微球式井下释放装置分析及创新设计

张朝龙 谢志海 曹 敏 张艺怀

(西南石油大学，四川成都，610500)

在开采石油钻井作业中，深井、超深井和复杂井等地质情况非常复杂，提前掌握井下的地质情况可以减轻作业困难，避免钻井事故的发生，确保钻井作业的安全。目前井下压力计只能等到钻头停止工作起钻后才能得到数据，并且无法真实反映井下的动态数据，延迟较长。使用随钻井下环空压力检测仪延迟得到了极大的缩短，但是成本很高，费用昂贵，无法实现低成本钻井。一种微球式井下自动释放装置，将测量仪制作成微球状，钻井前将单个或多个微球安装到连接在钻具上的自动释放装置，随钻具下入井内，通过自动释放机构释放，后随泥浆一起移至地面，进而回收采集数据。对现有装置进行分析以及新式装备的提出对微球式井下钻井有很高的指导意义。

1 现今的井下数据测量装置分析

1.1 井下压力计和PWD

井下压力计的传感器精度很高，传感器采用硅和蓝宝石材料制作。在不同的外界压力和温度的环境下，会产生不同的振荡频率，对频率进行处理后记录在存储器内。在压力计预先设计好的程序下，对检定系数进行换算，将频率值转换为压力和温度数据。井下压力计的测量原理是将测量仪和钻具一起下井，在下井的过程中收集数据，起钻后才能读取数据。

PWD随钻测压是MWD随钻测量技术的一个部分，一般通过MWD+PWD的组合，在随着钻井过程中，测量井眼轨迹数据和井底环空压力，测量后的数据通过泥浆脉冲信号传输到地面，在接收到信号后再由预设好的解码系统解码后得知井下的地质状态。

1.2 泵送式井下自动释放装置

泵送式井下自动释放装置的工作原理是：预先将测压微球存放在钻头水眼、内防喷等工具内，微球的外径小于10mm，能够随意通过这些工具。在钻井停泵接单根时，将微球放入钻具中，连接好钻具后，使用泵加压让微球和钻井液在井内循环一周，再次到地面时进行回收，读取数据。

1.3 微球式测量仪预储存与井下自动释放及装置

中国石油集团川庆钻探工程有限公司和西南石油大学共同研发出了一种微球式测量仪预储存与井下自动释放方法及装置。该装置的使用方法要求在下井前预先将单个或多个微球式测量仪存储在自动释放装置内，该装置连接在钻具上，随钻具进入井内，再通过预先设定或改变泵的排量来达到控制微球测量仪释放的数量。测量仪被推出至环空，在泥浆的作用下运至地面，到地面后进行回收，收集数据。

1.4 对上述装置的分析

井下压力计虽然缩短了测量和传输井下压力的时间，但是成本很高，费用昂贵，无法实现低成本的作业。随钻井下环空压力监测仪(PWD)大幅延长了得到井下实时数据的时间，使得控制钻井的措施严重滞后于钻井实际作业的进行，增加了作业的风险。通过泵送式井下自动释放装置读取测量的数据，会通过软件转换为曲线，可以更直观地了解井下环空压力和温度。井下的测压微球收集到的数据虽然存在滞后性，但是可以为进一步的钻井作业提供压力控制和理论压力推算的依据。泵送式井下测压微球无法通过螺杆、MWD等测量仪器。微球式测量仪预储存与井下自动释放及装置步骤简单、原理可靠、便于操作，通过本方法在环空中释放井下微球测量仪，测量仪不通过钻头水眼或井下特殊钻具，不会被钻头和井底破坏，不会堵塞钻具，测试可靠性、成功率大幅提升。

1.5 分析后的结果

微球式测量仪预储存与井下自动释放及装置弥补了其他装置的大部分缺点，在微球装置的基础上，提出了自己的创新设计。

2 基于微球式测量仪预储存与井下自动释放装置的创新设计

微球式测量仪预存储与井下自动释放装置的创新设计，在下井前预先将单个或多个微球式测量仪存储在自动释放装置内，该装置连接在钻具上，随钻具进入井内，再通过预先设定或改变偏心联轴叶片的数量和受冲击面积，来达到控制微球测量仪释放的数量。测量仪被推出至环空，在泥浆的作用下运至地面，到地面后进行回收，收集数据。

2.1 装置设计介绍

2.1.1 核心结构

叶片与偏心板内置联轴机构，进行连接传动，如图1。

图1 偏心联轴机构

2.1.2 整体结构和工作方式

整体结构和工作方式如图2。

图2 整体结构

2.2 装置工作原理

连通孔结构、微球存储槽和释放腔结构，形成了一个能将短节内孔与井筒环空连接的通道，微球释放腔的通道仅能容纳一个微球测量仪，偏心联轴机构每转一圈会释放一个测量仪，偏心联轴会随着钻井液的流动进行转动，由于储槽内的压力高于井筒环空中的泥浆压力，因此在微球存储槽中的微球测量仪两侧形成压差，在该压力差的作用下，微球测量仪会从微球装填槽向外部释放。

为控制微球测量仪的释放速度，可改变叶片的数量或受冲击面积控制偏心联轴机构转动的速度进而控制微球测量仪的释放速度。

在加工时可调整槽间距以存放不同数量微球测量仪，为提高测量短节的可靠性，设计双螺旋槽冗余结构。如存储的数量较多，可采用多螺旋槽结构。如存储的数量较少，也可采用直槽结构。

2.3 装置的优势

该装置在微球式测量仪预储存与井下自动释放及装置的基础上，继承了其优点，并利用偏心联轴机构简化了装置的复杂性，确保了装置工作的稳定性。

3 结论

对原有的测量井下数据的装置和方法进行对比与分析，并深度分析了微球式测量仪预储存与井下自动释放及装置。在其基础上提出了改进，并巧妙运用偏心联轴机构进行简化，增加了井下自动释放装置的稳定性。