可調(diào)式防脫鍵頂桿的研制與應(yīng)用

高彥峰 ，晁文學(xué) ，莫文麗 ，李曉安 ，張曉龍

（1.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001；2.中國石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南 濮陽 457001）

0 引言

隨著水平井技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，各大油田相繼將其作為主要的增產(chǎn)開發(fā)方式［1-2］。在水平井定向作業(yè)與軌跡控制中，無線隨鉆測量儀器已成為不可或缺的設(shè)備［3-6］。 座鍵式 MWD（Measure While Drilling）儀器，如海藍(lán)MWD、QDT-MWD等，因具有操作簡單、便于運(yùn)輸、維修用時(shí)短、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低等特點(diǎn)，在國內(nèi)各大油田隨鉆測量中得到了廣泛應(yīng)用［7］。

2006年中原油田引進(jìn)海藍(lán)MWD儀器以來，應(yīng)用水平逐步提高，現(xiàn)已成為油田內(nèi)部市場的主要隨鉆測量設(shè)備。但在使用過程中發(fā)現(xiàn)，該儀器時(shí)常發(fā)生脫鍵現(xiàn)象，導(dǎo)致無法形成正常的鉆井液脈沖信號，影響隨鉆測量施工正常進(jìn)行［8］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，MWD儀器脫鍵造成的起鉆次數(shù)占總故障起鉆次數(shù)的近60%，因此對該儀器脫鍵原因展開分析和研究，找出針對這一問題的相應(yīng)解決方案，對提高鉆井時(shí)效、節(jié)約鉆井成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 存在問題及實(shí)例分析

1.1 存在問題

座鍵式無線隨鉆測量儀器，主要是通過座鍵的形式將井下儀器串和定向接頭內(nèi)的循環(huán)套對接起來，循環(huán)套由定向頂絲與專用定向接頭固定在一起，循環(huán)套內(nèi)的定向鍵與儀器串下端引鞋上的定向鍵槽配合，保證儀器串與定向鉆具之間不能相對轉(zhuǎn)動。儀器串自身重力和儀器扶正器與鉆具內(nèi)壁間摩擦力共同提供阻止儀器串向上移動的力，防止儀器脫鍵。這種設(shè)計(jì)能保證儀器串不發(fā)生相對定向鉆具的轉(zhuǎn)動，卻無法完全保證儀器串發(fā)生相對定向鉆具的軸向移動。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)下鉆速度過快時(shí)，儀器串有一定程度的失重，加上鉆井液的反沖力，儀器串與定向鉆具之間就會有軸向的相對運(yùn)動。如果鉆井液性能比較差，如黏度大、含砂量高等，使得儀器串無法復(fù)位，移動效果累積一定時(shí)間后，最終將導(dǎo)致脫鍵［9-11］。特別是在井斜角接近90°甚至超過90°的隨鉆施工中，儀器串自身重力與定向鉆具軸向垂直，甚至給儀器串施加一個(gè)脫鍵的力，加上物理?xiàng)l件的影響，很容易發(fā)生脫鍵而導(dǎo)致儀器故障。

1.2 實(shí)例分析

下面以隨鉆測量過程中出現(xiàn)脫鍵導(dǎo)致的儀器故障為例，對海藍(lán)MWD儀器脫鍵原因進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.2.1 衛(wèi)84-平1井

2009年7月7日鉆至2 340.0 m，井斜角89.7°，鉆頭直徑215.9 mm，02：40開始進(jìn)行短起下作業(yè)，05：05下鉆到底開泵循環(huán)，儀器沒有正常脈沖信號，此時(shí)的鉆井液密度為1.26 g/cm3，黏度為68 s。

初步判斷為儀器脫鍵導(dǎo)致的故障，采取的相應(yīng)措施為，起出2個(gè)立柱，讓鉆頭遠(yuǎn)離井底，上下活動鉆具，開轉(zhuǎn)盤，開泵測試等，結(jié)果無效；接著進(jìn)行起鉆檢查，起至地面時(shí)，發(fā)現(xiàn)引鞋導(dǎo)向斜面嚴(yán)重?fù)p壞（見圖1）。

圖1 引鞋導(dǎo)向斜面損壞

對起出的儀器串敲擊測試，結(jié)果顯示儀器串能正常工作。這說明短起下作業(yè)時(shí)下鉆速度過快導(dǎo)致儀器串脫鍵，脫鍵后采取使儀器串復(fù)位措施時(shí)，引鞋導(dǎo)向斜面與定向鍵發(fā)生撞擊，定向鍵卡在引鞋導(dǎo)向斜面損壞豁口上，儀器串無法復(fù)位，最終導(dǎo)致非正常起鉆。

1.2.2 文188-平1井

三開作業(yè)中，2010年12月26日03：50井口測試儀器正常，開始下鉆；12：20下鉆至3 221.0 m（二開套管下至3 217.8 m），開泵測試儀器，沒有正常鉆井液脈沖信號。此時(shí)井斜角為38.1°，鉆頭直徑為215.9 mm，鉆井液密度為1.47 g/cm3，黏度為89 s。

初步判斷為脫鍵導(dǎo)致儀器故障，主要是因?yàn)橄裸@速度過快，沒有嚴(yán)格執(zhí)行每下15柱及時(shí)灌滿鉆井液的作業(yè)指令，導(dǎo)致儀器脫鍵。采取有助于儀器復(fù)位的措施無效，起至井口重新坐鍵，井口測試儀器波形、解碼正常，下鉆。

1.2.3 濮1-側(cè)平227井

2011年1月13日05：20儀器坐鍵完畢，放入臨時(shí)頂桿，井口測試儀正常，下鉆；10：25下鉆至2610.0m，開泵測試儀器，沒有正常鉆井液脈沖信號。此時(shí)井斜為89.5°，鉆頭直徑為118.0 mm，鉆井液密度為1.38 g/cm3，黏度為 85 s。

初步判斷為脫鍵導(dǎo)致儀器故障，其原因是下鉆過快，沒有及時(shí)灌漿，加上小井眼鉆具內(nèi)環(huán)空小，鉆井液上返沖擊力大，導(dǎo)致儀器脫鍵。復(fù)查臨時(shí)頂桿長度，發(fā)現(xiàn)臨時(shí)頂桿的上頂板不能被上部鉆具公扣端面壓牢，這樣所加頂桿只是相當(dāng)于增加儀器串自身重量，不能實(shí)施其防脫鍵的作用。采取有助于儀器復(fù)位的措施無效，起至井口開泵測試儀器，儀器波形、解碼正常。

2 解決方案

通過分析典型的脫鍵實(shí)例可知，在隨鉆測量施工中，脫鍵現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，特別是在小井眼隨鉆施工中，脫鍵現(xiàn)象的發(fā)生幾率要更高一些。所以，有必要重新設(shè)計(jì)一種操作簡單、長度可調(diào)的頂桿。

2.1 可調(diào)式防脫鍵頂桿

針對座鍵式MWD儀器的脫鍵問題，原中國石油遼河石油勘探局測井公司曾經(jīng)提出過一種解決方案，即通過在專用無磁定向接頭加工防脫鍵孔，在引鞋加工防脫環(huán)和防脫座鍵環(huán)來實(shí)現(xiàn)防脫鍵［12］，其結(jié)構(gòu)如圖2a所示。該方案雖然在一定時(shí)間內(nèi)解決了該儀器的脫鍵問題，但是操作繁瑣，增加了儀器坐鍵的難度，而且正常起鉆之后無法按照常規(guī)操作方法取出儀器，最重要的是，防脫鍵頂絲暴露在鉆井液的沖刷之下，時(shí)刻有被腐蝕沖斷的安全隱患。

要使座鍵式MWD儀器滿足不同規(guī)格無磁鉆具和儀器串組合施工的需求，必須要求防脫鍵工具在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面達(dá)到長度和外徑2方面都具有可調(diào)節(jié)性，以適應(yīng)不同的施工要求?；谶@一思路，筆者研制了可調(diào)式防脫鍵頂桿，其結(jié)構(gòu)見圖2b。

2.1.1 結(jié)構(gòu)特征

可調(diào)式防脫鍵頂桿各組成部分及結(jié)構(gòu)特征如下：

1）上頂板。與上端的鉆具公扣端面配合，限定儀器串沿軸向向上移動的空間；“V”形槽設(shè)計(jì)，保證鉆具水眼的基礎(chǔ)上提高其自身強(qiáng)度。

2）拉伸桿。與外筒配合使用，調(diào)節(jié)頂桿的長度，沿拉伸桿軸向均勻分布有定位槽，該定位槽與定位螺孔配合使用，鎖定頂桿長度的槽。

3）定位螺絲。與定位螺孔配合，用來鎖定頂桿長度的螺絲。

4）外筒。與拉伸桿配合使用，調(diào)節(jié)頂桿的長度。

5）下頂板。其圓板端面緊緊頂住下方的儀器串打撈頭，阻止儀器串沿軸向向上移動；“V”形槽設(shè)計(jì)，保證鉆具水眼的基礎(chǔ)上提高其自身強(qiáng)度。

2.1.2 技術(shù)特征

1）該頂桿能有效解決海藍(lán)MWD、QDT-MWD等座鍵式隨鉆測量儀器的脫鍵問題，操作簡單，使用方便。

2）上、下頂板分別具有多種規(guī)格，能滿足不同內(nèi)徑無磁定向鉆具的施工要求。

3）拉伸桿和外筒分別具有0.5 m和1.5 m兩種規(guī)格，可以滿足無線隨鉆測量儀器MWD和MWD+GAMMA兩種不同儀器串組合隨鉆施工的需要。

圖2 防脫鍵工具及可調(diào)式防脫鍵頂桿示意

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

使用時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場所用無磁定向鉆具長度計(jì)算出所需頂桿的理論長度，并將上頂板的螺母端與拉伸桿的螺紋端連接，將下頂板的螺桿端與外筒的內(nèi)螺紋端連接。然后，調(diào)節(jié)拉伸桿在外筒腔體內(nèi)的長度，并用定位螺絲鎖定頂桿。在確認(rèn)隨鉆儀器的座鍵完好后，將調(diào)節(jié)并鎖定長度后的可調(diào)式頂桿放入坐有儀器串的無磁定向鉆具內(nèi)，使其下頂板頂在無線隨鉆測量儀器的上端。在保證10～15 mm的壓縮空間后，上頂板由上部的鉆具公扣端面限定其軸向移動空間，可有效解決無線隨鉆測量儀器在施工過程中的脫鍵問題。

該可調(diào)式頂桿分別在濮1-FP1和衛(wèi)383-FP2兩口井的隨鉆技術(shù)服務(wù)施工中試應(yīng)用，在整個(gè)隨鉆測量技術(shù)服務(wù)過程中，沒有出現(xiàn)脫鍵問題。截至2013年底，可調(diào)式防脫鍵頂桿已經(jīng)進(jìn)行了17口井次的現(xiàn)場推廣應(yīng)用，取得了較好的效果，沒有發(fā)生儀器脫鍵故障。

3 結(jié)論

1）座鍵式MWD儀器脫鍵的主要原因是井下工具直接坐在無磁定向鉆具內(nèi)，無防脫鍵工具，遇到下鉆或短起下作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生井下工具與無磁定向鉆具的相對運(yùn)動。

2）新研制的可調(diào)式防脫鍵頂桿，有效解決了海藍(lán)、QDT等座鍵式MWD的脫鍵問題，提高了儀器入井成功率，為隨鉆測量施工順利進(jìn)行提供了有力保障。

3）該可調(diào)式防脫鍵頂桿具有操作簡單、體積小等特點(diǎn)，便于推廣應(yīng)用。

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