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石油钻井用井下仪器的抗震性设计综述石油钻井是目前世界上主要的能源开发方式之一，而井下仪器是石油钻井中不可或缺的工具。
由于井下环境复杂恶劣，井下仪器需要具备良好的抗震性能，以保证其正常运行和准确获取数据。
本文将对石油钻井用井下仪器的抗震性设计进行综述。
首先，石油钻井用井下仪器的抗震性设计考虑到了井下环境的特点。
井下环境通常充满了振动、冲击和压力等各种不利因素，如井身的振动、井液的震荡、钻头的冲击等。
这些不利因素对井下仪器的性能和寿命产生重大影响，因此必须对井下仪器的结构和材料进行合理的设计和选择。
其次，井下仪器的抗震性设计需要考虑到物理因素和工程因素。
物理因素包括振动频率、振动幅值、冲击载荷等；工程因素包括井下工况、设备运行状态等。
通过对这些因素进行准确测量和分析，可以对井下仪器的抗震性进行科学设计。
针对井下环境中的振动问题，井下仪器的抗震性设计一般采用以下措施。
首先，通过合理的结构设计和材料选择，增加井下仪器的刚度和抗震性能。
例如，在井下仪器的外壳结构中采用抗震设计，增加结构的自振频率，能够有效减小由外部原因产生的振动传导到内部设备的问题。
其次，采用减振装置和隔振装置来降低井下仪器的振动幅值。
例如，可以在井下仪器的底座或固定装置上安装弹簧减振器或橡胶减振垫等，以减轻振动冲击对仪器的影响。
同时，采用隔振支座或隔振平台等装置，可以将井下仪器与井壁隔离，减少振动传导。
对于井下仪器的抗冲击性设计，可以采取以下措施。
首先，增加井下仪器的结构刚度和冲击承受能力，确保其在遇到冲击时不会发生变形或损坏。
例如，在井下仪器的关键部位增设加强件或增加材料的厚度，以增加其抗冲击能力。
其次，采用冲击吸收材料或冲击吸收结构来减少冲击对仪器的冲击力。
例如，在井下仪器的底座或关键部位使用橡胶阻尼器或弹性材料，能够有效吸收冲击力，减少对仪器的冲击损害。
最后，井下仪器的抗压性设计是确保仪器能够承受井下环境中的高压力和压力变化的重要措施。
井下仪器高温电路设计方法探析井下仪器高温电路设计方法探析摘要目前,高温电路的运用范围越来越广泛,高温电路的设计也越来越引起人们的高度关注。
本文对井下高温电路的设计方法进行了研究,通过对电路结构进行优化、对半导体器件加以选择和对低功耗采用的一定设计方法的实施,可以保障井下仪器在高温环境下无故障、正常运行。
关键词井下仪器;高温电路;设计方法在石油勘探时,深井探测器会需要高温电路,在几百米甚至上千米深的深井中,温度极高、压力巨大,且伴随有剧烈震动。
在这样的环境下,怎样保证井下仪器的电子系统在如此高温、苛刻的条件下能正常工作,需要对井下仪器高温电路进行周密、独特的设计。
1 电路受温度系数的影响1.1 高温电子器件方面任何电子元器件都有其最高限制温度,器件在进行工作时自身的温度由于受功耗的影响要比环境温度高。
在对井下仪器电路设计时,要严格保证各器件在工作运行时的温度不超过其最高限制温度。
关于电子器件的高温设计有如下方面的结论:1)器件的选择使用方面在对器件的选择使用上,以最大允许温度为参考,尽量选择最大允许温度高的器件。
2)电路的设计方面在对电路的设计方面,要尽量减少其功耗,达到使器件散热性要求降低,提高其工作可靠性的目的。
3)器件选择及电路设计的综合考虑方面通过减少热阻及增加热导,使电子器件的最高允许温度及低功耗要求得以降低来达到提高电子器件的高温特性。
器件的热阻由两部分构成:一是芯片到其外壳的热阻;另一个是从器件外壳到其周围环境的热阻。
第一种热阻由多种因素决定,例如,半导体芯片的粘结材料、芯片的尺寸、压焊丝的材料、直径器件引线框的材料及结构以及器件外壳材料及其表面积大小等。
后一种热阻不但与器件有关,更主要和组装件的组装密度、结构材料、元器件与基板间距离、功率分布以及散。
井下牵引器胀闸结构设计和力学分析作者：高胜李丛波孙文来源：《科技资讯》 2014年第19期高胜李丛波孙文(东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆 163318)摘要:本文介绍了井下牵引器的胀闸结构设计,采用柔性支臂的设计方案,对其进行原理设计及结构设计。
通过大型有限元通用软件ANSYS,对弹簧钢片等关键承载构件进行力学分析,根据计算结果,弹簧钢片等构件满足强度要求,符合设计的条件。
关键词:结构设计柔性承载结构力学分析中图分类号:TE92 文献标识码:Ａ文章编号:1672-3791(2014)07(a)-0092-03井下牵引器胀闸结构是实现运动的保障,胀闸结构要提供足够的胀紧力,同时要保证与井壁的接触力足够大,这样才可以保证牵引器达到需要的牵引力。
传统的设计方案为四杆结构[1～2],采用平行四边形的支撑结构来实现胀闸机构的胀紧和收缩,使得机构简单可靠,但是四杆结构占据的空间较大。
所以在传统的设计方案上提出一种全新的设计方案,即柔性支臂结构,该结构只是由弹簧片构成支撑臂,结构简单,保证牵引器始终处于正中位置时,由于具有柔性,在胀紧时,弹簧片与井壁充分接触,防止相对井壁产生滑动。
所以综合以上所述,本设计选择柔性的胀闸结构。
1 胀闸结构设计1.1 牵引器原理设计该牵引器基于伸缩往复运动,主要包括:前后两个胀闸机构和中间的一个伸缩驱动机构。
运动原理如图1所示。
(图1)a为初始状态,两个胀闸模块的支撑臂撑开压紧管壁。
开始工作之后胀闸模块1工作锁止,同时胀闸模块2收回。
然后伸缩驱动机构展开,如(图1)b所示直到最大行程,之后胀闸模块1收回,胀闸模块2工作锁止,拖动后面装置向前运动如图1c所示,继而恢复到(图1)a状态。
此时系统已经向前运行了一段距离,反复进行从(图1)a到(图1)c运动过程,牵引器就能够不断前进,直到到达目的地。
1.2 胀闸模块设计柔性的胀闸结构就是采用具有一定弯曲性能的柔性臂[3],如图2所示,该结构由弹簧片、液压缸、滑套、连杆等组成。
井下沉砂工具的结构设计摘要：在油田开发中后期，因油井出砂严重，造成频繁检泵，甚至停产，采用的机械防砂措施效果不理想。
在吸收国内外先进经验基础上，利用旋流-重力原理，开发研制了自动旋流分离沉砂器，使油中的砂在离心力的作用下沉降到尾管砂袋中，在修井时随管柱带出地面。
使用表明，有效解决了油井出砂问题，延长了油井的生产周期，经济效益显著。
关键词：沉砂井下工具结构设计旋流一、引言随着油田开发进入中后期，开采强度越来越大，对油层的破坏越来越厉害，导致油层出砂严重，油井经常出现砂卡、砂埋柱塞、磨蚀球座和阀球，从而频繁检泵，甚至会出现砂埋油层，导致油井减产、停产[1]。
河南油田分公司双河油田是一个复杂的多断块多层系开发油田，地质结构较疏松，近年来为了防止砂卡、砂埋，解决出砂问题，先后采用了绕丝筛管、割缝筛管、多孔陶瓷防砂管等几种防砂措施，但防砂效果均不理想，针对机械防砂存在的不足，在吸收国内外先进经验基础上，利用旋流-重力原理，开发研制了自动旋流分离沉砂器，较好地解决了进入油井砂粒、杂质分离与储存问题，有效地延长了油井的生产周期，取得了良好的应用效果。
1.主要防砂技术1.1防砂配套技术。
应用砾石充填割缝管防砂、循环充填防砂、CS-1新型固结剂防砂，还引进了PCSQ覆膜砂新型防砂工艺。
1.2有杆泵高效携、排砂采油配套技术。
该技术主要对地层出液富含细粉砂，且不能被抽油泵同步抽至井口、砂埋油层，砂堵井筒和泵下尾管、频繁作业冲砂检泵的出砂井，在井内配置合理的井下工具，达到延长油井检泵周期的目的。
主要的工具包括：泵上管柱沉砂器、泵下冲搅砂器和水力冲砂器。
1.3自旋转柱塞采油配套技术[2]。
液压涨缩自旋转柱塞抽油泵是一种新型抽油泵，当泵工作时，利用液流流动所产生的力使柱塞作旋转运动，消除了对泵筒的定向磨损，延长了泵的使用寿命，具有防柱塞偏磨、防砂卡的特点。
2.技术改进：目前，防砂配套技术存在资金投入高、风险性大、抽油泵存在着开启不灵、工作状况不好等问题。
315井下仪器是应用于油田井下环境的试井类和测井类仪器的总称，此类仪器在工作时通常处于高温、高压、高腐蚀、高振动环境中，仪器外壳需要应对复杂的应力环境以确保内部电路能够正常工作。
受井下管柱空间及仪器起下方式的限制，井下仪器的外壳通常设计为圆筒状，如何在满足外壳强度要求的前提下，增大仪器内腔容积便于电路元件安装、尽力缩短仪器长度就成为井下仪器设计的重点。
此外，如何经济、安全地验证仪器压力承受能力，也是设计时需要考虑的问题。
1 存在的问题或不足由于行业的特殊性，目前国内尚无专门针对井下仪器外壳耐压强度校核的相关资料，可以查阅到的相关资料基本上都是关于石化工业压力容器设计的。
这些资料上的理论公式和设计准则基本上都源于国家标准《钢制压力容器》（即GB 150）和《钢制压力容器—分析设计标准》（即JB 4732），但是GB 150和JB 4732在其适用范围中均明确规定不适用于内直径小于150mm的容器，而大多数井下仪器内直径均小于150mm，故在井下仪器外壳强度校核过程中参照GB 150、JB 4732及其关联资料并不合适，可能导致较大偏差。
2 外壳结构设计要素2.1 强度理论选用原则及强度校核圆筒受压时处于三向应力状态，而材料的相关力学性能均由单向拉伸试验得来。
为准确评定复杂应力状态下零件是否失效的问题，工程上提出了几个合理的科学假设，逐步形成了常用的四个经典强度理论。
其中第二强度理论经过多年实践证明和实际相差很大、第四强度理论公式较为复杂，目前已经极少采用，在此不再详述。
井下仪外壳多采用不锈钢、钛合金及高温合金等塑性材料加工，且井下承受外压作用。
经过多年实践经验检验，采用第三强度理论进行强度设计更符合实际，目前JB 4732采用这一理论。
2.2 材料选用原则井下仪器外壳材料选择须兼顾耐压强度、功能实现及经济成本等多方面考虑，选用原则如下：1）普遍采用经济型不锈钢材料，如0Cr17Ni4Cu4Nb （17-4PH）、2Cr13和1Cr18Ni9Ti等，可满足一般油、气、水井耐压及耐腐蚀要求，性价比高。
井下仪器设计分析目录第一章了解市场上随钻测斜仪器种类、应用、优缺点等 (2)1.1 有线随钻测斜仪 (2)1.1.1 有线随钻测量仪的特点 (2)1.1.2 有线随钻测斜仪的组成 (2)1.2 无线随钻测斜仪 (4)1.2.1 无线随钻测斜仪信号传输方式 (4)1.2.2 无线随钻测斜仪的基本构成 (5)第二章熟悉公司的MWD产品（MWD650） (5)2.1 MWD 测量系统介绍 (5)2.2 MWD 技术规范 (6)2.2.1 井下工具技术规范 (6)2.2.2 井下仪器工作条件： (7)2.2.3 系统测量精度 (7)2.2.4 测量点 (7)2.3 系统的组成 (8)2.4 650 MWD 系统仪器操作 (10)2.4.1 定子、转子选择 (11)2.4.2 限流环选择 (11)2.4.3 脉冲发生器组装 (12)2.4.4 流筒总成的组装 (13)2.4.5 井下仪器总成组装 (14)2.4.6 各连接部位上扣扭矩 (15)2.4.7 密封圈 (15)2.4.8 垫片的计算 (15)2.4.9 转盘钻进仪器井口安装 (16)2.4.10 随钻钻进仪器井口安装 (16)2.4.11 泥浆控制要求 (17)2.4.12 井下仪器出井 (17)2.4.13 井下仪器拆卸 (18)2.4.14 650 施工定转子选择表 (18)第三章重点研究公司产品定向探管与伽马短接的结构设计分析 (18)3.1 定向伽马一体化的背景技术 (18)3.2 公司定向伽马一体化系统设计 (19)3.2.1定向探管KY-PCD探管 (19)3.2.2 伽马短节 (20)3.2.3 定向探管与伽马短节之间的连接 (20)3.3 可靠性设计 (21)第一章了解市场上随钻测斜仪器种类、应用、优缺点等如果井眼轨迹不按照预定的方向前进时，就必须下入弯接头重新定向，使井眼回到设计的轨道上来。
利用传统的单点测斜仪频繁的测量和重新定位使非常费时和昂贵的。
如果在钻井过程中，将安装在下部钻具组合上的测斜仪器检测的数据连续不断的实时传送到地面，那么可更加精确地控制井眼轨迹，同时节约测斜时间。
这种测量仪器统称为随钻测斜仪（传统上的MWD）。
根据测量仪器的结构特点和测量参数的传输方式可分为有线随钻测斜仪和无线碎钻测斜仪。
1.1 有线随钻测斜仪利用导线与井下电子检测器连接，使电子测斜仪的数据实时传递到地面，这种测量仪器通常称为有线随钻测斜仪。
这种仪器检测器座在弯接头上面的定向接头上。
检测器内有电子传感器（与单、多点一致）来测量井斜角、方位角和工具面角。
测量结果通过导线从仪器传到地面，由计算机分析信号，并显示出所测角度的数量。
1.1.1 有线随钻测量仪的特点与单、多点测斜仪相比，这种仪器有如下特点：（1）不需要由测量和检查方向引起的大量起下钢丝绳作业，所以节省了辅助钻进时间；（2）由于连续监视，减少了井眼偏离设计轨道的危险，也减少了扭方位的次数；（3）井眼轨迹控制精确，井眼轨道平缓，狗腿度小；（4）可在钻进是检测工具面指向，计算反扭矩。
1.1.2 有线随钻测斜仪的组成有线随钻测斜仪主要由井下测量系统，地面信号接收、转换、显示系统，信号传输电缆及其密封装置三部分组成。
（1）井下测量系统——探管总成探管是测量井眼各种参数的心脏。
它主要由磁力计、重力加速度计算测量器件和电子线路组成。
电子线路把井下测量的井眼参数转变成电信号，通过单芯电缆传输给地面仪器。
（2）仪器外筒总成主要由电缆头总成、外筒扶正节、上连接器、仪器桶、下连接器、加长杆、定向鞋组成。
（3）地面接收、转换、显示系统井下仪器把井眼参数以电信号的形式传输给地面计算机系统，计算机把电信号进行信号放大、译码处理，分别以数字形式直观显示在面板屏、地面司钻读出器和输入打印机，把测量的井眼参数打印出来。
（4）信号传输电缆及其密封装置第一种方法：主要由单芯电缆、电缆车、高压循环头（或电缆旁通接头）、液压管线及手压泵组成。
高压循环头有利于保护电缆，但每次接单根都要把仪器提到钻柱最上面一根钻杆内，接上立根后再下到井底座键。
第二种方法：在钻杆上加旁通接头，接立根不需要起下电缆。
但应注意保护井口电缆，防止打扭、挤坏电缆。
1.1.3 有线随钻测斜仪的不足之处（1）只能在钻柱不旋转时使用，只能用于使用动力钻具驱动的井段。
（2）因为方位传感器是磁力仪，需使用无磁钻铤。
在套管附近测量结果不可靠。
（3）在电缆通过高压循环头的情况下，在接换单根或立柱时，须起下仪器。
1.2 无线随钻测斜仪上世纪70年代后期，国外出现了无线随钻测斜系统。
上世纪80年代后期国内油田开始陆续应用无线随钻系统。
无线随钻系统使用较多的有：Sperry-sun 公司的MWD650系统，Anadrill 公司的slim1系统，Geolink 公司的负脉冲和正脉冲系统。
由于无线随钻所具有的独特的特点，在各个油田都受到了用户和使用者的喜欢。
1.2.1 无线随钻测斜仪信号传输方式因为有线随钻测斜仪有导线直接与计算机相连，钻柱不能旋转，只能用于井下动力钻具驱动的情况，限制了其应用范围。
为克服这些缺陷，人们研究了无线传输信号方法，开发出无线随钻测斜仪。
它与有线随钻测斜仪的主要区别在于井下测量数据的传输方式不同，目前采用MWD 施工主要依靠下面四种方式实现信号的传输：（1）连续波方式连续发生器的的转子在泥浆的作用下产生正弦或余弦压力波，由井下探管编码后的测量数据通过调制系统控制的定子相对于转子的角位移使这种正弦或余弦压力波在时间上出现相位移，在地面连续地检测这些相位移的变化，并通过译码、计算得到测量数据，这种方法的优点是：数据传输速度快、精度高。
缺点是：结构复杂，数字译码能力较差。
如图1所示:图1 连续波方式工作原理示意图 立管压力泥浆时间 叶片连续转动，波形连续变化（2）正脉冲方式图2泥浆正脉冲方式工作原理示意图如图2所示，泥浆正脉冲发生器的蘑菇头与小孔的相对位置能够改变泥浆流道在此的截面积，从而引起钻柱内部的泥浆压力的升高，蘑菇头的运动是由探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现。
在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。
这种方法的优点是：下井仪器结构简单、尺寸小，使用操作和维修方便，不需要专门的无磁钻铤。
缺点是：数据传输速度慢，不适合传输地质资料参数。
（3）负脉冲方式泥浆负脉冲发生器需要组装在专用的无磁钻铤中使用，开启泥浆负脉冲发生器的泄流阀，可使钻柱内的泥浆经泄流阀与无磁钻铤上的泄流孔流到井眼环空，从而引起钻柱内部的泥浆压力降低，泄流阀的动作是由探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现。
在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。
这种方法的优点是：数据传输速度较快，适合传输定向和地质资料参数。
缺点是：下井仪器的结构较复杂，组装、操作和维修不便，需要专用的无磁钻铤。
立管压力 时间蘑菇头上升，立管压力升高 蘑菇头不动，立管压力稳定 泥 浆 泥浆蘑菇头不动 蘑菇头上升 泥浆 泥浆阀门关 阀门开 立管压力时间 阀门关，立管压力不变阀门开，立管压力降低图3 泥浆负脉冲方法工作原理示意图（4）电磁波传输方式电磁波信号传输主要是依靠地层介质来实现的。
井下仪器将测量的数据加载到载波信号上，测量信号随载波信号由电磁波发射器向四周发射，如图4所示。
地面检波器在地面将检测到的电磁波中的测量信号卸载并解码、计算，得到实际的测量数据。
图4 电磁波信号传输示意图这种方法的优点是：数据传输速度较快，适合于普通泥浆、泡沫泥浆、空气钻井、激光钻井等钻井施工中传输定向和地质资料参数。
缺点是：地层介质对信号的影响较大，低电阻率的地层电磁波不能穿过，电磁波传输的距离也有限，不适合超深井施工。
1.2.2 无线随钻测斜仪的基本构成井下测量仪器主要部件有：（1）操作系统的动力源；（2）测量所需信息的传感器（3）以代码的形式将数据传输到地面的发生器；（4）协调工具各种功能的微处理机或控制系统。
地面设备主要有：（1）检测压力变化并将其转化为电讯号的立管压力传感器；（2）用来减少或消除来自钻井泵或井下马达可能引起压力变化干扰的电子过滤一起；（3）处理结果的地面计算机；（5）司钻的钻台上的显示器，或记录连续测井曲线的绘图仪。
第二章、熟悉公司的MWD产品（MWD650）2.1 MWD 测量系统介绍上海科油公司生产的正脉冲定向MWD 随钻测量仪器（简称“MWD”），靠井下转子提供动力。
转子与内轴藕合，轴底端连接一发电机，为探管供电；上端连接一液压泵，为脉冲发生器提供能量。
泥浆在鱼颈总成和限流环与蘑菇头形成的环形空内流动，当有信号传递时，蘑菇头升起9.4mm，停一下，然后回到原位，短时的蘑菇头伸长就产生了正压力脉冲。
地面上采用泥浆压力传感器检测来自井下仪器的泥浆脉冲信息，并传输到地面地面数据处理系统进行处理，井下仪器所测量的井斜角、方位角和工具面数据可以显示在地面数据处理系统或 DDU司钻阅读器上。
MWD 随钻测量仪器具有技术性能先进、工作可靠、特别适用于大斜度井和水平井中配合导向动力钻具组成导向钻井系统，以及海洋石油钻井，能提高井眼轨迹的控制精度、提高钻井的速度和效益。
该随钻测量仪器有如下特点：采用正脉冲泥浆压力传输系统进行数据传输，使得整个井下仪器结构紧凑、体积小，现场检测、组装和拆卸容易，占用钻机作业时间短。
而且不象负脉冲泥浆压力传输系统需要专门的无磁钻铤。
采用涡轮发电机为井下仪器供电，使井下仪器的连续工作时间长、费用低。
该随钻测量系统具有短测量（SHORT SURVEY）和全测量（FULL SURVEY）功能。
短测量方式的数据传输速度快，工具面的修正时间仅为9.3 s。
全测量方式可以将 PCD 探管测量的磁性和重力分量数据传输到地面数据处理系统进行处理，用于进行磁性参数的分析，消除来自井下钻具对仪器磁性干扰的修正，特别适用于大斜度定向井和水平井测量，能及时判断测量数据的误差原因以及确定测量的精度。
地面数据处理系统采用的地面数据处理系统抗震和抗干扰能力强。
测量过程中，操作人员可以通过地面数据处理系统了解仪器的工作情况。
司钻通过 DDU 司钻阅读器的显示，掌握井下钻具的工作状态，指导定向钻进。
测量过程中，测量数据可以随时存盘和调用。
测量结束，测量数据可以备份保存或打印出标准的各种报表。
除测量参数外，井下PCD探管还向地面数据处理系统传输仪器工作环境与工作状态数据，这些数据包括：井下仪器的环境温度、发电机转速等。
我公司使用的下井仪器系统有三个不同的系列，包括1200系统、950系统、650系统、350系统，可以满足不同井眼尺寸和不同泥浆排量的施工要求。
地面仪器和井下仪器都具有兼容性，地面仪器设备可以与三个系列的井下仪器配套使用，也可与测量地质参数的 FEWD 随钻测井系统配套使用。
