哈里伯頓卡點指示儀的原理及應(yīng)用

韓知明

(中國石油長城鉆探工程公司國際測井公司 北京 100101)

0 引 言

在石油鉆井過程中，多種原因會導(dǎo)致鉆具卡住，俗稱卡鉆，卡鉆也是鉆井作業(yè)施工中經(jīng)常發(fā)生的事故[1]。在井隊無法自行解卡時，就需要進行其他的鉆具回收作業(yè)，如爆炸松扣、鉆具切割等。這時就要高效準確地確定鉆具卡點位置。當(dāng)前常用的卡點指示儀多為錨定式或類似結(jié)構(gòu)，屬于應(yīng)力探測測井儀器，根據(jù)虎克定律和電磁感應(yīng)原理設(shè)計，通過高靈敏度的應(yīng)力探測器探測上下錨之間的扭轉(zhuǎn)量和拉伸量來判斷探測位置鉆具的自由程度[2]。該種儀器需要重復(fù)多次錨定和測量來判斷鉆具卡點的位置，測量時需要多次提拉或旋轉(zhuǎn)鉆具，操作復(fù)雜，作業(yè)效率比較低。這就需要有一種新的測量方法和測量儀器來簡化操作流程，提高作業(yè)效率，減少損工時間。

新一代哈里伯頓卡點指示儀(HFPT)由于采用了全新的測量理論和方法，作業(yè)時不需要重復(fù)多次錨定儀器，也不需要多次提拉或旋轉(zhuǎn)鉆具，具有可以不間斷連續(xù)測量、操作簡單可靠、作業(yè)效率高、施工時間短、測量數(shù)據(jù)直觀準確等優(yōu)點，是一種先進的卡點測量儀。本文從原理、組成和應(yīng)用等方面介紹哈里伯頓卡點指示儀(HFPT)，以期為卡點測量作業(yè)提供有益參考。

1 HFPT工作原理、組成及特點

1.1 HFPT設(shè)計及工作原理

HFPT卡點指示儀利用了鐵磁性物質(zhì)具有的逆磁致伸縮效應(yīng)。所謂逆磁致伸縮效應(yīng)是指給已磁化的鐵磁性物質(zhì)施加應(yīng)力后，其磁場狀態(tài)會發(fā)生變化[3]，其內(nèi)部磁疇排列、自發(fā)磁化的狀態(tài)會發(fā)生變化，如圖1所示。鐵磁性物體未被磁化前，物體磁疇磁矩取各種方向，相互抵消，對外不顯磁性，如圖1(a)所示；施加磁場后，物體內(nèi)部的磁疇磁矩發(fā)生變化，無法再相互抵消，對外顯示磁性如圖1(b)所示。磁化后的物體，在受到機械應(yīng)力作用后，內(nèi)部的磁疇磁矩又會發(fā)生變化，對外顯示不同于未受應(yīng)力作用時的磁場狀態(tài)[4]，如圖1(c)、(d)所示。

圖1 物質(zhì)磁化過程及外加機械應(yīng)力對磁化過程的影響示意圖

根據(jù)逆磁致伸縮效應(yīng)理論，當(dāng)扭矩或拉力作用于自由狀態(tài)的已經(jīng)被磁化的鉆具時，其磁場狀態(tài)將發(fā)生變化，而扭矩或拉力無法作用于非自由狀態(tài)的鉆具上，所以非自由狀態(tài)鉆具的磁場狀態(tài)將保持不變。利用這一特性，通過使用內(nèi)置于儀器內(nèi)部的多分量高靈敏度磁傳感器測量被磁化的鉆具在扭矩或拉力作用前后的磁場狀態(tài)，通過前后兩次測量對比即可確定自由狀態(tài)鉆具和非自由狀態(tài)鉆具的分界點，即鉆具的卡點。

圖2為HFPT卡點指示儀磁傳感器測量示意圖。作業(yè)時，在儀器下部安裝一個永磁體，用于磁化其周圍的鉆具。儀器內(nèi)有8個磁傳感器電路板來測量周圍鉆具被磁化后的磁場狀態(tài)，包含4個徑向磁傳感器板，4個切向磁傳感器板，每個磁傳感器板又各包含1個縱向測量，共計得到16個測量值[5]。測量的數(shù)據(jù)通過儀器的電子線路上傳到地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過一系列的信號處理，對測量的信號進行疊加處理，最終輸出1條數(shù)字化的API標準曲線，被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄并顯示在操作界面上。

圖2 HFPT卡點指示儀磁傳感器測量示意圖

1.2 HFPT卡點指示儀的組成和功能

HFPT卡點指示儀共分為4個部分：上下扶正器、永磁鐵、磁性探頭、電子線路部分。HFPT卡點指示儀組成圖如圖3所示。

1)上下扶正器對儀器進行居中扶正，無錨定功能，提高測量精度和準確度。

2)永磁鐵用于產(chǎn)生磁場，磁化儀器周圍的鉆具。

3)探頭內(nèi)有內(nèi)置的高靈敏度的磁傳感器，探測周圍鉆具的磁場，并把測量數(shù)據(jù)傳送給電子線路。

4)電子線路為探頭內(nèi)的磁傳感器板提供合適的工作電壓，把探頭測量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號，把電信號增強后上傳到地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該電子線路短節(jié)中設(shè)置有電源、信號處理和總控芯片等電路和元器件，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性[2]。

圖3 HFPT卡點指示儀組成圖

1.3 HFPT卡點指示儀的特點

常用的錨式卡點指示儀，作業(yè)時需要多次的錨定測量，作業(yè)時間長，作業(yè)效率低，且影響測量的因素很多，比如扭矩或拉力傳輸情況、儀器刻度、人為操作因素、井斜等，都能對測量精度和準確度帶來很大的影響。而相比于錨式卡點指示儀，HFPT卡點指示儀具有可以不間斷的連續(xù)測量、操作簡單可靠、作業(yè)效率高、施工時間短、測量數(shù)據(jù)直觀準確等優(yōu)點。只需要連續(xù)下測1條曲線，然后在鉆具施加扭矩或拉力后，再上測1條曲線，2條曲線通過疊加對比即可確定出卡點的準確位置。因為是連續(xù)測量，故作業(yè)時間短，施工效率高，通過特殊的測量原理以及數(shù)據(jù)處理方式，又保障了測量結(jié)果的精度和準確度。此外，不需要額外使用磁定位(CCL)短節(jié)，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理和計算，地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠給出1條磁定位(CCL)曲線，縮短了下井儀器長度，減少了下井儀器數(shù)量。

2 操作步驟及注意事項

為了加快卡點測量效率，節(jié)省作業(yè)時間，在進行卡點測量前，強烈建議通過管串拉伸計算法估算卡點深度，即給井內(nèi)鉆具施加一定的拉力。根據(jù)鉆具的拉伸量來計算卡點的方法，為后續(xù)卡點測量提供大致的參考區(qū)間，提高作業(yè)效率。

首先，按照儀器標準操作流程，設(shè)置地面采集系統(tǒng)及軟件各參數(shù)和檔位，在地面連接儀器，對儀器進行地面供電檢查和調(diào)試，并用校驗筒對儀器狀態(tài)進行檢驗，確保儀器工作響應(yīng)正常，測量準確。

其次，根據(jù)估算的卡點深度，參照井內(nèi)的鉆具組合類型，計算確定卡點以上管串的正常懸重值以及后續(xù)作業(yè)時需要的上提拉力附加值以及施加正旋扭矩所需的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)?？c測量步驟：

1)把遇卡的管串上提至正常懸重狀態(tài)，斜井可以適當(dāng)增加提拉力10%～15%，然后把儀器串下入被測量的管串內(nèi)，直到距離估算的卡點之上100 m處停止下放。

2)在地面系統(tǒng)軟件上操作儀器開始向下測量并記錄測量結(jié)果，下側(cè)至估算的卡點之下100 m或可以抵達的最深安全深度，然后停止測量，保存測量的結(jié)果。

3)給管串施加提拉力至管串破斷力的80%，然后上下活動管串，目的是通過活動管串，讓提拉力能夠順利地傳遞到整個自由管串上。尤其是斜井，需要適當(dāng)增加上下活動次數(shù)，注意活動管串時最大上提拉力不要超過管串破斷力的80%，活動管串時注意保護測井電纜。

4)繼續(xù)保持提拉力為管串破斷力的80%狀態(tài)，在地面系統(tǒng)軟件上操作儀器開始向上測量并記錄測量結(jié)果，上側(cè)至估算的卡點之上100 m，然后停止測量，保存測量的結(jié)果。

5)在地面操作系統(tǒng)軟件中整合疊加兩次測量的結(jié)果，通過兩次測量結(jié)果疊加曲線的對比，曲線重疊部分為非自由狀態(tài)鉆具測量結(jié)果，曲線分離部分為自由狀態(tài)鉆具測量結(jié)果，而兩部分的交界點既是卡點。

此外，還可以通過對管串施加旋轉(zhuǎn)正扭矩，然后測量施加扭矩前后的結(jié)果，同樣也可以得到1個卡點深度。2個卡點深度對比核對，即可互相驗證卡點深度是否準確真實。具體的操作流程如下：

1)把遇卡的管串上提至正常懸重狀態(tài)，斜井可以適當(dāng)增加提拉力10%～15%。

2)在地面系統(tǒng)軟件上操作儀器從估算的卡點之上100 m處開始向下測量并記錄測量結(jié)果，下側(cè)至估算的卡點之下100 m或可以抵達的最深安全深度，然后停止測量，保存測量的結(jié)果。

3)在井口正向旋轉(zhuǎn)鉆具，然后上下活動管串，目的是通過活動管串，讓正向的旋轉(zhuǎn)扭矩能夠順利地傳遞到整個自由管串上，尤其是斜井，需要適當(dāng)增加上下活動次數(shù)，活動管串時注意保護測井電纜。在此步驟中，建議施加最大量的正向旋轉(zhuǎn)扭矩，讓管串受到足夠扭矩作用的同時充分擰緊鉆具連接絲扣，為后續(xù)爆炸松扣作業(yè)做好準備，對于卡點較深的情況，需要施加的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)會較多，這種情況下可以分多次施加旋轉(zhuǎn)扭矩的方式，即施加幾圈后，上下活動管串，然后再施加幾圈，再上下活動管串。

4)旋轉(zhuǎn)扭矩施加完成后，在地面系統(tǒng)軟件上操作儀器開始向上測量并記錄測量結(jié)果，上側(cè)至估算的卡點之上100 m，然后停止測量，保存測量的結(jié)果。

5)在地面操作系統(tǒng)軟件中整合疊加2次測量的結(jié)果，通過2次測量結(jié)果疊加曲線的對比，曲線重疊部分為非自由狀態(tài)鉆具測量結(jié)果，曲線分離部分為自由狀態(tài)鉆具測量結(jié)果，而兩部分的交界點既是卡點。

3 應(yīng)用實例

國外某油田某井，在鉆進至約2 200 m時，發(fā)生卡鉆，井隊經(jīng)過嘗試無法順利解卡，然后甲方通知測井公司使用測卡儀器測量卡點，并通過爆炸松扣解決卡鉆問題。測井公司本次測卡作業(yè)使用了哈里伯頓HFPT測卡儀，對該井遇卡管串進行了測量，分別通過施加提拉力和正扭矩2種方式進行了2次測量，得到了2個測量卡點深度：提拉力測量卡點深度為2 119.8 m，扭矩測量卡點深度為2 120 m，如圖4所示。

圖4 HFPT卡點指示儀在國外某井實際測量結(jié)果

通過測量結(jié)果對比，2個卡點深度大致吻合，一致性比較高。經(jīng)過甲方的同意，測井小隊按照測量的卡點深度，對卡點之上的第1個鉆具接箍進行了爆炸松扣作業(yè)，一次作業(yè)成功，解卡的所有鉆具起出井后，經(jīng)過檢查核對，松扣位置準確，無明顯外觀損傷，作業(yè)十分成功，說明該測卡儀測量結(jié)果比較可靠，同時測卡作業(yè)時間也很短，相比于錨定式測卡儀作業(yè)效率較高，優(yōu)勢比較明顯。

本次測卡作業(yè)中共進行了提拉和旋轉(zhuǎn)2種方式測量，測量距離150 m，測量時測井速度為10 m/min，只計算實際測卡時間在2 h之內(nèi)，測量過程中共施加2次正常懸重，施加1次80%破斷力的提拉力，施加1次正向旋轉(zhuǎn)扭矩。如果采用常規(guī)的錨定式測卡儀，要獲得準確的卡點，首次使用提拉力或扭矩方式測量時，需要在估算的卡點上下測量至少5～7個點才能獲得卡點位置，第2次采用扭矩方式測量時，可以減少測點數(shù)量，2種方式測量共計需要至少8～10個點，而且每個測點都需要重復(fù)對管串施加提拉力或扭矩，重復(fù)錨定儀器、釋放電纜、測量、回收儀器等操作，所以實際測卡時間將達到3～4 h，甚至更長。而且多次地施加較大的提拉力或正向旋轉(zhuǎn)扭矩，作業(yè)過程中風(fēng)險較高。實際作業(yè)中還發(fā)現(xiàn)，如果前一次的提拉力或扭矩未能充分釋放掉，殘余的提拉力或扭矩會對測量產(chǎn)生干擾，影響測量結(jié)果和測量效率。所以通過對比，該新型儀器，無論是從作業(yè)效率還是作業(yè)風(fēng)險性等方面，優(yōu)勢比較明顯。

4 結(jié)束語

哈里伯頓卡點指示儀(HFPT)通過應(yīng)用新的測量理念和測量原理，形成了一種新的測量方法，該測量方法不論從測量準確度還是測量效率上都是十分優(yōu)秀的。石油工程作業(yè)現(xiàn)場存在太多的影響和變化因素，都會影響儀器測量結(jié)果的準確性、可靠性及一致性，這就需要作業(yè)人員具有充足的作業(yè)經(jīng)驗和較高的作業(yè)技能來彌補。本文僅通過介紹該儀器的基本原理和作業(yè)實例，為石油鉆井過程中卡點測量作業(yè)提供一種新的可選方法。