連續(xù)卡點(diǎn)儀器原理及應(yīng)用

吳俊祖，邱東瑞，宛文宇(中海油服油田技術(shù)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司，天津 300451)

0 引言

在鉆、修井的過(guò)程中，頂驅(qū)等動(dòng)力輸出設(shè)備將輸出很大的功率來(lái)克服鉆進(jìn)、循環(huán)及管柱與井壁的摩擦力。當(dāng)井況良好時(shí)，阻力較小，鉆桿活動(dòng)正常；當(dāng)井況惡化時(shí)，例如吸附、井塌、井徑收縮和落物等情況發(fā)生，將嚴(yán)重影響甚鉆桿的良好運(yùn)轉(zhuǎn)，反應(yīng)不及時(shí)，很可能就會(huì)發(fā)生卡鉆事故［1］。事故發(fā)生后，會(huì)不同程度給施工單位帶來(lái)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的損失，因此一旦發(fā)生卡鉆事故，施工單位都會(huì)想盡辦法，力爭(zhēng)在最短時(shí)間內(nèi)解除卡鉆，減少事故造成的損失。隨著鉆井技術(shù)的不斷提高，深井、大斜度井和水平井逐漸增多，對(duì)卡鉆事故處理技術(shù)及裝備提出了更高的要求。連續(xù)測(cè)卡儀就是一種能快速、準(zhǔn)確地為井隊(duì)找出卡點(diǎn)位置，為后續(xù)解卡作業(yè)提供準(zhǔn)確依據(jù)的一種設(shè)備［2］。

1 測(cè)卡技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 吸附式測(cè)卡儀器

吸附式測(cè)卡儀器(簡(jiǎn)稱FPI)，它是由磁定位短節(jié)、上磁鐵、傳感器節(jié)和下磁鐵等組成。通過(guò)數(shù)次上拉鉆具或給鉆具施加扭矩產(chǎn)生彈性變形，由測(cè)卡儀的應(yīng)變傳感器在卡點(diǎn)附近測(cè)得幾組應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，然后通過(guò)分析可以給出鉆具卡點(diǎn)的位置。

1.2 錨定式測(cè)卡儀器

錨定式測(cè)卡儀器生產(chǎn)廠家和使用方比較多，它較吸附式測(cè)卡儀能更好地固定于鉆具內(nèi)。它是由接箍CCL、上/ 下固定短節(jié)、儀器控制短節(jié)和傳感器接收短節(jié)等組成。通過(guò)固定短節(jié)可以使信號(hào)接收短節(jié)固定于管柱內(nèi)特定深度，然后頂驅(qū)對(duì)鉆桿施加拉、壓或扭作用力時(shí)，由于鉆桿受到地面給予力的作用，鉆桿會(huì)發(fā)生形變，與鉆桿一體的儀器探頭也會(huì)發(fā)生角度變化，儀器探頭本體的位移引起裝于內(nèi)部感應(yīng)線圈電感量發(fā)生變化。通過(guò)形變的物理量轉(zhuǎn)變成磁、電的量，把電信號(hào)傳送到地面，地面再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理、分析，即可確定遇卡的位置［3］。

以上兩類測(cè)卡儀器都是采用定點(diǎn)、逐次逼近的測(cè)量方式確定卡點(diǎn)位置，由于用時(shí)較多，不利于快速確定卡點(diǎn)位置，而最新引進(jìn)的連續(xù)卡點(diǎn)儀器(HFPT)，從點(diǎn)測(cè)升級(jí)為連續(xù)測(cè)量，為當(dāng)下先進(jìn)的測(cè)卡技術(shù)。

2 HFPT 原理及關(guān)鍵技術(shù)

連續(xù)卡點(diǎn)儀器(halliburton free point tool)是一種更加準(zhǔn)確、直接和省時(shí)的卡點(diǎn)測(cè)量技術(shù)。其原理是：儀器磁化管柱，鉆臺(tái)施加拉力或扭力后釋放，卡點(diǎn)以上的自由部分因管柱形變磁化磁場(chǎng)遭到破壞，卡點(diǎn)以下位置因管柱沒有形變則管柱磁性基本沒有變化，通過(guò)測(cè)量管柱磁性的變化進(jìn)而確定卡點(diǎn)位置。根據(jù)其原理，一般通過(guò)以下3 步即可：(1) 儀器下放，磁化管柱，同時(shí)記錄基線；(2) 鉆臺(tái)施加拉力或扭力，釋放；(3) 儀器上測(cè)，記錄上測(cè)磁性變化，確定卡點(diǎn)位置。

2.1 地面系統(tǒng)

HFPT 的地面系統(tǒng)主要包括CHIP 面板和一臺(tái)主機(jī)。CHIP面板集合了供電、井下數(shù)據(jù)及張力、深度等參數(shù)采集、前期處理等功能；主機(jī)則安裝了warrior 軟件，完成儀器控制、數(shù)據(jù)顯示及后處理等。CHIP 面板和主機(jī)之間通過(guò)一條Type-C 轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線連接。

2.2 井下儀器

井下儀器一般有加重桿，扶正器和HFPT 儀器，核心是集合了電子線路、探測(cè)器和永磁鐵的一支1.6 m 長(zhǎng)的HFPT 儀器。其中電子線路部分主要負(fù)責(zé)給傳感器部分供電，處理來(lái)自傳感器信號(hào)并把信號(hào)傳給地面；探測(cè)器部分主要是探測(cè)管柱的磁場(chǎng)變化和把磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；永磁鐵則對(duì)經(jīng)過(guò)的管柱進(jìn)行磁化，在整個(gè)管柱中建立相等的磁性特性，以建立基線。

儀器的永磁鐵部分是兩塊特殊材質(zhì)磁鐵固定于儀器底部圓周上；線路部分主要包括：電源濾波板、DC-DC 板、信號(hào)驅(qū)動(dòng)板、復(fù)位板和主控板。傳感器部分是整個(gè)儀器的核心，磁性探測(cè)是使用了HMC1022 雙軸磁傳感器芯片，每一個(gè)芯片上有兩個(gè)方向的探測(cè)分量，前、后兩塊板子又成90°放置，形成了一個(gè)局部的三維分量；前、后兩部分各有4 塊板子，共8 個(gè)HMC1022芯片、16 個(gè)分量測(cè)量(4 個(gè)徑向分量，4 個(gè)切向分量和8 個(gè)縱向分量)，形成了多個(gè)三維區(qū)，基本覆蓋了整個(gè)管柱，如圖1 所示。

圖1 俯視管柱分量示意圖

3 HFPT 的操作方法和應(yīng)用

3.1 地面校驗(yàn)操作

在維保中或作業(yè)前，一般需要對(duì)儀器進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)步驟如下。(1) 將驗(yàn)證器穿過(guò)儀器，直到傳感器被“零場(chǎng)室”包圍；(2) 儀器供電；(3) 開始時(shí)間驅(qū)動(dòng)記錄，記錄10 秒；(4) 移動(dòng)驗(yàn)證器，直到傳感器被“磁場(chǎng)室”包圍；(5) 慢慢旋轉(zhuǎn)校驗(yàn)器兩圈，分量響應(yīng)應(yīng)是±5 高斯之間的類似正弦曲線，如圖2 所示。

圖2 地面檢驗(yàn)16分量曲線

3.2 卡點(diǎn)測(cè)量過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量卡點(diǎn)時(shí)，連接好儀器串，調(diào)好通訊，根據(jù)井隊(duì)初步判定的管柱遇卡位置，下放儀器。

(1) 儀器入井之后在預(yù)測(cè)卡點(diǎn)上方60.96 m 左右，開始下測(cè)，記錄測(cè)量基線。不同類型的鉆桿充磁過(guò)程有區(qū)別，建議下放過(guò)程速度放慢控制在9～15 m/min。

(2) 測(cè)到預(yù)測(cè)卡點(diǎn)以下60.96 m 左右，停止記錄。此時(shí)，測(cè)量段管柱已被磁化建立磁場(chǎng)，并同時(shí)測(cè)量到了基準(zhǔn)信號(hào)。再通知鉆臺(tái)對(duì)鉆桿施加拉力，施加拉力值是管柱破斷力的80%，確保拉力傳遞到卡點(diǎn)以上整個(gè)管柱，之后釋放拉力；開始上測(cè)記錄至預(yù)測(cè)卡點(diǎn)以上60.96 m，停止記錄。此時(shí)應(yīng)該就能確定卡點(diǎn)位置，為了進(jìn)一步確認(rèn)，進(jìn)行步驟(3)。

(3)重新下放工具串并記錄基線2至卡點(diǎn)以下合適位置之后，通知鉆臺(tái)施加最大允許扭矩，確保扭矩傳遞到卡點(diǎn)以上整個(gè)管柱，之后釋放掉扭矩，再次上測(cè)記錄至預(yù)測(cè)卡點(diǎn)以上60.96 m，停止記錄。

(4) 根據(jù)步驟(2) 和步驟(3) 分別確定兩次測(cè)得卡點(diǎn)位置，兩次測(cè)量所得卡點(diǎn)位置應(yīng)該一致，如圖3 所示。

圖3 某井測(cè)卡實(shí)測(cè)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 連續(xù)卡點(diǎn)儀器采用16 分量的測(cè)量，具有較高的靈敏度，能準(zhǔn)確識(shí)別井下管柱的磁性變化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與常規(guī)生產(chǎn)測(cè)井通用，操作方便，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，快速準(zhǔn)確確定卡點(diǎn)位置。

(2) 該儀器適用范圍廣，在大斜度井乃至水平井內(nèi)中都能準(zhǔn)確測(cè)量。

(3) 該儀器還能通過(guò)比較測(cè)量磁通量的大小，定性判斷遇卡的程度，幫助判斷卡鉆性質(zhì)，這可為后續(xù)事故處理提供可靠依據(jù)，節(jié)省時(shí)間，節(jié)約成本。