王 鹏，窦修荣，艾维平，毛为民，彭 浩

设计计算

LWD随钻测井系统机械结构设计探讨

王 鹏，窦修荣，艾维平，毛为民，彭 浩

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206）

LWD随钻测井系统能够实时提供地层和井眼信息，对地层做出快速评价，优化井眼轨迹和地质目标，指导钻进，在大位移井、水平井及其他疑难井中得到了广泛的应用。对中国石油集团钻井工程技术研究院自主研发的DRLWD随钻测井系统中的电磁波电阻率随钻测量系统、中子孔隙度随钻测量系统及数据传输系统的机械结构进行分析，主要对设计中的技术难点和解决方案进行了阐述。总结出井下随钻测井系统机械设计的一些经验和方法。

随钻测井系统；随钻测量；机械结构

随钻测井（LWD——LoggingWhile Drilling）是在随钻测量（MWD——MeasurementWhile Drilling）基础上发展起来的，用于解决水平井和多分支井地层评价及钻井地质导向而发展起来的一项新兴的综合测井应用技术［1］。可以在钻井的同时获得电阻率、密度、中子、声波时差、井径、自然伽马等电缆测井所能提供的测井资料［2］。LWD能够独立进行地层评价，及时、真实地反映原状地层信息，能够为优化钻井和地质导向提供增值服务，并且能够提高钻井时效［3］。因此，LWD是油气勘探开发中迫切需要的一项技术，在疑难井、大斜度井及水平井等施工中得到了广泛应用。

国外从20世纪90年代开始，LWD就在各种相关钻井作业中得到了成功应用，获得了显著的经济效益［4］。国内这方面的研究起步晚，目前尚无成熟的高水平随钻测井产品大规模应用的报道，而国外相关产品价格和技术服务费用昂贵，因此有必要研制具有自主知识产权的随钻测井产品［5］。

DRLWD随钻测井系统（以下简称为DRLWD系统）是中国石油集团钻井工程技术研究院以集团公司课题和国家科技重大专项课题为依托，历经多年的技术攻关、现场实验和应用，研制成功的具有完全自主知识产权的随钻测井系统产品。该系统主要由电磁波电阻率随钻测量系统、中子孔隙度随钻测量系统、泥浆发电机和无线随钻测量系统（MWD）等组成，具有精确测量电磁波电阻率、中子孔隙度、方位伽马等参数并实时传输到地面的功能，能够为地面工程师提供施工决策的依据。

本文主要对DRLWD随钻测井系统的机械设计进行了研究分析，并侧重对系统中的电磁波电阻率随钻测量系统、中子孔隙度随钻测量系统及其数据传输系统的机械设计中的技术难点和解决方案进行了详细阐述。

1　电磁波电阻率随钻测量系统

1．1 系统工作原理及组成

电磁波电阻率随钻测量系统主要由发射天线、接收天线、电路仓体和对接结构等几大部分组成。天线系统采用“四发双收”的方式和结构，工具上端和下端各有2个发射天线，工具中部设有2个接收天线。工具侧壁设有测量控制电路仓体，工具中心设有泥浆通道，两端的公扣和母扣端有数据对接系统，用来实现与上下相邻工具之间数据交换与供电的功能。电磁波电阻率随钻测量工具的具体机械结构如图1所示。

图1　电磁波电阻率随钻测量系统机械结构

电磁波电阻率随钻测量是一种重要的电阻率测井方法，在各种不同类型的钻井液中都能够进行测量。它的工作原理基于电磁波在穿越地层时产生的衰减和相位移。由于穿越不同的地层会导致产生不同的衰减和相位移，通过测量电磁波的衰减和相位移就可以确定地层的介电常数和电阻率［6］。电磁波电阻率随钻测量系统就是利用这一原理，由发射线圈向地层发射电磁波，再由不同的接收线圈接收电磁波，根据接收到的电磁波的相位差和幅度比来确定地层的电阻率。

1．2 技术难点

电磁波电阻率随钻测量系统受结构尺寸的影响，设计空间小，机械结构较为复杂，强度和可靠性要求高，具有以下几个主要的设计难点：

1） 设计空间小，受工具直径尺寸的限制，中心预留泥浆通道后，可供使用的空间极为有限，对机械设计工作带来了很多的限制。

2） 机械结构较为复杂，工具设有4个发射天线，2个接收天线，天线内设有线圈，需要与控制电路进行连接通讯，整体结构较为复杂。

3） 系统处于高温高压的工作环境下，并且要传递钻压和转矩，对工具的强度和可靠性提出了很高的要求。

4） 系统工作在流动的高压泥浆中，系统内部的电路控制系统和天线线圈需要进行隔离绝缘处理，对整个系统的密封性能提出了很高的要求。

1．3 解决方案

针对系统机械设计中遇到的技术难点，经过科学论证和反复试验，提出了4点解决方案。

1） 根据随钻工具轴向尺寸大、径向空间小的特点，充分利用空间，精简结构进行设计。

2） 在系统机械设计中，避免出现导致强度储备不足的薄弱环节，对强度薄弱的部位进行优化改进，以减少应力集中，增加强度储备。

3） 采用多重密封设计，密封圈采用耐高温的橡胶材料，以避免橡胶高温失效造成泄露。

利用Solid Works软件设计平台，设计完成的电磁波电阻率随钻测量系统如图2所示。

图2　电磁波电阻率随钻测量系统

2　中子孔隙度随钻测量系统

2．1 系统工作原理及组成

中子孔隙度随钻测量系统工作时，由同位素中子源发出快中子，在地层运动过程中和地层中的各种原子核发生弹性散射，而逐渐损失能量、降低速度，成为热中子。中子的减速长度L反映了孔隙度的大小，L越小，计数率越低，孔隙度越大。系统通过采集热中子计数率，则可识别岩性并转换为中子孔隙度。

中子孔隙度随钻测量系统主要由中子发生器、中子检测器、测控电路和数据对接系统组成。其中，中子发生器位于水眼中心，中子检测器需要贴近井壁以便接收反射回来的中子，测控电路位于系统的侧壁中，中心留有泥浆通道，系统两端设有数据对接系统，用来实现相邻系统之间的数据通讯和功率的传输。中子孔隙度随钻测量系统具体机械结构如图3所示。

图3　中子孔隙度随钻测量系统机械结构

2．2 技术难点

中子孔隙度随钻测量系统在机械设计中，受工作原理的需求、空间结构的限制和安全方面的要求，具有3方面的设计难点。

1） 中子发生器属于放射性仪器，对系统减震性能要求高，如果减震保护机构失效，中子发生器因振动产生破坏，放射性元素泄露会造成严重后果。

2） 系统的工作原理要求中子检测器贴近井壁，以便更好地接收反射回来的中子，缩短中子检测器与井壁之间的距离，成为机械设计中的一个难点。

3） 由上述可知，中子发生器发生破坏产生放射性元素泄露会导致严重后果，因此需要对中子发生器安装部位设计特殊的保护措施，即便中子发生器发生破坏也能保证放射性元素不会外泄，而是保存在安全密闭空间内，确保施工安全。

2．3 解决方案

在阅读教学中教师可以巧用“课堂小练笔”，以写拓展学生的思维，升华情感，深化对课文内容的理解，有效地提高阅读教学实效。课堂小练笔形式多样，有课后练习布置的小练笔，有对课文重点句段进行仿写，有对故事情节进行扩写、缩写、改写、续写等等。教师要紧密联系学生的阅读情况和生活实际，善于捕捉教材中的写点，利用在学生意犹未尽的时机，创设良好的师生氛围让学生动笔写，创造表达的平台。

综合分析上述技术难点，经过科学论证和测试实验，提出了如下解决方案：

1） 中子发生器安装部分减震方案采用弹簧减震和橡胶减震相结合的减震方式，利用弹簧进行轴向减震，利用橡胶垫进行径向减震，充分利用两者的优点，以达到最好的减震效果。

2） 在工具的外表面设计一个“凸台”来作为中子检测器的安装位置，“凸台”与工具相比直径较大，与井壁的距离更小，能更好地贴近井壁接收反射中子。

3） 在中子发生器安装机构的设计中，采用多重密封的方式，利用高压密封连接器（如图4）进行功率和数据的传输，确保中子发生器发生破坏后放射性元素不会发生泄露。

图4　高压密封连接器

利用Solid Works软件设计平台，设计完成的中子孔隙度随钻测量系统如图5所示。

图5　中子孔隙度随钻测量系统

3　数据传输系统设计

在DRLWD随钻测井系统中，除了电磁波电阻率随钻测量系统和中子孔隙度随钻测量系统之外，还包含有泥浆发电机和无线随钻测量系统（MWD），泥浆发电机负责给上述系统提供电能，MWD充当数据传输的载体，以压力脉冲的方式将随钻测量的信息实时传输到地面，为钻井工程师提供决策参考［7］。

3．1 技术难点

数据传输系统需要井下各个系统在机械连接的同时实现电连接，同时实现功率和信号的传输。因为随钻仪器的连接都在井口来完成，这意味着数据传输系统的接触环境比较恶劣，对连接系统的可靠性有着很高的要求。另外，数据传输系统工作在高温高压强振动的钻井环境中，所以对数据传输系统的稳定性提出了很高的要求。

3．2 解决方案

综合考虑各方面影响因素，数据传输系统在设计中采用特制的四芯旋转连接器和多重密封保护措施。

1） 特制的四芯旋转连接器使系统在传输功率的同时，能够保证信号数据的同步快速传输。

2） 特殊设计的密封保护结构确保系统在随钻仪器机械连接的同时自动实现电连接，且能保证钻井过程中数据传输的稳定性和可靠性。

3） 传输系统中包含一种“预先导向机构”，该机构的作用是在仪器之间进行螺纹连接时，预先进行定位导向，实现“未接触先导向”，确保数据传输系统能准确无误地实现接通，并保护其中的四芯旋转连接器不会因为上扣过程中的错位或振动而发生破坏。

4　结论

1） 随钻测井仪器由于受到设计空间小、高温高压强振动等不利工作环境的影响，给机械设计工作带来了极大的不利因素。因此在设计中，应利用轴向尺寸大的特点，在不影响强度的前提下充分利用空间，为机械设计工作创造条件。

2） 随钻测井仪器因其系统复杂、结构修长等特点，被形象地比喻成“圆珠笔”。在机械设计中，利用三维设计软件的虚拟装配、干涉检查等功能，可使结构观察和分析更为直接，设计者能够及早方便地发现设计中的缺陷。参数化虚拟设计改善了零部件的设计方法，提高了设计灵活性，使随钻仪器的功能结构设计更为科学合理。

3） 随钻测井仪器的工作环境恶劣，且受结构空间限制，现场组装维护的难度很大。因此需要设计相应的拆装工具来提高仪器零部件的现场维护能力，减轻施工人员的劳动强度。对较难拆卸的零件，设计仪器的同时要考虑拆装工具的设计，便捷的“工装”与合理的结构设计具有同样重要的意义。

［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］ 卫瑞．电磁波随钻测井仪在油田现场的应用［J］．石油矿场机械，2014，43（7）：92-94．

［3］ 李会银，苏义脑，盛利民，等．多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计［J］．中国石油大学学报，2010，34（3）：38-42．

［4］ 王鹏，盛利民，窦修荣，等．国外旋转导向最新技术进展与发展趋势［J］．钻采工艺，2013，36（6）：32-35．

［5］ 王鹏，李铁军，吕海川，等．DRPWD随钻环空压力测量系统的研制与试验［J］．石油机械，2014，42（8）：17-19．

［6］ 杨智光，杨志坚，范存，等．近钻头电磁波电阻率测井仪器的研制［J］．大庆石油学院学报，2010，34（6）：87-90．

［7］ 王鹏，唐雪平，邓乐，等．环空压力随钻测量系统研究［J］．石油机械，2012，10（1）：29-32．

［8］ 王鹏，唐雪平，洪迪峰．旋转导向钻井工具3D参数化虚拟样机设计［J］．石油矿场机械，2013，42（6）：27-30．

Research on Mechanical Design of Logging While Drilling Systems

WANG Peng，DOU Xiurong，AI Weiping，MAO Weimin，PENG Hao
（CNPC Drilling Research Institute，Beijing 100083，China）

LWD can provide real time formation and well bore information，make quick formation evaluation，optimize Well trajectory and geological target，supervise drilling．It has been applied extensively in extended reach well，horizontal well and other wells difficult to drill．The mechanical design of LWD developed by CNPC Drilling Research Institute is introduced，focusing on the electromagnetic resistivity MWD system the neutron porosity MWD system and data transfer system in detail with respect to difficulties and solution．Finally some technique and experience of LWD mechanical design are presented．

LWD（logging while drilling）；MWD（measuring while drilling）；mechanical structure

TE927．603

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．006

1001-3482（2015）02-0028-04

2014-08-27

国家科技重大专项“旋转导向及随钻测录、酸性气层测试技术与装备”（2011ZX05021-005）

王 鹏（1983-），男，工程师，硕士，2008年毕业于北京科技大学机械工程学院机械制造及自动化专业，主要从事井下随钻测量与控制技术研究，E-mail：wangpengdri＠cnpc．com．cn。