錨定式測(cè)卡儀的原理與應(yīng)用

(中海油田服務(wù)股份有限公司 油田技術(shù)事業(yè)部，天津 300452)

錨定式測(cè)卡儀的原理與應(yīng)用

張魯江,陳新君

(中海油田服務(wù)股份有限公司 油田技術(shù)事業(yè)部，天津 300452)

錨定式測(cè)卡儀是一種在鉆井或起管柱遇卡時(shí)精確測(cè)量遇卡位置的特殊測(cè)井儀器，本文從原理和應(yīng)用兩個(gè)方面闡述了中海油服研制生產(chǎn)的錨定式錨定式測(cè)卡儀。它能夠適用于海洋石油鉆井中大井斜的井況，測(cè)得的卡點(diǎn)數(shù)據(jù)直觀準(zhǔn)確，能夠提高解卡的成功率，縮短施工時(shí)間，在油田開發(fā)過(guò)程中不可或缺。

卡鉆；錨定式測(cè)卡儀；鉆井；測(cè)井

0 引言

在鉆井的過(guò)程中，頂驅(qū)及泥漿泵及其他輔助設(shè)備，將輸出很大的功率，所有這些地面設(shè)備提供的能量，都將用來(lái)克服鉆頭破碎巖石、井液循環(huán)及鉆具在井內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)或上下運(yùn)動(dòng)時(shí)與井壁的摩擦力。當(dāng)井眼狀況好時(shí)，摩擦力較小，鉆具活動(dòng)正常；當(dāng)井眼狀況惡化時(shí)，例如吸附、井塌、井徑收縮、巖屑堆積、泥包、頓鉆、落物等情況發(fā)生，將嚴(yán)重影響甚至卡住鉆具在井內(nèi)正常運(yùn)動(dòng)[1]。因此，引起卡鉆的原因是多方面的，卡鉆也是鉆井作業(yè)施工中經(jīng)常發(fā)生的事故。不同區(qū)塊地層差異和鉆井工藝的因素造成的卡鉆事故性質(zhì)也所不同，井隊(duì)處理方法也不同，但無(wú)論哪種情況，錨定式測(cè)卡儀都能夠?yàn)榫?duì)找出精確的卡點(diǎn)位置，為下一步解卡或其他操作提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。在某些極端惡化情況下，對(duì)管柱切割或爆炸松扣位置的選擇有決定性作用。

1 錨定式測(cè)卡儀工作原理

1.1錨定式測(cè)卡儀的設(shè)計(jì)原理

錨定式測(cè)卡儀針對(duì)于油田建設(shè)生產(chǎn)所使用的管柱而開發(fā)，是一種靈敏度很高的應(yīng)力探測(cè)測(cè)井儀器。根據(jù)虎克定律及電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)。它可以測(cè)得兩個(gè)方面的參數(shù)，即扭轉(zhuǎn)量和拉伸量，并將它們轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的信號(hào)傳到地面系統(tǒng)，呈現(xiàn)在人機(jī)界面上，達(dá)到有效識(shí)別管柱是否遇卡的目標(biāo)。多數(shù)情況下，鉆井隊(duì)會(huì)根據(jù)虎克定律估計(jì)遇卡位置，即：L=卡點(diǎn)深度，m； X=管柱伸長(zhǎng)量(兩次不同負(fù)荷上提時(shí)的長(zhǎng)度之差),cm；P=拉力，KN；E=鋼材彈性模數(shù)，為2.1×10000，KN/cm2；F=管柱環(huán)形截面數(shù)，cm2；K=常數(shù)，直徑73mm油管K取2450，直徑73mm鉆桿K取3800；X=管柱伸長(zhǎng)量，cm；）。另一種方法就是按經(jīng)驗(yàn)值330m轉(zhuǎn)動(dòng)四分之三圈的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)反向旋轉(zhuǎn)管柱（大直徑的鉆桿或套管，一般320m轉(zhuǎn)二分之一圈；卡點(diǎn)距地面較近時(shí)，轉(zhuǎn)的圈數(shù)減少一點(diǎn)[2]。這兩種方法只能粗略估計(jì)，不夠準(zhǔn)確，且無(wú)法消除井斜、吸附等井下干擾因素。而錨定式測(cè)卡儀則可以將位于其上下錨定短節(jié)間管柱微小的形變通過(guò)傳感器短節(jié)有效轉(zhuǎn)變成可識(shí)別的信號(hào)，如圖1所示。若測(cè)試點(diǎn)在卡點(diǎn)以上，則有指示信號(hào)出現(xiàn)；反之，則無(wú)指示信號(hào)顯示。根據(jù)這種方法，即可快速精確判斷卡點(diǎn)位置。它主要用于鉆井、修井、井下作業(yè)中被卡管柱的卡點(diǎn)測(cè)定。

圖1 錨定式測(cè)卡儀原理框圖Fig.1 Anchor pattern card meter principle block diagram

1.2錨定式測(cè)卡儀的組成和功能

錨定式測(cè)卡儀一串儀器共分為5個(gè)短節(jié)，在傳感器短節(jié)兩端連接有上/下錨定短節(jié)，該錨定短節(jié)可以使傳感器短節(jié)相對(duì)固定于管柱內(nèi)特定位置，當(dāng)在地面對(duì)管柱施加拉、壓或扭作用力時(shí)，由于傳感器短節(jié)在錨定短節(jié)的作用下與管柱形成一體，因此管柱的形狀變化反應(yīng)到傳感器短節(jié)上，裝于傳感器短節(jié)內(nèi)的探頭隨管柱變形而發(fā)生位移或角度變化，從而引起裝于傳感器短節(jié)內(nèi)的感應(yīng)線圈電感量發(fā)生變化，當(dāng)在地面對(duì)管柱施加相同作用力時(shí)，隨著管柱卡緊程度感應(yīng)線圈電感量變化也不同，通過(guò)地面設(shè)備將該變化轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，再對(duì)輸出信號(hào)分析便可準(zhǔn)確確定卡點(diǎn)位置[3]。

1.2.1 錨定式測(cè)卡儀各組成短節(jié)功能和特點(diǎn)

1）磁定位短節(jié)：無(wú)源設(shè)計(jì)，主要用于校深，以確定傳感器短節(jié)所測(cè)管柱卡點(diǎn)位置，具備抗震性能，也可應(yīng)用于爆炸松扣或切割作業(yè)。

2）上/下錨定短節(jié)：將傳感器短節(jié)與管柱內(nèi)壁錨緊，使傳感器短節(jié)能夠準(zhǔn)確反應(yīng)管柱的拉伸、壓縮或扭轉(zhuǎn)。微型電機(jī)及減速機(jī)組為錨定短節(jié)提供可靠的扭矩，使得錨定動(dòng)作迅速可靠并設(shè)置有電機(jī)保護(hù)裝置；其減速機(jī)組設(shè)計(jì)可有效避免推靠過(guò)程發(fā)生逆轉(zhuǎn)，使儀器串緊密地錨定于管柱內(nèi)壁。設(shè)置有安全銷，防止極端情況下電機(jī)故障導(dǎo)致儀器無(wú)法收腿返回地面；在其腿與管柱錨定處設(shè)置有耐磨裝置；兩短節(jié)可通用。

3）電子控制短節(jié)：實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器串中其余不同短節(jié)的循環(huán)控制和傳感器短節(jié)數(shù)據(jù)采集及地面的通信等主要功能。該短節(jié)中設(shè)置有電源、信號(hào)處理和總控芯片等電路或元器件，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性[4]。

4）傳感器短節(jié)：高靈敏度傳感器探頭將管柱的拉伸、壓縮或扭轉(zhuǎn)的變化轉(zhuǎn)換為傳感器電磁信號(hào)的變化，傳送到電子控制短節(jié)，如圖2所示。

圖2 錨定式測(cè)卡儀組成框圖Fig.2 Anchor pattern card meter composition block diagram

1.2.2 錨定式測(cè)卡儀的儀器特點(diǎn)

目前，業(yè)內(nèi)使用的測(cè)卡儀器有多種，測(cè)量方式上分為定點(diǎn)型和連續(xù)型兩種，后者使用上受地層和井況影響較大。定點(diǎn)型儀器又根據(jù)固定方式不同，分為吸附式和錨定式，一般井斜較小的情況下，兩類卡點(diǎn)指示儀可通用，僅在操作上不同而已，吸附式測(cè)卡儀受人為調(diào)節(jié)因素影響較大。經(jīng)過(guò)在海洋測(cè)井中的多年使用表明，錨定式測(cè)卡儀適用于目前海洋石油各種鉆井船，不受平臺(tái)晃動(dòng)等影響，且成功在井斜超過(guò)80°卡鉆井中作業(yè)過(guò)。受測(cè)井的環(huán)境、井斜及人為因數(shù)影響，錨定式測(cè)卡儀可靠性和適用性等優(yōu)點(diǎn)使其有著不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

2 錨定式測(cè)卡儀的操作方法和應(yīng)用

2.1錨定式測(cè)卡儀的操作方法

本文以中海油田服務(wù)股份有限公司的ELIS系統(tǒng)（E304服務(wù)表）為例來(lái)介紹操作方法，其它具有同類型通訊模式和服務(wù)表的地面系統(tǒng)也可通用。

首先，進(jìn)行地面檢查和調(diào)試，確定儀器的狀態(tài)，主要針對(duì)靈敏度，依據(jù)被卡管柱的提升力產(chǎn)生的伸長(zhǎng)應(yīng)變和施加旋轉(zhuǎn)扭力時(shí)的扭矩形變，調(diào)整地面儀的扭矩增益值，保證測(cè)卡時(shí)既不損傷被卡管柱，又能測(cè)出正確的數(shù)據(jù)。

其次，根據(jù)井隊(duì)估計(jì)被卡管柱卡點(diǎn)的大致位置，進(jìn)而確定卡點(diǎn)以上管柱重量，并根據(jù)管柱的類型，確定上提管柱的附加力和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。將錨定式測(cè)卡儀下到預(yù)計(jì)卡點(diǎn)以上某一位置，然后自上而下逐點(diǎn)分別測(cè)拉伸與扭轉(zhuǎn)應(yīng)變，采用深度“對(duì)折”的方式從而更加精確的斷定卡點(diǎn)位置，一般5～7個(gè)點(diǎn)即可找到卡點(diǎn)[5]。

卡點(diǎn)測(cè)量過(guò)程：

1）儀器串下到測(cè)點(diǎn)位置，通知司鉆活動(dòng)管柱，使測(cè)點(diǎn)位置處于中和點(diǎn)（自由）狀態(tài)。

2）操作儀器，使儀器固定在管柱的內(nèi)壁上，同時(shí)將電纜放松3m左右，通知司鉆旋轉(zhuǎn)管柱施加正扭矩，上下活動(dòng)管柱以使扭矩傳到測(cè)點(diǎn)位置（原則上施加的扭矩為3 圈/ km，斜井時(shí)多加10%，井隊(duì)負(fù)責(zé)掌握，在不對(duì)管柱造成損壞的情況下可多加）。

3）觀察扭矩讀值，若扭矩讀值發(fā)生變化，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)為自由點(diǎn)；扭矩讀值未發(fā)生變化，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)為卡點(diǎn)或卡點(diǎn)以下。

4）工程師將每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的序號(hào)、深度、上提噸位、施加扭矩的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、扭矩變化量記錄下來(lái)，用于分析卡點(diǎn)位置。

5）上提電纜至正常懸重后下放儀器到下一個(gè)測(cè)點(diǎn)，重復(fù)步驟1～5，繼續(xù)測(cè)量。

最后，傳感器測(cè)量的兩種方式：

a）測(cè)拉伸應(yīng)變，先將上下錨定腿打開，并使電子控制短節(jié)置于傳感器數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，松電纜3m（視鉆臺(tái)晃動(dòng)情況可改變），通知井隊(duì)提升管柱，此時(shí)注意觀察TORQUE數(shù)值和曲線是否有明顯變化。

b）測(cè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變，根據(jù)管柱的規(guī)范，確定應(yīng)施加于被卡管柱旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。先將上下錨定腿打開，并使電子控制短節(jié)置于傳感器數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，松電纜3m，再按已確定的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)管柱經(jīng)驗(yàn)值330m轉(zhuǎn)動(dòng)四分之三圈的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)反向旋轉(zhuǎn)管柱（大直徑的鉆桿或套管，一般320m轉(zhuǎn)二分之一圈；卡點(diǎn)距地面較近時(shí)，轉(zhuǎn)的圈數(shù)減少一點(diǎn)），觀察每轉(zhuǎn)一圈時(shí)地面儀表讀數(shù)的變化，此時(shí)注意觀察TORQUE數(shù)值和曲線是否有明顯變化。跟據(jù)TORQUE數(shù)值和曲線可以判斷該點(diǎn)是否遇卡，如果曲線有明顯變化，則此測(cè)試點(diǎn)沒有遇卡，如圖3所示；反之，曲線沒有明顯變化，如圖4所示，則該點(diǎn)在遇卡位置以下。

圖3 管柱自由點(diǎn)的波形圖Fig.3 String free point of waveform figure

圖4 管柱已被卡住時(shí)的曲線Fig.4 The curve of the string has been stuck

2.2渤海某井卡鉆的應(yīng)用

錨定式卡點(diǎn)測(cè)試儀在海洋石油測(cè)卡鉆井作業(yè)中占主導(dǎo)地位，經(jīng)過(guò)多次的使用表明，其性能符合作業(yè)要求，能夠取得可靠的資料，提供必要的依據(jù)。如：2013年8月渤海某井鉆井作業(yè)中遇卡，鉆井部緊急動(dòng)員測(cè)卡儀作業(yè)，按照錨定式卡點(diǎn)操作方法，經(jīng)過(guò)6次定點(diǎn)測(cè)量，分別獲取了圖3和圖4資料，經(jīng)過(guò)對(duì)各測(cè)試點(diǎn)位置和狀態(tài)記錄及判斷分析，精確地獲得了遇卡位置數(shù)據(jù)，為后續(xù)進(jìn)行的爆炸松扣作業(yè)提供了充分依據(jù)。通過(guò)爆炸松扣，解卡成功，有效解決了甲方的問(wèn)題，縮短了遇卡和打撈間隔，提升了作業(yè)效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

在油田的長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程中，鉆井、管柱安裝及后期管柱回收等作業(yè)中，卡點(diǎn)指示儀以其高可靠性、快速性和穩(wěn)定性為管柱提供準(zhǔn)確卡點(diǎn)測(cè)試，使得后續(xù)作業(yè)具有準(zhǔn)確的參考信息，有效地保障作業(yè)的順利進(jìn)行。

[1]郭書昌,劉嘉福．鉆井工程安全手冊(cè)第1板[M]．北京：石油工業(yè)出版社,2009：366-384．

[2]趙金洲,張桂林．鉆井工程技術(shù)手冊(cè)第2板[M]．北京：中國(guó)石化出版社,2011：1321-1342．

[3]余小平,奚大順．電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)第2板[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2010：103-124．

[4]吳利民,余國(guó)文,歐陽(yáng)華,等．電子學(xué)第2板[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2005：37-64．

[5]石興春．井下作業(yè)工程監(jiān)督手冊(cè)第1板[M]．北京：中國(guó)石化出版社, 2008：340-343．

3.2充分理解核級(jí)儀表的供貨范圍

企業(yè)需建立核質(zhì)保體系，核級(jí)儀表的鑒定和生產(chǎn)都需在核安全法規(guī)的監(jiān)管之下。企業(yè)完成儀表生產(chǎn)只是核電供貨過(guò)程的一部分，企業(yè)的很大一部份精力不僅是生產(chǎn)儀表，而且是很大一部分人力和物力應(yīng)集中在完成相關(guān)的質(zhì)保程序，試驗(yàn)程序和文件編制上。

3.3提高供貨商的綜合能力

國(guó)內(nèi)的供貨商一般具有較好的生產(chǎn)設(shè)備，良好的服務(wù)態(tài)度，但儀表企業(yè)在抗震分析，力學(xué)計(jì)算，材料，焊接等方面缺少相關(guān)人才，無(wú)法很好地解決項(xiàng)目實(shí)際執(zhí)行過(guò)程遇到的實(shí)際問(wèn)題，這也是限制核級(jí)儀表國(guó)產(chǎn)化的一個(gè)因素。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文就核電站內(nèi)使用的溫度儀表的種類和特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，以幫助讀者對(duì)核電站內(nèi)的溫度儀表的種類和特點(diǎn)有一個(gè)總體認(rèn)識(shí),有助于讀者更好地進(jìn)行儀表選型設(shè)計(jì)以及核級(jí)溫度儀表的國(guó)產(chǎn)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]RCC-P-1991,法國(guó)90萬(wàn)千瓦壓水堆核電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S]．法國(guó)：EDF and FRAMATOME,1991．

[2]ASME PTC 19．3,儀表及儀器第三部分-溫度測(cè)量[S]．美國(guó)：ASME,1974．

[3]IEC60751-2008,工業(yè)鉑電阻儀表及鉑溫度傳感器[S]．瑞士：IEC,2008．

[4]H．M．Hashemian．核電廠過(guò)程儀表的維護(hù)[M]．德國(guó)：Springer,2006．ASTM E235,核設(shè)備或其它有高可靠性應(yīng)用的鎧裝K型及N型熱電偶[S]．美國(guó)：ASTM,2006．

[5]RCC-E-2002,核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S]．法國(guó)：AFCEN,2002．

[6]HAF102 核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定[S]．北京：國(guó)家核安全局,2004．

投稿日期：2014/3/24

作者簡(jiǎn)介：范遂，男，碩士研究生，工程師，長(zhǎng)期從事核電行業(yè)儀控設(shè)計(jì)工作。

The Principle and Application of the Anchored FreePiont Indicator

Zhang Lujiang,Chen Xinjun
（China Oilfield Services Limited Well-Tech Tanggu Base ,Tianjin 300452 China）

Anchored FreePiont Indicator is a special instrument used in drilling or column when it is clamped . It can measure the clamping position accurately . The principle and application of the Anchored FreePiont Indicator are introduced in this article . After the development and production of the equipment by COSL, the depth of the clamped can get accurately and reliably on oil rigs offshore in high deviation wells .The efficiency and success rate of the operation can be Improved , It is Indispensable in the process of oilfield development .

sticking ; anchored freePiont Indicator; drilling; logging

P613.8

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.015

2014-04-26

張魯江，男，工程師，從事測(cè)井儀器的管理和維修工作。