王 輝,楊 凱,黨益?zhèn)?劉李春,羅成龍,王志磊,賀 劍,陳金明,吳學(xué)濤,王 煒,宗 飛,田博寧

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司物資裝備公司中部中心 陜西 西安 710201; 2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶分公司 陜西 西安 710201)

0 引 言

中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的EILog井徑測(cè)井儀在直井內(nèi)能夠測(cè)得較為準(zhǔn)確的井徑值,可以用來(lái)測(cè)量鉆孔直徑,提供井眼不規(guī)則程度數(shù)據(jù),還可根據(jù)鉆孔的不規(guī)則形態(tài),分析判斷地下巖層裂縫的發(fā)育程度和裂縫的方向[1-5]。井徑測(cè)量結(jié)果還可以在許多定量解釋中配合其他測(cè)井資料進(jìn)行井眼影響校正,如馮琳偉等用井徑值對(duì)高分辨率雙側(cè)向曲線進(jìn)行井眼校正[6]。因此井徑曲線的準(zhǔn)確性對(duì)后續(xù)的其他測(cè)井資料解釋意義重大。然而,EILog井徑測(cè)井儀在長(zhǎng)慶油田的大斜度井和水平井測(cè)井過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的縮徑現(xiàn)象,所測(cè)的井徑值誤差大于5%,超出井徑資料的誤差要求,急需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和偏心校正處理。

目前對(duì)于測(cè)井偏心校正的研究,多集中在固井質(zhì)量測(cè)井和雙側(cè)向等測(cè)井項(xiàng)目,如曾桂紅研究了水平井固井質(zhì)量測(cè)井中偏心模型下井孔聲場(chǎng)分布,明確了偏心距與套管波幅度間的關(guān)系,形成了適用于扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井的水平井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)偏心校正技術(shù)[7]。徐建華等研究了水平井中雙側(cè)向測(cè)井儀在井內(nèi)偏心時(shí)產(chǎn)生的電位偏心格林函數(shù),通過(guò)數(shù)值計(jì)算,最終繪制了深、淺側(cè)向的偏心井眼校正圖版[8]。

關(guān)于井徑測(cè)井儀的偏心校正研究較少,周琦等認(rèn)為井徑縮徑的根本原因在于測(cè)井儀自重過(guò)大,導(dǎo)致井徑臂受到的壓力大于井徑臂彈簧的支撐力,造成測(cè)井儀沒(méi)有居中,使得測(cè)量沒(méi)有得到補(bǔ)充[9]。歷程軍等根據(jù)四點(diǎn)定圓求解并刻度四臂井徑,并進(jìn)行水平井校正[10],但未在EILog井徑測(cè)井儀中應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外水平井小井眼測(cè)井儀,如吉艾、威德福、勝利偉業(yè)等公司生產(chǎn)的井徑測(cè)井儀,基本都采用機(jī)械扶正來(lái)克服測(cè)井儀偏心問(wèn)題,但還未見(jiàn)開(kāi)展本論文相關(guān)的偏心校正技術(shù)研究。

1 EILog井徑測(cè)井儀存在的問(wèn)題

1.1 結(jié)構(gòu)問(wèn)題

EILog井徑測(cè)井儀由兩組互成直角(X方向與Y方向)的井徑臂組成,其中的任何一個(gè)井徑臂可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng),與其相連的電位器與對(duì)立的一個(gè)井徑臂的電位器串聯(lián),如圖1所示,再將兩兩串聯(lián)的兩組電位器阻值轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào),經(jīng)連斜電子線路處理計(jì)算得到井徑數(shù)據(jù)。

圖1 EILog井徑測(cè)井儀測(cè)量原理簡(jiǎn)圖

該井徑測(cè)井儀的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致測(cè)井儀只能測(cè)得X方向或Y方向總的井徑值,而無(wú)法測(cè)得X方向或Y方向具體某一個(gè)井徑臂的值,因此如果處于偏心狀態(tài),其中一條井徑臂被壓縮,雖然該方向的總的井徑值變小,但具體是該方向中兩條井徑臂中的哪一條臂被壓縮,在井徑曲線中無(wú)法得知。并且根據(jù)圓的幾何定律,根據(jù)圓上的兩條相互垂直的線段各自的總長(zhǎng)度(即對(duì)應(yīng)兩條相互垂直的井徑值),是無(wú)法求得該圓的半徑及直徑的,即無(wú)法測(cè)得井眼的直徑,故無(wú)法進(jìn)行偏心校正。

1.2 井徑臂彈簧問(wèn)題

EILog井徑儀存在井徑臂彈簧彈力較小的問(wèn)題,在水平井或大斜度井中,測(cè)井儀受到自身重力的作用,井徑臂彈簧的彈力較小,沒(méi)有足夠的彈力將井徑臂張開(kāi),導(dǎo)致偏心嚴(yán)重,所測(cè)井徑值誤差較大。

1.3 刻度器問(wèn)題

EILog井徑儀的刻度器為2個(gè)直徑分別為30.48 cm與20.32 cm的獨(dú)立的刻度環(huán),該刻度環(huán)在井徑臂張開(kāi)后刻度時(shí),極易出現(xiàn)偏心,測(cè)井儀不居中,由此造成刻度值不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

1.4 電位器固定架問(wèn)題

EILog井徑儀的4個(gè)電位器通過(guò)固定架上的螺絲進(jìn)行固定,該固定架經(jīng)常出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象,在測(cè)井過(guò)程中電位器位置移動(dòng),從而引起電阻值變化,造成井徑曲線測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

2 EILog井徑儀偏心校正技術(shù)研究

2.1 EILog井徑儀偏心試驗(yàn)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M測(cè)井儀處于不同大小井眼中的不同偏心狀態(tài),從而將測(cè)井儀偏心影響量化。模擬兩種偏心狀態(tài):狀態(tài)1,測(cè)井儀所受壓力與一條井徑臂重合,如圖2所示;狀態(tài)2,測(cè)井儀所受壓力與井徑臂不重合(在2條井徑臂之間),如圖3所示。

圖2 模擬狀態(tài)1示意圖

圖3 模擬狀態(tài)2示意圖

模擬結(jié)果見(jiàn)表1,測(cè)井儀居中時(shí)誤差小于5%,而處于偏心狀態(tài)時(shí)誤差均大于5%,由此可知井徑無(wú)論處于何種偏心狀態(tài),其誤差均大于井徑測(cè)井質(zhì)量要求的5%,且偏心越嚴(yán)重,所測(cè)井徑值誤差越大。實(shí)際測(cè)井中也得到證實(shí),井眼傾角越大,測(cè)井儀偏心越嚴(yán)重,所測(cè)井徑值誤差也越大。

表1 EILog井徑測(cè)井儀偏心模擬試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述,在大斜度井和水平井測(cè)井中,EILog井徑儀所測(cè)的井徑值誤差較大,所測(cè)曲線縮徑嚴(yán)重,不能滿足測(cè)井要求。隨著水平井開(kāi)發(fā)力度的加大,有必要開(kāi)展井徑偏心校正技術(shù)研究。

2.2 偏心校正理論方法

井徑偏心校正“四點(diǎn)定圓”原理如圖4所示。

圖4 井徑偏心校正“四點(diǎn)定圓”原理圖

EILog井徑儀4條井徑測(cè)量臂與井眼相交于A、B、C、D四點(diǎn),4條井徑數(shù)值大小分別為a、b、c、d,采用 “四點(diǎn)定圓” 方法確定井筒橫切面,從而計(jì)算出圓的直徑,計(jì)算過(guò)程如下:

OM2+BM2=OB2=OA2=R2

(1)

式中:O為圓心,OM為AB的垂直平分線,ON為CD的垂直平分線,R為圓的半徑。

OM=EN=CN-c=((c+d)/2)-c=(d-c)/2

(2)

BM=(a+b)/2

(3)

推出圓的直徑CAL為:

(4)

同法可推出:

(5)

由此可知,只需分別測(cè)得井徑儀偏心時(shí)的4個(gè)獨(dú)立臂的大小,便可通過(guò)四點(diǎn)定圓計(jì)算出實(shí)際的井徑值,從而實(shí)現(xiàn)偏心校正。

2.3 測(cè)井儀技術(shù)改進(jìn)

2.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對(duì)現(xiàn)有的EILog井徑測(cè)井儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),將原井徑中相對(duì)立的2組串聯(lián)的電位器相互獨(dú)立,實(shí)現(xiàn)4條井徑獨(dú)立運(yùn)動(dòng),同時(shí)電阻值也相互獨(dú)立變化,圖5和圖6分別為改進(jìn)前和改進(jìn)后的原理框圖。由圖可見(jiàn),原來(lái)2組兩兩串聯(lián)的電位器改進(jìn)為相互獨(dú)立的4組電位器,從而實(shí)現(xiàn)了4條井徑臂運(yùn)動(dòng)時(shí)在電位器上的獨(dú)立變化。

圖5 改進(jìn)前的EILog井徑測(cè)井儀原理框圖

圖6 改進(jìn)后的EILog井徑測(cè)井儀原理框圖

2.3.2 采集電路改進(jìn)

電位器電阻的變化引起4組電壓的變化,原來(lái)的采集電路只能采集2路電壓變化,故還需對(duì)井徑儀的采集電路進(jìn)行改進(jìn)。將2組井徑值的兩通道數(shù)據(jù)采集電路改為四通道數(shù)據(jù)采集電路,圖7為改進(jìn)后的采集電路原理框圖,圖中模擬信號(hào)采集通道1、2、3、4分別為4條井徑的采集電路,其中虛線方框內(nèi)為新增的2道采集電路。

圖7 改進(jìn)后的EILog井徑測(cè)井儀4通道采集電路原理框圖

2.3.3 動(dòng)態(tài)庫(kù)(軟件)的改進(jìn)

與機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路的改進(jìn)相對(duì)應(yīng),測(cè)井動(dòng)態(tài)庫(kù)(軟件)也需做出相應(yīng)的改進(jìn)。編寫(xiě)相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)庫(kù),部分程序代碼如圖8所示。該動(dòng)態(tài)庫(kù)軟件將采集到的4組井徑值進(jìn)行“四點(diǎn)定圓”算法的偏心校正計(jì)算,最終獲得經(jīng)偏心校正后的井眼尺寸。

圖8 改進(jìn)后的EILog井徑測(cè)井儀“四點(diǎn)定圓”動(dòng)態(tài)庫(kù)程序(部分)

2.3.4 井徑臂彈簧的改進(jìn)

采用彈力更大的彈簧作為井徑臂彈簧,使得井徑儀在大斜度井或水平井中處于偏心狀態(tài)下井徑臂有更大的支撐力,使測(cè)井儀盡可能居中,減少測(cè)井儀偏心程度。

彈簧的彈性系數(shù)公式如下:

(6)

式中:c為彈簧的剛度,即彈性系數(shù),又叫倔強(qiáng)系數(shù)k;

F為彈簧所受的載荷;

λ為彈簧在受載荷F時(shí)所產(chǎn)生的的變形量;

G為彈簧材料的切變模量;

d為彈簧絲直徑;

D2為彈簧直徑;

n為彈簧有效圈數(shù);

C為彈簧的旋繞比。

根據(jù)式(6)可知,彈簧的彈性系數(shù)與彈簧材料的切變模量和彈簧絲直徑的4次方成正比,與彈簧直徑的3次方和有效圈數(shù)成反比。在井徑儀彈簧安裝處空間有限且不易改變的情況下,即D2不變,為了增加井徑臂彈簧的彈性,可采用切變模量更大的彈簧材質(zhì)、更粗的彈簧絲直徑、更少的彈簧有效圈數(shù)。其中,由于彈性系數(shù)與彈簧絲直徑的4次方成正比,因此增大彈簧絲的直徑,是效果最明顯且最簡(jiǎn)便的方法之一。通過(guò)試驗(yàn),將彈簧絲直徑增大為原來(lái)的1.5倍時(shí),彈性系數(shù)增大為原來(lái)的5倍,且該彈力為不改變直流電機(jī)的情況下,直流電機(jī)所能承擔(dān)的最大負(fù)載。若再繼續(xù)增大彈簧的彈性系數(shù),原來(lái)的直流電機(jī)所能提供的動(dòng)力已無(wú)法將井徑臂完全收攏,且容易造成直流電機(jī)過(guò)于疲勞而損壞。因此,改進(jìn)為原來(lái)彈簧絲直徑1.5倍的彈簧,在增大彈簧彈力5倍的同時(shí),又無(wú)需更換直流電機(jī),是較為合適的方案。

2.3.5 刻度器的改進(jìn)

原EILog井徑儀刻度器為2個(gè)獨(dú)立的刻度環(huán),如圖9(a)所示。將2個(gè)獨(dú)立的刻度環(huán)做成一體式,中心為與測(cè)井儀直徑大小相同的圓柱體,其外部為兩層直徑分別為20.32 cm和30.48 cm的圓柱體,如圖9(b)所示?？潭葧r(shí),與測(cè)井儀直徑大小相同的圓柱體套在測(cè)井儀上可以使刻度器始終處于居中狀態(tài),有效解決了因刻度環(huán)偏心而引起的刻度不準(zhǔn)確問(wèn)題。

圖9 改進(jìn)前后的井徑刻度器

2.3.6 電位器固定架的改進(jìn)

將EILog井徑測(cè)井儀的電位器固定架進(jìn)行改進(jìn),采用兩段卡死的結(jié)構(gòu)對(duì)電位器進(jìn)行固定,避免了因螺絲松動(dòng)造成的電位器滑動(dòng),從而減少了因電位器位置移動(dòng)造成的井徑測(cè)值不準(zhǔn)確問(wèn)題。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)改進(jìn)后的EILog井徑測(cè)井儀偏心校正效果,進(jìn)行室內(nèi)刻度和偏心實(shí)驗(yàn),計(jì)算其測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)中分別采用直徑為30.48 cm的大環(huán)和直徑為20.32 cm的小環(huán)對(duì)井徑進(jìn)行偏心試驗(yàn),使不同的井徑臂處于不同的壓縮狀態(tài),模擬測(cè)井儀在大斜度井或水平井中所處的不同偏心狀態(tài),記錄相應(yīng)狀態(tài)時(shí)的井徑值,計(jì)算其誤差,部分測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 改進(jìn)后的EILog井徑測(cè)井儀室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出,無(wú)論是在大井眼(直徑30.48 cm),還是小井眼(直徑20.32 cm)中,無(wú)論處于何種偏心狀態(tài),經(jīng)改進(jìn)后的EILog測(cè)井儀(采用4點(diǎn)共圓偏心校正方法),所測(cè)的井徑值誤差全部小于5%,遠(yuǎn)小于改進(jìn)前所測(cè)的井徑值誤差(表1),測(cè)量精度有顯著提高,偏心校正效果顯著,室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成功。

4 測(cè)井應(yīng)用

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成功后,將改進(jìn)后的EILog井徑測(cè)井儀進(jìn)行測(cè)井驗(yàn)證。在蘇里格氣田某區(qū)塊測(cè)井?dāng)?shù)十口,所測(cè)資料無(wú)論是在直井段,還是在井斜較大的井段誤差均在允許的范圍內(nèi),全部驗(yàn)收通過(guò)。選取其中任意一口井井斜較大井段的任意幾個(gè)深度點(diǎn)的井徑值進(jìn)行誤差計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,井斜在32°左右時(shí),實(shí)測(cè)井徑值與鉆頭直徑的誤差全部小于5%。

表3 改進(jìn)后的EILog井徑測(cè)井儀測(cè)井驗(yàn)證結(jié)果

綜合該井2 530～2 630 m井段井徑曲線,如圖10所示,井斜31°～32°,大部分井段井徑曲線與鉆頭尺寸較為接近,誤差較小,無(wú)縮徑。僅在2 530～2 538 m與2 585～2 595 m井段井徑曲線出現(xiàn)比鉆頭尺寸大約3 cm左右的誤差(誤差13.9%),但經(jīng)測(cè)井資料解釋,該井段井徑曲線與聲波時(shí)差、雙側(cè)向等其他測(cè)井曲線有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可能為擴(kuò)井或井眼垮塌等真實(shí)井況的反映,整個(gè)井段無(wú)縮徑等情況,符合該地區(qū)的地質(zhì)特征。在后續(xù)的其他大斜度井和水平井測(cè)井中,改進(jìn)后的井徑測(cè)井儀所測(cè)井徑值誤差均在5%以內(nèi),在誤差較大的井段,井徑曲線也與其他曲線具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,符合井眼垮塌等擴(kuò)井的實(shí)際井況特征,因此改進(jìn)后的井徑測(cè)井儀具有較好的偏心校正效果。

圖10 改進(jìn)后的EILog井徑測(cè)井儀測(cè)井曲線

5 討 論

本文中所采用的“四點(diǎn)定圓”方法由于理論模型限制,僅適用于圓形井眼且井眼規(guī)則情況下的測(cè)井儀偏心校正,對(duì)于井眼垮塌造成的非圓形井眼或不規(guī)則井眼不適用。對(duì)于井眼垮塌造成的非規(guī)則井眼,因?yàn)榫劭逅哂须S機(jī)性,難以用確定性的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確計(jì)算,一般測(cè)量方法是加密井眼圓周上的采樣點(diǎn),即從4臂井徑加密到6臂、8臂、12臂等,以盡可能多地采集到不規(guī)則井眼處的真實(shí)值,提升測(cè)量準(zhǔn)確性。這也是哈利伯頓公司研制的LOG-IQ測(cè)井儀將井徑儀的4臂增加到6臂的原因之一。

6 結(jié) 論

1)采用“四點(diǎn)定圓”方法實(shí)現(xiàn)了測(cè)井儀偏心時(shí)的井眼校正,對(duì)EILog 4臂井徑測(cè)井儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),解決了EILog井徑儀在大斜度井、水平井規(guī)則井眼測(cè)量中的嚴(yán)重縮徑問(wèn)題,使得到的井徑值誤差滿足測(cè)井要求。

2)經(jīng)過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,改進(jìn)后的4臂獨(dú)立的EILog井徑測(cè)井儀處于不同偏心狀態(tài)時(shí),所測(cè)的井徑值均能反映實(shí)際的井眼大小,誤差更小,精度更高。

3)改進(jìn)后的井徑測(cè)井儀經(jīng)上井試驗(yàn)驗(yàn)證,無(wú)論在大斜度井或水平井中,所測(cè)井徑曲線與鉆頭直徑誤差均在5%以內(nèi)。在個(gè)別井段,井徑曲線誤差較大時(shí),其與其他測(cè)井曲線具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,符合擴(kuò)井等實(shí)際井況特征,具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。

4)“四點(diǎn)定圓”的數(shù)學(xué)模型決定了本研究中的井徑偏心校正方法只適用于規(guī)則的圓形井眼,對(duì)于井眼垮塌造成的不規(guī)則井眼或非圓形井眼不適用。