冯颖韬 温达洋 宋茂林 崔策(中海油服油田化学研究院，河北 三河 065201)

0 引言

目前，深水区已成为全球油气勘探的热点，也是全球油气储量和产量增长的重要领域之一[1]，井下泥浆循环温度是保证固井作业安全和固井工程质量的关键参数之一，直接影响固井水泥浆配方，水泥浆凝固强度和候凝时间等[2-5]。特别对深井而言，水泥浆性能对温度十分敏感，温度测量偏低会严重缩短水泥浆可泵送时间，易引发固井事故，温度测量偏高会延长候凝时间[6]，甚至可能发生超缓凝，水泥柱顶部十天以上都无强度，延误后续钻进作业。因此，准确测量井下泥浆循环温度非常重要。

1 总体设计

深水固井循环温度投测仪(图1)，也称为井下循环温度测量记录仪(DTM，Downhole Temperature Measuring instrument)是一款专门用于记录井底泥浆循环温度的仪器。仪器选用AD公司的高精度数字温度传感器，13/16位转换精度，并具有较好的动态响应特性。仪器的总体功耗较低，只有0.2W，存储容量高达64M bit，可在井下连续工作350h以上。DTM设计了加长、加重短节、减振短节、测量短节、提升短节，还专门设计了温度快速传导块等，有较好的环境适应能力。

图1 深水固井循环温度投测仪的组成

2 机械结构设计

2.1 核心测温部件设计

核心测温部件的结构设计主要包括：电池短节、电路的封装、电路骨架设计、传感器的设计与封装。

电池选用美国EI公司的井下专用高温锂电池，电池额定电压7.2V，额定电量15Ah，具体尺寸如图2所示。

图2 高温锂电池尺寸

电路板制作完成后，设计专用的灌封模具，使用灌封机抽真空的方式对电路板灌封硅胶，便于电路板的保护和安装，灌封后电路板的形状和尺寸，分别如图3、图4所示。

图3 电路灌封后形状示意图

图4 电路板灌封后的尺寸图

2.2 仪器外壳设计

仪器外保护筒使用17-4沉淀硬化不锈钢材料，整体壁厚6.5mm，两端采用PARKER O圈密封，保证仪器承压密封140MPa的压力不产生塑性变形，如图5所示。

图5 仪器外保护筒设计图

加长、加重短接的设计，主要考虑仪器在不同泥浆密度条件下投测时仪器到底的速度和时间。短接采用相同长度、相同螺纹接头的形式根据不同的泥浆环境连接不同数量的加重短接，根据不同的井斜连接不同数量的加长短接，如图6、图7所示。

图6 加重短节

图7 下接头(引斜)

3 电路系统设计

3.1 电路部分总体设计

电路系统设计要求：低功耗和高可靠。

低功耗：为保证系统在井下的工作时间，整个系统采用了低功耗设计，通过优化电源电路、改进软件结构、选取低功耗芯片来实现。高可靠性：为了在井下恶劣环境保证系统正常工作，进一步完善了系统的可靠性设计，主要采用了选用耐高温芯片、增加过流保护电路等设计方法来实现。

电路设计采用了采集板与传感器板独立设计，如图8所示。采集电路板尺寸：108*25mm，传感器板尺寸：22*15.6mm。

图8 采集板和传感器板的PCB设计图

采集板主要包括单片机最小系统、RTC时钟、Flash存储、电源、UART通讯、I2C通讯等部分组成，如图9所示。传感器板的核心器件是AD公司的某款数字温度传感器，该温度传感器能够进行快速温度采集，并且能够达到16位转换精度。

图9 硬件框图

3.2 高温锂电池选用

仪器选用EI公司的高温锂电池供电。两节电池串联，额定输出7.2VDC，额定电流100mA，电池外径25.4mm。

图10所示为锂电池的放电曲线，电池输出电压始终保持在3.6V左右，当发现电池电压下降时，说明电池电量接近耗尽状态，如若继续放电，电池的输出电压将迅速降低。

图10 锂电池放电曲线

锂电池的容量为15Ah，本项目设计的采集电路工作电流约为30mA，则锂电池在充满电的情况下，可以连续工作时间为：15Ah/30mA=500h。通常地，深井在3000～4000m左右，起钻速度200～600m/h，则根据不同情况，每次入井作业时间在10～20h之间。按照投测仪每次入井作业时间10h计算，则理论上可作业50次；按照每次入井作业时间20h计算，则理论上可作业25次，极大降低了单次作业的成本。

4 投测仪的现场试验

投测仪新疆区块分别在井深2000m和3000m的两口井进行了现场试验测试。试验结果如图11、图12所示，本文设计的投测仪在实际测井工作中，各项性能指标完全满足设计要求，投测仪结构强度高、测温数据准确。测井试验数据经处理后，可以获得温-深数据曲线。

图11 2000m井深的测井数据结果曲线

图12 3000m井深的测井数据结果曲线

5 结语

本文设计了一种深水循环温度投测类仪器，可准确测量固井前循环期间的循环温度，指导现场固井水泥浆设计。本文设计的投测仪无需电缆，操作简便，可直接投入到钻柱中，自动记录当前时间与温度信息。本文设计的投测仪通过现场试验验证各项性能指标完全满足设计要求，结构强度高，测温数据准确。测井试验数据经处理后，可以获得温-深数据曲线，为固井水泥浆设计提供了准确可靠的数据。