深水固井循環溫度的測量方法及裝置設計

馮穎韜 溫達洋 宋茂林 崔策(中海油服油田化學研究院，河北 三河 065201)

0 引言

目前，深水區已成為全球油氣勘探的熱點，也是全球油氣儲量和產量增長的重要領域之一[1]，井下泥漿循環溫度是保證固井作業安全和固井工程質量的關鍵參數之一，直接影響固井水泥漿配方，水泥漿凝固強度和候凝時間等[2-5]。特別對深井而言，水泥漿性能對溫度十分敏感，溫度測量偏低會嚴重縮短水泥漿可泵送時間，易引發固井事故，溫度測量偏高會延長候凝時間[6]，甚至可能發生超緩凝，水泥柱頂部十天以上都無強度，延誤后續鉆進作業。因此，準確測量井下泥漿循環溫度非常重要。

1 總體設計

深水固井循環溫度投測儀(圖1)，也稱為井下循環溫度測量記錄儀(DTM，Downhole Temperature Measuring instrument)是一款專門用于記錄井底泥漿循環溫度的儀器。儀器選用AD公司的高精度數字溫度傳感器，13/16位轉換精度，并具有較好的動態響應特性。儀器的總體功耗較低，只有0.2W，存儲容量高達64M bit，可在井下連續工作350h以上。DTM設計了加長、加重短節、減振短節、測量短節、提升短節，還專門設計了溫度快速傳導塊等，有較好的環境適應能力。

圖1 深水固井循環溫度投測儀的組成

2 機械結構設計

2.1 核心測溫部件設計

核心測溫部件的結構設計主要包括：電池短節、電路的封裝、電路骨架設計、傳感器的設計與封裝。

電池選用美國EI公司的井下專用高溫鋰電池，電池額定電壓7.2V，額定電量15Ah，具體尺寸如圖2所示。

圖2 高溫鋰電池尺寸

電路板制作完成后，設計專用的灌封模具，使用灌封機抽真空的方式對電路板灌封硅膠，便于電路板的保護和安裝，灌封后電路板的形狀和尺寸，分別如圖3、圖4所示。

圖3 電路灌封后形狀示意圖

圖4 電路板灌封后的尺寸圖

2.2 儀器外殼設計

儀器外保護筒使用17-4沉淀硬化不銹鋼材料，整體壁厚6.5mm，兩端采用PARKER O圈密封，保證儀器承壓密封140MPa的壓力不產生塑性變形，如圖5所示。

圖5 儀器外保護筒設計圖

加長、加重短接的設計，主要考慮儀器在不同泥漿密度條件下投測時儀器到底的速度和時間。短接采用相同長度、相同螺紋接頭的形式根據不同的泥漿環境連接不同數量的加重短接，根據不同的井斜連接不同數量的加長短接，如圖6、圖7所示。

圖6 加重短節

圖7 下接頭(引斜)

3 電路系統設計

3.1 電路部分總體設計

電路系統設計要求：低功耗和高可靠。

低功耗：為保證系統在井下的工作時間，整個系統采用了低功耗設計，通過優化電源電路、改進軟件結構、選取低功耗芯片來實現。高可靠性：為了在井下惡劣環境保證系統正常工作，進一步完善了系統的可靠性設計，主要采用了選用耐高溫芯片、增加過流保護電路等設計方法來實現。

電路設計采用了采集板與傳感器板獨立設計，如圖8所示。采集電路板尺寸：108*25mm，傳感器板尺寸：22*15.6mm。

圖8 采集板和傳感器板的PCB設計圖

采集板主要包括單片機最小系統、RTC時鐘、Flash存儲、電源、UART通訊、I2C通訊等部分組成，如圖9所示。傳感器板的核心器件是AD公司的某款數字溫度傳感器，該溫度傳感器能夠進行快速溫度采集，并且能夠達到16位轉換精度。

圖9 硬件框圖

3.2 高溫鋰電池選用

儀器選用EI公司的高溫鋰電池供電。兩節電池串聯，額定輸出7.2VDC，額定電流100mA，電池外徑25.4mm。

圖10所示為鋰電池的放電曲線，電池輸出電壓始終保持在3.6V左右，當發現電池電壓下降時，說明電池電量接近耗盡狀態，如若繼續放電，電池的輸出電壓將迅速降低。

圖10 鋰電池放電曲線

鋰電池的容量為15Ah，本項目設計的采集電路工作電流約為30mA，則鋰電池在充滿電的情況下，可以連續工作時間為：15Ah/30mA=500h。通常地，深井在3000～4000m左右，起鉆速度200～600m/h，則根據不同情況，每次入井作業時間在10～20h之間。按照投測儀每次入井作業時間10h計算，則理論上可作業50次；按照每次入井作業時間20h計算，則理論上可作業25次，極大降低了單次作業的成本。

4 投測儀的現場試驗

投測儀新疆區塊分別在井深2000m和3000m的兩口井進行了現場試驗測試。試驗結果如圖11、圖12所示，本文設計的投測儀在實際測井工作中，各項性能指標完全滿足設計要求，投測儀結構強度高、測溫數據準確。測井試驗數據經處理后，可以獲得溫-深數據曲線。

圖11 2000m井深的測井數據結果曲線

圖12 3000m井深的測井數據結果曲線

5 結語

本文設計了一種深水循環溫度投測類儀器，可準確測量固井前循環期間的循環溫度，指導現場固井水泥漿設計。本文設計的投測儀無需電纜，操作簡便，可直接投入到鉆柱中，自動記錄當前時間與溫度信息。本文設計的投測儀通過現場試驗驗證各項性能指標完全滿足設計要求，結構強度高，測溫數據準確。測井試驗數據經處理后，可以獲得溫-深數據曲線，為固井水泥漿設計提供了準確可靠的數據。