趙元良, 陳猛, 葛盛權(quán), 單交義, 帥士辰

(1.中國(guó)石油塔里木油田公司, 新疆 庫(kù)爾勒 841000;2.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

存儲(chǔ)式測(cè)井工藝其儀器釋放模式分為機(jī)械釋放和數(shù)控脈沖釋放。該測(cè)井工藝的2種釋放模式在塔里木油田的應(yīng)用初期,出現(xiàn)了在一些超深、超長(zhǎng)水平段、小井眼水平井中儀器釋放困難等不適應(yīng)的情況;欠平衡水平井施工2種釋放模式均無(wú)法勝任施工要求。本文針對(duì)以上2個(gè)問(wèn)題,從釋放器改進(jìn)入手,研制了機(jī)械釋放器水眼聯(lián)動(dòng)閉合結(jié)構(gòu)和數(shù)控釋放器的定時(shí)釋放功能,較好地解決了施工中面臨的難題。

1 存儲(chǔ)式測(cè)井系統(tǒng)簡(jiǎn)介

存儲(chǔ)式測(cè)井工藝能完成采用電纜測(cè)井工藝難以完成的大斜度井、水平井、易漏易噴井、欠平衡井以及井眼條件復(fù)雜井測(cè)井施工,還可以在小井眼(3 in*)中采用電纜輸送方式進(jìn)行測(cè)井[1]。系統(tǒng)由地面儀器、井下儀器、釋放器、儀器下懸掛、儀器保護(hù)套和儀器上懸掛構(gòu)成。井下儀器包括井斜方位+自然伽馬測(cè)井組合儀、雙側(cè)向+數(shù)字微球測(cè)井組合儀、數(shù)字聲波測(cè)井儀、井徑測(cè)井儀、補(bǔ)償中子測(cè)井儀和巖性密度測(cè)井儀。儀器外徑為60 mm,由電池供電。儀器下井時(shí),安裝在保護(hù)套內(nèi),鉆桿傳輸至井底,再將儀器釋放出保護(hù)套后通過(guò)起鉆完成測(cè)井。儀器組合1次下井可以取得地層的深、淺側(cè)向及三側(cè)向電阻率、聲波傳播速度、放射性補(bǔ)償中子孔隙度、放射性巖性密度、放射性自然伽馬、井斜方位和井徑等測(cè)井資料;所有井下儀器耐溫175 ℃,耐壓140 MPa[1-2]。

2 機(jī)械釋放器水眼聯(lián)動(dòng)閉合結(jié)構(gòu)的研制

2.1 水眼聯(lián)動(dòng)閉合結(jié)構(gòu)的研制背景

將施工井分為2類(lèi),一類(lèi)是直井,這類(lèi)井無(wú)論選用機(jī)械釋放器還是數(shù)控釋放器,當(dāng)釋放器動(dòng)作完成后儀器是靠自身的重量滑出鉆具保護(hù)套完成儀器釋放;另外一類(lèi)是大斜度井或水平井,這類(lèi)井在釋放器動(dòng)作完成后儀器無(wú)法自動(dòng)滑出鉆具保護(hù)套,必須在地面通過(guò)泥漿泵打壓將儀器推出鉆具保護(hù)套。塔里木油田井一般較深,泥漿壓力損耗較大,應(yīng)用初期將地面的泵壓打到了設(shè)備的最高極限,超過(guò)24 MPa也很難將儀器推出鉆具保護(hù)套,施工成功率較低。

根據(jù)試驗(yàn)及估算,克服整串儀器在水平狀態(tài)下靜摩擦力的推力應(yīng)大于1 000 kg,即作用在儀器頂端的壓力應(yīng)大于3 MPa,施工中儀器未能釋放是因?yàn)樽饔迷趦x器頂端的壓力小于3 MPa所致。相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算泥漿在鉆具內(nèi)以及環(huán)空壓力損耗大小對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工顯得非常重要。

2.2 鉆具內(nèi)、環(huán)空壓力損耗計(jì)算

依據(jù)不同泥漿流型、流態(tài)計(jì)算鉆具內(nèi)壓降和環(huán)空壓降[3]有各自不同的計(jì)算公式,各公式在不同地區(qū)、不同情況下的準(zhǔn)確性不同,現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證需要比較可靠、較簡(jiǎn)單的公式。鉆具內(nèi)壓力損耗公式為

(1)

式中,p1為管內(nèi)循環(huán)壓力降;η為泥漿塑性黏度;Q為泥漿泵量;L為管路長(zhǎng)度;d為管路內(nèi)徑;ρ為泥漿密度。

環(huán)空壓力損耗公式為

(2)

式中,p0為環(huán)空循環(huán)壓力降;Dh為井眼直徑;Dp為鉆具直徑。

應(yīng)用以上半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,結(jié)合塔里木鉆具、泥漿使用情況的實(shí)際,7 000 m井深鉆具內(nèi)和環(huán)空壓力損耗將達(dá)到12 MPa,加上上懸掛短節(jié)上的2個(gè)10 mm循環(huán)水眼對(duì)壓力的損耗,即便地面泥漿泵壓打到24 MPa以上,其作用于儀器頂端的推力也達(dá)不到要求,因此無(wú)法完成儀器串釋放。

2.3 機(jī)械釋放器水眼聯(lián)動(dòng)閉合結(jié)構(gòu)的研制

為了提高超深、超長(zhǎng)水平段、小井眼情況下儀器串釋放成功率,解決測(cè)井施工中出現(xiàn)的由于作用在儀器頂端的壓力不足而導(dǎo)致的釋放困難,設(shè)計(jì)了機(jī)械釋放器水眼聯(lián)動(dòng)閉合裝置,旨在提高作用于釋放器頂部的壓力,確保釋放成功。

圖1為增加了水眼聯(lián)動(dòng)閉合結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型機(jī)械釋放器結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)水眼擋環(huán),對(duì)原釋放器和懸掛保護(hù)套改動(dòng)小,實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。加工一個(gè)寬度為4 cm的圓筒型擋環(huán),將其安裝在原機(jī)械釋放器的懸掛裝置上,再在原上懸掛保護(hù)套設(shè)置的2個(gè)10 mm水眼的環(huán)空內(nèi)加工一圈寬度為4.5 cm的凹槽,當(dāng)機(jī)械釋放器的懸掛銷(xiāo)釘被剪斷后,擋環(huán)在彈簧機(jī)構(gòu)的作用下被推至上懸掛保護(hù)套內(nèi)用于存放并封堵至水眼的凹槽內(nèi),起到封堵水眼的目的。其基本工作原理是當(dāng)儀器在保護(hù)套內(nèi)下鉆過(guò)程中,上懸掛器的2個(gè)10 mm水眼起到中途循環(huán)的目的,當(dāng)儀器送至目的井段時(shí),通過(guò)井口向鉆具水眼內(nèi)投擲鋼球,當(dāng)鋼球在自重以及泥漿的推動(dòng)下運(yùn)行至懸掛裝置頂部時(shí)將泥漿通路封堵,通過(guò)憋壓實(shí)現(xiàn)剪斷銷(xiāo)釘,這時(shí)機(jī)械釋放器上的水眼聯(lián)動(dòng)閉合結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械動(dòng)作,封堵上懸掛器的2個(gè)水眼,從而避免泥漿作用力在此泄掉,增加了作用在儀器頂部的作用力,實(shí)現(xiàn)儀器的釋放。

改進(jìn)后的機(jī)械懸掛器大大提高了作用于儀器頂部的推力,該水眼聯(lián)動(dòng)閉合結(jié)構(gòu)只適用于水平井或井斜大于60 °的大斜度井,在直井或井斜小于60 °的井眼中均需將此機(jī)構(gòu)去除,否則很容易將儀器在井內(nèi)打斷或嚴(yán)重?fù)p壞儀器。

2.4 改進(jìn)后的機(jī)械釋放器應(yīng)用情況

改進(jìn)后的機(jī)械釋放器在超深、超長(zhǎng)水平段、小井眼測(cè)井中成功釋放儀器串起到了關(guān)鍵作用,現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用效果非常理想。TZ××-1H井為大滿貫組合測(cè)井,測(cè)井時(shí)井深6 553 m,水平段長(zhǎng)達(dá)1 537 m;中古×××-H1井組合測(cè)井,該井鉆頭尺寸6in,測(cè)井時(shí)井深7 465 m,水平段長(zhǎng)達(dá)1 730 m,井底溫度高達(dá)146 ℃。這些井的施工儀器均在第一時(shí)間成功釋放,獲得全部井段質(zhì)量可靠的所有測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。該測(cè)井工藝是塔里木油田塔中地區(qū)碳酸鹽巖水平井測(cè)井資料采集的首選,一次下井成功率基本達(dá)到100%。

在水平井或大斜度井情況下需要在地面加壓實(shí)現(xiàn)儀器釋放,地面泥漿壓力的影響因素很多,主要包括井斜、泥漿性能、鉆具水眼大小、儀器釋放深度、儀器自身重量以及井壁的粗糙程度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況各影響因素與釋放壓力關(guān)系見(jiàn)表1。

圖1 改進(jìn)型機(jī)械釋放器結(jié)構(gòu)示意圖

井名井斜/(°)泥漿密度/(g·cm-3)泥漿黏度/s鉆具水眼大小/mm釋放深度/m儀器長(zhǎng)度/m釋放壓力/MPa中古××88.61.185452729447.515.4中古××90.01.164552664744.215.0中古××90.81.072452720046.120.4中古××90.01.174852746547.516.0瑪××90.01.186570274851.210.5塔中××93.41.305470467019.212.2塔中××91.01.185252655352.715.1哈××90.11.304852703547.515.2

3 數(shù)控定時(shí)釋放器研制

3.1 數(shù)控定時(shí)釋放器的研制背景

測(cè)井儀器從鉆具內(nèi)釋放出來(lái)的方式有2種:一種采用機(jī)械釋放器,釋放時(shí)需要從鉆具水眼內(nèi)投放鋼球;另一種采用數(shù)控釋放器,釋放時(shí)需在10 min內(nèi)打6組高壓低壓交替變化的泥漿壓力信號(hào)。全過(guò)程欠平衡水平井由于井口帶壓以及水平井眼的原因無(wú)法采用電纜傳輸測(cè)井工藝,基本采用隨鉆測(cè)井工藝。由于碳酸鹽巖地層電阻率較高,隨鉆側(cè)向尚在發(fā)展中,不但工具少、成本高,而且高溫情況下穩(wěn)定性差。

碳酸鹽巖目的層由于溶洞及裂縫發(fā)育,經(jīng)常導(dǎo)致噴漏同層,工程上經(jīng)常采用精細(xì)控壓鉆井,同欠平衡水平井類(lèi)似,井口帶壓且鉆具帶有內(nèi)防噴工具。

內(nèi)防噴工具的存在導(dǎo)致無(wú)法從鉆具水眼內(nèi)投放鋼球,機(jī)械釋放器無(wú)法使用。原數(shù)字脈沖釋放方式經(jīng)常由于部分鉆機(jī)老化而地面泵壓不穩(wěn),井漏情況下地面無(wú)泵壓導(dǎo)致在10 min內(nèi)打6組高壓低壓交替變化的泥漿壓力信號(hào)比較困難,無(wú)法滿足釋放條件。

研制的具備定時(shí)釋放功能的數(shù)字釋放器能滿足工程需求。對(duì)原數(shù)控釋放器進(jìn)行功能修改,改為定時(shí)釋放模式,也就是當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)置的時(shí)間延遲時(shí),且所處?kù)o止壓力大于所設(shè)置的壓力時(shí),釋放器就啟動(dòng)機(jī)械裝置,把4只圓柱形掛爪收入到結(jié)構(gòu)體內(nèi),實(shí)現(xiàn)儀器釋放。

3.2 數(shù)控定時(shí)釋放器的研制

定時(shí)釋放器是在硬件沒(méi)有改變的基礎(chǔ)上通過(guò)修改軟件,對(duì)釋放方式進(jìn)行了改變,主要由雙壓力傳感器、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子線路部分組成。利用電池短節(jié)供電,連續(xù)測(cè)量鉆桿內(nèi)的泥漿壓力,自動(dòng)進(jìn)行連續(xù)分析處理,一旦滿足釋放條件,將利用電驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)機(jī)械釋放裝置,把4只圓柱形掛爪收入到結(jié)構(gòu)體內(nèi),使下接的整串測(cè)井儀器能夠在泵壓或重力推動(dòng)下,從鉆桿水眼中釋放到裸眼井中,釋放器再打開(kāi)整串儀器的供電電源,并按設(shè)定的采樣間隔給整串儀器發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令,啟動(dòng)各個(gè)儀器的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)操作。

定時(shí)釋放器需要滿足時(shí)間和壓力2項(xiàng)條件。時(shí)間以分鐘為單位,從釋放器和主電池連接好開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)壓力到達(dá)設(shè)置的時(shí)間后,需要判斷釋放器所處深度的靜壓力,只有到達(dá)設(shè)置的時(shí)間同時(shí)壓力大于所設(shè)壓力值,2項(xiàng)都滿足才會(huì)啟動(dòng)釋放器,另外,雙壓力傳感器和雙時(shí)鐘系統(tǒng)能更好的避免釋放器出現(xiàn)故障導(dǎo)致施工失敗或事故的發(fā)生。

數(shù)控定時(shí)釋放器設(shè)計(jì)初期是針對(duì)欠平衡水平井測(cè)井提出的,在使用過(guò)程中,將其應(yīng)用到各類(lèi)直井和水平井中,如井漏嚴(yán)重的井、井底裂縫發(fā)育較好或存在大溶洞的直井以及無(wú)法應(yīng)用機(jī)械釋放器的井,均收到了較好的應(yīng)用效果。該釋放器釋放儀器的一個(gè)重要條件是時(shí)間,施工中必須嚴(yán)格控制好下鉆時(shí)間,如果在設(shè)定的下鉆時(shí)間未能將儀器送至指定深度,釋放器便將懸掛銷(xiāo)釘收起,此時(shí)便不能再下儀器,只能起出儀器重新下鉆,強(qiáng)行下鉆將會(huì)使儀器折斷,若是帶放射源的測(cè)井作業(yè),將使放射源處于失控狀態(tài)。

3.3 數(shù)控定時(shí)釋放器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

運(yùn)用存儲(chǔ)式測(cè)井的定時(shí)釋放功能完成欠平衡水平井施工在中國(guó)尚屬首次,為確保施工無(wú)誤,改進(jìn)后的數(shù)控釋放器在標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明數(shù)控釋放器的定時(shí)釋放功能工作正常,達(dá)到測(cè)井施工要求。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在塔里木油田YM×-××井進(jìn)行,釋放器下井前設(shè)置1 680 min后開(kāi)始釋放,井下泥漿壓力低于55 MPa后儀器斷電。儀器安裝在保護(hù)套內(nèi),通過(guò)下鉆將儀器送至井底,等釋放時(shí)間到達(dá)后釋放器馬達(dá)自動(dòng)完成收腿動(dòng)作,再通過(guò)加壓循環(huán)泥漿將儀器釋放出保護(hù)套,通過(guò)起鉆完成測(cè)井。測(cè)井結(jié)束后經(jīng)過(guò)讀取數(shù)據(jù)判定釋放器在預(yù)定時(shí)間準(zhǔn)時(shí)釋放,在預(yù)定壓力斷電,測(cè)井資料滿足要求,試驗(yàn)成功。

哈×××-1C井深7 035 m,井底溫度達(dá)167 ℃,最大井斜88 °,測(cè)量井段532 m,井漏控壓。采用數(shù)字定時(shí)釋放,避免儀器鉆進(jìn)洞內(nèi)折損儀器。在測(cè)量結(jié)束井隊(duì)起鉆到5 883 m時(shí)發(fā)生溢流,關(guān)井節(jié)流循環(huán)、點(diǎn)火、壓井。直至壓井結(jié)束,儀器在井中停留25 h,儀器出井后數(shù)據(jù)完整,狀態(tài)良好。該井很好地展示了存儲(chǔ)式測(cè)井在易漏、易噴,需要緊急關(guān)井、壓井或堵漏等復(fù)雜條件下的測(cè)井能力。

4 結(jié) 論

(1) 機(jī)械釋放器水眼聯(lián)動(dòng)閉合結(jié)構(gòu)主要針對(duì)塔里木油田超深、超長(zhǎng)水平段、小井眼情況下由于泥漿壓力損耗大導(dǎo)致的釋放困難而設(shè)計(jì),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用非常理想,可推廣應(yīng)用。

(2) 數(shù)控釋放器定時(shí)釋放功能主要針對(duì)欠平衡水平井測(cè)井,也可用于無(wú)法采用機(jī)械釋放器施工的情況,在碳酸鹽巖噴漏同層直井情況下應(yīng)用保證了井控安全。

(3) 探討了一種新的欠平衡水平井測(cè)井工藝,該工藝具有高效、便捷、低成本以及獲取信息量大等特點(diǎn),經(jīng)過(guò)在塔里木油田的實(shí)踐應(yīng)用,形成了一套完整的施工工藝流程,測(cè)井施工更安全,井控風(fēng)險(xiǎn)低;儀器可大滿貫組合下井,一次測(cè)井獲得側(cè)向電阻率、數(shù)字聲波、井斜方位、自然伽馬、巖性密度、補(bǔ)償中子、井徑等曲線,能夠?yàn)橛脩籼峁┖细竦臏y(cè)井資料。

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