定向井隨鉆測量儀器可靠性分析

范浩思，張宏阜，李元生，李焱坤，范志國

1.中國石油西部鉆探試油公司 （新疆 克拉瑪依 834000）

2.中國石油西部鉆探定向井技術服務公司 （新疆 克拉瑪依 834000）

0 前言

定向井隨鉆測量儀器是高精度的復雜儀器，是定向井工程師的“眼睛”，用以引導工程師按照預定井眼軌跡進行鉆進。定向井工程師根據隨鉆測量儀器提供的數據對井眼軌跡的前進方向進行控制。如果隨鉆測量儀器發生故障，不能及時給定向井工程師提供可靠數據，就會造成嚴重的后果，包括不得不提下鉆對儀器進行維修調試，延誤施工工期，嚴重情況下甚至會造成井眼軌跡失控、填井側鉆等工程事故的發生[1-3]。另外，隨著石油勘探開發領域的進一步擴大，隨鉆測量儀器的工作環境越來越惡劣復雜，井下高溫高壓環境，井內雜質和沉沙堵塞，泥漿的沖刷，化學材料侵蝕、鉆具振動等。這些因素都會對儀器可靠性產生重大影響，導致故障發生。

對儀器設備進行可靠性分析是20世紀50年代發展起來的管理技術，隨著電子儀器設備的復雜性呈指數型增長，其在企業管理中的作用越來越受到重視。利用概率論和數理統計的方法，在對大量的理化數據分析的基礎上，對儀器設備故障進行定性定量分析，找出引起故障的各種因素，發現規律，最大限度地避免故障的發生[4]。對定向井隨鉆儀器進行可靠性分析，統計儀器故障，發現引起儀器故障的各種因素，采取有效措施，減少儀器故障發生頻次，對現場施工具有重要意義。

1 定向井隨鉆測量儀器可靠性模型的建立

可靠性是指儀器設備在規定的條件下和規定的時間內，完成規定的任務的可能性[5]?？煽啃阅Ｐ褪峭ㄟ^數學方法描述系統各單元存在的功能邏輯關系而形成的數學模型。根據每個部件功能的可靠性與整個儀器系統功能可靠性的邏輯關系，分為串聯可靠性模型、并聯可靠性模型、串并聯可靠性模型。串聯可靠性模型是指儀器系統只要一個部件失效，整個儀器系統就失效，整個儀器系統的可靠性小于或等于每個儀器部件的最低可靠性，即：

并聯可靠性模型是指儀器系統中只有所有連接部件失效，整個系統才失效，整個儀器系統的可靠性大于或等于每個部件的最高可靠性,即：

R≥max(Ri) （2）

式中：R是整個儀器系統的可靠性，Ri是部件的可靠性。

串并聯可靠性模型是指部件的功能之間既有并聯關系，又有串聯關系。

對于定向井隨鉆儀器，目前一般的看法是，其可靠性是指在一趟鉆時間內儀器能夠完成規定的測量功能。定向井隨鉆儀器由多個部件組成，包括測量部件（儀器探管）、控制部件（脈沖發生器）、信號發送部件、電源電池、儀器附件等組成。其中任何一個部件發生故障都會導致整個系統發生故障，儀器的功能就要中斷。其可靠性模型是串聯系統可靠性模型，類似于金屬環的鏈條，只要其中一個環節發生斷裂整個系統就發生斷裂。可靠性的串聯模型也稱最弱環模型。儀器的可靠性模型如圖1所示：

圖1 隨鉆測量儀器串聯可靠性模型

2 隨鉆測量儀器故障分析和規避措施

2.1 故障樹分析方法

故障樹分析方法是美國貝爾電報公司電話實驗室于1962年開發的。它采用邏輯的方法，形象地進行故障、事故的分析工作，特點是直觀、明了，思路清晰，邏輯性強，可以做定性分析，也可以做定量分析。體現了以系統工程方法研究設備儀器故障問題的系統性、準確性和預測性。它是利用邏輯推導，由頂上事件推導出中間事件，再推導出基本事件，以達到以下目的和效果：①識別導致儀器故障的基本事件與人為因素的組合，找出規避事故原因的基本線索，從而降低儀器故障發生的可能性；②對導致故障的各種因素及邏輯關系能作出全面、簡潔和形象的描述；③便于查明儀器系統內固有的或潛在的各種危險因素，為設計、施工和管理提供科學依據；④使有關人員了解各項預防要點；⑤便于進行邏輯運算和對事故進行定性、定量分析及系統評價；⑥具有能發現事先未估計到的原因事件的效果。

使用故障樹分析方法對定向井隨鉆測量儀器故障進行分析，可以清晰地找出引起儀器故障的原因，以便對癥下藥，有的放矢地解決問題，避免儀器故障地發生。根據引起定向井隨鉆測量儀器的原因，做出了故障樹，如圖2所示。

圖2 定向井隨鉆儀器故障樹

從圖2可以看出，引起定向井隨鉆測量儀器故障的有8個基本事件，分別是：X1儀器脫鍵、X2閥桿被卡、X3引鞋被卡、X4電池短路、X5無磁過短、X6沖擊損壞、X7振動損壞、X8人員素質。有7個最小割集，分別是｛X1，X8｝，｛X2，X8｝，｛X3，X8｝，｛X4，X8｝｛X5，X8｝，｛X6，X8｝，｛X7，X8｝。

2019年上半年，對某定向井公司引進的儀器進行故障統計，造成儀器故障的基本事件見表1。

2.2 儀器故障的規避措施

從表1可以發現，引起儀器信號異常的儀器脫鍵、閥桿被卡、引鞋被卡3項事件發生概率最大，共82起，占整個儀器故障次數的85%。減少這三類事件的發生次數，可以有效地減少儀器故障率。

表1 某公司2019年上半年儀器故障事件統計

2.2.1 減少儀器脫鍵次數

定向井隨鉆儀器通過坐健形式將引鞋坐入定向接頭的定向套內，引鞋上的蘑菇頭進入定向套的限流環內[6]。正常測量情況下，儀器根據測量的數據控制蘑菇頭在定向套的限流環內徑向運動，產生壓力波，地面設備根據產生的壓力波，解讀出儀器測量的數據。在施工時，由于各種原因，引鞋脫離定向套，不能產生有效的壓力波，這種情況叫“脫鍵”。減少儀器脫鍵次數的措施如下所述。

1）使用防脫鍵裝置。目前有幾種類型的防脫鍵裝置，基本原理大同小異，均是在儀器下端加工有特殊的連接件。儀器在井口安裝時，用頂絲、滾珠、或“O”型圈等將儀器固定住，可以避免儀器在井下時引鞋與定向套脫開。選用防脫鍵裝置時，要對其固定部件進行強度校核，要考慮在儀器打撈等非常規作業時，能夠順利地將儀器提取出來[7]。圖3是一種帶有防脫鍵裝置的示意圖。防脫鍵裝置主要由防脫頂絲、防脫環、防脫坐健環等組成。連接桿下端螺紋連接有防脫環。防脫環下方引鞋頂部設有防脫坐健環。防脫環一側的定向接頭設有防脫頂絲。使用時，將儀器放入到定向接頭內，并用防脫頂絲將儀器頂緊。防止儀器縱向移動而導致儀器引鞋脫離定向套。若發生卡鉆，由于防脫環上下兩端分別帶有外螺紋的圓環，其下部外圓設有45°坡腳凸起，只要施加足夠的外力即可將防脫頂絲拉彎拉折，實現儀器打撈。

圖3 帶有防脫鍵裝置的儀器下部結構

2）在非磁上端安裝止回閥。儀器脫鍵的原因之一是，下鉆時，鉆具內泥漿倒灌，將儀器從定向套內頂出，儀器上的引鞋脫離定向套。在非磁上端安裝止回閥，可以防止泥漿從環空返回到鉆具內，有效地避免泥漿倒灌。

3）控制鉆具的下放速度。鉆具如果下放太快，環空泥漿會急速流入到鉆具內，泥漿倒灌，將儀器頂出，使儀器引鞋脫離定向套。

2.2.2 減少閥桿被卡、引鞋被卡次數

要保障泥漿的凈化，泥漿含砂量在設計范圍以內，使用高目高頻振動篩；泥漿循環時，及時開動除砂器、除泥器；進行堵漏等特殊作業時，要把堵漏材料徹底篩除才能下入隨鉆儀器；提下鉆時，專人觀察井口，防止異物落入鉆具內；要有專人負責清洗鉆桿濾子、立管濾子等。采取這些措施，可以有效地減少閥桿被卡、引鞋被卡事件的發生次數。

3 結論及建議

1）定向井隨鉆測量儀器是定向井工程師的“眼睛”，若其發生故障，會造成嚴重后果。對其進行可靠性分析和研究意義重大。

2）可靠性是指儀器在規定的條件下和規定的時間內，完成規定的任務的可能性。對于定向井隨鉆儀器來說，其可靠性是指在一趟鉆時間內儀器能夠完成預計的測量功能。

3）定向井隨鉆測量儀器由多個部件組成，其中任何一個部件出現故障都會導致整個儀器失效，其可靠性模型是串聯可靠性模型。

4）經過統計分析，在引起儀器故障的基本事件中，儀器脫鍵、閥桿被卡、引鞋被卡這3項產生概率最大。從儀器部件的改進、加強管理等多方面入手，減少儀器故障的發生頻次。