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摘要：介绍了机械式无线随钻测斜仪的系统组成、主要技术参数和性能特点，重点阐述了机械测斜技术、控制技术、信号传输技术、润滑与密封技术等相关的关键技术。基于本研究开发的机械式无线随钻测斜仪已在现场应用，取得了很好的效果。
关键词：机械式测斜仪；无线随钻；设计方案；关键技术；应用
为了研制一种使用方便、价格低廉，适用于直井的随钻测斜仪器，胜利石油管理局钻井工艺研究院从2002年开始进行机械式无线随钻测斜仪的调研和研究工作。经过两年多的努力，在2004年现场试验获得成功，目前正在推广应用。与目前相同用途的其它测斜仪相比，它具有操作简单、使用方便，适应性强，可实现随钻测量等优点。本文将介绍机械式无线随钻测斜仪的设计方案、相关的关键技术及现场应用情况。
一、系统组成及原理
机械式无线随钻测斜仪利用精密机械机构测量井斜，利用钻井液脉冲技术传输信息，其功能是对直井进行无线随钻测量井斜。它的基本结构组成与现场广泛使用的电子式无线随钻测斜仪(MWD)相似，包括井下仪器和地面信号接收系统，井下与地面之间通过钻井液以钻井液脉冲的形式传输信息[1]。与MWD显著区别是，机械式无线随钻测斜仪的井下仪器为纯机械机构，井斜的测量、井斜信息的转换、脉冲发生器的控制及脉冲信号的发生等全部由机械装置完成。
图1是整个系统的组成及工作原理图。整个系统的工作原理是：井下仪器的测量装置测得的井斜信息通过一定的机构传递给控制装置，控制装置将井斜信息转换为控制信息，从而控制脉冲发生器产生脉冲信号，脉冲信号通过钻井液传递到地面，立管上的传感器检测到压力脉冲信号并由地面记录仪打印出来，并根据脉冲信号的数量显示出井斜的大小。
二、主要技术参数
1. 测量精度
作为测量仪器，精度是最关键的参数之一。机械式测斜仪与电子测斜仪不同，其测量机构是机械机构，所以其精度受到限制。结合钻井工程上对直井的要求，其精度定为±0.5°，这样既能满足现场的需要，又降低了零件的加工难度，同时提高仪器的可靠性。
2. 测量范围
由于该仪器主要用于直井的随钻测量，考虑现场的实际情况和仪器设计加工的难度，其测量范围定为0~10°。
3. 工作温度
温度是井下测量的一个重要参数，机械式测斜仪的井下仪器为机械结构，所以受温度影响较小，考虑到密封件的工作温度，机械式测斜仪的工作温度为210℃，最高可达260℃，这也是本仪器的一个显著特点，适用于深井及高温井。
4. 规格尺寸
仪器设计成3-1／2″和4-3／4″两种规格，可以满足6″以上井眼使用。
三、控制技术
对机械式无线随钻测斜仪来说，控制技术就是如何将测量机构测得的井斜信息通过一定的装置转变为用于控制脉冲发生器的控制信息，以控制脉冲发生器根据不同的井斜发出不同的脉冲信号。控制技术的基本原理是将摆锤阶梯环测得的井斜信息转变为位移变化量，然后对位移进行放大，用位移变化量控制脉冲发生器的工作。
如图2(a)是控制机构的示意图。其工作原理为：执行筒在垂直外力作用下，处于如图所示的状态。当执行筒失去外力作用时，主弹簧推动限位筒向上运动，从而带动执行筒也向上运动，与此同时，因控制轴的上端与执行筒的内孔上端脱离而失去执行筒的作用，在控制弹簧的作用下，控制轴也向上运动。控制轴的下端与测量机构的摆锤相连，可以控制其向上运动的距离，且其运动的距离正好使控制轴上的某一挡球柱运动到其对应的钢球位置，这时钢球将被推出，从而使限位筒在向上运动的过程中因被钢球挡住而停止，同时执行筒的运动也将停止。这样，当摆锤挂在阶梯环不同的台阶上时，控制轴向上运动的距离不同，会有不同的挡球柱将对应的钢球推出，从而使执行筒运动不同的距离。同时，可以看出，控制轴移动的距离很小，而执行筒移动的距离却很大，所以，控制机构可以起到行程控制和放大的作用。如果想要执行筒回到初始位置，那么只需给执行筒施加一向下的力，就会将主弹簧压缩，推动限位筒向下运动。同时，当执行筒与控制轴的上端接触时，控制轴将压缩控制弹簧向下运动，回到初始位置。
四、信息传输技术
无线随钻测量技术的关键是建立一条有效的、可靠的信号通道，用于井下和地面信息的传递。20世纪50年代后期，Arps J. J. 发明了钻井液压力脉冲传输技术，促进了随钻测量技术的发展[3][4]。实践表明，钻井液压力
脉冲传输技术是用于钻井随钻测量中最好的信息传输技术，现有的无线随钻测量系统大部分都是采用这种技术[6]。钻井液脉冲技术的基本原理是将井下测量的信息转换成控制信息，用控制信息控制井下仪器的钻井液脉冲发生器，使钻柱中的钻井液压力发生变化，从而产生钻井液压力脉冲，压力脉冲通过钻柱中的钻井液传递到地面，地面的压力传感器检测到压力脉冲，并经地面仪器转换，从而得到井下测量信息。
五、仪器的研制及应用情况
基于以上方案与关键技术研制的机械式无线随钻测斜仪于2004年获得成功，目前已完成了室内及现场试验，并小批量生产，正推广应用。
该仪器曾在胜利油田的渤古602井、中石化南方勘探公司的重点探井黑池1井等成功使用，目前正在中石化重点探井胜科1井使用，使用效果很好。
六．结论
(1) 机械式无线随钻测斜仪是一种新型井斜测量仪器，它集精密机械技术与钻井液脉冲技术为一体。其关键技术包括机械测斜技术、控制技术、信息传输技术和密封及润滑技术等。
(2) 机械式无线随钻测斜仪不同于现有的其它测斜仪器，井下仪器为纯机械结构，具有操作使用方便、适应性强、可随钻测量等优点，适用于深井、 超深井，高温高压井等特殊高难度直井，解决了直井随钻测斜的问题。
(3) 研制的仪器已在现场应用，取得了良好的效果。
参考文献
[1] 王斌编著.定向钻井测量仪器[M]. 北京：石油工业出版社，1990
[2] 桂德洙. 浅谈钻井测斜仪[J]. 石油钻采工艺. 1999，21(5)，45~49
[3] 王若. 随钻测井技术发展史[J]. 石油仪器. 2001, 15(2)：5~7，15.
[4] 赖志坚. 随钻测量技术与传感器原理探讨[J]. 石油钻探技术. 1991，19(4)：9~17
论文作者:梁雪琴
论文发表刊物:《基层建设》2016年30期
论文发表时间:2017/1/18
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