水平井測(cè)井儀器牽引器輸送工藝改進(jìn)及應(yīng)用

張志華，饒海濤，余 雙，石元會(huì)

（1.中國(guó)石化江漢石油工程有限公司測(cè)錄井公司，湖北 潛江433123；2.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢430100）

前 言

江漢油田近年來(lái)在頁(yè)巖氣、致密油氣等非常規(guī)油氣層的勘探開(kāi)發(fā)規(guī)模逐年擴(kuò)大，水平井和大斜度井越來(lái)越多，而目前，對(duì)套管水平井的監(jiān)測(cè)還處于空白狀態(tài)，這給江漢測(cè)錄井公司又提出了一個(gè)新的課題。在水平井和大斜度井生產(chǎn)測(cè)井過(guò)程中，電纜和儀器與井壁之間會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力（通常在井斜大于70°時(shí)，儀器就不能靠自身重力向下自由移動(dòng)），儀器需要借助外力才能進(jìn)入水平井段。牽引器就是一種操作方便、安全系數(shù)大、能夠提供動(dòng)力的輸送設(shè)備，它依靠地面控制，帶動(dòng)下井儀器在水平段移動(dòng)，使其到達(dá)測(cè)量層位，進(jìn)行測(cè)井施工。2011年江漢測(cè)錄井公司研制的JHYQ－A型牽引器，是目前江漢油田評(píng)價(jià)水平井固井質(zhì)量的主要手段之一，應(yīng)用于江漢、坪北、建南和涪陵等油田近150多井次，效果較好，成為快捷、經(jīng)濟(jì)、安全的水平井測(cè)井手段。

1 JHYQ－A型牽引器的介紹

1.1 牽引器的工作原理

調(diào)節(jié)牽引器供電電壓，喚醒地面系統(tǒng)與牽引器之間的通訊聯(lián)系，嚙合離合器，用軟件控制張開(kāi)電壓，使與驅(qū)動(dòng)臂相連的支撐彈簧壓縮，這時(shí)驅(qū)動(dòng)輪緩慢伸展，并根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的大小來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)臂張開(kāi)的程度。控制牽引電壓，將牽引器電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給中心軸，通過(guò)錐齒輪完成動(dòng)力換向，由鏈條傳遞給鏈輪，最后將動(dòng)力傳遞給與套管壁緊貼的兩對(duì)互成90°夾角的交叉驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而牽引測(cè)井儀器到達(dá)目的層段。停止對(duì)牽引器供電（牽引器就成為一條連接電纜和儀器的連接線），開(kāi)動(dòng)絞車(chē)，上提電纜進(jìn)行測(cè)井。

1.2 牽引器主要技術(shù)指標(biāo)

儀器總長(zhǎng)：≤7m；

儀器外徑：54mm；

最大牽引力：2700N；

最大牽引速度：9m／min（空載）；

最高工作溫度：150℃ ；

最高工作壓力：100MPa；

適用的套管規(guī)格：4.5"～9"。

1.3 JHYQ－A型牽引器優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題

在江漢多個(gè)油田的應(yīng)用中，JHYQ－A型牽引器體現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)有：長(zhǎng)度短、重量輕、運(yùn)輸方便、操作簡(jiǎn)單、輸送位置較準(zhǔn)確；工藝簡(jiǎn)單，施工方便，測(cè)井施工時(shí)不需要井下作業(yè)、鉆井配合；測(cè)井施工時(shí)間較短；輸送過(guò)程不會(huì)造成儀器損傷等。但它也有不足之處，主要有以下幾點(diǎn)。

1）牽引器雖然避免了側(cè)翻，卻無(wú)法阻止?fàn)恳髟诰畠?nèi)旋轉(zhuǎn)。

2）驅(qū)動(dòng)輪與套管壁接觸面積小，越障能力較弱，對(duì)環(huán)境要求較高。

3）牽引電機(jī)功率偏小，牽引距離短。

4）較重儀器在水平段不能有效居中，影響牽引效果和測(cè)井質(zhì)量。

5）施工作業(yè)容易遇阻、遇卡，成功率較低，風(fēng)險(xiǎn)較大。

6）牽引過(guò)程無(wú)法進(jìn)行有效實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 牽引器輸送工藝改進(jìn)和完善

JHYQ－A型牽引器是專(zhuān)為過(guò)油管傳輸Ф38mm生產(chǎn)測(cè)井儀器而設(shè)計(jì)的，目前，江漢油田主要是將它應(yīng)用在套管井中傳輸Ф70mm較重的RIB儀器以測(cè)量固井質(zhì)量。在使用過(guò)程中，容易出現(xiàn)儀器連接部位脫扣，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦阻力，下井儀器無(wú)法居中，牽引電機(jī)提供的能量無(wú)法轉(zhuǎn)換為有效動(dòng)力等不利于測(cè)井的因素，因此，使用之初，效果并不理想（爬行距離始終突破不了500m、牽引器容易發(fā)生變形、牽引輪磨損嚴(yán)重等）。對(duì)應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題逐一進(jìn)行分析和試驗(yàn)，找出問(wèn)題的癥結(jié)，不斷改進(jìn)和完善JHYQ－A型牽引器的性能、工藝和操作維修標(biāo)準(zhǔn)，使其在焦頁(yè)某井創(chuàng)造了2 105m的爬行距離，滿足了江漢油田各種水平井輸送要求。

2.1 降低牽引器無(wú)效功率損耗

2.1.1 消除儀器串與套管間的滑動(dòng)摩擦阻力

當(dāng)JHYQ－A型牽引器在套管內(nèi)移動(dòng)時(shí)，在重儀器的壓力作用下，一方面扶正臂會(huì)被擠壓收縮，儀器串會(huì)與套管壁接觸，產(chǎn)生較大的滑動(dòng)摩擦阻力，另一方面還會(huì)造成牽引器兩組驅(qū)動(dòng)輪不在同一軸上，牽引電機(jī)能量無(wú)法轉(zhuǎn)換為有效動(dòng)能。如在廣某井（第一口實(shí)驗(yàn)井），在自然遇阻位置儀器串就未能爬行。

改進(jìn)扶正器，將四臂扶正器改為每臂相隔60°的六臂扶正器。從四臂扶正器與六臂扶正器對(duì)比圖（圖1）可以看出：六臂扶正器降低了扶正臂的承受壓力，利用自動(dòng)調(diào)心球軸承，在移動(dòng)中自動(dòng)調(diào)整受力方向，使各驅(qū)動(dòng)輪受力達(dá)到均衡；采用高強(qiáng)度彈簧，使測(cè)試儀器與套管有效分離，消除滑動(dòng)摩擦阻力，提高了牽引器的牽引效果。

圖1 四臂扶正器與六臂扶正器對(duì)比圖

2.1.2 降低儀器串滾動(dòng)摩擦阻力

牽引器在長(zhǎng)距離套管中行走的最佳方法是將長(zhǎng)距離分成若干段，采用不同牽引力分別進(jìn)行行走，以減緩機(jī)械設(shè)備各零件的磨損速度。扶正臂和牽引臂張開(kāi)過(guò)大，對(duì)套管的正壓力會(huì)變大，儀器串所產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦阻力增大，牽引器為克服滾動(dòng)摩擦阻力消耗的能量增加，這樣不僅影響牽引效果，而且也會(huì)加快牽引臂內(nèi)的機(jī)械零件的磨損速度，使得牽引器爬行較短距離就會(huì)損壞，甚至無(wú)法爬行。為了找出問(wèn)題的癥結(jié)，在5?2″套管中做了牽引器機(jī)械零件磨損與牽引臂張開(kāi)位移大小的實(shí)驗(yàn)，并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)（表1）。

表1 牽引器動(dòng)能與牽引臂張開(kāi)位移大小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，儀器串在水平狀態(tài)下運(yùn)移，牽引器只需要提供340mA左右電流的能量，對(duì)應(yīng)的牽引臂張開(kāi)的位移就可達(dá)到43～44cm，隨著牽引臂張開(kāi)位移的增加，牽引器消耗的能量快速上升，加快了設(shè)備零部件的損耗。為了降低儀器串的滾動(dòng)摩擦阻力，總結(jié)出了以下兩點(diǎn)。

1）根據(jù)下井儀器的質(zhì)量，調(diào)節(jié)扶正器的支撐力，一般大于儀器總質(zhì)量的20%～30%。

2）牽引器帶動(dòng)儀器運(yùn)移時(shí)，牽引臂張開(kāi)位移不得大于其在最小動(dòng)能時(shí)張開(kāi)位移的2cm。

2.1.3 降低儀器內(nèi)部動(dòng)能損耗

牽引器通過(guò)電機(jī)將動(dòng)力傳遞給中心軸，利用錐齒輪完成動(dòng)力換向，由鏈條傳遞給鏈輪，最后將動(dòng)力傳遞給與套管壁緊貼的兩對(duì)互成90°夾角的交叉驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程需由200多個(gè)零件配合完成，這些零件因組裝或磨損都會(huì)產(chǎn)生較大誤差，致使?fàn)恳髟陂L(zhǎng)距離爬行時(shí)，動(dòng)能內(nèi)耗猛增，牽引效果受到嚴(yán)重影響。為此，要求：測(cè)井后必須將所有機(jī)械零、部件拆開(kāi)，分別進(jìn)行保養(yǎng)，使組裝后每個(gè)零件的誤差 ＜0.5mm；當(dāng)零件損耗造成的誤差 ＞0.5mm時(shí)，必須更換零件；當(dāng)牽引器連續(xù)運(yùn)移2 000m或遇阻牽引電流 ＞1 200mA時(shí)，必須更換所有消耗件；組裝后無(wú)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)30min，牽引負(fù)載應(yīng) ＜1kg。

2.2 各種曲率半徑水平井測(cè)井

如果牽引器和下井儀器連接起來(lái)長(zhǎng)度超過(guò)13m，那么在通過(guò)較大狗腿度井段時(shí)，牽引器就很容易在承受壓力最弱的牽引部位發(fā)生不同程度的局部變形?？梢酝扑愠鲈诓煌坠軆?nèi)儀器串通過(guò)井眼最大曲率需要的剛性長(zhǎng)度（圖2）。根據(jù)直角三角形邊長(zhǎng)關(guān)系可得：

式1中：L－儀器總長(zhǎng)度，m；

d－儀器外徑，mm；

D－套管內(nèi)徑，mm；

R－井眼彎曲半徑，m。

通過(guò)計(jì)算可以得到彎曲半徑和曲率表達(dá)式：

將儀器串總長(zhǎng)度、儀器外徑及套管內(nèi)徑代入式2、3，可得到測(cè)井儀器串在套管中移動(dòng)所需的最小曲率。目前，當(dāng)牽引器攜帶測(cè)井儀器（總長(zhǎng)為13m）在5?2″套管中移動(dòng)時(shí)，就容易受到大狗腿度的限制。為解決這一問(wèn)題，研制了單芯柔性短節(jié)，并將其安裝在儀器的不同位置，以增大儀器串的剛性長(zhǎng)度。多口大狗腿度水平井的應(yīng)用表明，施工效果良好，滿足了各種曲率半徑的水平井施工需要。

圖2 井眼最大曲率與儀器剛性長(zhǎng)度關(guān)系

2.3 水平井測(cè)井資料質(zhì)量的提高

在測(cè)井過(guò)程中，儀器串由于受到電纜釋放的旋轉(zhuǎn)力矩的作用會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，造成RIB測(cè)量扇區(qū)位置發(fā)生相對(duì)變化，致使兩次測(cè)量結(jié)果的差異較大，給解釋工作帶來(lái)一定難度。如SH某井，從其測(cè)井成果圖（圖3）可以看出，兩次測(cè)量結(jié)果差異較大。為使電纜的旋轉(zhuǎn)力矩不傳遞給測(cè)井儀器，消除儀器的旋轉(zhuǎn)，研制了與JHYQA型牽引器配套的專(zhuān)用單芯旋轉(zhuǎn)短節(jié)。通過(guò)在儀器串頂部添加旋轉(zhuǎn)短節(jié)的方法，釋放來(lái)自電纜上的旋轉(zhuǎn)力矩，使得井下儀器的姿態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，從而提高RIB測(cè)井資料的質(zhì)量。

圖3 SH某井RIB兩次測(cè)量結(jié)果圖

3 牽引器的應(yīng)用

3.1 長(zhǎng)距離水平井的應(yīng)用

焦頁(yè)A井是涪陵頁(yè)巖氣示范區(qū)的一口水平井，井深為5 370m，最大井斜為87°，5?2″套管下深為5 364.5m，浮箍深度為5 364.5m。牽引器與4支扶正器、1支柔性短節(jié)、1支旋轉(zhuǎn)短節(jié)和RIB儀器組成井下儀器串，儀器串依靠重力下放到3 187m，張開(kāi)推靠臂移動(dòng)至40.1cm，供電，牽引儀器串，經(jīng)過(guò)40.3，40.7，41.1等不同的推靠位移，共采用4種牽引動(dòng)力，供電電流由400mA逐步加大到760mA。經(jīng)10h后，儀器串牽引至5 292m，牽引長(zhǎng)度為2 105m，很好地完成了固井質(zhì)量評(píng)價(jià)任務(wù)（圖4）。

圖4 焦頁(yè)A井部分固井質(zhì)量成果圖

3.2 復(fù)雜井眼環(huán)境水平井的應(yīng)用

黃B井，完鉆井深為3 035m，造斜點(diǎn)位于2 400m，最大井斜為90.8°，5?2″套管下深為3 005m。于2012年1月28日進(jìn)行固井質(zhì)量監(jiān)測(cè)，牽引器掛接RIB儀器，依靠重力下放到257 1m，給牽引器供電，推動(dòng)儀器，當(dāng)儀器推進(jìn)到2 663m時(shí)，牽引電流突然從650mA迅速達(dá)到1 950mA，起出儀器，進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)牽引器牽引電機(jī)被燒壞。更換第二支牽引器，從2 579m開(kāi)始推動(dòng)儀器，到2 714m牽引電流突然達(dá)到1 890mA，隨后電流變?yōu)?40mA，反復(fù)牽引，電流始終為140mA，起出儀器，進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)軸銷(xiāo)子被切斷。兩次引起供電電流迅速增大、儀器發(fā)生故障的原因是由于套管內(nèi)壁大量水泥將牽引器機(jī)械部位填滿（圖5），牽引輪被卡死，電機(jī)能量無(wú)法釋放所致。在甲方對(duì)該井進(jìn)行鉆塞、洗井等處理后，進(jìn)行第三次測(cè)井，這次，牽引器一次將儀器順利送至目的層。

圖5 黃某井測(cè)后牽引器機(jī)械部位

3.3 大斜度水平井的應(yīng)用

陵C井，完鉆井深為2 908m，最大井斜角為97°，5?2″套管下深為2 890m。2012年6月17日，用牽引器輸送聲波變密度儀器進(jìn)行固井質(zhì)量監(jiān)測(cè)，儀器靠重力下放到1 950m，給牽引器供電，推動(dòng)儀器，經(jīng)4h連續(xù)傳輸，順利地完成了該井固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)工作。軟件計(jì)算的儀器串運(yùn)移中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)驗(yàn)證了這一結(jié)果（圖6）。

圖6 軟件計(jì)算的陵某井各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)

4 認(rèn)識(shí)與建議

1）JHYQ－A型牽引器的研制滿足了水平井施工難度大和輸送距離長(zhǎng)的需求。該牽引器已累計(jì)使用150多井次，測(cè)井成功率超過(guò)86%，成為江漢油田水平井固井質(zhì)量檢測(cè)的主要輸送工具。

2）造成牽引器嚴(yán)重?fù)p壞的實(shí)例說(shuō)明，不良的井筒環(huán)境不僅影響測(cè)井成功率，而且容易造成牽引器的損壞，從而增加維修成本。因此，為了保證測(cè)井順利，在測(cè)井前甲方必須對(duì)井筒進(jìn)行鉆塞、洗井等作業(yè)，以確保井筒無(wú)雜物和其它工具。

3）牽引器應(yīng)用廣泛，能完成管具輸送工藝無(wú)法進(jìn)行的水平井測(cè)井項(xiàng)目，如水平井注入剖面、產(chǎn)出剖面、儲(chǔ)層參數(shù)評(píng)價(jià)及套管質(zhì)量檢查等測(cè)井項(xiàng)目。

［1］王兆東，韓濤.拖拉器原理及其在水平井生產(chǎn)測(cè)井中的應(yīng)用［J］.國(guó)外測(cè)井技術(shù)，2006（06）：36－39.

［2］朱林，吳松平.水平井測(cè)井儀器牽引爬行器的設(shè)計(jì)［J］.新技術(shù)新工藝，2007，41（12）：32－34.

［3］石元會(huì)，陳四平，肖世匡，等.水平井測(cè)井牽引機(jī)器人輸送技術(shù)及其應(yīng)用［J］.中國(guó)化工設(shè)備，2014，S1：396－400.

［4］張勇，高德利，陳亮帆，等.水平井電纜牽引器驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)優(yōu)化［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44（01）：30－33.

［5］李湘濤，秦羽喬，陳四平，等.水平井測(cè)井儀器輸送技術(shù)及其應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2014，42（08）：98－102.