直井測斜儀脈沖器磨損特征分析

李愛超 黃津松 姬廣奇 孫文峻 王欣

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452

1 引言

目前在海上及陸地油田勘探過程中，以直井為主。而井斜是檢驗井身結構是否合格的重要指標，所以在直井鉆進作業中，對井斜的監測尤為重要。在此前提下直井測斜儀應運而生，直井測斜儀以其結構簡單、測量精確。同時可隨鉆測量的優點，縮短了鉆井作業周期，降低了鉆井作業成本，在陸地及海上得到了普遍的應用[1，2]而脈沖器作為直井測斜儀的“大心臟”，決定著儀器在井下的穩定性，保證數據穩定的傳輸。因而在工具入井前對脈沖的選擇是很重要的一步，而目前行業內幾乎還沒有專門劃分脈沖器是否可入井使用的磨損分級依據。所以本文以海上及陸地已作業完成井為依據，來對脈沖器磨損特征進行分析，以便于對行業內測斜儀及MWD（Measurement While Drilling）現場應用提供一定的理論支持[3]。

從直井測斜儀現場應用的司顯終端可以看出見圖1，鉆進初期靜止測斜儀器信號質量和穩定性均在95以上，測斜序列所屬脈沖信號Pluse1和Pluse2均為50%上下浮動；鉆進后期乃至起鉆前靜止測斜儀器信號質量和穩定性基本維持在80-90之間，測斜序列所屬脈沖信號Pulse1占比遠小于Pulse2幅值強度。在循環時間小于100小時內，測斜過程中的脈沖信號Pulse1和Pulse2波峰明顯，壓降參數相近，說明在探管預設行程下，每個測斜序列都是穩定、準確的；當循環時間大于200小時以后，測斜過程中的脈沖信號Pulse1小于Pulse2且Pulse1波峰不明顯，過渡過程中出現黏連現象，說明由于脈沖器內部蘑菇頭等配件的沖蝕導致在開泵起壓過程中發生了壓力泄露的情況，導致Pulse1無法正常發碼，干擾信號識別。

圖1 測斜序列信號

起鉆后拆甩直井測斜儀脈沖器見圖2，發現脈沖器各配件均發生不同程度沖蝕反應：承托環頂端出現不均勻麻點和順向裂紋，桁架和環帶交界處存在扇形沖蝕區；適配器桁架上下端均出現不同程度的溝槽，環帶內壁呈波狀條紋分布，兩者之間較承托環相比存在較小的扇形沖蝕區；陶瓷件中蘑菇頭側翼的兩個流道也出現不同程度的擴展凹槽。

2 脈沖器磨損評級項目組成

鉆頭的主要失效形式是破巖過程中發生的結構磨損，而直井測斜儀脈沖器的主要失效形式循環過程中發生的沖蝕磨損[5]。反應脈沖器能否繼續使用的因素主要取決于脈沖器結構的沖蝕情況：

直井測斜儀脈沖器在沖蝕類磨損失效特征中，通常表現為漸變性、同變性，通常隨著開泵時間的增加不同配件的磨損是同步且逐漸發生的，與鉆頭磨損的漸變性類似，可以進行等級劃分[6]。按照組裝和連接模式來主要分為本體、承托環、陶瓷總成（陶瓷腔+提升閥）、適配器總成（軸承套+支撐環+適配器）五個部分，通過對現場反饋的出井配件進行回收和整理，按照沖蝕嚴重程度進行等級劃分，并標記關鍵位置作為鈍化特征，主要包括以下三個部分：承托環、適配器、陶瓷提升閥[4]。

2.1 承托環沖蝕磨損級別劃分

承托環沖蝕磨損特征以桁架與中心環、外環結構特征為主，見圖3。等級一：呈輕微型磨損，表面少量沖蝕痕跡，關鍵位置結構完整，存在部分麻點；等級二：呈輕型磨損，表面少量沖蝕痕跡，關鍵位置結構較完整，存在凹坑、縫隙；等級三：整體呈中型磨損，表面中量沖蝕痕跡，關鍵位置結構欠缺，不影響功能但影響強度，存在凹坑、犁溝、局部沖蝕帶；等級四：整體呈嚴重型磨損，表面大量沖蝕痕跡，關鍵位置結構缺失，影響功能和強度，存在嚴重沖蝕失效區；等級五：整體呈極嚴重型磨損，結構完全缺失發生形變，無功能和強度，存在多處嚴重沖蝕失效區。

圖3 承托環沖蝕磨損級別劃分

2.2 適配器沖蝕磨損級別劃分

適配器沖蝕磨損特征以桁架與外環連接帶結構特征為主，見圖4。等級一：呈輕微型磨損，表面極少量沖蝕痕跡，關鍵位置結構完整，存在部分麻點；等級二：呈輕型磨損，表面少量沖蝕痕跡，關鍵位置結構較完整，存在凹坑、縫隙；等級三：整體呈中型磨損，表面中量沖蝕痕跡，關鍵位置結構欠缺，不影響功能但影響強度，存在凹坑、犁溝、局部沖蝕帶；等級四：整體呈嚴重型磨損，表面大量沖蝕痕跡，關鍵位置結構缺失，影響功能和強度，存在嚴重沖蝕失效區；等級五：整體呈極嚴重型磨損，結構完全缺失發生形變，無功能和強度，存在多處嚴重沖蝕失效區。

圖4 適配器沖蝕磨損級別劃分

2.3 陶瓷提升閥沖蝕磨損級別劃分

陶瓷提升閥沖蝕磨損特征以側流道結構特征為主，見圖5。等級一：整體呈輕微型磨損，表面無明顯沖蝕痕跡，關鍵位置結構完整；等級二：整體呈輕型磨損，表面少量沖蝕痕跡，關鍵位置結構擴張，不影響流道布局；等級三：呈中型磨損，表面中量沖蝕痕跡，關鍵位置結構部分缺失、流道結構變更；等級四：體呈重型磨損，表面大量沖蝕痕跡，沖蝕帶連結成槽，關鍵位置發生形變，收束流變散射流；等級五：整體呈嚴重型磨損，表面碎裂或斷裂，結構體損壞，完全失效。

圖5 陶瓷提升閥沖蝕磨損級別劃分

2.4 其它鈍化特征

鈍化特征：直井測斜儀脈沖器在現場應用過程中的鈍化特征根據關鍵沖蝕帶和現場失效形式進行統計歸納，其結果如下見表1 。

表1 鈍化特征描述

3 評估組成與分析

（1）本體：本體結構強度較高，且受沖蝕磨損影響較小，通常在使用過程中不發生失效更換的情況，如發現鈍化特征，無需進行車間維保，強制報廢；

（2）承托環：承托環本體結構強度較高，可以承受強度更大、時間更長的沖蝕磨損，經評估認定承托環形態等級大于等于三級，無法再次入井作業，返廠維修；承托環形態等級大于等于五級，無需進行車間維保，強制報廢；

特殊情況：當確定井隊下趟鉆投放多點測斜儀，承托環形態等級大于等于三級不可再次入井；當脈沖器入井次數≥3次后不可再次入井；

（3）陶瓷總成：陶瓷總成結構分陶瓷腔和提升閥兩部分，主磨損區域為提升閥，經評估認定提升閥形態等級大于等于三級，無法再次入井作業，返廠維修；提升閥形態等級大于等于四級，無需進行車間維保，強制報廢；

特殊情況：當不確定提升閥側流道結構是否干擾脈沖信號識別時，不可再次入井；當鉆具組合中包括震擊器、螺桿、扭力沖擊器、旋轉導向等軸/切向交變應力發生工具時，陶瓷總成評估形態等級提升2級警戒值。

（4）適配器：適配器受流道收束和擾亂影響導致磨損速率遠大于其他配件，經評估認定適配器形態等級大于等于二級，無法再次入井作業，返廠維修；適配器形態等級大于等于四級，無需進行車間維保，強制報廢；

（5）鈍化特征/其他鈍化特征：鈍化特征除流道堵塞、外環渦殼、交界渦殼、沉淀堆積、無特征外，剩余鈍化特征只要出現即判定無法再次入井作業，返廠維修；鈍化特征除環頂缺陷、桁架凹陷、流道堵塞、外環渦殼、交界渦殼、振動錯位、沉淀堆積、無特征外，剩余鈍化特征只要出現即判定無需進行車間維保，強制報廢。

4 結束語

通過對直井測斜儀，在現場應用過程中易沖蝕、鈍化結構進行實際總結分析，并以鉆頭磨損分級標準為指導，制定出直井測斜儀各部分的磨損分級等級和其他鈍化特征，從而為直井測斜儀能否再次入井、返廠維修、報廢提供一定客觀數據支持，為測斜儀及MWD現場應用提供一定的理論指導。