超聲波測量鉆井卡點的方法研究

李海 劉忠松 薛博

【摘 要】在鉆井過程中，由于吸附、井塌、泥包、頓鉆、落物、井徑收縮、巖屑堆積、內(nèi)外壓差等原因，常造成鉆具卡鉆工程事故。目前測量鉆具卡鉆點的方法有扭矩式和注磁式兩種，這兩種方法都存在各自的弱點，導(dǎo)致施工時間長，測量卡點位置不準確。論文首次提出了超聲波測量鉆井卡點的新方法，并分析了通過記錄超聲波單發(fā)雙收的鉆桿首波衰減和垂直井壁超聲反射波尾波震蕩衰減的方法，來確定鉆具卡點的方式、厚度、砂埋深度和壓實系數(shù)等狀況。這為后期工程松爆施工作業(yè)提供了一種更安全高效的全新測量方式。

【Abstract】In the process of drilling， engineering accidents are often brought by drilling tool stuck which are caused by adsorption， well collapse， mud balling， cable drilling， falling objects， diameter shrinkage， debris accumulation and Ladder differential pressure. At present， there are two methods to measure the stuck points of drilling tools， torque type and magnetic injection type. Both of these methods have their own weaknesses， which lead to long construction time and inaccurate measurement of stuck points. This paper puts forward a new method of ultrasonic measurement of drilling stuck points for the first time. The attenuation either the first wave along with drill pipe by single-emission & double-receiving or the oscillation tail wave reflected from ultrasonic wave of vertical borehole wall is analyzed .The Amplitude decay rate can determine the way， thickness， depth of sand and compaction coefficient of clamping， which provides a new and more safe measurement method for loose blasting construction.

【關(guān)鍵詞】卡鉆;錨定式測卡儀;首波;超聲波;扭矩;壓實系數(shù)

【Keywords】stuck; anchored card tester; head wave; ultrasonic; torque; compaction coefficient

【中圖分類號】TE242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069 （2020） 01-0169-02

1 引言

在油田勘探和開發(fā)過程中，盡管鉆井水平和工藝日益成熟，但石油工程是一項極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜和人為等原因都有可能造成在鉆井過程中發(fā)生鉆具卡鉆的工程事故。

工程上卡鉆的類型有很多種，主要有鍵槽卡鉆、沉砂卡鉆、井塌卡鉆、壓差卡鉆、縮徑卡鉆、落物卡鉆、砂橋卡鉆、泥包卡鉆及鉆具脫落下頓卡鉆等。為滿足后續(xù)鉆進作業(yè)及松爆施工的需要，判斷鉆具卡點位置、卡鉆類型和方式就顯得尤為重要，而石油工程測卡儀器是測量和判斷鉆具卡點位置強有力的武器。目前工程卡點測量方式通常采用注磁式和扭矩式這兩種測卡方法。

注磁式測卡儀器通過比較自由部分和卡點部分磁信號幅度的大小可大致確定卡點位置。但由于鉆具油管這類物質(zhì)的居里點都遠在100℃以上，扭動拉伸管具這種消磁方式在低溫下消磁不明顯。所以注磁式測卡儀對鉆鋌卡點位置的判斷十分困難。

扭矩式測量方式大多使用錨定式測卡儀，操作煩瑣復(fù)雜、施工時間長。扭矩式測量儀器受井內(nèi)管具長度的影響較大，超深井施工時，上部鉆具如果承受很大拉力和扭矩，容易對管具造成損傷;如果過于謹慎，拉力和扭矩傳不到卡鉆點或者非常微弱又導(dǎo)致測卡點不準確。

以上兩種測卡方式都無法確定卡點方式（砂埋、掉塊、點卡）以及砂埋深度、厚度等情況。

2 超聲波測卡的理論基礎(chǔ)

聲波水泥膠結(jié)和變密度測井能夠很好地測量固井質(zhì)量的好壞。同樣，與固井質(zhì)量相似的鉆具卡點測量也同樣應(yīng)該可以用聲波來測量，只是卡鉆場景與常規(guī)水泥膠結(jié)測量不同，水泥膠結(jié)的物質(zhì)是單一的水泥，而卡鉆由于卡鉆類型不同導(dǎo)致鉆桿外側(cè)的物質(zhì)屬性不同，聲阻抗差異化極大。鉆桿外側(cè)物質(zhì)的不同密度、不同粒度、不同接觸面積及疏密程度等因素對卡鉆波形的影響也不同。因此，聲波測量卡點的優(yōu)勢在于它能測量卡點的方式（砂埋、掉塊、點卡）以及沙埋深度、厚度。

空聲波測量鉆桿遇卡屬于井孔聲場問題，是一種通過計算遇卡和自由狀態(tài)下聲場的不同響應(yīng)規(guī)律，來確定聲波儀器的測量方案。目前有兩種方法均可以用來對卡點的測量。

2.1 通過記錄單發(fā)雙收的鉆桿首波衰減規(guī)律表征卡鉆特性

采用單發(fā)射～雙接收的測量方法。假設(shè)儀器是居中位于鉆桿中心軸處的軸對稱單極模式，模擬沿鉆具傳播的鉆桿波（首波）響應(yīng)，分析鉆桿波在不同頻率下的傳播速度，著重研究鉆桿波在不同接收器的幅度并評價其衰減率，分析衰減率與鉆具外介質(zhì)參數(shù)的定量關(guān)系。中科院聲學(xué)所在前期的預(yù)研中，已經(jīng)初步證實利用這種測試方法可以明顯識別自由鉆具時首波衰減率較小，而在卡井鉆具內(nèi)腔的鉆桿波衰減率則明顯增強，如圖1所示。

2.2 記錄垂直井壁超聲反射波尾波震蕩衰減情況的評價方法

借鑒固井質(zhì)量套后評價，擬采用自發(fā)自收超聲換能器放置在鉆鋌內(nèi)腔并垂直于鉆鋌壁發(fā)射～接收，假設(shè)當鉆鋌能在井中自由運動時，鉆鋌與地層井壁之間填充泥漿;而當鉆鋌在井中卡住時，鉆鋌與井壁間為泥土。

模擬當鉆鋌和地層之間分別為泥漿和泥土時的接收響應(yīng)，尤其關(guān)注反射震蕩尾波的衰減情況，如圖2所示。數(shù)值模擬所用的模型參數(shù)如表1所示。

實驗分別模擬了頻率為200kHz、300kHz、400kHz三種情況下的反射波響應(yīng)（圖2為300 kHz時的反射波響應(yīng)）。假設(shè)脈沖寬度固定為20s，由于模型為多層結(jié)構(gòu)，垂直入射的超聲波產(chǎn)生多次來回反射，形成震蕩尾波的形態(tài)。當鉆鋌與地層之間為泥土時，因鉆鋌、泥土和地層均為固體，能量易于向外泄漏，因此震蕩尾波的幅度衰減較為明顯（紅線）;但當鉆鋌和地層間為泥漿時，因泥漿與鉆鋌的波阻抗差異較大，震蕩尾波的衰減較為緩慢（黑線），如圖2所示。

3 設(shè)計測卡環(huán)境模擬實驗研究

建立與卡鉆環(huán)境相吻合的模擬實驗?zāi)Ｐ秃头桨甘浅暡y量卡鉆成敗的關(guān)鍵。

卡鉆模擬實驗與常規(guī)水泥膠結(jié)實驗不同，主要由于卡鉆類型不同導(dǎo)致鉆桿外側(cè)的物質(zhì)屬性不同，這些物質(zhì)有掉塊、泥土、異物，還有導(dǎo)致卡鉆的吸附、縮徑、壓差等非物質(zhì)的因素，這導(dǎo)致鉆具與這些因素之間的聲阻抗差異極大。模擬實驗必須盡量具備這些相關(guān)的構(gòu)件，才能模擬真實的卡鉆環(huán)境。

卡鉆模擬實驗主要模擬沉砂卡鉆，井塌卡鉆和壓差卡鉆三種卡鉆類型。基于鉆桿外側(cè)物質(zhì)的模擬分析，根據(jù)不同密度、不同粒度、不同接觸面積等因素對卡鉆波形的影響，設(shè)計卡鉆環(huán)境模擬實驗井。然后基于數(shù)值模擬結(jié)果分析發(fā)射器的激發(fā)頻率、帶寬、換能器間距、鉆桿內(nèi)徑、壁厚、泥土/地層特性，卡鉆段長度等因素，為未來的儀器設(shè)計提供最優(yōu)化的方案。

4 結(jié)語

超聲波測量鉆井卡點是一個全新的研究課題，迄今為止還沒有公開發(fā)表過相關(guān)的理論研究論文和相應(yīng)的儀器面世。論文提出的兩種測量方案都要建立在實踐的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化選擇或者針對不同的測量對象出現(xiàn)兩條應(yīng)用上的分支，以便研究不同的卡鉆類型和條件。

超聲波測量鉆井卡點成功的關(guān)鍵是建立標準的模擬實驗井和相應(yīng)的解釋圖版以及儀器的刻度校驗方法，為未來的超聲波測卡儀器的研制和應(yīng)用提供強大的理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。

超聲波測卡可以不間斷地測量管外砂埋深度、長度、壓實系數(shù)等狀況，并快速確定卡點位置、卡點類型和卡點方式（砂埋、掉塊、點卡），未來應(yīng)用前景將十分廣闊。