電纜式地層測試器異向推靠解卡裝置的研制

秦小飛, 馮永仁, 張國強(qiáng), 宋萬廣, 褚曉冬, 王磊

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院, 北京 101149; 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司工程技術(shù)作業(yè)中心, 天津 300452; 3.中海油田服務(wù)股份有限公司油技塘沽作業(yè)公司, 天津 300452)

0 引 言

電纜式地層測試器在井下進(jìn)行測壓取樣時(shí),定點(diǎn)工作時(shí)間較長,特別是進(jìn)行地層流體取樣耗時(shí)長達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí),甚至十多個(gè)小時(shí)。因此地層測試器在作業(yè)中,遇卡的幾率比其他測井儀器更大。在測井過程中儀器遇卡,正確判斷遇卡方式才能制定正確的解卡方案[1]。如地層測試器或電纜在井下被卡,必須中斷測試進(jìn)行解卡,如解卡不成功則需進(jìn)行打撈,從而增加了測試成本,影響測試工作的正常進(jìn)行[2]。

電纜式地層測試器EFDT設(shè)計(jì)了雙探針、雙支撐臂結(jié)構(gòu)[3],井下推靠坐封時(shí),探針及支撐臂能將儀器固定在井壁上,可放松電纜測井,避免了泥漿吸附電纜卡。地層測試器在泥漿柱壓力和地層壓力的差壓作用下容易形成泥漿吸附儀器卡[4],目前沒有有效、經(jīng)濟(jì)的解卡手段,大多采用成本高、耗時(shí)長的穿心打撈方法解卡。EFDT現(xiàn)場作業(yè)也曾發(fā)生過儀器吸附卡,采用穿心打撈解卡。穿心打撈一般耗時(shí)2 d左右,近海平臺(tái)占井費(fèi)約人民幣30萬元/d,深水平臺(tái)占井費(fèi)高達(dá)50萬美元/d,穿心打撈成本高達(dá)60萬元以上。因此,有必要研發(fā)一種解卡裝置,對(duì)儀器吸附卡進(jìn)行有效解卡。異向推靠解卡裝置是一種全新的地層測試器解卡裝置,采用液壓推靠方式,從地層測試器推靠坐封垂直的方向推靠解卡,避免穿心打撈。

1 儀器吸附卡成因及解卡分析

1.1 儀器吸附卡成因分析

地層測試器推靠坐封裝置由坐封探針和支撐臂組成。坐封探針由活塞桿及套在活塞桿頂端的橡膠蓋組成,當(dāng)探針推靠井壁時(shí),橡膠變形并緊密貼住井壁,將橡膠蓋中間部分與井筒液分隔開并形成密封。當(dāng)裸眼井井徑與地層測試器推靠坐封裝置直徑(包括探針護(hù)板在內(nèi))差距不大時(shí),坐封探針不需要高出護(hù)板太多即可形成坐封。地層測試器推靠坐封時(shí),護(hù)板、探針和泥餅容易吸附在一起,吸附力推動(dòng)儀器貼近井壁,造成儀器吸附卡。

FS=(pm-pf)S

(1)

式中,pm為井筒泥漿柱壓力;pf為地層壓力;S為泥漿與儀器接觸面積;FS為吸附力。

1.2 儀器吸附卡解卡分析

各大油田技術(shù)服務(wù)公司在電纜式地層測試器上完善了防卡解卡措施與裝置,包括儀器的改進(jìn)和輔助裝置的設(shè)計(jì)。如飛輪扶正器降低了儀器下放的阻力,聚焦式坐封探針減少了儀器取樣時(shí)間,降低了儀器遇阻遇卡風(fēng)險(xiǎn)[5]。地層測試器在泥漿比重大、測井深度較深、泥餅比較厚且定點(diǎn)作業(yè)時(shí)間長的情況下,極容易發(fā)生泥漿吸附卡[4]。儀器吸附卡時(shí),可采用繃?yán)娎|解卡[6]、振動(dòng)沖擊解卡器振動(dòng)沖擊解卡。該類遇卡由于地層測試器探針及護(hù)板與井壁吸附比較緊密,故解卡拉力較大,繃?yán)娎|解卡及振動(dòng)解卡器對(duì)儀器吸附卡效果有限,有時(shí)只能采用穿心打撈方式解卡[7]。

2 異向推靠解卡裝置設(shè)計(jì)

2.1 異向推靠解卡裝置方案設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)貙訙y試器吸附卡后,儀器固定在井壁上,探針和支撐臂張開、收回只能相對(duì)于儀器運(yùn)動(dòng),而儀器保持不動(dòng)。所以即使不斷的張開、收回探針,也不能推動(dòng)儀器解卡。通過繃?yán)娎|解卡,如電纜張力達(dá)到了安全值,且仍不能解卡,則只能采用穿心打撈解卡。穿心打撈鉆桿的拉力為FP(見圖1),鉆桿拉力FP與吸附力FS的關(guān)系見式(2)。據(jù)現(xiàn)場穿心打撈數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),鉆具過提10～30 kN,可解除儀器吸附卡。儀器與泥餅之間靜摩擦系數(shù)為0.8,可算出差壓粘卡力FS大約為12.5～37.5 kN。

FP+Ff-G=kFS

(2)

式中,FP為鉆桿拉力;Ff為浮力;G為儀器重力;k為儀器與泥餅之間靜摩擦系數(shù);FS為吸附力。

圖1 地層測試器穿心打撈受力分析

異向推靠解卡裝置解卡臂與雙探針和支撐臂張開成一定角度的夾角,推動(dòng)儀器解卡(見圖2)。

TR=FR·sinθ·r

(3)

式中,TR為異向推靠解卡力矩;r為儀器推靠器有效半徑;θ為解卡臂與雙探針夾角;FR為異向推靠解卡力。

圖2 地層測試器異向推靠解卡受力分析

異向推靠解卡裝置單個(gè)解卡臂解卡力可達(dá)19 kN,2個(gè)解卡臂共產(chǎn)生解卡力38 kN。解卡力與吸附力成正反方向解卡時(shí),能解除最大吸附力38 kN。解卡力與吸附力成一定夾角時(shí),通過轉(zhuǎn)矩方式更容易解卡。結(jié)合現(xiàn)場穿心打撈數(shù)據(jù)分析,該解卡方式能解除儀器吸附卡。由式(3)可知,當(dāng)解卡臂與雙探針夾角θ為90°時(shí),解卡臂解卡力矩最大,解卡效果最好,因此解卡臂設(shè)計(jì)為與雙探針伸出方向成90°夾角。異向推靠解卡裝置由2個(gè)功能完全相同的異向推靠解卡短節(jié)組成(見圖3)。2個(gè)異向推靠解卡短節(jié)分別位于地層測試器探針短節(jié)的上下方,在儀器吸附卡時(shí),解卡臂伸出將儀器解卡。

異向推靠解卡短節(jié)由2個(gè)方向相反的解卡臂組成,可從正反2個(gè)方向進(jìn)行推靠解卡,2個(gè)解卡臂可單獨(dú)伸開,解卡時(shí)上下異向推靠解卡短節(jié)控制同一方向的解卡臂伸出,側(cè)向推靠解卡后,收回解卡臂,上提儀器。如未能解卡(這種情況在地層測試器偏心的情況下有可能發(fā)生,即解卡臂伸出最大距離后,仍未接觸井壁,未形成有效的側(cè)向推靠力),則同時(shí)伸出反方向的解卡臂,從另一側(cè)進(jìn)行推靠解卡,再上提儀器。

2.2 異向推靠解卡裝置液壓原理

異向推靠解卡裝置的2個(gè)短節(jié)采用模塊式的設(shè)計(jì),機(jī)械、液壓及電氣控制總線式設(shè)計(jì),與地層測試器其他短節(jié)實(shí)現(xiàn)無縫連接。上異向推靠解卡短節(jié)液壓系統(tǒng)主要由5個(gè)兩位三通電磁閥、2個(gè)解卡臂、1個(gè)蓄能器組成(見圖4)。解卡臂1和2的收回腔(有桿腔)通過常開電磁閥SOL3連通蓄能器蓄能腔,通過單向閥和常閉電磁閥5連接到液壓系統(tǒng)壓力油總線,蓄能器蓄能腔管線上設(shè)置有液壓壓力傳感器CLS1,實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄能器蓄能腔壓力。解卡臂1的伸出腔(無桿腔)通過常閉電磁閥SOL1連通液壓系統(tǒng)壓力油總線,解卡臂2的伸出腔(無桿腔)通過電磁閥SOL2連通液壓系統(tǒng)壓力油總線,實(shí)現(xiàn)2個(gè)解卡臂單獨(dú)伸出控制。電磁閥SOL4可對(duì)蓄能器進(jìn)行泄壓,拆卸解卡臂和蓄能器時(shí),必須對(duì)蓄能器進(jìn)行泄壓,保證儀器和操作安全。下異向推靠解卡短節(jié)的液壓原理和上異向推靠解卡短節(jié)相同。解卡臂1和解卡臂3處于同一側(cè),解卡臂2和解卡臂4處于另一側(cè),可伸出這2組解卡臂進(jìn)行推靠解卡。

圖3 異向推靠解卡裝置解卡原理

圖4 異向推靠解卡裝置液壓原理圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

異向推靠解卡裝置與增強(qiáng)地層動(dòng)態(tài)測試器(EFDT)掛接并進(jìn)行室內(nèi)功能測試,EFDT儀器功能正常,解卡裝置解卡臂的張開、收回功能及蓄能器緊急情況下收回解卡臂功能正常。2014年5月,在新疆某試驗(yàn)井,EFDT掛接異向推靠解卡裝置,進(jìn)行了地層測壓取樣測試。EFDT共測壓30個(gè)點(diǎn),取樣2個(gè),測試結(jié)果表明,異向推靠解卡裝置順利掛接到EFDT儀器上,不影響EFDT正常作業(yè)。測試過程中,EFDT在1 922 m處上提遇卡,電纜過提14 kN,仍不能提活儀器,后采用異向推靠解卡裝置推靠解卡,張力瞬間下降并順利解卡,表明異向推靠解卡裝除解決儀器吸附卡外,還具備解除儀器上提遇阻遇卡能力。

圖5 渤海海域BZ某井解卡裝置應(yīng)用*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m;1 mD=0.987×10-3 μm2,下同

2015年5月,異向推靠解卡裝置掛接EFDT在渤海海域BZ某井作業(yè),該井最大井斜10.64°,取樣深度1 664.11 m(見圖5),取樣深度井斜10°,泥漿密度1.19 g/cm3,取樣時(shí)間60 min。取樣時(shí)儀器吸附卡,過提14.5 kN,嘗試2次仍不能解卡。在電纜過提4 kN的情況下,應(yīng)用異向推靠解卡裝置順利解卡。隨后異向推靠解卡裝置下井作業(yè)10次,先后在CFG某井、JZ某井及LD某井,共4次遭遇儀器吸附卡,應(yīng)用解卡裝置均順利實(shí)施解卡,減少平臺(tái)占用時(shí)間8 d,節(jié)省了昂貴的穿心打撈費(fèi),降低了打撈作業(yè)工程風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

(1) 通過分析電纜式地層測試器遇卡成因及防卡解卡措施,針對(duì)儀器吸附卡這一業(yè)內(nèi)難題,成功研制了一種全新的解卡裝置——異向推靠解卡裝置,并在現(xiàn)場應(yīng)用成功。

(2) 基于地層測試器總線式、模塊化設(shè)計(jì)方式,異向推靠解卡裝置實(shí)現(xiàn)了與EFDT機(jī)械、液壓及電氣的無縫連接;

(3) 異向推靠解卡裝置現(xiàn)場應(yīng)用成功,解決了電纜式地層測試器儀器吸附卡的業(yè)內(nèi)難題,增強(qiáng)了地層測試器測井安全性,降低了測井時(shí)遇卡風(fēng)險(xiǎn);

(4) 異向推靠解卡裝置還具備解除儀器上提過程中遇阻遇卡的能力。

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