水平井測井儀器牽引器輸送工藝改進及應用

張志華，饒海濤，余 雙，石元會

（1.中國石化江漢石油工程有限公司測錄井公司，湖北 潛江433123；2.長江大學，湖北 武漢430100）

前 言

江漢油田近年來在頁巖氣、致密油氣等非常規(guī)油氣層的勘探開發(fā)規(guī)模逐年擴大，水平井和大斜度井越來越多，而目前，對套管水平井的監(jiān)測還處于空白狀態(tài)，這給江漢測錄井公司又提出了一個新的課題。在水平井和大斜度井生產(chǎn)測井過程中，電纜和儀器與井壁之間會產(chǎn)生摩擦阻力（通常在井斜大于70°時，儀器就不能靠自身重力向下自由移動），儀器需要借助外力才能進入水平井段。牽引器就是一種操作方便、安全系數(shù)大、能夠提供動力的輸送設備，它依靠地面控制，帶動下井儀器在水平段移動，使其到達測量層位，進行測井施工。2011年江漢測錄井公司研制的JHYQ－A型牽引器，是目前江漢油田評價水平井固井質量的主要手段之一，應用于江漢、坪北、建南和涪陵等油田近150多井次，效果較好，成為快捷、經(jīng)濟、安全的水平井測井手段。

1 JHYQ－A型牽引器的介紹

1.1 牽引器的工作原理

調節(jié)牽引器供電電壓，喚醒地面系統(tǒng)與牽引器之間的通訊聯(lián)系，嚙合離合器，用軟件控制張開電壓，使與驅動臂相連的支撐彈簧壓縮，這時驅動輪緩慢伸展，并根據(jù)實際負荷的大小來調整驅動臂張開的程度。控制牽引電壓，將牽引器電機產(chǎn)生的動力傳遞給中心軸，通過錐齒輪完成動力換向，由鏈條傳遞給鏈輪，最后將動力傳遞給與套管壁緊貼的兩對互成90°夾角的交叉驅動輪，使驅動輪轉動，從而牽引測井儀器到達目的層段。停止對牽引器供電（牽引器就成為一條連接電纜和儀器的連接線），開動絞車，上提電纜進行測井。

1.2 牽引器主要技術指標

儀器總長：≤7m；

儀器外徑：54mm；

最大牽引力：2700N；

最大牽引速度：9m／min（空載）；

最高工作溫度：150℃ ；

最高工作壓力：100MPa；

適用的套管規(guī)格：4.5"～9"。

1.3 JHYQ－A型牽引器優(yōu)點及存在的問題

在江漢多個油田的應用中，JHYQ－A型牽引器體現(xiàn)出的優(yōu)點有：長度短、重量輕、運輸方便、操作簡單、輸送位置較準確；工藝簡單，施工方便，測井施工時不需要井下作業(yè)、鉆井配合；測井施工時間較短；輸送過程不會造成儀器損傷等。但它也有不足之處，主要有以下幾點。

1）牽引器雖然避免了側翻，卻無法阻止牽引器在井內旋轉。

2）驅動輪與套管壁接觸面積小，越障能力較弱，對環(huán)境要求較高。

3）牽引電機功率偏小，牽引距離短。

4）較重儀器在水平段不能有效居中，影響牽引效果和測井質量。

5）施工作業(yè)容易遇阻、遇卡，成功率較低，風險較大。

6）牽引過程無法進行有效實時監(jiān)控。

2 牽引器輸送工藝改進和完善

JHYQ－A型牽引器是專為過油管傳輸Ф38mm生產(chǎn)測井儀器而設計的，目前，江漢油田主要是將它應用在套管井中傳輸Ф70mm較重的RIB儀器以測量固井質量。在使用過程中，容易出現(xiàn)儀器連接部位脫扣，產(chǎn)生滑動摩擦阻力，下井儀器無法居中，牽引電機提供的能量無法轉換為有效動力等不利于測井的因素，因此，使用之初，效果并不理想（爬行距離始終突破不了500m、牽引器容易發(fā)生變形、牽引輪磨損嚴重等）。對應用中出現(xiàn)的問題逐一進行分析和試驗，找出問題的癥結，不斷改進和完善JHYQ－A型牽引器的性能、工藝和操作維修標準，使其在焦頁某井創(chuàng)造了2 105m的爬行距離，滿足了江漢油田各種水平井輸送要求。

2.1 降低牽引器無效功率損耗

2.1.1 消除儀器串與套管間的滑動摩擦阻力

當JHYQ－A型牽引器在套管內移動時，在重儀器的壓力作用下，一方面扶正臂會被擠壓收縮，儀器串會與套管壁接觸，產(chǎn)生較大的滑動摩擦阻力，另一方面還會造成牽引器兩組驅動輪不在同一軸上，牽引電機能量無法轉換為有效動能。如在廣某井（第一口實驗井），在自然遇阻位置儀器串就未能爬行。

改進扶正器，將四臂扶正器改為每臂相隔60°的六臂扶正器。從四臂扶正器與六臂扶正器對比圖（圖1）可以看出：六臂扶正器降低了扶正臂的承受壓力，利用自動調心球軸承，在移動中自動調整受力方向，使各驅動輪受力達到均衡；采用高強度彈簧，使測試儀器與套管有效分離，消除滑動摩擦阻力，提高了牽引器的牽引效果。

圖1 四臂扶正器與六臂扶正器對比圖

2.1.2 降低儀器串滾動摩擦阻力

牽引器在長距離套管中行走的最佳方法是將長距離分成若干段，采用不同牽引力分別進行行走，以減緩機械設備各零件的磨損速度。扶正臂和牽引臂張開過大，對套管的正壓力會變大，儀器串所產(chǎn)生的滾動摩擦阻力增大，牽引器為克服滾動摩擦阻力消耗的能量增加，這樣不僅影響牽引效果，而且也會加快牽引臂內的機械零件的磨損速度，使得牽引器爬行較短距離就會損壞，甚至無法爬行。為了找出問題的癥結，在5?2″套管中做了牽引器機械零件磨損與牽引臂張開位移大小的實驗，并得出相應的數(shù)據(jù)（表1）。

表1 牽引器動能與牽引臂張開位移大小實驗數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，儀器串在水平狀態(tài)下運移，牽引器只需要提供340mA左右電流的能量，對應的牽引臂張開的位移就可達到43～44cm，隨著牽引臂張開位移的增加，牽引器消耗的能量快速上升，加快了設備零部件的損耗。為了降低儀器串的滾動摩擦阻力，總結出了以下兩點。

1）根據(jù)下井儀器的質量，調節(jié)扶正器的支撐力，一般大于儀器總質量的20%～30%。

2）牽引器帶動儀器運移時，牽引臂張開位移不得大于其在最小動能時張開位移的2cm。

2.1.3 降低儀器內部動能損耗

牽引器通過電機將動力傳遞給中心軸，利用錐齒輪完成動力換向，由鏈條傳遞給鏈輪，最后將動力傳遞給與套管壁緊貼的兩對互成90°夾角的交叉驅動輪，使驅動輪轉動。整個能量轉換過程需由200多個零件配合完成，這些零件因組裝或磨損都會產(chǎn)生較大誤差，致使牽引器在長距離爬行時，動能內耗猛增，牽引效果受到嚴重影響。為此，要求：測井后必須將所有機械零、部件拆開，分別進行保養(yǎng)，使組裝后每個零件的誤差 ＜0.5mm；當零件損耗造成的誤差 ＞0.5mm時，必須更換零件；當牽引器連續(xù)運移2 000m或遇阻牽引電流 ＞1 200mA時，必須更換所有消耗件；組裝后無負載運轉30min，牽引負載應 ＜1kg。

2.2 各種曲率半徑水平井測井

如果牽引器和下井儀器連接起來長度超過13m，那么在通過較大狗腿度井段時，牽引器就很容易在承受壓力最弱的牽引部位發(fā)生不同程度的局部變形。可以推算出在不同套管內儀器串通過井眼最大曲率需要的剛性長度（圖2）。根據(jù)直角三角形邊長關系可得：

式1中：L－儀器總長度，m；

d－儀器外徑，mm；

D－套管內徑，mm；

R－井眼彎曲半徑，m。

通過計算可以得到彎曲半徑和曲率表達式：

將儀器串總長度、儀器外徑及套管內徑代入式2、3，可得到測井儀器串在套管中移動所需的最小曲率。目前，當牽引器攜帶測井儀器（總長為13m）在5?2″套管中移動時，就容易受到大狗腿度的限制。為解決這一問題，研制了單芯柔性短節(jié)，并將其安裝在儀器的不同位置，以增大儀器串的剛性長度。多口大狗腿度水平井的應用表明，施工效果良好，滿足了各種曲率半徑的水平井施工需要。

圖2 井眼最大曲率與儀器剛性長度關系

2.3 水平井測井資料質量的提高

在測井過程中，儀器串由于受到電纜釋放的旋轉力矩的作用會發(fā)生旋轉，造成RIB測量扇區(qū)位置發(fā)生相對變化，致使兩次測量結果的差異較大，給解釋工作帶來一定難度。如SH某井，從其測井成果圖（圖3）可以看出，兩次測量結果差異較大。為使電纜的旋轉力矩不傳遞給測井儀器，消除儀器的旋轉，研制了與JHYQA型牽引器配套的專用單芯旋轉短節(jié)。通過在儀器串頂部添加旋轉短節(jié)的方法，釋放來自電纜上的旋轉力矩，使得井下儀器的姿態(tài)相對穩(wěn)定，從而提高RIB測井資料的質量。

圖3 SH某井RIB兩次測量結果圖

3 牽引器的應用

3.1 長距離水平井的應用

焦頁A井是涪陵頁巖氣示范區(qū)的一口水平井，井深為5 370m，最大井斜為87°，5?2″套管下深為5 364.5m，浮箍深度為5 364.5m。牽引器與4支扶正器、1支柔性短節(jié)、1支旋轉短節(jié)和RIB儀器組成井下儀器串，儀器串依靠重力下放到3 187m，張開推靠臂移動至40.1cm，供電，牽引儀器串，經(jīng)過40.3，40.7，41.1等不同的推靠位移，共采用4種牽引動力，供電電流由400mA逐步加大到760mA。經(jīng)10h后，儀器串牽引至5 292m，牽引長度為2 105m，很好地完成了固井質量評價任務（圖4）。

圖4 焦頁A井部分固井質量成果圖

3.2 復雜井眼環(huán)境水平井的應用

黃B井，完鉆井深為3 035m，造斜點位于2 400m，最大井斜為90.8°，5?2″套管下深為3 005m。于2012年1月28日進行固井質量監(jiān)測，牽引器掛接RIB儀器，依靠重力下放到257 1m，給牽引器供電，推動儀器，當儀器推進到2 663m時，牽引電流突然從650mA迅速達到1 950mA，起出儀器，進行檢查，發(fā)現(xiàn)牽引器牽引電機被燒壞。更換第二支牽引器，從2 579m開始推動儀器，到2 714m牽引電流突然達到1 890mA，隨后電流變?yōu)?40mA，反復牽引，電流始終為140mA，起出儀器，進行檢查，發(fā)現(xiàn)動力傳動軸銷子被切斷。兩次引起供電電流迅速增大、儀器發(fā)生故障的原因是由于套管內壁大量水泥將牽引器機械部位填滿（圖5），牽引輪被卡死，電機能量無法釋放所致。在甲方對該井進行鉆塞、洗井等處理后，進行第三次測井，這次，牽引器一次將儀器順利送至目的層。

圖5 黃某井測后牽引器機械部位

3.3 大斜度水平井的應用

陵C井，完鉆井深為2 908m，最大井斜角為97°，5?2″套管下深為2 890m。2012年6月17日，用牽引器輸送聲波變密度儀器進行固井質量監(jiān)測，儀器靠重力下放到1 950m，給牽引器供電，推動儀器，經(jīng)4h連續(xù)傳輸，順利地完成了該井固井質量的評價工作。軟件計算的儀器串運移中的各項參數(shù)指標驗證了這一結果（圖6）。

圖6 軟件計算的陵某井各項參數(shù)指標

4 認識與建議

1）JHYQ－A型牽引器的研制滿足了水平井施工難度大和輸送距離長的需求。該牽引器已累計使用150多井次，測井成功率超過86%，成為江漢油田水平井固井質量檢測的主要輸送工具。

2）造成牽引器嚴重損壞的實例說明，不良的井筒環(huán)境不僅影響測井成功率，而且容易造成牽引器的損壞，從而增加維修成本。因此，為了保證測井順利，在測井前甲方必須對井筒進行鉆塞、洗井等作業(yè)，以確保井筒無雜物和其它工具。

3）牽引器應用廣泛，能完成管具輸送工藝無法進行的水平井測井項目，如水平井注入剖面、產(chǎn)出剖面、儲層參數(shù)評價及套管質量檢查等測井項目。

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