随钻测量双电池供电控制短节的研制

张宝磊

(中国石油集团长城钻探工程有限公司测井公司 辽宁 盘锦 124010)

·开发设计·

随钻测量双电池供电控制短节的研制

张宝磊

(中国石油集团长城钻探工程有限公司测井公司 辽宁 盘锦 124010)

由于受到钻井工程规定的尺寸限制，无线随钻测量系统的电池组在井下工作时经常出现电量浪费或不足的情况，针对该问题研制出一种电池供电管理及控制短节，实现了两节电池的自动供电切换，并通过应用验证其效果。结果表明该控制短节延长了单趟钻次的系统工作时间，节省了每口井的电池使用量，降低了作业成本。

随钻测量;双电池短节;供电切换;降低成本

0 引 言

无线随钻测量(MWD)技术在水平井、定向井和垂直井钻井过程中已得到广泛应用并日益成熟，其能够实时测量井斜、方位、工具面角等工程参数和自然伽马等地质参数[1,2]。目前，国内普遍使用的海蓝MWD系统利用井下电池组供电获取动力源，使用的电池容量为24 Ah，在挂接自然伽马仪器的情况下，仪器的平均工作电流大约为120 mA，电池的额定使用时间为200 h。然而，在正常钻井过程中使用的钻具通常寿命较低(在井况较差的情况下甚至不到80 h就必须起钻更换)，以及由于其它原因导致中途起钻[3]，但此时电池组的电量尚未耗尽，剩余电量又无法保证满足下一钻次的使用时间要求，则必须更换一节新电池继续下井，造成电池的资源浪费。此外，在高温深井作业中使用的钻具(螺杆、钻头等)采用可靠性较高的产品，其使用寿命可达200～300 h[3,4]，经常出现钻具寿命未到时，而MWD电池组电量已耗尽的情况，导致钻井队起钻更换电池，造成人力物力的浪费并影响了钻井作业施工的效率。

基于以上原因，在兼容原有的MWD仪器组成基础上，研制出一种电池供电管理及控制仪器，挂接在MWD系统中，实现两节电池供电时的供电管理与控制，使得MWD仪器在井下工作时单趟钻次的工作时间延长至原来的2倍，避免起钻造成的资源浪费；此外，对于电量尚未耗尽的电池，可以与另一节新电池一并下井使用，在单趟钻次工作时间不长的情况下，提高电池资源的利用效率。

1 双电池供电控制短节的研制

设计一个专门用于MWD双电池供电的控制仪器，该仪器在结构、电气接口上与原MWD系统兼容，且保证原系统的各主要部件如探管、脉冲器、电池组、扶正器等均可配套使用而不需要技术状态的更改，挂接双电池供电仪器前后的MWD井下系统组成如图1所示。

图1 MWD井下系统组成框图

1.1 电路组成

双电池控制短节安装在两根电池组中间，仪器工作时由1号电池组先供电，当1号电池组的电压低于设置的阀值时，双电池控制仪器自动会切换到2号电池组供电，并关断1号电池组对系统的供电，切换阀值可由用户设置，双电池控制仪器的电路组成见图2。

图2 双电池短节电路组成

1号电池组及2号电池组的正端均连接到双电池控制仪器的电源转换电路进行二次电源变换以给仪器的其他芯片供电，其中A/D转换电路负责采样仪器串上连接器第3点的电压。当打捞头安装完毕后，双电池控制仪器处于井下工作模式，此时第3点有电，处理器根据采集得到的1号电池电压值判断该值是否低于预先设定的阀值并控制1号开关的开通与关断。当1号电池组电压值低于阀值时，处理器关断1号开关，并打开2号开关，由2号电池组给井下系统供电，否则1号开关打开，2号开关关断，由1号电池组给井下系统供电。当打捞头未安装，通过模拟测试线缆连接井下仪器串和地面系统时，则由地面系统给井下仪器串供电，此时双电池控制仪器处于地面工作模式，可进行电池电压切换阀值的设置以及下井起钻后2节电池工作时间的读取。双电池控制仪器与地面系统之间的串行通信协议为RS485通信，双电池控制仪器的软件工作流程如图3所示。

图3 双电池短节控制流程图

1.2 结构设计

双电池控制短节除在电气上实现对仪器供电的管理外，在结构上还起到了扶正器的作用，控制短节与扶正器加工整合为一体，相当于把控制短节电路镶嵌在扶正器内部，减少了仪器的长度，提高了使用方便性。双电池控制短节的结构图如图4所示，实物图如图5所示，包括短节的基体、扶正套筒、端头、十芯插座及十芯插头等，电源电路板及控制电路板安装在上基体里面，扶正器套筒套在下基体上。

图4 双电池短节结构图

1.3 地面软件开发

开发了配套的地面控制软件，实用方便，操作简单，其包括串口设置、连接双电源、电压值、电池工作时间和电池工作状态5个模块，其中串口设置为默认模块，当地面连接模拟测试电缆时串口号自动选取；通过电压值模块中的读取按钮，可获得当前工作电池的电压值，同时可设置双电池电压切换阀值；电池工作状态模块中的读取按钮可以判断当前是几号电池在工作，双电池控制短节地面软件界面如图6所示。

图5 双电池短节实物图

图6 双电池控制仪器地面软件

2 双电池供电控制短节的应用

2.1 应用实例

双电池供电控制短节已成功应用于多口定向井及水平井，没有出现供电故障，在井下实现了两节电池组的自动供电切换。永和18-27H井与永和18-29H井位于山西省永和县，两口井地质条件及井况相似，设计井深及水平段长相近，开采的为同一目的层，其中永和18-27H井未使用双电池供电短节，永和18-29H井使用双电池短节；安9平1井与安13平1井位于陕西延安甘谷驿镇，两口井的钻井及地质条件基本一致，其中安9平1井未使用双电池短节，安13平1井使用双电池短节，这几口井的基本概况见表1所示。

2.2 应用效果

表2是相邻井和相似井况条件下，使用双电池短节和未使用双电池短节电池使用量的对比情况，可以看出使用双电池短节后电池使用量明显减少，平均每使用3～4根电池可以节省一根，一根电池单节数千元到上万元，通常一口水平井可节约电池成本数万元。

表1 应用井概况

表2 电池组使用情况

3 结 论

MWD双电池供电控制短节的研制实现了两节电池的自动供电切换，从而延长了单趟钻次的系统工作时间，大大提高了钻井作业的工作效率；此外，它能够提高电池利用效率，单根电池利用率可以达到90%以上，节省每口井的电池使用量，降低作业成本。

然而，使用双电池供电时会导致MWD井下仪器串长度加长，如果连接伽马测量探管，长度则达到10 m以上，比正常无磁钻铤要长，导致MWD井下仪器串顶端电池筒部分露出无磁钻铤，施工带来一定的不便。

[1] 苏义脑,窦修荣.随钻测量、随钻测井与录井工具[J].石油钻采工艺，2005,27(1):74-78.

[2] 马 哲,杨锦舟，赵金海.无线随钻测量技术的应用现状及发展趋势[J].石油钻探技术，2007,35(6):112-115.

[3] 陈湖滨,刘同富,裴建忠,等.影响螺杆钻具工作寿命的使用因素分析[J].钻采工艺,2007,30(1):25-26.

[4] 苏义脑.螺杆钻具研究及应用[M].石油工业出版社,2001.

Development of MWD Dual-battery Power Control Section

ZHANG Baolei

(CNPCGWDCWirelineLoggingCompany,Panjin,Liaoning124010,China)

Due to size limitations, the Wireless Measure While Drilling system often wastes the battery power and makes the power insufficient when working down hole. A battery-powered management and control section has been developed to solve this problem, which can realize two batteries automatic switch, and its effectiveness is verified through the application. The results show that the section extends the trip times, saves the battery usage per well and reduces operation costs.

measure while drilling; dual-battery section; power switching; cost reduction

张宝磊，男，1986年生，工程师，2011年毕业于中国石油大学(北京)地球探测与信息技术专业，获硕士学位，现从事随钻测井工作。E-mail:zhang_bao_lei@126.com

TE927.6

A

2096-0077(2017)01-0037-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.009

2016-05-04 编辑：屈忆欣)