隨鉆測(cè)井系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)論文
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1電磁波電阻率隨鉆測(cè)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(cè)量系統(tǒng)主要由發(fā)射天線、接收天線、電路倉體和對(duì)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(gè)發(fā)射天線，工具中部設(shè)有2個(gè)接收天線。工具側(cè)壁設(shè)有測(cè)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(duì)接系統(tǒng)，用來實(shí)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(cè)量是一種重要的電阻率測(cè)井方法，在各種不同類型的鉆井液中都能夠進(jìn)行測(cè)量。它的工作原理基于電磁波在穿越地層時(shí)產(chǎn)生的衰減和相位移。由于穿越不同的地層會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不同的衰減和相位移，通過測(cè)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(cè)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(diǎn)
電磁波電阻率隨鉆測(cè)量系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)尺寸的影響，設(shè)計(jì)空間小，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，強(qiáng)度和可靠性要求高，具有以下幾個(gè)主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)：
1）設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)工作帶來了很多的限制。
2）機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工具設(shè)有4個(gè)發(fā)射天線，2個(gè)接收天線，天線內(nèi)設(shè)有線圈，需要與控制電路進(jìn)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(duì)工具的強(qiáng)度和可靠性提出了很高的要求。
4）系統(tǒng)工作在流動(dòng)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(jìn)行隔離絕緣處理，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的密封性能提出了很高的要求。
1．3解決方案
針對(duì)系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，經(jīng)過科學(xué)論證和反復(fù)試驗(yàn)，提出了4點(diǎn)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(diǎn)，充分利用空間，精簡結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2）在系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中，避免出現(xiàn)導(dǎo)致強(qiáng)度儲(chǔ)備不足的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)強(qiáng)度薄弱的部位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以減少應(yīng)力集中，增加強(qiáng)度儲(chǔ)備。
3）采用多重密封設(shè)計(jì)，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(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)完成的電磁波電阻率隨鉆測(cè)量系統(tǒng)
2中子孔隙度隨鉆測(cè)量系統(tǒng)
2．1系統(tǒng)工作原理及組成
中子孔隙度隨鉆測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)，由同位素中子源發(fā)出快中子，在地層運(yùn)動(dòng)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(jì)數(shù)率越低，孔隙度越大。系統(tǒng)通過采集熱中子計(jì)數(shù)率，則可識(shí)別巖性并轉(zhuǎn)換為中子孔隙度。中子孔隙度隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要由中子發(fā)生器、中子檢測(cè)器、測(cè)控電路和數(shù)據(jù)對(duì)接系統(tǒng)組成。其中，中子發(fā)生器位于水眼中心，中子檢測(cè)器需要貼近井壁以便接收反射回來的中子，測(cè)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(duì)接系統(tǒng)，用來實(shí)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(diǎn)
中子孔隙度隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)難點(diǎn)。
1）中子發(fā)生器屬于放射性儀器，對(duì)系統(tǒng)減震性能要求高，如果減震保護(hù)機(jī)構(gòu)失效，中子發(fā)生器因振動(dòng)產(chǎn)生破壞，放射性元素泄露會(huì)造成嚴(yán)重后果。
2）系統(tǒng)的工作原理要求中子檢測(cè)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(cè)器與井壁之間的距離，成為機(jī)械設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。
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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，因此需要對(duì)中子發(fā)生器安裝部位設(shè)計(jì)特殊的保護(hù)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(huì)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(diǎn)，經(jīng)過科學(xué)論證和測(cè)試實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行軸向減震，利用橡膠墊進(jìn)行徑向減震，充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到最好的減震效果。
2）在工具的外表面設(shè)計(jì)一個(gè)“凸臺(tái)”來作為中子檢測(cè)器的安裝位置，“凸臺(tái)”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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，采用多重密封的方式，利用高壓密封連接器進(jìn)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(huì)發(fā)生泄露。
3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在DRLWD隨鉆測(cè)井系統(tǒng)中，除了電磁波電阻率隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和中子孔隙度隨鉆測(cè)量系統(tǒng)之外，還包含有泥漿發(fā)電機(jī)和無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（MWD），泥漿發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)給上述系統(tǒng)提供電能，MWD充當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，以壓力脈沖的方式將隨鉆測(cè)量的信息實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)功率和信號(hào)的傳輸，將各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)串聯(lián)起來成為一個(gè)整體的綜合測(cè)井系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)能否準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地將測(cè)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(dòng)脈血管”的角色。
3．1技術(shù)難點(diǎn)
數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要井下各個(gè)系統(tǒng)在機(jī)械連接的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電連接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率和信號(hào)的傳輸。因?yàn)殡S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(duì)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(qiáng)振動(dòng)的鉆井環(huán)境中，所以對(duì)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(jì)中采用特制的四芯旋轉(zhuǎn)連接器和多重密封保護(hù)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(shí)，能夠保證信號(hào)數(shù)據(jù)的同步快速傳輸。
2）特殊設(shè)計(jì)的密封保護(hù)結(jié)構(gòu)確保系統(tǒng)在隨鉆儀器機(jī)械連接的同時(shí)自動(dòng)實(shí)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(jī)構(gòu)”，該機(jī)構(gòu)的作用是在儀器之間進(jìn)行螺紋連接時(shí)，預(yù)先進(jìn)行定位導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)“未接觸先導(dǎo)向”，確保數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)接通，并保護(hù)其中的四芯旋轉(zhuǎn)連接器不會(huì)因?yàn)樯峡圻^程中的錯(cuò)位或振動(dòng)而發(fā)生破壞。
4結(jié)論
1）隨鉆測(cè)井儀器由于受到設(shè)計(jì)空間小、高溫高壓強(qiáng)振動(dòng)等不利工作環(huán)境的影響，給機(jī)械設(shè)計(jì)工作帶來了極大的不利因素。因此在設(shè)計(jì)中，應(yīng)利用軸向尺寸大的特點(diǎn)，在不影響強(qiáng)度的前提下充分利用空間，為機(jī)械設(shè)計(jì)工作創(chuàng)造條件。
2）隨鉆測(cè)井儀器因其系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)修長等特點(diǎn)，被形象地比喻成“圓珠筆”。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，利用三維設(shè)計(jì)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(jì)者能夠及早方便地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷。參數(shù)化虛擬設(shè)計(jì)改善了零部件的設(shè)計(jì)方法，提高了設(shè)計(jì)靈活性，使隨鉆儀器的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理。
3）隨鉆測(cè)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(hù)的難度很大。因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的拆裝工具來提高儀器零部件的現(xiàn)場維護(hù)能力，減輕施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)較難拆卸的零件，設(shè)計(jì)儀器的同時(shí)要考慮拆裝工具的設(shè)計(jì)，便捷的“工裝”與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院
