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、致密油氣等非常規油氣層的勘探開發規模逐年擴大，水平井和大斜度井越來越多，而目前，對套管水平井的監測還處于空白狀態，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測井過程中，電纜和儀器與井壁之間會產生摩擦阻力（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

調節牽引器供電電壓，喚醒地面系統與牽引器之間的通訊聯系，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，并根據實際負荷的大小來調整驅動臂張開的程度?？刂茽恳妷?，將牽引器電機產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；

適用的套管規格：4.5"～9"。

1.3 JHYQ－A型牽引器優點及存在的問題

在江漢多個油田的應用中，JHYQ－A型牽引器體現出的優點有：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、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，容易出現儀器連接部位脫扣，產生滑動摩擦阻力，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、牽引器容易發生變形、牽引輪磨損嚴重等）。對應用中出現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，并得出相應的數據（表1）。

表1 牽引器動能與牽引臂張開位移大小實驗數據

從表1中可以看出，儀器串在水平狀態下運移，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）根據下井儀器的質量，調節扶正器的支撐力，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，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生不同程度的局部變形?？梢酝扑愠鲈诓煌坠軆葍x器串通過井眼最大曲率需要的剛性長度（圖2）。根據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，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生旋轉，造成RIB測量扇區位置發生相對變化，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。通過在儀器串頂部添加旋轉短節的方法，釋放來自電纜上的旋轉力矩，使得井下儀器的姿態相對穩定，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、1支旋轉短節和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，發現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，隨后電流變為140mA，反復牽引，電流始終為140mA，起出儀器，進行檢查，發現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測，儀器靠重力下放到1 950m，給牽引器供電，推動儀器，經4h連續傳輸，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，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、產出剖面、儲層參數評價及套管質量檢查等測井項目。

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