定向井隨鉆測(cè)量?jī)x器可靠性分析

范浩思，張宏阜，李元生，李焱坤，范志國(guó)

1.中國(guó)石油西部鉆探試油公司 （新疆 克拉瑪依 834000）

2.中國(guó)石油西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司 （新疆 克拉瑪依 834000）

0 前言

定向井隨鉆測(cè)量?jī)x器是高精度的復(fù)雜儀器，是定向井工程師的“眼睛”，用以引導(dǎo)工程師按照預(yù)定井眼軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)。定向井工程師根據(jù)隨鉆測(cè)量?jī)x器提供的數(shù)據(jù)對(duì)井眼軌跡的前進(jìn)方向進(jìn)行控制。如果隨鉆測(cè)量?jī)x器發(fā)生故障，不能及時(shí)給定向井工程師提供可靠數(shù)據(jù)，就會(huì)造成嚴(yán)重的后果，包括不得不提下鉆對(duì)儀器進(jìn)行維修調(diào)試，延誤施工工期，嚴(yán)重情況下甚至?xí)斐删圮壽E失控、填井側(cè)鉆等工程事故的發(fā)生[1-3]。另外，隨著石油勘探開發(fā)領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大，隨鉆測(cè)量?jī)x器的工作環(huán)境越來(lái)越惡劣復(fù)雜，井下高溫高壓環(huán)境，井內(nèi)雜質(zhì)和沉沙堵塞，泥漿的沖刷，化學(xué)材料侵蝕、鉆具振動(dòng)等。這些因素都會(huì)對(duì)儀器可靠性產(chǎn)生重大影響，導(dǎo)致故障發(fā)生。

對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行可靠性分析是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的管理技術(shù)，隨著電子儀器設(shè)備的復(fù)雜性呈指數(shù)型增長(zhǎng)，其在企業(yè)管理中的作用越來(lái)越受到重視。利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，在對(duì)大量的理化數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)儀器設(shè)備故障進(jìn)行定性定量分析，找出引起故障的各種因素，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，最大限度地避免故障的發(fā)生[4]。對(duì)定向井隨鉆儀器進(jìn)行可靠性分析，統(tǒng)計(jì)儀器故障，發(fā)現(xiàn)引起儀器故障的各種因素，采取有效措施，減少儀器故障發(fā)生頻次，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有重要意義。

1 定向井隨鉆測(cè)量?jī)x器可靠性模型的建立

可靠性是指儀器設(shè)備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定的任務(wù)的可能性[5]?？煽啃阅Ｐ褪峭ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)方法描述系統(tǒng)各單元存在的功能邏輯關(guān)系而形成的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)每個(gè)部件功能的可靠性與整個(gè)儀器系統(tǒng)功能可靠性的邏輯關(guān)系，分為串聯(lián)可靠性模型、并聯(lián)可靠性模型、串并聯(lián)可靠性模型。串聯(lián)可靠性模型是指儀器系統(tǒng)只要一個(gè)部件失效，整個(gè)儀器系統(tǒng)就失效，整個(gè)儀器系統(tǒng)的可靠性小于或等于每個(gè)儀器部件的最低可靠性，即：

并聯(lián)可靠性模型是指儀器系統(tǒng)中只有所有連接部件失效，整個(gè)系統(tǒng)才失效，整個(gè)儀器系統(tǒng)的可靠性大于或等于每個(gè)部件的最高可靠性,即：

R≥max(Ri) （2）

式中：R是整個(gè)儀器系統(tǒng)的可靠性，Ri是部件的可靠性。

串并聯(lián)可靠性模型是指部件的功能之間既有并聯(lián)關(guān)系，又有串聯(lián)關(guān)系。

對(duì)于定向井隨鉆儀器，目前一般的看法是，其可靠性是指在一趟鉆時(shí)間內(nèi)儀器能夠完成規(guī)定的測(cè)量功能。定向井隨鉆儀器由多個(gè)部件組成，包括測(cè)量部件（儀器探管）、控制部件（脈沖發(fā)生器）、信號(hào)發(fā)送部件、電源電池、儀器附件等組成。其中任何一個(gè)部件發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障，儀器的功能就要中斷。其可靠性模型是串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型，類似于金屬環(huán)的鏈條，只要其中一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生斷裂整個(gè)系統(tǒng)就發(fā)生斷裂。可靠性的串聯(lián)模型也稱最弱環(huán)模型。儀器的可靠性模型如圖1所示：

圖1 隨鉆測(cè)量?jī)x器串聯(lián)可靠性模型

2 隨鉆測(cè)量?jī)x器故障分析和規(guī)避措施

2.1 故障樹分析方法

故障樹分析方法是美國(guó)貝爾電報(bào)公司電話實(shí)驗(yàn)室于1962年開發(fā)的。它采用邏輯的方法，形象地進(jìn)行故障、事故的分析工作，特點(diǎn)是直觀、明了，思路清晰，邏輯性強(qiáng)，可以做定性分析，也可以做定量分析。體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究設(shè)備儀器故障問(wèn)題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性。它是利用邏輯推導(dǎo)，由頂上事件推導(dǎo)出中間事件，再推導(dǎo)出基本事件，以達(dá)到以下目的和效果：①識(shí)別導(dǎo)致儀器故障的基本事件與人為因素的組合，找出規(guī)避事故原因的基本線索，從而降低儀器故障發(fā)生的可能性；②對(duì)導(dǎo)致故障的各種因素及邏輯關(guān)系能作出全面、簡(jiǎn)潔和形象的描述；③便于查明儀器系統(tǒng)內(nèi)固有的或潛在的各種危險(xiǎn)因素，為設(shè)計(jì)、施工和管理提供科學(xué)依據(jù)；④使有關(guān)人員了解各項(xiàng)預(yù)防要點(diǎn)；⑤便于進(jìn)行邏輯運(yùn)算和對(duì)事故進(jìn)行定性、定量分析及系統(tǒng)評(píng)價(jià)；⑥具有能發(fā)現(xiàn)事先未估計(jì)到的原因事件的效果。

使用故障樹分析方法對(duì)定向井隨鉆測(cè)量?jī)x器故障進(jìn)行分析，可以清晰地找出引起儀器故障的原因，以便對(duì)癥下藥，有的放矢地解決問(wèn)題，避免儀器故障地發(fā)生。根據(jù)引起定向井隨鉆測(cè)量?jī)x器的原因，做出了故障樹，如圖2所示。

圖2 定向井隨鉆儀器故障樹

從圖2可以看出，引起定向井隨鉆測(cè)量?jī)x器故障的有8個(gè)基本事件，分別是：X1儀器脫鍵、X2閥桿被卡、X3引鞋被卡、X4電池短路、X5無(wú)磁過(guò)短、X6沖擊損壞、X7振動(dòng)損壞、X8人員素質(zhì)。有7個(gè)最小割集，分別是｛X1，X8｝，｛X2，X8｝，｛X3，X8｝，｛X4，X8｝｛X5，X8｝，｛X6，X8｝，｛X7，X8｝。

2019年上半年，對(duì)某定向井公司引進(jìn)的儀器進(jìn)行故障統(tǒng)計(jì)，造成儀器故障的基本事件見表1。

2.2 儀器故障的規(guī)避措施

從表1可以發(fā)現(xiàn)，引起儀器信號(hào)異常的儀器脫鍵、閥桿被卡、引鞋被卡3項(xiàng)事件發(fā)生概率最大，共82起，占整個(gè)儀器故障次數(shù)的85%。減少這三類事件的發(fā)生次數(shù)，可以有效地減少儀器故障率。

表1 某公司2019年上半年儀器故障事件統(tǒng)計(jì)

2.2.1 減少儀器脫鍵次數(shù)

定向井隨鉆儀器通過(guò)坐健形式將引鞋坐入定向接頭的定向套內(nèi)，引鞋上的蘑菇頭進(jìn)入定向套的限流環(huán)內(nèi)[6]。正常測(cè)量情況下，儀器根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)控制蘑菇頭在定向套的限流環(huán)內(nèi)徑向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生壓力波，地面設(shè)備根據(jù)產(chǎn)生的壓力波，解讀出儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)。在施工時(shí)，由于各種原因，引鞋脫離定向套，不能產(chǎn)生有效的壓力波，這種情況叫“脫鍵”。減少儀器脫鍵次數(shù)的措施如下所述。

1）使用防脫鍵裝置。目前有幾種類型的防脫鍵裝置，基本原理大同小異，均是在儀器下端加工有特殊的連接件。儀器在井口安裝時(shí)，用頂絲、滾珠、或“O”型圈等將儀器固定住，可以避免儀器在井下時(shí)引鞋與定向套脫開。選用防脫鍵裝置時(shí)，要對(duì)其固定部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，要考慮在儀器打撈等非常規(guī)作業(yè)時(shí)，能夠順利地將儀器提取出來(lái)[7]。圖3是一種帶有防脫鍵裝置的示意圖。防脫鍵裝置主要由防脫頂絲、防脫環(huán)、防脫坐健環(huán)等組成。連接桿下端螺紋連接有防脫環(huán)。防脫環(huán)下方引鞋頂部設(shè)有防脫坐健環(huán)。防脫環(huán)一側(cè)的定向接頭設(shè)有防脫頂絲。使用時(shí)，將儀器放入到定向接頭內(nèi)，并用防脫頂絲將儀器頂緊。防止儀器縱向移動(dòng)而導(dǎo)致儀器引鞋脫離定向套。若發(fā)生卡鉆，由于防脫環(huán)上下兩端分別帶有外螺紋的圓環(huán)，其下部外圓設(shè)有45°坡腳凸起，只要施加足夠的外力即可將防脫頂絲拉彎拉折，實(shí)現(xiàn)儀器打撈。

圖3 帶有防脫鍵裝置的儀器下部結(jié)構(gòu)

2）在非磁上端安裝止回閥。儀器脫鍵的原因之一是，下鉆時(shí)，鉆具內(nèi)泥漿倒灌，將儀器從定向套內(nèi)頂出，儀器上的引鞋脫離定向套。在非磁上端安裝止回閥，可以防止泥漿從環(huán)空返回到鉆具內(nèi)，有效地避免泥漿倒灌。

3）控制鉆具的下放速度。鉆具如果下放太快，環(huán)空泥漿會(huì)急速流入到鉆具內(nèi)，泥漿倒灌，將儀器頂出，使儀器引鞋脫離定向套。

2.2.2 減少閥桿被卡、引鞋被卡次數(shù)

要保障泥漿的凈化，泥漿含砂量在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)，使用高目高頻振動(dòng)篩；泥漿循環(huán)時(shí)，及時(shí)開動(dòng)除砂器、除泥器；進(jìn)行堵漏等特殊作業(yè)時(shí)，要把堵漏材料徹底篩除才能下入隨鉆儀器；提下鉆時(shí)，專人觀察井口，防止異物落入鉆具內(nèi)；要有專人負(fù)責(zé)清洗鉆桿濾子、立管濾子等。采取這些措施，可以有效地減少閥桿被卡、引鞋被卡事件的發(fā)生次數(shù)。

3 結(jié)論及建議

1）定向井隨鉆測(cè)量?jī)x器是定向井工程師的“眼睛”，若其發(fā)生故障，會(huì)造成嚴(yán)重后果。對(duì)其進(jìn)行可靠性分析和研究意義重大。

2）可靠性是指儀器在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定的任務(wù)的可能性。對(duì)于定向井隨鉆儀器來(lái)說(shuō)，其可靠性是指在一趟鉆時(shí)間內(nèi)儀器能夠完成預(yù)計(jì)的測(cè)量功能。

3）定向井隨鉆測(cè)量?jī)x器由多個(gè)部件組成，其中任何一個(gè)部件出現(xiàn)故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)儀器失效，其可靠性模型是串聯(lián)可靠性模型。

4）經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，在引起儀器故障的基本事件中，儀器脫鍵、閥桿被卡、引鞋被卡這3項(xiàng)產(chǎn)生概率最大。從儀器部件的改進(jìn)、加強(qiáng)管理等多方面入手，減少儀器故障的發(fā)生頻次。