井下仪器结构设计分析.docx
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井下仪器结构设计分析
井下仪器设计分析
目录
第一章了解市场上随钻测斜仪器种类、应用、优缺点等2
1.1有线随钻测斜仪2
1.1.1有线随钻测量仪的特点2
1.1.2有线随钻测斜仪的组成2
1.2无线随钻测斜仪4
1.2.1无线随钻测斜仪信号传输方式4
1.2.2无线随钻测斜仪的基本构成5
第二章熟悉公司的MWD产品（MWD650）5
2.1MWD测量系统介绍5
2.2MWD技术规范6
2.2.1井下工具技术规范6
2.2.2井下仪器工作条件：
6
2.2.3系统测量精度7
2.2.4测量点7
2.3系统的组成8
2.4650MWD系统仪器操作10
2.4.1定子、转子选择10
2.4.2限流环选择11
2.4.3脉冲发生器组装12
2.4.4流筒总成的组装12
2.4.5井下仪器总成组装13
2.4.6各连接部位上扣扭矩14
2.4.7密封圈15
2.4.8垫片的计算15
2.4.9转盘钻进仪器井口安装16
2.4.10随钻钻进仪器井口安装16
2.4.11泥浆控制要求16
2.4.12井下仪器出井17
2.4.13井下仪器拆卸17
2.4.14650施工定转子选择表18
第三章重点研究公司产品定向探管与伽马短接的结构设计分析18
3.1定向伽马一体化的背景技术18
3.2公司定向伽马一体化系统设计19
3.2.1定向探管KY-PCD探管19
3.2.2伽马短节20
3.2.3定向探管与伽马短节之间的连接20
3.3可靠性设计21
第一章了解市场上随钻测斜仪器种类、应用、优缺点等
如果井眼轨迹不按照预定的方向前进时，就必须下入弯接头重新定向，使井眼回到设计的轨道上来。
利用传统的单点测斜仪频繁的测量和重新定位使非常费时和昂贵的。
如果在钻井过程中，将安装在下部钻具组合上的测斜仪器检测的数据连续不断的实时传送到地面，那么可更加精确地控制井眼轨迹，同时节约测斜时间。
这种测量仪器统称为随钻测斜仪（传统上的MWD）。
根据测量仪器的结构特点和测量参数的传输方式可分为有线随钻测斜仪和无线碎钻测斜仪。
1.1有线随钻测斜仪
利用导线与井下电子检测器连接，使电子测斜仪的数据实时传递到地面，这种测量仪器通常称为有线随钻测斜仪。
这种仪器检测器座在弯接头上面的定向接头上。
检测器内有电子传感器（与单、多点一致）来测量井斜角、方位角和工具面角。
测量结果通过导线从仪器传到地面，由计算机分析信号，并显示出所测角度的数量。
1.1.1有线随钻测量仪的特点
与单、多点测斜仪相比，这种仪器有如下特点：
（1）不需要由测量和检查方向引起的大量起下钢丝绳作业，所以节省了辅助钻进时间；
（2）由于连续监视，减少了井眼偏离设计轨道的危险，也减少了扭方位的次数；
（3）井眼轨迹控制精确，井眼轨道平缓，狗腿度小；
（4）可在钻进是检测工具面指向，计算反扭矩。
1.1.2有线随钻测斜仪的组成
有线随钻测斜仪主要由井下测量系统，地面信号接收、转换、显示系统，信号传输电缆及其密封装置三部分组成。
（1）井下测量系统——探管总成
探管是测量井眼各种参数的心脏。
它主要由磁力计、重力加速度计算测量器件和电子线路组成。
电子线路把井下测量的井眼参数转变成电信号，通过单芯电缆传输给地面仪器。
（2）仪器外筒总成
主要由电缆头总成、外筒扶正节、上连接器、仪器桶、下连接器、加长杆、定向鞋组成。
（3）地面接收、转换、显示系统
井下仪器把井眼参数以电信号的形式传输给地面计算机系统，计算机把电信号进行信号放大、译码处理，分别以数字形式直观显示在面板屏、地面司钻读出器和输入打印机，把测量的井眼参数打印出来。
（4）信号传输电缆及其密封装置
第一种方法：
主要由单芯电缆、电缆车、高压循环头（或电缆旁通接头）、液压管线及手压泵组成。
高压循环头有利于保护电缆，但每次接单根都要把仪器提到钻柱最上面一根钻杆内，接上立根后再下到井底座键。
第二种方法：
在钻杆上加旁通接头，接立根不需要起下电缆。
但应注意保护井口电缆，防止打扭、挤坏电缆。
1.1.3有线随钻测斜仪的不足之处
（1）只能在钻柱不旋转时使用，只能用于使用动力钻具驱动的井段。
（2）因为方位传感器是磁力仪，需使用无磁钻铤。
在套管附近测量结果不可靠。
（3）在电缆通过高压循环头的情况下，在接换单根或立柱时，须起下仪器。
1.2无线随钻测斜仪
上世纪70年代后期，国外出现了无线随钻测斜系统。
上世纪80年代后期国内油田开始陆续应用无线随钻系统。
无线随钻系统使用较多的有：
Sperry-sun公司的MWD650系统，Anadrill公司的slim1系统，Geolink公司的负脉冲和正脉冲系统。
由于无线随钻所具有的独特的特点，在各个油田都受到了用户和使用者的喜欢。
1.2.1无线随钻测斜仪信号传输方式
因为有线随钻测斜仪有导线直接与计算机相连，钻柱不能旋转，只能用于井下动力钻具驱动的情况，限制了其应用范围。
为克服这些缺陷，人们研究了无线传输信号方法，开发出无线随钻测斜仪。
它与有线随钻测斜仪的主要区别在于井下测量数据的传输方式不同，目前采用MWD施工主要依靠下面四种方式实现信号的传输：
（1）连续波方式
连续发生器的的转子在泥浆的作用下产生正弦或余弦压力波，由井下探管编码后的测量数据通过调制系统控制的定子相对于转子的角位移使这种正弦或余弦压力波在时间上出现相位移，在地面连续地检测这些相位移的变化，并通过译码、计算得到测量数据，这种方法的优点是：
数据传输速度快、精度高。
缺点是：
结构复杂，数字译码能力较差。
如图1所示:
图1连续波方式工作原理示意图
（2）正脉冲方式
图2泥浆正脉冲方式工作原理示意图
如图2所示，泥浆正脉冲发生器的蘑菇头与小孔的相对位置能够改变泥浆流道在此的截面积，从而引起钻柱内部的泥浆压力的升高，蘑菇头的运动是由探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现。
在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。
这种方法的优点是：
下井仪器结构简单、尺寸小，使用操作和维修方便，不需要专门的无磁钻铤。
缺点是：
数据传输速度慢，不适合传输地质资料参数。
（3）负脉冲方式
泥浆负脉冲发生器需要组装在专用的无磁钻铤中使用，开启泥浆负脉冲发生器的泄流阀，可使钻柱内的泥浆经泄流阀与无磁钻铤上的泄流孔流到井眼环空，从而引起钻柱内部的泥浆压力降低，泄流阀的动作是由探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现。
在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。
这种方法的优点是：
数据传输速度较快，适合传输定向和地质资料参数。
缺点是：
下井仪器的结构较复杂，组装、操作和维修不便，需要专用的无磁钻铤。
图3泥浆负脉冲方法工作原理示意图
（4）电磁波传输方式
电磁波信号传输主要是依靠地层介质来实现的。
井下仪器将测量的数据加载到载波信号上，测量信号随载波信号由电磁波发射器向四周发射，如图4所示。
地面检波器在地面将检测到的电磁波中的测量信号卸载并解码、计算，得到实际的测量数据。
图4电磁波信号传输示意图
这种方法的优点是：
数据传输速度较快，适合于普通泥浆、泡沫泥浆、空气钻井、激光钻井等钻井施工中传输定向和地质资料参数。
缺点是：
地层介质对信号的影响较大，低电阻率的地层电磁波不能穿过，电磁波传输的距离也有限，不适合超深井施工。
1.2.2无线随钻测斜仪的基本构成
井下测量仪器主要部件有：
（1）操作系统的动力源；
（2）测量所需信息的传感器
（3）以代码的形式将数据传输到地面的发生器；
（4）协调工具各种功能的微处理机或控制系统。
地面设备主要有：
（1）检测压力变化并将其转化为电讯号的立管压力传感器；
（2）用来减少或消除来自钻井泵或井下马达可能引起压力变化干扰的电子过滤一起；
（3）处理结果的地面计算机；
（5）司钻的钻台上的显示器，或记录连续测井曲线的绘图仪。
第2章、熟悉公司的MWD产品（MWD650）
2.1MWD测量系统介绍
上海科油公司生产的正脉冲定向MWD随钻测量仪器（简称“MWD”），靠井下转子提供动力。
转子与内轴藕合，轴底端连接一发电机，为探管供电；上端连接一液压泵，为脉冲发生器提供能量。
泥浆在鱼颈总成和限流环与蘑菇头形成的环形空内流动，当有信号传递时，蘑菇头升起9.4mm，停一下，然后回到原位，短时的蘑菇头伸长就产生了正压力脉冲。
地面上采用泥浆压力传感器检测来自井下仪器的泥浆脉冲信息，并传输到地面地面数据处理系统进行处理，井下仪器所测量的井斜角、方位角和工具面数据可以显示在地面数据处理系统或DDU司钻阅读器上。
MWD随钻测量仪器具有技术性能先进、工作可靠、特别适用于大斜度井和水平井中配合导向动力钻具组成导向钻井系统，以及海洋石油钻井，能提高井眼轨迹的控制精度、提高钻井的速度和效益。
该随钻测量仪器有如下特点：
采用正脉冲泥浆压力传输系统进行数据传输，使得整个井下仪器结构紧凑、体积小，现场检测、组装和拆卸容易，占用钻机作业时间短。
而且不象负脉冲泥浆压力传输系统需要专门的无磁钻铤。
采用涡轮发电机为井下仪器供电，使井下仪器的连续工作时间长、费用低。
该随钻测量系统具有短测量（SHORTSURVEY）和全测量（FULLSURVEY）功能。
短测量方式的数据传输速度快，工具面的修正时间仅为9.3s。
全测量方式可以将PCD探管测量的磁性和重力分量数据传输到地面数据处理系统进行处理，用于进行磁性参数的分析，消除来自井下钻具对仪器磁性干扰的修正，特别适用于大斜度定向井和水平井测量，能及时判断测量数据的误差原因以及确定测量的精度。
地面数据处理系统采用的地面数据处理系统抗震和抗干扰能力强。
测量过程中，操作人员可以通过地面数据处理系统了解仪器的工作情况。
司钻通过DDU司钻阅读器的显示，掌握井下钻具的工作状态，指导定向钻进。
测量过程中，测量数据可以随时存盘和调用。
测量结束，测量数据可以备份保存或打印出标准的各种报表。
除测量参数外，井下PCD探管还向地面数据处理系统传输仪器工作环境与工作状态数据，这些数据包括：
井下仪器的环境温度、发电机转速等。
我公司使用的下井仪器系统有三个不同的系列，包括1200系统、950系统、650系统、350系统，可以满足不同井眼尺寸和不同泥浆排量的施工要求。
地面仪器和井下仪器都具有兼容性，地面仪器设备可以与三个系列的井下仪器配套使用，也可与测量地质参数的FEWD随钻测井系统配套使用。
井下仪器可以与自然伽玛、电阻率等多种测井仪器连接使用，以扩大仪器的用途。
2.2MWD技术规范
2.2.1井下工具技术规范
MWD类型
350
650
1200
钻铤外径
4-1/2"
6-1/2"
8"
9-1/2"
121mm
165mm
203mm
241mm
内径
2.815"
2.815"
3-1/4"
3-1/4"
71.44mm
71.44mm
82.55mm
82.55mm
一般长度
31ft
6ft
6ft
6ft
9.449m
1.829m
1.829m
1.829m
连接扣型
311X310
411X410
631X630
731X730
3-1/2"IF
4-1/2"IF
6-5/8"REG
7-5/8"REG
上扣扭矩
ft.lb
9900
30000
47000
83000
N.m
13400
40700
63700
113500
注意：
以上扭矩允许有±10%的波动。
最大狗腿度
滑动
30°/30m
21°/30m
14°/30m
14°/30m
30°/100ft
21°/100ft
14°/100ft
14°/100ft
转动
14°/30m
10°/30m
8°/30m
8°/30m
14°/100ft
10°/100ft
8°/100ft
8°/100ft
2.2.2井下仪器工作条件：
泥浆泵
双缸或三缸泵
空气包充气量
推荐充气压力为立管压力的30～40％
允许泥浆排量
350系统
9.5～22.1升/秒（150-350GPM）
650系统
14.2～41.0升/秒（225-650GPM）
1200系统
22.1～75.7升/秒（225-1500GPM）
泥浆类型
水基泥浆（清水或盐水）
油基泥浆（原油或矿物油）
泥浆密度
小于2170Kg/m3（18PPG）
含砂量
小于1％
塑性粘度
小于50cp
可承受最大压力
15000Psi（104MPa）
最高工作温度
125℃（302℉）
堵漏材料
不允许使用
2.2.3系统测量精度
方位角
±1.5°（Inc.>10°，Dip<70°）
井斜角
±0.1°（在0--180°范围内）
磁性工具面
±1.5°
高边工具面
±1.5°
测量数据修正时间
5.5min
工具面修正时间
14s，传输频率0.5Hz
2.2.4测量点
（1）根据下列公式，计算钻头到PCD探管测量点间的距离。
计算方法如图1所示。
计算公式：
（2）假设：
HOS上部扣平面到钻头的距离为A，
（3）悬挂短节上部扣平面到内部座流筒总成的台阶的距离为B,
（4）则PCD探管测量点到仪器的距离PTB=A-（B+1.67m）。
图1PCD探管测量点
2.3系统的组成
MWD无线随钻测量仪器是由地面部分（地面数据处理系统、防爆箱、DDU司钻阅读器、泥浆压力传感器、泵冲传感器）、井下部分（PCD探管、下井外筒总成、涡轮发电机总成、无磁短节）及辅助工具、设备组成。
1、地面数据处理系统
地面数据处理系统是MWD随钻测量仪器的地面数据处理设备，它接受来自泥浆压力传感器的测量信息，进行数据的处理和储存，并且在地面数据处理系统和DDU司钻阅读器上显示，或在打印机上打印。
测量人员可以通过观察地面数据处理系统显示的波形和数据，判断或调整地面设备、井下仪器的工作状态。
本公司目前采用的是PCDWD系统。
2、DDU司钻阅读器
司钻阅读器主要用来在钻台面实时显示井下工具数据及测量数据。
3、防爆箱
防爆箱是MWD无线随钻测斜仪系统的保护装置，它是限制与它连接的其它设备的电压和电流，防止出现电火花，保证仪器设备在现场使用的安全。
通过防爆箱与地面数据处理系统连接的地面仪器装置有：
泥浆压力传感器、泵冲传感器和DDU司钻阅读器，并为这些仪器装置提供电源。
防爆箱的输入端由电缆与地面数据处理系统上的MWD接口连接，安装在仪器操作间内，并在仪器操作间外采用专用地线接地。
4、DIB接口箱
DIB接口箱和计算即联合使用，也可以单独实现仪器测试、信号检测等功能。
目前在我公司正广泛使用。
5、泥浆压力传感器和泵冲传感器
在MWD无线随钻测斜仪系统的地面仪器设备中，还包括泥浆压力传感器和泵冲传感器等。
泥浆压力传感器安装在泥浆立管上，检测来自井下仪器器的脉冲信息，并将该泥浆的压力脉冲转化成电脉冲信息传至地面数据处理系统进行处理和显示。
泵种传感器安装在泥浆泵上，计量泵冲数，并将该泵冲数传送至地面数据处理系统，用于进行数据处理时的泥浆泵冲滤波。
泥浆压力传感器和泵冲传感器通过电缆与防爆箱相连，再由防爆箱连接到地面数据处理系统上。
由于泵冲传感器使用麻烦，价格高，实际施工时效果不大，施工时一般不使用。
6、PCD探管
PCD探管是我公司公司最近研发的探管，其结构采用三维重力加速度计结构和三维磁力计结构，其特点主要包括以下几点：
（1）PCD探管采用固化设计，所有的元件都被固定在电路板上，并且大都以芯片为主，从而提高了探管抗干扰的能力。
同时新探管测量精度更高、测量结果更可靠；
（2）PCD探管将电路和仪器外筒组装到一起，从而在施工时不需要另外的仪器外筒；
（3）PCD探管没有T型槽，MWD施工时不需要定向器总成，只需要一个备帽即可；
（4）PCD探管可以用于地质导向施工；
（5）PCD探管和流筒之间的工具面补偿值HSG需要用圆角量规测量或INSITE系统读取。
7、脉冲发生器和涡轮发电机配件
脉冲发生器是MWD无线随钻测斜仪的关键部件和关键技术，为了满足不同的井眼条件和泥浆排量，目前我公司已经完善了多种井下仪器系列，我公司使用的包括350系统、650系统、1200系统。
脉冲发生器适用于任何系统，但各系统部分配件不同，选用各规格不同的流筒总成（FLOWTUBEASSAMBLY）和部分配件，组成各种不同的井下仪器系统。
目前，我公司使用的脉冲发生器为MKVI型。
MKVI脉冲发生器现在有两种类别的，既脉冲发生器本体上的定位槽有宽、窄之分，如下图2所示。
其中宽槽可适用最新的350IFA系统。
图2MKVI脉冲发生器宽、窄定位槽对比
8、泥浆滤网
泥浆滤网用来滤除大颗粒钻屑、手套、木块等杂物，这些物质可能流入脉冲发生器内，造成事故。
9、对讲机
对讲机主要用于仪器房内的操作人员与钻台上的施工人员进行对话。
10、悬挂短节
悬挂短节主要用于放置井下仪器总成。
11、其它设备和工具
其它设备和工具包括各种连接电缆、操作工具、测试工具、操作间、电源等。
2.4650MWD系统仪器操作
目前，我公司生产的MWD无线随钻测量井下仪器，共有350、650、1200三类，各系统尽管操作方法都基本相同，但是也都有自己的不同之处。
本节只将650系统的仪器组装和操作进行讲述。
2.4.1定子、转子选择
定子角度指的是定子叶片的角度（27°、42°和52°），转子角度是指转子叶片的角度（35°和30°）。
泥浆流经定子叶片，转子转动速度取决于定子角度和一定的流量。
选错了定子，就可能造成发电机超速，因而缩短井下工具的寿命；或者发电不足，不能正常地向井下工具提供电能，因而需要正确选择施工所用的定子的角度。
注意：
650施工所用缸套应在165mm（6-1/2”）以上，如果低于该值，施工前应换大的缸套。
如果双泵可以施工，可以考虑用稍小一点的泵。
选择步骤：
1.通过与公司代表和定向工程师商量，为下一个钻头的运行确定流量的变化范围。
2.在定、转子选择表上，用直角尺从预计的流量处画三条（正常流量，预计最高和最低流量）垂直线穿过工具操作限制区域，并在定、转子曲线和垂线的交点上，向左边发电机转速坐标线分别画三条正交线。
3.选择提供发电机转速参考的定、转子角度必须在工具操作限制区域内，预计的最高和最低流量范围不得超过该区域。
选择的定、转子最好在该区域的中间。
2.4.2限流环选择
限流环尺寸是指安装在限流环承座上的限流环的内径。
限流环的尺寸决定在脉冲发生器发送脉冲时施加在蘑菇头上的压力。
地面接收到的脉冲的幅度随着限流环内径的增大而减小。
脉冲发生器所承受的负荷应在保证一定的脉冲信号幅度的情况下脉冲发生器仍能正常工作，这就要求对限流环进行选择。
现场主要用PUL121选择限流环尺寸。
该程序可在微机上运行。
1所需信息
（1）系统类型：
如选择650系统施工，则输入650;用1200系统施工则输入1200；
（2）泥浆排量：
输入所设计的泥浆排量值；
（3）泥浆密度：
输入所设计的泥浆密度值；
（4）脉冲发生器类型：
对650系统，输入２、３、４均可；对1200系统而言，输入4即可；
（5）钻杆尺寸：
输入钻杆内径值。
（6）钻头水眼数：
输入钻头上水眼的个数。
如果不知道钻头水眼的个数，输入0即可；
（7）钻头水眼直径：
软件自动要求输入某号水眼的直径。
输入值应为英制尺寸，如14/32"的水眼输入14。
对于非英制的尺寸，应换算成英制的尺寸后再输入。
（8）钻头水眼总面积：
如果输入钻头上水眼的个数为0，软件会提示输入钻头水眼的总面积。
输入钻头水眼总的面积即可。
（9）有效的钻头压力降：
如果输入的钻头水眼总的面积值为0，软件要求输入该值。
输入所希望的钻头压降值即可。
钻头压力降指钻头内部的压力与外部所受的压力差。
（10）排量衰减量：
该值需经过分析、计算得出后输入软件即可。
2PUL121软件数据输入，在微机上进入PUL121软件后，光标会按顺序出现一些信息，现规定如下：
（1）输入在“（）”提示输入的某一范围内的值或某一离散值；
（2）“〔〕”里的值为当前缺省值。
（3）PUL121软件之允许输入在允许范围内的值，如果输入的值无效，PUL121软件将要求重新输入。
如果用“〔〕”内的缺省值，直接按回车键即可。
（4）有些参数的输入范围与选择的系统、脉冲发生器类型、泥浆排量、泥浆比重等有关。
3PUL121软件输出变量定义：
（1）钻头压降：
指立管压力与泥浆经过钻头后的压力之差；
（2）偏移尺寸：
当用蘑菇头定位工具确定蘑菇头位置时使用，该参数一般只用于950系统或1200系统；
（3）产生脉冲：
在给定的泥浆条件下，在蘑菇头处产生脉冲。
该脉冲不表示在地面检测到的脉冲；
（4）蘑菇头指数：
指相应的泥浆条件下，蘑菇头推盘轴向所受到的负荷指数（只用于950系统和1200系统），程序将给定的泥浆条件下的该指数限制在800以内；
（5）最大无脉冲泥浆排量：
指井底设备仍在运转、但探管却不发射脉冲的最大泥浆排量。
也可假设为设备转速未达到3500RPM、泥浆比重没有超过希望的值。
2.4.3脉冲发生器组装
1将脉冲发生器放在链式台钳上，固定其50.8mm本体。
2在下轴承套底台阶和脉冲发生器中间筒距台阶1"均匀涂上一层620金属固定胶。
3安装125“Ｏ”型圈（所有Ｏ型圈安装时均使用聚合物油脂润滑，安装拆卸时使用铜质专用工具。
注意：
所有＃“Ｏ”型圈及橡胶件禁止接触柴油等其它腐饰性油脂，否则，应清洗干净或更换）。
4安装转子。
5安装定子支承架总成。
它由上轴承套、耐磨环和定子支承架管三部分组成，由反扣连接，安装＃031“Ｏ”型圈和＃033“Ｏ”型圈，上扣扭矩为18.5N.m（25ft-ibs）。
它由三个固定螺丝（两个园头一个扁头）与脉冲发生器固定，其上扣扭矩为1.11N.m（80in-ibs）。
定子支承架管上有三个注油孔，要求注满硅胶，然后安装＃141“Ｏ”型圈。
6安装定子。
7安装定子护盖。
8安装＃032、＃030“Ｏ”型圈。
9使用小链钳反扣连接鼻帽，上扣扭矩为37.0N.m（50ft-ibs）。
10安装＃020“Ｏ”型圈。
11使用蘑菇头卡子安装蘑菇头，上扣扭矩为11.85N.m（16ft-ibs）。
12安装固定键。
13安装导流环。
14安装卡簧。
装上后转动卡簧，确保卡簧完全卡在槽内。
15安装＃218“Ｏ”型圈（２个）。
16安装垫套筒。
17戴上脉冲发生器螺纹护丝。
2.4.4流筒总成的组装
1鱼颈总成的组装：
1.1清洁鱼颈和限流环座，确保丝扣、密封圈槽干净、无毛刺。
1.2在限流环座内部底部密封圈槽内装入＃036“Ｏ”型密封圈。
1.3将选好的限流环装入限流环座内，并用橡皮榔头压紧。
1.4在限流环座内部底部
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