

在DRLWD随钻测井系统中，除了电磁波电阻率随钻测量系统和中子孔隙度随钻测量系统之外，还包含有泥浆发电机和无线随钻测量系统（MWD），泥浆发电机负责给上述系统提供电能，MWD充当数据传输的载体，以压力脉冲的方式将随钻测量的信息实时传输到地面，为钻井工程师提供决策参考。在上述各系统之间，需要一套数据传输系统，实现功率和信号的传输，将各个独立的子系统串联起来成为一个整体的综合测井系统。数据传输系统对能否准确实时地将测量信息完整传输至地面起着至关重要的作用，在DRLWD系统中扮演着“动脉血管”的角色。

3．1技术难点

数据传输系统需要井下各个系统在机械连接的同时实现电连接，同时实现功率和信号的传输。因为随钻仪器的连接都在井口来完成，这意味着数据传输系统的接触环境比较恶劣，对连接系统的可靠性有着很高的要求。另外，数据传输系统工作在高温高压强振动的钻井环境中，所以对数据传输系统的稳定性提出了很高的要求。

3．2解决方案

综合考虑各方面影响因素，数据传输系统在设计中采用特制的四芯旋转连接器和多重密封保护措施。

1）特制的四芯旋转连接器使系统在传输功率的同时，能够保证信号数据的同步快速传输。

2）特殊设计的密封保护结构确保系统在随钻仪器机械连接的同时自动实现电连接，且能保证钻井过程中数据传输的稳定性和可靠性。

3）传输系统中包含一种“预先导向机构”，该机构的作用是在仪器之间进行螺纹连接时，预先进行定位导向，实现“未接触先导向”，确保数据传输系统能准确无误地实现接通，并保护其中的四芯旋转连接器不会因为上扣过程中的错位或振动而发生破坏。

4结论

1）随钻测井仪器由于受到设计空间小、高温高压强振动等不利工作环境的影响，给机械设计工作带来了极大的不利因素。因此在设计中，应利用轴向尺寸大的特点，在不影响强度的前提下充分利用空间，为机械设计工作创造条件。

2）随钻测井仪器因其系统复杂、结构修长等特点，被形象地比喻成“圆珠笔”。在机械设计中，利用三维设计软件的虚拟装配、干涉检查等功能，可使结构观察和分析更为直接，设计者能够及早方便地发现设计中的缺陷。参数化虚拟设计改善了零部件的设计方法，提高了设计灵活性，使随钻仪器的功能结构设计更为科学合理。

3）随钻测井仪器的工作环境恶劣，且受结构空间限制，现场组装维护的难度很大。因此需要设计相应的拆装工具来提高仪器零部件的现场维护能力，减轻施工人员的劳动强度。对较难拆卸的零件，设计仪器的同时要考虑拆装工具的设计，便捷的“工装”与合理的结构设计具有同样重要的意义。

作者：王鹏 窦修荣 艾维平 毛为民 彭浩 单位：中国石油集团钻井工程技术研究院