一种小井眼随钻井下工况监测工具及其预警系统

技术领域

本发明涉及石油、煤矿及地质勘探中的钻井工程技术领域，具体涉及一种小井眼随钻井下工况监测工具及其预警系统。

背景技术

在钻井过程中，井下的钻压、扭矩、环空压力等工程参数对于地面施工人员有着巨大的指导作用，也方便地面技术人员对地下工况做出正确判断。随着技术的越来越成熟，随钻测量技术（MWD）已经被广泛应用于各钻井现场，该技术是在钻井过程中将测量短节置于近钻头或靠后的钻柱位置处，进行钻压、扭矩等工程参数的测量，并实时上传至地面转由计算机进行存储处理，为下一步钻井施工提供依据。MWD技术一般具有两种工作模式：一是在钻进过程当中，将测得的工程参数（包括钻压、扭矩、温度等）存储在大容量存储芯片中，起钻后将测得的参数进行地面回放；二是通过某种介质实现不间断的数据上传，主要的传输方式包括：钻井液脉冲、细导线、电磁波等，后一种随钻测量能够及时准确的反映近钻头处的信息，并且在不中断钻进的情况下将井下信息上传至地面，用地面软件系统（含地层构造模型、参数解释和钻井设计控制等主要模块）适时做出解释与决策，及时做出钻井工艺调整，保证钻井的安全，提高钻井效率，国外的随钻测量技术起步较早，该技术已经相当的成熟，能够实时测量贴近钻头处的地质参数和工程参数，当前国际上应用于钻井压力测量的先进技术为 PWD即随钻测量压力系统，并且这种系统可以更贴近钻头测得钻井压力数据。美国Sperry-sun公司于1994年研制出一种DDS钻井传感器接头来研究井下钻柱的运动，并可以测量井下三向加速度、钻压和扭矩。Sperry-sun公司的Solar175高温测量系统能够在175℃的高温及150MPa的高压环境下可靠的测量定向参数和伽玛值。法国地质服务公司与法国石油学院共同开发了系统，该系统对井下钻头转速、扭矩和振动进行检测，并判断钻头是否正常工作，司钻根据钻台显示装置的提示，在有害振动刚发生便迅速采取纠正措施。

Security DBS 研制了一种仪器化钻，钻头上安装有加速度计、应变计、接触传感器、温度和电导率测量仪，可以检测钻头各轴向的加速度、钻压和扭矩、钻头的中心轨迹、井眼偏心率。该钻头已在法国、意大利、英国成功地进行了现场试验。

美国的Halliburton公司研制出能够测量多种地质参数的随钻测量系统，并在此基础上发展随钻测井LWD，能够测量电阻率、自然伽马等多种测量参数为地质导向井技术的发展奠定基础。

美国BakerHughes INTEQ和EIF油气勘探开发公司在1999年研制了一种先进的井下钻井参数实时测量系统。该系统包括一个井下短节和一套地面控制装置，所使用的传感器包括钻压传感器、扭矩—弯矩应变计、磁力计、轴向与径向加速度计以及钻杆内外的压力传感器。

美国国民油井公司开发出了BlackStream系统，是提高测量系统（EMS）工具家族中新一款的改良工具—StreamThru工具，用于钻井数据采集，工具尺寸有6.75英寸和8.25英寸两种类型。记录井下工具重量、井下扭矩、双轴弯曲度、旋转角度、三轴向振动、环空压力、内部压力和温度，数据记录有助于缓解和优化作业过程，例如重心转移、管柱蠕动以及井眼弯曲度。

随钻测量技术在国内起步较晚，2015年起，北京六合伟业科技有限公司开展了随钻工程参数测量系统的研制，并开发出了系统产品，如LHE8610系列随钻地层压力测量可以实现两种测量模式对井下地层压力及地层流度参数进行测量，测量数据可实现实时上传，工具耐温175℃、耐压150MPa，可实时检测环空压力，及时了解井下压力信息；LHE6150系列随钻工程参数测量系统，可测量钻具的转速、扭矩等多个参数，测量参数实时地面显示，测量钻铤与MWD实现无线通信，随钻式与存储式工作模式可相互转换，存储式持续工作时间大于200小时，耐温175℃、耐压140MPa，仪器长度1100mm。

北京中天启明石油技术有限公司开发的随钻压力测量仪，能够连续测量井下钻具的内部压力和环空压力，仪器外径尺寸包括4-3/4"、6-3/4"两种。大庆钻井工程技术研究院于2004年完成了存储式井下压力、温度测量仪器，但没实现随钻数据上传功能。2008年研制的DQ-I型随钻式环空压力测量仪器，采用国外压力计，精度高，但价格昂贵，而且维修和标定费用较高。2013年又完成了新型的随钻环空压力测量仪器研制，并进行了现场试验，取得了很好的效果，并实现了随钻数据上传功能。

2016年，北京信息科技大学的张涛针对目前井下近钻头处无法直接测量的问题，研究了利用应变片测量钻压的可行性，并提出了一套应变片布局方案以及电路输出公式。

2018年，中国石油集团钻井工程技术研究院研制了随钻井下动态参数测量系统，能够实现钻井作业工程中的钻压、扭矩、环空水眼压力、温度和转速等重要的工程参数测量，并将其记录在井下存储器中，也可传输到地面系统。已经下井开展现场测试，从井深800ｍ到井深2000ｍ进行随钻钻压、扭矩、环空压力和水眼压力参数测量，累计进尺1200ｍ，随钻井下工程参数测量工具工作正常。

2021年，大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院王海琦研制井下工程参数随钻测量系统，系统以MC9S08DZ60单片机为核心，利用可靠性技术，完成钻头附近的仪器钻压、扭矩、转速、振动、温度等参数存储式测量系统，采用了数据的阵列式存储方式，四片Flash接力存储数据，容量扩至256Mbit，存储时间超过200h。

检索国内的专利，专利CN 102828747 B石油钻井实时监测系统提供了一种石油钻井实时监测系统，包括钻井液性能监测仪器、地质录井监测仪器和钻井工程参数监测仪器，各种仪器上均安装传感器，传感器将检测信号通过无线发射接收系统传输到计算机处理设备，再通过计算机软件处理后转换成图表在显示器上实时显示出来。专利CN 105298466 A一种钻井工程参数监测系统 公开了一种钻井工程参数监测系统。专利CN 207144931 U一种压力敏感地层控压钻井监测系统涉及石油勘探开发钻井的井眼压力监测领域，具体是一种压力敏感地层控压钻井监测系统。CN 108801519 A一种随钻扭矩传感器及扭矩测量方法涉及一种扭矩传感器及扭矩测量方法。

通过上述文献检索可知，当前的随钻测量工具主要存在两个方面的问题：一是工具测量钻井工程参数偏少，大多数测量工具测量不超过3个；二是目前的工具是以常规井眼为适用对象，即测量工具的尺寸较大，工具性能指标易达到。但这些工具设备都不适用小井眼（不大于Φ118井眼）钻井。由于小井眼钻井的钻井摩阻大，钻具扭矩大，易导致钻具弯曲、断裂的事故，另外还存在小井眼环空间隙小、环空压耗大、携岩效果差等难题，故小井眼钻井过程中所遇到的事故和复杂工况也越来越多，在这些钻井事故中，有相当多的一部分源于对井下工况的判断错误，同时也有对井下钻压、扭矩、环空压力等工程参数测量不准确或测量不及时的原因，无法准确对钻井工况进行预警，导致钻井事故的发生。

现有市场的工程参数测量系统直径都在172mm以上，无法满足小井眼中使用，因此，急需一种小井眼随钻井下工况监测工具与预警系统解决目前所存在的这一问题。

发明内容

本发明旨在解决无法满足小井眼使用和测量的参数少的问题，提供一种小井眼随钻井下工况监测工具及其预警系统，用于测量和记录钻具的钻压、扭矩、钻具内外环空压力、温度、转速和振动量等参数。测量的数据通过无线短传方式传给MWD对应的接收短节，MWD主控对接收短节接收到的测量数据进行轮询读取，并控制旋转阀脉冲器发送对应序列，实现测量数据上传。地面软件能够实时解码钻压、扭矩、内外环空、温度、转速、横向振动、纵向振动参数值并能出曲线图，曲线图随井深变化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种小井眼随钻井下工况监测工具，包括钻铤本体，所述钻铤本体上设置有电池短接、主控电路板组件和发射机芯组件，所述钻铤本体中部还设置有信号板、振动板、压力传感器和钻压与扭矩测量应变片组，所述主控电路板组件与电池短接、发射机芯组件、信号板和振动板相连，所述信号板与压力传感器和钻压与扭矩测量应变片组相连，所述电池短接与上电插头相连。

优选的，所述钻铤本体采用P550材质，硬度HB370-430，扣型：NC31，外径：105mm。

优选的，所述钻铤本体一端设置有用于安装电池短接的电池短接槽，所述电池短接上方设置有电池盖板，所述电池盖板与钻铤本体相连。

优选的，所述钻铤本体另一端上下两侧分别设置有用于安装主控电路板组件的电路槽和用于安装发射机芯组件的发射机芯槽，所述主控电路板组件上方设置有电路盖板，所述发射机芯组件下方设置有发射机芯盖板，所述电路盖板和发射机芯盖板与钻铤本体相连。

优选的，所述主控电路板组件内设置有转速传感器和温度传感器。

优选的，所述发射机芯组件包括发射线圈和通信电路。

优选的，所述压力传感器内外两侧分别设置有内环空压盖和外环空压盖，所述内环空压盖和外环空压盖均与钻铤本体相连。

优选的，所述钻铤本体以沿钻铤周向互成90°粘贴钻压与扭矩测量应变片组。

优选的，所述应变片组包括高精剪切双羽应变片和高精单羽应变片。

一种小井眼随钻井下工况预警系统，包括依次相连的钻头、螺杆和小井眼随钻井下工况监测工具，所述小井眼随钻井下工况监测工具与无磁钻铤相连，所述无磁钻铤内部依次设置有无线接收短节、加长扶正器、MWD主控探管、电池、振动检测短节、双公接头和旋转阀脉冲器，所述MWD主控探管与无线接收短节、电池、振动检测短节和旋转阀脉冲器相连。

优选的，所述无磁钻铤与悬挂钻铤相连，所述双公接头和旋转阀脉冲器依次设置在悬挂钻铤内。

本技术方案的有益效果如下：

小井眼随钻井下工况监测工具与预警系统，具有尺寸小，强度高，耐压性强，温度高等特点，从而达到对在石油钻井工程施工中，小井眼入井钻具尺寸小，额定抗拉（扭）强度低，小井眼钻井存在司钻感知滞后性。通过实时精确的监测井底钻压、扭矩等工程参数，为司钻增加一双眼睛，实现小井眼的安全快速钻井。

小井眼随钻井下工况监测工具用于测量和记录钻具的钻压、扭矩、钻具内外环空压力、温度、转速和振动量等参数。小井眼随钻井下工况监测工具测量的数据通过发射机芯组件传输至无线接收短节，无限接收短节将数据传输至MWD主控探管，MWD主控探管对无线接收短节接收到的测量数据进行轮询读取，并控制旋转阀脉冲器发送对应序列，实现测量数据上传。地面软件能够实时解码钻压、扭矩、内外环空、温度、转速、横向振动、纵向振动参数值并能出曲线图，曲线图随井深变化。

附图说明

图1：小井眼随钻井下工况预警系统的整机连接图；

图2：小井眼随钻井下工况监测工具的结构示意图；

图3：为图2的A-A剖视图；

图4：为图2的B-B剖视图；

图5：为钻压与扭矩测量应变片组的安装位置图；

图6：为本发明实施例中提供的一种小井眼随钻井下工况监测工具中各部分之间的连接关系的示意图；

图7：为本发明实施例中提供的一种小井眼随钻井下工况预警系统中各部分之间的连接关系的示意图；

其中：1、钻头；2、螺杆；3、小井眼随钻井下工况监测工具；4、无线接收短节；5、加长扶正器；6、MWD主控探管；7、电池；8、振动检测短节；9、双公接头；10、旋转阀脉冲器；11、悬挂钻铤；12、无磁钻铤；13、钻铤本体；14、电池盖板；15、电池短节；16、电路盖板；17、主控电路板组件；18、发射机芯盖板；19、发射机芯组件；20、应变片压盖；21、信号板；22、上电插头压盖；23、上电插头；24、振动板；25、外环空压盖；26、压力传感器；27、内环空压盖；28、高精单羽应变片；29、高精剪切双羽应变片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图2-图6所示，一种小井眼随钻井下工况监测工具3，包括钻铤本体13，所述钻铤本体13上设置有电池7短接、主控电路板组件17和发射机芯组件19，所述钻铤本体13中部还设置有信号板21、振动板24、压力传感器26和钻压与扭矩测量应变片组，所述主控电路板组件17与电池7短接、发射机芯组件19、信号板21和振动板24相连，所述信号板21与压力传感器26和钻压与扭矩测量应变片组相连，所述电池7短接与上电插头23相连，所述上电插头23设置在钻铤本体13上，所述上电插头23上端设置有上电插头23盖板，上电插头23盖板与钻铤本体13相连。

其中，所述钻铤本体13采用P550材质，硬度HB370-430，扣型：NC31，外径：105mm。

其中，所述钻铤本体13一端设置有用于安装电池7短接的电池7短接槽，所述电池7短接上方设置有电池盖板14，所述电池盖板14与钻铤本体13相连。所述电池7短接有两组，两组电池7短接并联，电池7短接的电压为18.2V，电量为1.6Ah，所述电池7短接为主控电路板组件17、发射机芯组件19、信号板21、振动板24、压力传感器26和钻压与扭矩测量应变片组供电。

其中，所述钻铤本体13另一端上下两侧分别设置有用于安装主控电路板组件17的电路槽和用于安装发射机芯组件19的发射机芯槽，所述主控电路板组件17上方设置有电路盖板16，所述发射机芯组件19下方设置有发射机芯盖板18，所述电路盖板16和发射机芯盖板18与钻铤本体13相连。所述电池盖板14、电路盖板16和发射机芯盖板18处均设置有O型圈密封，O型圈密封采用进口氟橡胶密封圈，用于提高系统耐压性。

其中，所述主控电路板组件17内设置有转速传感器和温度传感器。温度传感器采用耐高温、线性度好的高温电流源，利用高温电流源进行测量井下实际温度，随着温度升高电流线性增大，配合采样电阻转换成电压信号变化，主控电路板组件17对电压信号进行采集转换，输出对应温度值。转速传感器采用陀螺仪，用于监测井下钻具转速，井下钻进速度随井下钻具转速增加而成指数关系增加，对牙轮磨损速度也加快，工程师根据钻速及其它相关的工程参数，对钻井施工进行相应的调整，保证井下设备使用寿命的前提下达到最大的机械钻进速度。

其中，所述发射机芯组件19包括发射线圈和通信电路，采用电磁耦合通信技术进行测量参数的上传。

其中，所述振动板24进行振动检测，振动检测通过对加速度变化进行采集实现测量，监测井下振动量，可根据井下的振动情况，及时调整钻压，避免过大振动量对钻具和井下仪器造成疲劳失效。

其中，所述压力传感器26用于钻井液内外环空压力测量，压力传感器26采用灵敏度高、受温度影响小的溅射膜压力传感器26，压力传感器26输出差分信号经处理电路后将信号传给主控电路板组件17，主控电路板实现信号转换输出钻井液内外环空压力值。

其中，所述压力传感器26内外两侧分别设置有内环空压盖27和外环空压盖25，所述内环空压盖27和外环空压盖25均与钻铤本体13相连。

其中，所述钻铤本体13以沿钻铤周向互成90°粘贴钻压与扭矩测量应变片组。

其中，所述应变片组包括高精剪切双羽应变片29和高精单羽应变片28。高精单羽应变片28用于测量钻压，高精剪切双羽应变片29用于测量扭矩；钻压和扭矩测量均由8个应变片组成惠斯通电桥，钻铤受力发生形变，应变片阻值随之变化，桥路产生差压信号，差压信号经过放大处理后传输到主控电路板组件17进行处理，最终输出为对应的钻压值和扭矩值。通过监测井下钻压，可准确判定施加在钻头1上的力度，调整钻压提高钻速。通过监测井下扭矩可适当调整钻具设备，避免出现钻具断裂故障。同时，还可以通过扭矩变化，直观判定钻头1磨损情况通过监测井下扭矩可适当调整钻具设备，避免出现钻具断裂故障。

如图1和图7所示，一种小井眼随钻井下工况预警系统，包括钻头1、螺杆2和小井眼随钻井下工况监测工具3，所述小井眼随钻井下工况监测工具3与无磁钻铤12相连，所述无磁钻铤12内部依次设置有无线接收短节4、加长扶正器5、MWD主控探管6、电池7、振动检测短节8（用于检测小井眼随钻井下工况预警系统的整体振动特性）、双公接头9（进一步增强小井眼随钻井下工况预警系统的防斜作用）和旋转阀脉冲器10。所述钻头1与螺杆2一端相连，所述螺杆2另一端与小井眼随钻井下工况监测工具3相连，所述无线接收短节4一端通过无线通信的方式来接收小井眼随钻井下工况监测工具3的测量参数（包括井下实际温度、钻具转速、加速度、钻井液内外环空压力、钻压、扭矩等数据），所述无线接收短节4另一端与加长扶正器5相连，所述加长扶正器5的另一端与MWD主控探管6相连，所述MWD主控探管6另一端与电池7相连，所述电池7的另一端依次连接振动检测短节8、双公接头9、旋转阀脉冲器10。电子元器件采用150度以上高温器件，用于保证高温稳定性。

优选的，所述无磁钻铤12与悬挂钻铤11相连，所述双公接头9和旋转阀脉冲器10依次设置在悬挂钻铤11内。

小井眼随钻井下工况监测工具3用于测量和记录钻具的钻压、扭矩、钻具内外环空压力、温度、转速和振动量等参数。小井眼随钻井下工况监测工具3测量的数据通过发射机芯组件19传输至无线接收短节4，无限接收短节将数据传输至MWD主控探管6，MWD主控探管6对无线接收短节4接收到的测量数据进行轮询读取，并控制旋转阀脉冲器10发送对应序列，实现测量数据上传。地面软件能够实时解码钻压、扭矩、内外环空、温度、转速、横向振动、纵向振动参数值并能出曲线图，曲线图随井深变化。

地面软件具有超限预警功能，可根据现场实际情况对报警触发的参数门限进行设置，入井前通过一致化的方式将报警设置同步到MWD主控探管6中，当工程参数测量值超过门限后，MWD主控探管6将发送序列切换到报警序列进行数据上传，地面通过对报警序列数据的判断，进行风险提示。

地面软件通过接口能够读取小井眼随钻井下工况监测工具3的存储数据及存储器清零，读取的存储数据能够导出。同时可以对小井眼随钻井下工况监测工具3进行精度测试。小井眼随钻井下工况监测工具3与预警系统具有尺寸小，强度高，耐压性强，温度高等特点，从而达到对在石油钻井工程施工中，小井眼入井钻具尺寸小，额定抗拉（扭）强度低，小井眼钻井存在司钻感知滞后性。通过实时精确的监测井底钻压、扭矩等工程参数，为司钻增加一双眼睛，实现小井眼的安全快速钻井。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。