連續卡點儀器原理及應用

吳俊祖，邱東瑞，宛文宇(中海油服油田技術事業部塘沽作業公司，天津 300451)

0 引言

在鉆、修井的過程中，頂驅等動力輸出設備將輸出很大的功率來克服鉆進、循環及管柱與井壁的摩擦力。當井況良好時，阻力較小，鉆桿活動正常；當井況惡化時，例如吸附、井塌、井徑收縮和落物等情況發生，將嚴重影響甚鉆桿的良好運轉，反應不及時，很可能就會發生卡鉆事故［1］。事故發生后，會不同程度給施工單位帶來時間和經濟上的損失，因此一旦發生卡鉆事故，施工單位都會想盡辦法，力爭在最短時間內解除卡鉆，減少事故造成的損失。隨著鉆井技術的不斷提高，深井、大斜度井和水平井逐漸增多，對卡鉆事故處理技術及裝備提出了更高的要求。連續測卡儀就是一種能快速、準確地為井隊找出卡點位置，為后續解卡作業提供準確依據的一種設備［2］。

1 測卡技術現狀

1.1 吸附式測卡儀器

吸附式測卡儀器(簡稱FPI)，它是由磁定位短節、上磁鐵、傳感器節和下磁鐵等組成。通過數次上拉鉆具或給鉆具施加扭矩產生彈性變形，由測卡儀的應變傳感器在卡點附近測得幾組應力變化數據，然后通過分析可以給出鉆具卡點的位置。

1.2 錨定式測卡儀器

錨定式測卡儀器生產廠家和使用方比較多，它較吸附式測卡儀能更好地固定于鉆具內。它是由接箍CCL、上/ 下固定短節、儀器控制短節和傳感器接收短節等組成。通過固定短節可以使信號接收短節固定于管柱內特定深度，然后頂驅對鉆桿施加拉、壓或扭作用力時，由于鉆桿受到地面給予力的作用，鉆桿會發生形變，與鉆桿一體的儀器探頭也會發生角度變化，儀器探頭本體的位移引起裝于內部感應線圈電感量發生變化。通過形變的物理量轉變成磁、電的量，把電信號傳送到地面，地面再對電信號進行處理、分析，即可確定遇卡的位置［3］。

以上兩類測卡儀器都是采用定點、逐次逼近的測量方式確定卡點位置，由于用時較多，不利于快速確定卡點位置，而最新引進的連續卡點儀器(HFPT)，從點測升級為連續測量，為當下先進的測卡技術。

2 HFPT 原理及關鍵技術

連續卡點儀器(halliburton free point tool)是一種更加準確、直接和省時的卡點測量技術。其原理是：儀器磁化管柱，鉆臺施加拉力或扭力后釋放，卡點以上的自由部分因管柱形變磁化磁場遭到破壞，卡點以下位置因管柱沒有形變則管柱磁性基本沒有變化，通過測量管柱磁性的變化進而確定卡點位置。根據其原理，一般通過以下3 步即可：(1) 儀器下放，磁化管柱，同時記錄基線；(2) 鉆臺施加拉力或扭力，釋放；(3) 儀器上測，記錄上測磁性變化，確定卡點位置。

2.1 地面系統

HFPT 的地面系統主要包括CHIP 面板和一臺主機。CHIP面板集合了供電、井下數據及張力、深度等參數采集、前期處理等功能；主機則安裝了warrior 軟件，完成儀器控制、數據顯示及后處理等。CHIP 面板和主機之間通過一條Type-C 轉USB數據線連接。

2.2 井下儀器

井下儀器一般有加重桿，扶正器和HFPT 儀器，核心是集合了電子線路、探測器和永磁鐵的一支1.6 m 長的HFPT 儀器。其中電子線路部分主要負責給傳感器部分供電，處理來自傳感器信號并把信號傳給地面；探測器部分主要是探測管柱的磁場變化和把磁信號轉換成電信號；永磁鐵則對經過的管柱進行磁化，在整個管柱中建立相等的磁性特性，以建立基線。

儀器的永磁鐵部分是兩塊特殊材質磁鐵固定于儀器底部圓周上；線路部分主要包括：電源濾波板、DC-DC 板、信號驅動板、復位板和主控板。傳感器部分是整個儀器的核心，磁性探測是使用了HMC1022 雙軸磁傳感器芯片，每一個芯片上有兩個方向的探測分量，前、后兩塊板子又成90°放置，形成了一個局部的三維分量；前、后兩部分各有4 塊板子，共8 個HMC1022芯片、16 個分量測量(4 個徑向分量，4 個切向分量和8 個縱向分量)，形成了多個三維區，基本覆蓋了整個管柱，如圖1 所示。

圖1 俯視管柱分量示意圖

3 HFPT 的操作方法和應用

3.1 地面校驗操作

在維保中或作業前，一般需要對儀器進行校驗。校驗步驟如下。(1) 將驗證器穿過儀器，直到傳感器被“零場室”包圍；(2) 儀器供電；(3) 開始時間驅動記錄，記錄10 秒；(4) 移動驗證器，直到傳感器被“磁場室”包圍；(5) 慢慢旋轉校驗器兩圈，分量響應應是±5 高斯之間的類似正弦曲線，如圖2 所示。

圖2 地面檢驗16分量曲線

3.2 卡點測量過程

現場測量卡點時，連接好儀器串，調好通訊，根據井隊初步判定的管柱遇卡位置，下放儀器。

(1) 儀器入井之后在預測卡點上方60.96 m 左右，開始下測，記錄測量基線。不同類型的鉆桿充磁過程有區別，建議下放過程速度放慢控制在9～15 m/min。

(2) 測到預測卡點以下60.96 m 左右，停止記錄。此時，測量段管柱已被磁化建立磁場，并同時測量到了基準信號。再通知鉆臺對鉆桿施加拉力，施加拉力值是管柱破斷力的80%，確保拉力傳遞到卡點以上整個管柱，之后釋放拉力；開始上測記錄至預測卡點以上60.96 m，停止記錄。此時應該就能確定卡點位置，為了進一步確認，進行步驟(3)。

(3)重新下放工具串并記錄基線2至卡點以下合適位置之后，通知鉆臺施加最大允許扭矩，確保扭矩傳遞到卡點以上整個管柱，之后釋放掉扭矩，再次上測記錄至預測卡點以上60.96 m，停止記錄。

(4) 根據步驟(2) 和步驟(3) 分別確定兩次測得卡點位置，兩次測量所得卡點位置應該一致，如圖3 所示。

圖3 某井測卡實測曲線

4 結語

(1) 連續卡點儀器采用16 分量的測量，具有較高的靈敏度，能準確識別井下管柱的磁性變化。數據采集系統與常規生產測井通用，操作方便，可實現實時數據處理，快速準確確定卡點位置。

(2) 該儀器適用范圍廣，在大斜度井乃至水平井內中都能準確測量。

(3) 該儀器還能通過比較測量磁通量的大小，定性判斷遇卡的程度，幫助判斷卡鉆性質，這可為后續事故處理提供可靠依據，節省時間，節約成本。