耐磨集成測井電極優(yōu)化設(shè)計

摘要：針對目前測井電極因受井壁磕碰、沖蝕等惡劣條件下長時間使用造成絕緣性下降、測量失效，不能滿足大位移水平井“一趟鉆”技術(shù)攻關(guān)需求，對測井電極的失效原因進行了總結(jié)與分析。灌封鋼陶瓷的絕緣體在鉆井液沖蝕等工況條件下弱化分子間結(jié)合力，與金屬結(jié)合面的粘結(jié)強度下降導致泥漿滲入，絕緣性下降導致測量方位電阻率失效。進行材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，新型耐磨集成測井電極具有耐磨性、高密封性、電路集成等特點，有效提高測井電極的使用壽命。耐磨集成測井電極技術(shù)作為長壽命近鉆頭地質(zhì)導向鉆井系統(tǒng)的配套技術(shù)，實現(xiàn)大位移水平井“一趟鉆”技術(shù)要求。在新疆油田、東北各大油田及海外油田，使用井達100多口井，為開采非常規(guī)油氣資源效益開發(fā)提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：測井電極；方位電阻率；優(yōu)化設(shè)計；近鉆頭；地質(zhì)導向

中圖分類號：TE927 " " " " 文獻標志碼：A " " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.007

Optimization Design of a Wear-Resistant Integrated Logging Electrode

YANG Wenjing，SHI Hongjiang，PAN Xingming，LU Yiping，WANG Zhiguo

（China National Petroleum Corporation KUNLUN Manufacturing Company Limited，Beijing Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Beijing 102200，China）

Abstract： Due to harsh conditions such as collision and erosion of the borehole，the insulation of the button electrode has degraded over time，resulting in measurement failures and an inability to meet the technical requirements of “one trip drilling” for large displacement horizontal wells. This paper provides a preliminary summary and analysis of the reasons for button electrode failure. It is concluded that the insulation of the encapsulated steel-ceramic weakens the intermolecular bonding force under operating conditions such as drilling fluid erosion，reduces the bond strength of the metal interface，and leads to mud infiltration. The reduction in insulation leads to failure of the azimuth resistivity measurement. This article optimized the material selection and structure to effectively improve the sealing and insulation properties of button electrodes，and after field testing and verification，meeting the requirements for a single drilling application in large displacement horizontal wells，and providing technical support for the development of unconventional oil and gas resources using near bit drilling instruments.

Key words： logging electrodes；azimuth resistivity；optimal design；near-bit；geosteering

儲層的地質(zhì)參數(shù)一般包括鉆頭電阻率、方位電阻率、伽馬、孔隙度等，這些參數(shù)中方位電阻率具有方向性，能準確判定油層的方位，地質(zhì)工程師根據(jù)方位電阻率指揮導向工具準確鉆入油氣目的層并保持在儲層中鉆進［1～4］。利用方位電阻率隨鉆探測地層實現(xiàn)地質(zhì)導向，對提高油氣采收率、降低作業(yè)成本及風險具有重要作用。

大位移水平井的長水平段需要近鉆頭隨鉆儀器配合鉆頭提供“一趟鉆”工具保障，要求測井電極測量方位電阻率提供精確的地質(zhì)導向。測井電極與井壁摩擦接觸，經(jīng)受高壓泥漿的沖蝕，現(xiàn)有技術(shù)的測井電極短時間絕緣性下降導致測量失效被迫起鉆，更換新的儀器下井，增加鉆井成本和鉆井安全風險，不能承擔“一趟鉆”使用要求。因此設(shè)計一種近鉆頭隨鉆測量用耐磨、高絕緣的測井電極，用以提高測井電極使用壽命及可靠性 ［5～9］。

1 測井電極原理、結(jié)構(gòu)及失效分析

1.1 測井電極的原理

測井電極安裝在近鉆頭隨鉆測井儀器的測量短節(jié)圓周上與加速度計傳感器呈一固定相位角，測量該方位流經(jīng)地層的感應(yīng)電流，所測電流的大小與測井電極所在方位地層的電阻率有關(guān)，根據(jù)歐姆定律和儀器系數(shù)，即可確定方位電阻率。測井電極的作用決定了其結(jié)構(gòu)特點，要形成一塊獨立的面積，通過測量該獨立面積接收的電流量計算出該處地層的電阻率，所以要求測井電極與測量艙體要絕緣。測井電極位于測量艙體的一側(cè)，其位置及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

測井電極應(yīng)用在CGDS172NB型近鉆頭地質(zhì)導向鉆井系統(tǒng)上。CGDS近鉆頭地質(zhì)導向鉆井系統(tǒng)具有測量、傳輸和導向三大功能，在近鉆頭測傳短節(jié)中裝有電阻率傳感器、測井電極、自然伽馬傳感器和井斜傳感器，在無線短傳接收短節(jié)中裝有接收線圈。近鉆頭測傳短節(jié)可測量鉆頭電阻率、方位電阻率、自然伽馬和近鉆頭井斜角、工具面角，這些參數(shù)通過MWD系統(tǒng)傳輸至地面軟件，地面軟件進行判斷、決策，以井下導向馬達（或轉(zhuǎn)盤鉆具組合）作為導向執(zhí)行工具，指揮導向工具準確鉆入油氣目的層或在油氣儲層中繼續(xù)鉆進。

1.2 測井電極的結(jié)構(gòu)

目前，CGDS隨鉆儀器用的測井電極結(jié)構(gòu)一般采用陶瓷灌封結(jié)構(gòu)，測量電極為矩形體，測井電極選內(nèi)表面噴涂一層陶瓷涂層，這樣又建立一道絕緣層防護保障，提高絕緣性。測量艙體上開有一個矩形槽，在測量電極四角墊有支撐墊，在矩形體外圍5個面、大約寬5 mm的間隙內(nèi)人工注射粘稠陶瓷高分子液體材料，固化成一種致密的具有一定強度的絕緣固體。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。測井電極的導線連接密封插針，密封插針與測量艙體其它槽內(nèi)的測井電極電路板連接一起。

1.3 失效原因分析

灌封鋼陶瓷的測井電極，占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單，便于裝配，但絕緣壽命短。灌封鋼陶瓷的測井電極在井下短時間正常工作、測量準確。隨著測井電極在井下長時間工作，測井電極與地層接觸、磨損，以及長時間在泥漿中浸泡、沖蝕，分子間的結(jié)合力被弱化，鋼陶瓷與結(jié)合面粘結(jié)強度也下降，造成絕緣材料脫落導致鈕扣電極松動，絕緣電阻下降，測量精度下降，測井電極在井下工作更長時間甚至會使高壓泥漿沖測量電極內(nèi)部，導致測量電極短路失效，嚴重的會發(fā)生測井電極脫落。

另外，測井電極的電路部件布置在測量艙體的電路槽內(nèi)，測井電極的導線連接密封插針，密封插針連接測量艙體槽內(nèi)的測井電極的電器部件，布線跨度長，電能損耗大，占用空間大。

2 新型測井電極設(shè)計

為了使測井電極配套CGDS近鉆頭地質(zhì)導向系統(tǒng)滿足“一趟鉆”技術(shù)要求，避免灌封式液體絕緣體絕緣性能下降的缺陷，新型測井電極采用裝配方式實現(xiàn)，將絕緣體作為一個整體預制件。

2.1 確定絕緣體材料

固體絕緣材料的種類很多，綜合各種特性選用特種高分子材料PEEK。鋼陶瓷絕緣材料與特種高分子絕緣材料PEEK的性能比較如表1所示。

由表1比較得出：{1}特種高分子絕緣材料PEEK的抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度都高于鋼陶瓷絕緣體材料，更有利于耐高壓鉆井液的沖蝕，抵抗與井壁的磕絆和振動；{2}按一般規(guī)定，大于4 000 m且小于6 000 m為深井，大于6 000 m為超深井。設(shè)定泥漿密度1.2 g/cm3，井深為6 000 m，則靜壓為72 MPa。特種高分子PEEK的抗壓強度達到120 MPa，所以能夠滿足深井6 000 m以上深井使用要求；{3}PEEK材料的硬度遠高于鋼陶瓷絕緣體的硬度，耐磨性和抗沖蝕性好。

特種高分子絕緣材料PEEK作為高強度絕緣材料，還具備耐高溫、易加工、耐腐蝕等性能，適于井下條件使用。

2.2 新型測井電極結(jié)構(gòu)

測井電極處于中心位置，絕緣體卡壓測井電極，電極蓋板卡壓絕緣體，測井電極、絕緣體、電極蓋板、測量艙體之間采取復合密封工藝，電極蓋板壓緊絕緣體、絕緣體壓緊測井電極逐層密封壓緊，最后通過螺釘將電極蓋板固定在測量艙體上，結(jié)構(gòu)緊湊合理［10～13］。

2.2.1 測井電極的形狀設(shè)計

測井電極外側(cè)面與絕緣體內(nèi)表面緊密接觸且采取O形密封圈靜密封方式，測井電極的形狀一旦確定，相當于絕緣體、電極蓋板內(nèi)部形狀都確定下來。O形密封圈作為橡膠彈性體，工作中處于抗壓狀態(tài)時，O形密封圈受力均勻，其密封效果好且使用壽命長，假如應(yīng)力分布不均，局部長期處于拉伸狀態(tài)會發(fā)生疲勞斷裂或老化而引起密封失效。O形密封圈的拉伸狀態(tài)直接影響密封圈的密封性能和使用壽命。筆者將測井電極外形輪廓設(shè)計成使O形密封圈受力均勻的半圓鍵和圓形且兩種形狀面積相等，如表2所示。

與測量艙體相同的外徑、內(nèi)孔的管體上布置兩種結(jié)構(gòu)的測井電極槽，由于圓形測井電極結(jié)構(gòu)寬度大于半圓鍵形測井電極結(jié)構(gòu)，導致螺釘固定蓋板時螺釘突出螺釘孔，這樣螺釘會磨井壁，所以在管體上的圓形測井電極的槽深度加深（電極蓋板螺釘孔尺寸相同）。通過有限元軟件計算管體的應(yīng)力分布圖，經(jīng)計算：半圓鍵形的測井電極槽的圓管體Von Mises應(yīng)力為346.94 MPa，圓形測井電極槽的圓管體，Von Mises應(yīng)力為444.03 MPa。半圓鍵形測井電極槽的圓筒最大應(yīng)力小于圓形測井電極槽的圓筒的最大應(yīng)力，所以選擇半圓鍵形狀的測井電極結(jié)構(gòu)。

2.2.2 新型測井電極的結(jié)構(gòu)特點

新型測井電極的具體結(jié)構(gòu)由導電耐磨柱、測井電極、絕緣體、電極蓋板、密封圈、螺釘組成，如圖3所示。

1） 耐磨性。測井電極作為導電金屬，直接與井壁接觸，在測井電極表面鑲嵌耐磨導電柱，這樣又建立一道耐磨導電防護保障。為了提高絕緣體的耐磨性，絕緣體表面設(shè)計低于測井電極表面，絕緣體不接觸井壁。測井電極、電極蓋板的外表面與測量艙體同弧度，有利于不磕絆井壁，減少磨損，提高耐磨性。緊固電極蓋板的螺釘?shù)陀诔令^孔最低點，防止磕絆井壁，避免螺釘松扣或者難于拆卸，保護螺釘防磨。

2） 高密封性。測井電極、電極蓋板、絕緣體、測量艙體結(jié)合面采用復合密封工藝，有效防止高壓泥漿侵入結(jié)合面。按一定扭矩上緊的螺釘保障電極蓋板壓緊絕緣體，零件逐層密封壓緊，結(jié)構(gòu)巧妙密封可靠。

3） 電路集成。電極內(nèi)部電氣單元是感應(yīng)流入測井電極電流的互感器，容納在測量電極與艙體底槽合成一起的大槽，走線最短減少電路內(nèi)部消耗。在測量電極槽內(nèi)連通階梯孔，階梯孔內(nèi)安裝密封插針。密封插針的連線與測量艙體電氣總接口連接。密封插針具有隔離作用，將測量電極槽與測量艙體槽隔離。

2.3 測井電極結(jié)構(gòu)的強度校核

2.3.1 測量艙體的強度校核

測井電極槽設(shè)置在測量艙體的側(cè)壁上。灌封式測井電極槽的體積即長度×寬度×深度為：68 mm × 70 mm × 36 mm，新型測井電極槽的體積即長度×寬度×深度為：138 mm × 98 mm × 32 mm，如圖4所示。測井電極槽的體積由171 360 mm3擴大到365 952 mm3，測井電極槽變大消弱測量艙體強度，測量艙體在井下水平段鉆進過程中承受交變載荷，井下劇烈振動，造斜段產(chǎn)生的彎矩、測量艙體內(nèi)壁和外壁承受水眼和環(huán)空高壓泥漿沖蝕，因此有必要對艙體進行強度計算，因測量艙體溝、槽、螺釘孔多，計算難度大，采用有限元軟件進行強度計算。

首先對測量艙體精簡結(jié)構(gòu)，去掉固定蓋板的螺釘孔、走線孔，然后進行精細網(wǎng)格劃分。

測量短節(jié)測量短節(jié)裝配整機時兩端連接鉆具接頭，均施加上扣扭矩。由GB/T 24956-2010《石油天然氣工業(yè)鉆柱設(shè)計和操作限度的推薦作法》，使旋轉(zhuǎn)臺肩連接屈服所需的轉(zhuǎn)矩的公式計算得轉(zhuǎn)矩范圍（20 727～414 55 N·m之間取值）［14］，實際裝配上扣扭矩為30 000 N·m。

對測量艙體施加載荷：測量艙體孔壁承受內(nèi)壓72 MPa（按井深6 000 m的靜壓計算），外壁承受外壓72 MPa，兩端螺紋施加轉(zhuǎn)矩30 000 N·m，從左端母螺紋施加鉆壓120 kN。

計算結(jié)果如圖5所示，測量艙體最大Von Mises應(yīng)力為653 MPa，最大應(yīng)力位置在測量艙體的電路槽底面。已知P550無磁不銹鋼屈服強度為965 MPa，測量艙體的最大應(yīng)力小于材料的屈服強度，說明測量艙體有足夠的強度，不會發(fā)生塑性變形或破壞。

2.3.2 測井電極強度校核

測井電極主要承受高壓鉆井液沖蝕，有必要對測井電極進行校核計算，采用有限元強度計算。

為了計算簡便，將耐磨柱略去，施加載荷為：外壓72 MPa（按井深6 000 m的靜壓計算），計算結(jié)果如圖6所示。最大Von Mises應(yīng)力為186.51 MPa，測井電極選用滿足材料為沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，其屈服強度為1 020 MPa，最大Von Mises應(yīng)力遠遠小于材料屈服強度，符合安全設(shè)計要求［15～16］。

3 試驗及現(xiàn)場應(yīng)用

新型測井電極經(jīng)現(xiàn)場使用，耐磨、耐沖蝕，絕緣性能顯著提高，新型測井電極是長壽命近鉆頭地質(zhì)導向儀器的配套技術(shù)，實現(xiàn)了隨鉆測量“一趟鉆”，在大位移水平井最長一趟鉆工作432 h完成鉆井任務(wù)。在井下長時間工作，方位電阻率數(shù)據(jù)測量準確，信號傳輸穩(wěn)定，為地面工程師提供實時數(shù)據(jù)，通過分析方位電阻率與伽馬的變化，準確地判斷出儲層的位置，使得甲方對地層的認識更加及時和清晰，為地質(zhì)人員提供了及時準確的地層信息，為后續(xù)的工程措施提供了及時直觀的依據(jù)。

灌封鋼陶瓷高分子材料的測井電極使用壽命一般不到200 h，新型測井電極使用壽命高達900 h。現(xiàn)場應(yīng)用1 108 h的測井電極如圖7所示，還能繼續(xù)使用。

新型耐磨集成測井電極已經(jīng)替代了灌封式鋼陶瓷結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在新疆油田、東北各大油田及海外油田，使用井達100多口井。

4 結(jié)語

1） 新型耐磨集成測井電極作為長壽命近鉆頭地質(zhì)導向儀器的配套技術(shù)，實現(xiàn)了隨鉆測量“一趟鉆”，為非常規(guī)油氣藏開發(fā)提供技術(shù)保障。

2） 新型耐磨集成測井電極技術(shù)領(lǐng)域，主要適用于水平井及大位移水平井，尤其適用水平井的薄油層、超薄油層。

3） 基于測井電極的集成特點，也可以在隨鉆測量儀器上布置多個測井電極，為電阻率成像提供技術(shù)支持，對裂縫識別等儲層精細評價和地質(zhì)導向提供依據(jù)。

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