• 26 • PETROLEUM TUBULAR GOODS & INSTRUMENTS 2017 年 12 月
•开发设计•
一种伸缩测量装置的研制
张必波，孙
刚
，王振
(中国电子科技集团有限公司第二十二研究所河南新乡453003)
摘 要:钻输式水平井测井中，测井仪刚性连接在钻杆末端，仪器下放时一旦遇阻且无预警，继续下放测井仪有破坏或脱落的风
险。为提高钻输式水平井测井的安全性，研制了有遇阻预警功能的伸缩测量装置。该装置通过一套行程转换机构，在井下仪较小 的内部空间内，实现了大伸缩量的准确测量，并通过电磁波将伸缩量传输到钻台上的显示器上，帮助司钻判断仪器下放状态。仪器 一旦遇阻，伸缩量发生变化，显示器产生预警，提醒司钻采取必要的应对措施，有效地提高了测井的安全性。
关键词:预警;伸缩量;测井;测量;水平井中图法分类号:P631
文献标识码:A
文章编号:2096 -0077(2017)06 -0026 -03
DOI：10.19459/j. cnki. 61 - 1500/te. 2017.06.007
Development of a Measuring Tool for Flex Quantity
ZHANG Bibo, SUN Gang, WANG Zhen
(The 22nd Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Xinxiang, Henan 453003, China)Abstract： Logging tools are connected rigidly to the end of the drilling pipes in some horizontal drilling wells logging. Once the tools were blocked in the descent procedure without early warning, they may run the risk of damage or drop down the well. A measure tool for flex quantity with warning function was developed in order to improve the security of this logging procedure. This tool can measure large flex quantity accurately by a switching mechanism in its internal small space. And then flex quantity information which will help drillers to determine whether the tools could be descent continually, can be transmitted to display device on the drill floor by electromagnetic waves. Once logging tools were blocked, flex quantity were changed and warning can immediately remain drillers to take the necessary measures which can effectively improve the security of logging.
Key words ： early warning ； flex quantity ； logging ； measurement ； horizontal drilling wells
〇引言
水平井测井过程中，在水平段内不能依靠自重将仪 器送入待测井段。为满足测井要求，出现了钻杆输送和 泵入两种较为常用的仪器输送方法[1]。但以上方法都 采用电缆传输数据，施工工艺较为复杂，在特殊井段成 功率不高。为提高测井成功率，无电缆存储式测井[2]系 统应运而生，大大提高了水平井测井的成功率和时 效性。
据读出，再用计算机软件进行处理。由于是刚性连接， 向下输送仪器过程中，司钻如果不能监视到仪器的下放 状态，一旦遇阻并继续下放钻杆，轻则损毁测井仪器，严 重的可能会造成设备落井，造成无法挽回的损失。针对 上述问题，研制具有遇阻预警功能的伸缩测量装置，对 提高测井安全性具有重要意义。
伸缩测量装置通过检测其前端伸缩机构的伸缩量， 判断仪器在下放过程中是否遇阻。实际测井过程中，不 改变常规测井仪器串的连接顺序，将伸缩测量装置安装 在仪器串的最末端。在仪器下放过程中，伸缩量不发生 变化，则工况正常;如若伸缩量发生变化，则通过电磁波 传输及时上传变化量，发出预警，提醒司钻采取必要措 施，大大提高了测井的安全性。本文着重介绍伸缩测量
SEMLS - 1000存储式测井系统井下仪通过过渡短
节将仪器串与钻杆刚性连接，用钻杆作为传输设备将测 井仪送入待测地层后，上提完成测井作业。测量数据存 储在仪器内部存储器中，测量完毕后由专门的设备将数
第一作者简介:张必波，男，1986年生，工程师，2011年毕业于哈尔滨工程大学机械制造及其自动化专业，现从事石油测井仪结构设计工
作。E-mail ： dongergui@ 163. com
2017年第3卷第6期张必波等:一种伸缩测量装置的研制• 27 •
装置的结构原理和实现方法。1研制重点
伸缩测量装置的作用就是要让司钻能全程监测仪 器的下放状态，一旦仪器串遇阻时能及时预警，保证测 井安全。因此，以下几点为该仪器研制内容的重中之 重:1)伸缩行程要足够大，保证司钻有足够的反应时间;
2)伸缩力要合理，保证仪器不能出现误报;3)测量精度
要满足需求，反应及时;4)测量机构结构合理，设计紧 凑，外径与常规测井仪器保持一致。
结合水平井测井施工的实际情况，提出了仪器必须
满足的性能指标:1)仪器主体外径:0 mm;2)最大伸 缩行程:不小于500 mm; 3)压缩力:压缩行程300 mm时， 不小于5 000 N;4)测量范围与精度:测量范围:0〜500
mm;测量精度：< ±25 mm。
2研制方案
2.1系统组成
如图1所示，该装置由主要由伸缩机构、测量机构和
压力平衡机构三部分组成。伸缩机构是该装置的执行 机构，用来保证伸缩的行程和圧缩力的大小;测量机构 将伸缩机构的伸缩量转换为电位器的电信号;压力平衡 机构保证测量机构在150 MPa的环境压力下，测量机构 的零部件能自由动作。
图1
伸缩测量装置系统组成
2.2伸缩机构设计
根据实际的应用需求，伸缩测量装置的最大可测行 程为500 mm，并且压缩行程300 mm时，不小于5 000 N。 考虑到用单支弹簧来提供所需的压缩行程和力，弹簧的 加工难度，特别是压缩行程的测量难度都比较大。因此 这里采用图2所示的结构形式，该机构主要包括两支弹 簧、导向杆和导向胶锥。导向胶锥装在机构的最前端， 用来寻找井眼轨迹，为整串仪器起到导向作用。将2支 设计参数完全相同的弹簧串联在导向杆两侧，在忽略弹 簧制造误差的情况下，仪器遇阻时两端将同时压缩，并 且两端压缩量相等。这样就可以通过测量单支弹簧的 压缩行程，计算整支仪器的伸缩量。
由于弹簧的压缩行程和所需提供的压缩力都比较 大，这里采用大刚度的普通圆柱螺旋压缩弹簧，按m类 压缩弹簧计算。弹簧工作区域按全变形量的80%计算，
预压缩量按压缩行程的10%计算。为保证弹簧在耐腐 蚀、寿命长，弹簧作表面镀硬铬处理。
弹簧
导向杆
导向胶锥
(测量段)
图2伸缩机构原理图
2.3测量机构设计
单支弹簧的压缩行程变化范围在〇〜250 mm之间。 由于变化范围过大，必须通过有固定几何关系的转换机 构，将测距缩小到电位器的可测范围内。电位器阻值与 伸长量是线性的，刻度后通过测量电位器电压算弹簧的 压缩行程。
这里采用井径臂[3]与斜面组合的机构进行行程转 换。为减小井径臂与斜面间高副接触的摩擦力，在井径 臂端部铰接一滚轮。如图3所示:斜面延轴线向前推进， 时刻保证井径臂端部的滚轮紧贴斜面;随着井径臂与水 平轴线间角度的变化，井径臂下端圆弧绕机架处铰点旋 转，并推动电位器测量轴平移。
电位器
井径臂
滚轮
斜面
根据图2中的几何关系，推导出斜面延轴线的位移
变化量&与电位器测量轴位移变化量的数学关系：
As = 1 cosa〇 - 1 ^1 - (sina〇 - Ax/r)2 + 1 ^x/(rtar^S)
(1)
根据仪器外径要求，这里取初始值:Z =54 mm、aQ = 33.11。、々=7。和 r = 13 mm，Ax e [0,7. 79]。A% 与 As 的 变化关系如图4所示。
图4 A%-As变化曲线
• 28 •jfe綠管‘对烏级邊2017年12月
综上，实际测井过程中，一旦仪器遇阻，As将在0〜 250 mm之间变化。这时通过以上转换机构，得到电位器 的电压差。然后通过电压差，计算得到电位器触杆的伸 缩行程A%，再通过式（1)的转化关系，得到伸缩结构的 压缩行程并通过无线通信系统，上传到司钻面前的显示 器上。通过采用髙精度的电位器，并保证该机构结构件 的加工精度，可以有效地提高该装置的测量精度。2.4压力平衡机构设计
随着测井仪在井眼内推进，由泥浆的自重产生的环 境压力[4]，迫使电位器触杆向仪器内部收缩，破坏了测 量机构正常的工作状态。为平衡电位器触杆两端的环 境压差，采用了以硅油为介质的压力平衡机构[5]。同 时，硅油的体积会随温度和压力的变化而发生变化，因 此必须综合考虑这两个因素对压力平衡机构的影响。 如图5所示，综合考虑温度和压力对硅油体积的影响，以 柱塞作为压力随动部件，配合溢流阀共同完成内外压力 的调节。
溢流阀柱塞硅油
电位器触杆井径臂
3结论
通过分析钻输存储式水平井测井工艺中的存在的
问题，提出了伸缩测量装置研制的必要性。结合实际工 况，分析了该装置设计的重点，并详细阐述了伸缩机构、 测量机构和压力平衡机构的设计内容。通过该装置的 应用，可以有效地帮助司钻判断仪器的下放状态，大大 提高测井的安全性。该装置已在、鄂北等地裸眼井 常规测井中得到了应用，并取得了满意的效果。参考文献
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(收稿日期=2017 -03 -20
编辑:屈忆欣）
图5压力平衡机构
(上接第25页）(3),72 -83.
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4)虽然试验中的SPECTRUM02频谱扫描信号激发 能量整体好于DB/OCT扫描信号，但是相对同频带的线 性信号，低频部分能量有些损失，这是后续信号设计需要 尝试解决的问题。
4结束语
本文提出的变频谱扫描信号设计方法基于对线性扫
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描的接收，得到探区地面或井下接收信号的频谱，利用该 频谱进行补偿反算，压制干扰增强有效能量，同时考虑可 控震源的输出特性，设计出一个新的按探区频率响应特 点分配能量的变频谱扫描信号，利用该信号进行采集，旨 在提高地震勘探分辨率，探索可控震源激发技术。参考文献
[1]陈旭勤.可控震源模拟频谱扫描[J].石油物探，1988,27
(收稿日期=2017 -03 -27 编辑:屈忆欣）