陳穎杰，韓 雄，徐婧源，鄧傳光，劉 陽，袁和義

(1.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部，四川成都 610041)(2.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢 618300)(3.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川成都 610213)(4.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500)

常規(guī)電纜測井由于受水平井井眼軌跡和地質(zhì)條件限制通常無法進(jìn)行有效測井，而利用隨鉆測井(LWD)和各種鉆桿傳送測井技術(shù)雖然能獲得有效的測井資料，但其作業(yè)成本卻顯著增加。過鉆頭測井(through bit logging，TBL)系統(tǒng)作為一套獨(dú)特且經(jīng)濟(jì)高效的測井系統(tǒng)，因其在大斜度井、水平井測井中具有明顯的優(yōu)勢，近年來得到作業(yè)者的廣泛青睞。如遇到井壁穩(wěn)定性差的井段時(shí)，工程上需要對該井段地層資料進(jìn)行了解，通常采用特殊的鉆具組合，將測井工具從鉆具中心孔道送入井下鉆頭位置進(jìn)行坐掛，形成測井工具前端從鉆頭處伸出的結(jié)構(gòu)，從而通過鉆頭拖動(dòng)測井儀器開展測井作業(yè)［1－2］。因TBL系統(tǒng)需要承受井下高溫高壓環(huán)境，所以其性能指標(biāo)要求很高，開發(fā)難度很大。目前，國際上主要的一些石油服務(wù)公司(如Halibut、Baker Hughes等公司)已經(jīng)對該技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，并推出了成熟的產(chǎn)品［3－9］，而國內(nèi)對該技術(shù)的研發(fā)正處于起步階段，沒有取得突破性成果。為縮短TBL系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)成本，國際石油公司一貫的做法是首先建立TBL系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)，在產(chǎn)品研發(fā)前期進(jìn)行模型評估分析，在產(chǎn)品開發(fā)中期進(jìn)行輔助測試與改進(jìn)，在產(chǎn)品開發(fā)后期進(jìn)行完善與優(yōu)化，這些做法都獲得了較好的效果。因此中國也可以采取這種TBL系統(tǒng)研發(fā)思路，通過建立TBL系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)來提高研發(fā)效率。

1 TBL系統(tǒng)尺寸規(guī)范

TBL系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成:過鉆頭測井專用鉆頭和特殊尺寸測井工具。

1)測井工具常用尺寸規(guī)范。

TBL測井系統(tǒng)的測井工具具有直徑小、耐高溫和高壓的特點(diǎn)。由相關(guān)文獻(xiàn)［10－12］可知，儀器外徑同為53.975mm的測井儀系列能通過大多數(shù)鉆桿、震擊器、鉆鋌和鉆頭(技術(shù)規(guī)格見表1)。

2)專用鉆頭尺寸規(guī)范。

過鉆頭測井使用的鉆頭主要包括2種類型:①由常規(guī)的聚晶金剛石復(fù)合PDC鉆頭改造而來，通過在鉆頭中心安裝一個(gè)可活動(dòng)的鑲嵌塊體，構(gòu)成一個(gè)直徑大約63.5mm的可開啟和關(guān)閉的通道。在鉆頭作業(yè)過程中，測井工具可伸出鉆頭到目的層進(jìn)行測井操作，完成后可將測井工具縮回鉆頭以內(nèi)，進(jìn)而關(guān)閉測井工具通行孔眼，繼續(xù)鉆井。②由常規(guī)PDC鉆頭改造而成，通過在鉆頭齒冠(即鉆頭中心面處)形成一個(gè)直徑為63.5mm的孔，根據(jù)巖性要求，裝配各種刀具。盡管兩種鉆頭均有一定的優(yōu)勢，但后者因其結(jié)構(gòu)簡單、井下作業(yè)可靠度高等特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。

表1 國外TBL測井儀技術(shù)規(guī)格

2 TBL系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)建立

數(shù)字樣機(jī)是產(chǎn)品開發(fā)者搭建的3D數(shù)字化平臺(tái)，可以形象直觀地對產(chǎn)品原型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

TBL系統(tǒng)由懸掛短節(jié)和測井工具(以聲波測井儀為例)組成。懸掛短節(jié)主要由TBL鉆頭、電纜投撈頭、懸掛器、懸掛桿組成;聲波測井儀主要由1個(gè)聲波發(fā)射短節(jié)和2個(gè)聲波接收短節(jié)組成。

TBL系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)開發(fā)流程(如圖1所示):首先開展TBL系統(tǒng)零部件的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再利用機(jī)械建模軟件繪制零部件的3D模型，并搭建裝配體，最終形成數(shù)字樣機(jī)平臺(tái)(如圖2～圖4所示)，基于該平臺(tái)，開展模擬仿真，完善初始設(shè)計(jì)，最終形成合格的TBL系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 TBL系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)開發(fā)流程

3 TBL樣機(jī)模擬測試

SolidWorks軟件提供了完整的全動(dòng)態(tài)建模操作模式，利用其外形設(shè)計(jì)模塊、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析模塊、有限元分析模塊，即可以實(shí)現(xiàn)TBL數(shù)字樣機(jī)的優(yōu)化完善。

圖2 TBL測井系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)圖

圖3 TBL懸掛短節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 TBL測井儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)(以聲波測井儀為例)

3.1 系統(tǒng)工作流程

1)用個(gè)性化TBL鉆頭擴(kuò)孔到井底，為測井做準(zhǔn)備。

2)司鉆將鉆頭提離井底為測井儀器留出足夠空間，通過鉆桿將測井儀器送到井下。

3)將測井儀精確定位在鉆頭下面后，測井工程師測試測井儀的各項(xiàng)性能，然后斷開電纜并將電纜回收到地面。

4)隨著司鉆上提鉆桿，測井儀器測量并記錄地層數(shù)據(jù)。

5)上提測井儀，直至儀器進(jìn)入套管，完成測井作業(yè)。

6)鉆頭和測井儀進(jìn)入套管后測井人員用電纜下放回收工具，拴住測井儀，并將其回收到地面。

7)將測井儀取出鉆柱后，司鉆可擴(kuò)孔到底或繼續(xù)其他作業(yè)程序，準(zhǔn)備下一階段的鉆井活動(dòng)。

3.2 靜態(tài)模擬

對于TBL系統(tǒng)，零部件的靜態(tài)配合準(zhǔn)確性是系統(tǒng)在井下順利工作的重要保證。靜態(tài)檢測包括零部件之間的配合和靜力學(xué)分析。利用TBL數(shù)字樣機(jī)平臺(tái)在虛擬環(huán)境中檢測可能存在的設(shè)計(jì)缺陷，然后修正，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

TBL聲波測井儀器的隔聲體和電子倉兩部分是系統(tǒng)的最薄弱部位，它們的強(qiáng)度直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)中，隔聲體選用40CrMnMo作為主體材料。40CrMnMo鋼的性能參數(shù)［10］:σb=980MPa， σs= 785MPa， E = 200 000 ～211 700MPa，G=80 800MPa，ν=0.28。

當(dāng)測井工具遇阻或遇卡時(shí)，需要上提旋轉(zhuǎn)測井工具，此時(shí)TBL系統(tǒng)承受的拉力和扭矩載荷最大。

隔聲體:上提力＜100 kN，內(nèi)外壓差0MPa，扭矩10kN·m。

電子倉:上提力 ＜100 kN，內(nèi)外壓差 ＜105 MPa［9］，扭矩 10kN·m。

在此工況下，運(yùn)用SolidWorks有限元分析模塊對隔聲體和電子倉進(jìn)行強(qiáng)度分析:一方面檢測出工具最大應(yīng)力位置，并核實(shí)是否超出材料的強(qiáng)度極限，同時(shí)查看其安全系數(shù);另一方面檢測工具的應(yīng)力應(yīng)變。經(jīng)有限元分析(如圖5和圖6所示)，電子倉最大應(yīng)力為180.67MPa，位置是在開槽的尖角處;隔聲體的最大應(yīng)力為195.68MPa，在鍵槽位置。最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度極限785MPa，安全系數(shù)為4，系統(tǒng)安全。

圖5 電子倉的應(yīng)力云圖

3.3 動(dòng)態(tài)模擬

圖6 隔聲體的應(yīng)力云圖

1)一方面，為保護(hù)鉆頭附近的井壁，鉆頭出口處的流體需要足夠平穩(wěn);另一方面，為保證測井工具入井時(shí)具有足夠的流體推動(dòng)力，鉆頭出口處應(yīng)盡量減少水功率消耗。假設(shè)鉆頭入口流量為10L/s，通過模擬表明(如圖7和圖8所示)，設(shè)計(jì)的鉆頭出口處流速快速降低(從內(nèi)部的3.32m/s下降至出口的0.50m/s左右)，且分布均勻，滿足對井壁沖蝕小的要求;另外整個(gè)鉆頭的壓降維持在0.1MPa以內(nèi)，水力損失小。

圖7 鉆頭液體通過流速分布圖

圖8 鉆頭液壓分布圖

2)由于過鉆頭測井工具需要依靠鉆井液的流動(dòng)推力使其沿著鉆桿內(nèi)部前進(jìn)，所以該系統(tǒng)的流體動(dòng)力特征是保證其中的測井儀器順利到達(dá)目標(biāo)位置的一個(gè)重要條件。因此需要模擬鉆井液排量和推力的關(guān)系，從而確定工具是否能夠被順利推進(jìn)。

鉆井液推動(dòng)測井工具前進(jìn)，模擬參數(shù)如下:目標(biāo)外徑65mm，鉆桿內(nèi)徑72mm，模擬液體為水介質(zhì)，流量10L/s，工具串質(zhì)量100kg，管壁摩擦系數(shù)0.5。模擬結(jié)果顯示(如圖9和圖10所示)，測井工具所受的推力為1 222.39N，而其所受到的摩擦力為490N，因此可以順利地推動(dòng)測井工具移動(dòng)。

圖9 井下測井工具串推動(dòng)模型

圖10 工具串推動(dòng)下的流體動(dòng)力學(xué)特征

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了適用于8－1/2″井眼尺寸的TBL系統(tǒng)，并基于SolidWorks軟件平臺(tái)搭建了數(shù)字樣機(jī)，其中測井儀器外徑為 53.975mm、長度為3 190mm，專用鉆頭內(nèi)徑為 63.5mm、外徑為215.9mm。通過數(shù)字樣機(jī)模擬表明設(shè)計(jì)的TBL系統(tǒng)可滿足上提力＜100kN、工作壓力＜105 MPa、扭矩＜10kN·m的井下工況環(huán)境，同時(shí)該系統(tǒng)的流體動(dòng)力特性可保證測井工具串在鉆桿內(nèi)具有足夠的前行動(dòng)力，能順利到達(dá)目標(biāo)位置坐掛;流體在鉆頭處的壓降功耗小，且對井壁的沖刷小，較好地保護(hù)了井壁，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

［1］ 趙平.測井和地層評價(jià)新進(jìn)展［J］.國外油田工程，2010，26(10):43－44.

［2］ 武少國，郭永軍，劉新全.過鉆頭測井技術(shù)與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2006，34(4):76 －77.

［3］ Stephen Pesky.Recent advances in well logging and formation evaluation ［J］.World Oil，2010，35(10):78 －84.

［4］ Kuchinski，Stayton.Mitigating the risks associated with the acquisition of formation evaluation data［J］.AADE，2007，45(6):53－54.

［5］ Ernst Matula.Through － bit tools log difficult wells［J］.The A-merican Oil＆ Gas Reporter，2009，34(3):33 －35.

［6］ John Runia.Through － bit logging:applications in difficult North Sea wells［J］.JPT，2002，43(4):39 －40.

［7］ Mark Proet.Through bit logging:application in difficult wells，offshore North Sea［J］.SPE，2004，21(5):95 －96.

［8］ John Runia，Shell Research.Through bit logging:a new method to acquire log data，and a first step on the road to through bore drilling［J］.SPWLA，2004，25(5):114 －115.

［9］ Richard L Reichmann.An innovative new system for obtaining open hole logs in difficult wells［J］.AADE，2011，49(2):85 －86.

［10］John Rania.Through bit logging:a new method to acquire log data，and a first step on the road to through bore drilling［J］.SPWLA，2004，25(5):72 －73.

［11］John Runia.Through bit logging:a new method to acquire log data［J］.Petro physics Journal，2005，46(4):289 －294.

［12］Dennis Denney.Through － bit logging:applications in difficult North Sea wells［J］.JPT，2005，46(8):48 －49.