１電磁波電阻率隨鉆測量系統

１．１系統工作原理及組成

電磁波電阻率隨鉆測量系統主要由發射天線、接收天線、電路倉體和對接結構等幾大部分組成。天線系統采用“四發雙收”的方式和結構，工具上端和下端各有２個發射天線，工具中部設有２個接收天線。工具側壁設有測量控制電路倉體，工具中心設有泥漿通道，兩端的公扣和母扣端有數據對接系統，用來實現與上下相鄰工具之間數據交換與供電的功能。電磁波電阻率隨鉆測量是一種重要的電阻率測井方法，在各種不同類型的鉆井液中都能夠進行測量。它的工作原理基于電磁波在穿越地層時產生的衰減和相位移。由于穿越不同的地層會導致產生不同的衰減和相位移，通過測量電磁波的衰減和相位移就可以確定地層的介電常數和電阻率。電磁波電阻率隨鉆測量系統就是利用這一原理，由發射線圈向地層發射電磁波，再由不同的接收線圈接收電磁波，根據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技術難點

電磁波電阻率隨鉆測量系統受結構尺寸的影響，設計空間小，機械結構較為復雜，強度和可靠性要求高，具有以下幾個主要的設計難點：

１）設計空間小，受工具直徑尺寸的限制，中心預留泥漿通道后，可供使用的空間極為有限，對機械設計工作帶來了很多的限制。

２）機械結構較為復雜，工具設有４個發射天線，２個接收天線，天線內設有線圈，需要與控制電路進行連接通訊，整體結構較為復雜。

３）系統處于高溫高壓的工作環境下，并且要傳遞鉆壓和轉矩，對工具的強度和可靠性提出了很高的要求。

４）系統工作在流動的高壓泥漿中，系統內部的電路控制系統和天線線圈需要進行隔離絕緣處理，對整個系統的密封性能提出了很高的要求。

１．３解決方案

針對系統機械設計中遇到的技術難點，經過科學論證和反復試驗，提出了４點解決方案。

１）根據隨鉆工具軸向尺寸大、徑向空間小的特點，充分利用空間，精簡結構進行設計。

２）在系統機械設計中，避免出現導致強度儲備不足的薄弱環節，對強度薄弱的部位進行優化改進，以減少應力集中，增加強度儲備。

３）采用多重密封設計，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軟件設計平臺，設計完成的電磁波電阻率隨鉆測量系統

２中子孔隙度隨鉆測量系統

２．１系統工作原理及組成

中子孔隙度隨鉆測量系統工作時，由同位素中子源發出快中子，在地層運動過程中和地層中的各種原子核發生彈性散射，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，計數率越低，孔隙度越大。系統通過采集熱中子計數率，則可識別巖性并轉換為中子孔隙度。中子孔隙度隨鉆測量系統主要由中子發生器、中子檢測器、測控電路和數據對接系統組成。其中，中子發生器位于水眼中心，中子檢測器需要貼近井壁以便接收反射回來的中子，測控電路位于系統的側壁中，中心留有泥漿通道，系統兩端設有數據對接系統，用來實現相鄰系統之間的數據通訊和功率的傳輸。

２．２技術難點

中子孔隙度隨鉆測量系統在機械設計中，受工作原理的需求、空間結構的限制和安全方面的要求，具有３方面的設計難點。

１）中子發生器屬于放射性儀器，對系統減震性能要求高，如果減震保護機構失效，中子發生器因振動產生破壞，放射性元素泄露會造成嚴重后果。

２）系統的工作原理要求中子檢測器貼近井壁，以便更好地接收反射回來的中子，縮短中子檢測器與井壁之間的距離，成為機械設計中的一個難點。

３）由上述可知，中子發生器發生破壞產生放射性元素泄露會導致嚴重后果，因此需要對中子發生器安裝部位設計特殊的保護措施，即便中子發生器發生破壞也能保證放射性元素不會外泄，而是保存在安全密閉空間內，確保施工安全。

２．３解決方案

綜合分析上述技術難點，經過科學論證和測試實驗，提出了如下解決方案：

１）中子發生器安裝部分減震方案采用彈簧減震和橡膠減震相結合的減震方式，利用彈簧進行軸向減震，利用橡膠墊進行徑向減震，充分利用兩者的優點，以達到最好的減震效果。

２）在工具的外表面設計一個“凸臺”來作為中子檢測器的安裝位置，“凸臺”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）在中子發生器安裝機構的設計中，采用多重密封的方式，利用高壓密封連接器進行功率和數據的傳輸，確保中子發生器發生破壞后放射性元素不會發生泄露。

３數據傳輸系統設計

在ＤＲＬＷＤ隨鉆測井系統中，除了電磁波電阻率隨鉆測量系統和中子孔隙度隨鉆測量系統之外，還包含有泥漿發電機和無線隨鉆測量系統（ＭＷＤ），泥漿發電機負責給上述系統提供電能，ＭＷＤ充當數據傳輸的載體，以壓力脈沖的方式將隨鉆測量的信息實時傳輸到地面，為鉆井工程師提供決策參考。在上述各系統之間，需要一套數據傳輸系統，實現功率和信號的傳輸，將各個獨立的子系統串聯起來成為一個整體的綜合測井系統。數據傳輸系統對能否準確實時地將測量信息完整傳輸至地面起著至關重要的作用，在ＤＲＬＷＤ系統中扮演著“動脈血管”的角色。

３．１技術難點

數據傳輸系統需要井下各個系統在機械連接的同時實現電連接，同時實現功率和信號的傳輸。因為隨鉆儀器的連接都在井口來完成，這意味著數據傳輸系統的接觸環境比較惡劣，對連接系統的可靠性有著很高的要求。另外，數據傳輸系統工作在高溫高壓強振動的鉆井環境中，所以對數據傳輸系統的穩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，數據傳輸系統在設計中采用特制的四芯旋轉連接器和多重密封保護措施。

１）特制的四芯旋轉連接器使系統在傳輸功率的同時，能夠保證信號數據的同步快速傳輸。

２）特殊設計的密封保護結構確保系統在隨鉆儀器機械連接的同時自動實現電連接，且能保證鉆井過程中數據傳輸的穩定性和可靠性。

３）傳輸系統中包含一種“預先導向機構”，該機構的作用是在儀器之間進行螺紋連接時，預先進行定位導向，實現“未接觸先導向”，確保數據傳輸系統能準確無誤地實現接通，并保護其中的四芯旋轉連接器不會因為上扣過程中的錯位或振動而發生破壞。

４結論

１）隨鉆測井儀器由于受到設計空間小、高溫高壓強振動等不利工作環境的影響，給機械設計工作帶來了極大的不利因素。因此在設計中，應利用軸向尺寸大的特點，在不影響強度的前提下充分利用空間，為機械設計工作創造條件。

２）隨鉆測井儀器因其系統復雜、結構修長等特點，被形象地比喻成“圓珠筆”。在機械設計中，利用三維設計軟件的虛擬裝配、干涉檢查等功能，可使結構觀察和分析更為直接，設計者能夠及早方便地發現設計中的缺陷。參數化虛擬設計改善了零部件的設計方法，提高了設計靈活性，使隨鉆儀器的功能結構設計更為科學合理。

３）隨鉆測井儀器的工作環境惡劣，且受結構空間限制，現場組裝維護的難度很大。因此需要設計相應的拆裝工具來提高儀器零部件的現場維護能力，減輕施工人員的勞動強度。對較難拆卸的零件，設計儀器的同時要考慮拆裝工具的設計，便捷的“工裝”與合理的結構設計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：中國石油集團鉆井工程技術研究院