锚定式测卡仪的原理与应用

(中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部，天津 300452)

锚定式测卡仪的原理与应用

张鲁江,陈新君

(中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部，天津 300452)

锚定式测卡仪是一种在钻井或起管柱遇卡时精确测量遇卡位置的特殊测井仪器，本文从原理和应用两个方面阐述了中海油服研制生产的锚定式锚定式测卡仪。它能够适用于海洋石油钻井中大井斜的井况，测得的卡点数据直观准确，能够提高解卡的成功率，缩短施工时间，在油田开发过程中不可或缺。

卡钻；锚定式测卡仪；钻井；测井

0 引言

在钻井的过程中，顶驱及泥浆泵及其他辅助设备，将输出很大的功率，所有这些地面设备提供的能量，都将用来克服钻头破碎岩石、井液循环及钻具在井内转动或上下运动时与井壁的摩擦力。当井眼状况好时，摩擦力较小，钻具活动正常；当井眼状况恶化时，例如吸附、井塌、井径收缩、岩屑堆积、泥包、顿钻、落物等情况发生，将严重影响甚至卡住钻具在井内正常运动[1]。因此，引起卡钻的原因是多方面的，卡钻也是钻井作业施工中经常发生的事故。不同区块地层差异和钻井工艺的因素造成的卡钻事故性质也所不同，井队处理方法也不同，但无论哪种情况，锚定式测卡仪都能够为井队找出精确的卡点位置，为下一步解卡或其他操作提供准确的参考依据。在某些极端恶化情况下，对管柱切割或爆炸松扣位置的选择有决定性作用。

1 锚定式测卡仪工作原理

1.1锚定式测卡仪的设计原理

锚定式测卡仪针对于油田建设生产所使用的管柱而开发，是一种灵敏度很高的应力探测测井仪器。根据虎克定律及电磁感应原理设计。它可以测得两个方面的参数，即扭转量和拉伸量，并将它们转换为可识别的信号传到地面系统，呈现在人机界面上，达到有效识别管柱是否遇卡的目标。多数情况下，钻井队会根据虎克定律估计遇卡位置，即：L=卡点深度，m； X=管柱伸长量(两次不同负荷上提时的长度之差),cm；P=拉力，KN；E=钢材弹性模数，为2.1×10000，KN/cm2；F=管柱环形截面数，cm2；K=常数，直径73mm油管K取2450，直径73mm钻杆K取3800；X=管柱伸长量，cm；）。另一种方法就是按经验值330m转动四分之三圈的经验数据反向旋转管柱（大直径的钻杆或套管，一般320m转二分之一圈；卡点距地面较近时，转的圈数减少一点[2]。这两种方法只能粗略估计，不够准确，且无法消除井斜、吸附等井下干扰因素。而锚定式测卡仪则可以将位于其上下锚定短节间管柱微小的形变通过传感器短节有效转变成可识别的信号，如图1所示。若测试点在卡点以上，则有指示信号出现；反之，则无指示信号显示。根据这种方法，即可快速精确判断卡点位置。它主要用于钻井、修井、井下作业中被卡管柱的卡点测定。

图1 锚定式测卡仪原理框图Fig.1 Anchor pattern card meter principle block diagram

1.2锚定式测卡仪的组成和功能

锚定式测卡仪一串仪器共分为5个短节，在传感器短节两端连接有上/下锚定短节，该锚定短节可以使传感器短节相对固定于管柱内特定位置，当在地面对管柱施加拉、压或扭作用力时，由于传感器短节在锚定短节的作用下与管柱形成一体，因此管柱的形状变化反应到传感器短节上，装于传感器短节内的探头随管柱变形而发生位移或角度变化，从而引起装于传感器短节内的感应线圈电感量发生变化，当在地面对管柱施加相同作用力时，随着管柱卡紧程度感应线圈电感量变化也不同，通过地面设备将该变化转换成输出信号，再对输出信号分析便可准确确定卡点位置[3]。

1.2.1 锚定式测卡仪各组成短节功能和特点

1）磁定位短节：无源设计，主要用于校深，以确定传感器短节所测管柱卡点位置，具备抗震性能，也可应用于爆炸松扣或切割作业。

2）上/下锚定短节：将传感器短节与管柱内壁锚紧，使传感器短节能够准确反应管柱的拉伸、压缩或扭转。微型电机及减速机组为锚定短节提供可靠的扭矩，使得锚定动作迅速可靠并设置有电机保护装置；其减速机组设计可有效避免推靠过程发生逆转，使仪器串紧密地锚定于管柱内壁。设置有安全销，防止极端情况下电机故障导致仪器无法收腿返回地面；在其腿与管柱锚定处设置有耐磨装置；两短节可通用。

3）电子控制短节：实现对仪器串中其余不同短节的循环控制和传感器短节数据采集及地面的通信等主要功能。该短节中设置有电源、信号处理和总控芯片等电路或元器件，具有较高的可靠性和稳定性[4]。

4）传感器短节：高灵敏度传感器探头将管柱的拉伸、压缩或扭转的变化转换为传感器电磁信号的变化，传送到电子控制短节，如图2所示。

图2 锚定式测卡仪组成框图Fig.2 Anchor pattern card meter composition block diagram

1.2.2 锚定式测卡仪的仪器特点

目前，业内使用的测卡仪器有多种，测量方式上分为定点型和连续型两种，后者使用上受地层和井况影响较大。定点型仪器又根据固定方式不同，分为吸附式和锚定式，一般井斜较小的情况下，两类卡点指示仪可通用，仅在操作上不同而已，吸附式测卡仪受人为调节因素影响较大。经过在海洋测井中的多年使用表明，锚定式测卡仪适用于目前海洋石油各种钻井船，不受平台晃动等影响，且成功在井斜超过80°卡钻井中作业过。受测井的环境、井斜及人为因数影响，锚定式测卡仪可靠性和适用性等优点使其有着不可替代的优点。

2 锚定式测卡仪的操作方法和应用

2.1锚定式测卡仪的操作方法

本文以中海油田服务股份有限公司的ELIS系统（E304服务表）为例来介绍操作方法，其它具有同类型通讯模式和服务表的地面系统也可通用。

首先，进行地面检查和调试，确定仪器的状态，主要针对灵敏度，依据被卡管柱的提升力产生的伸长应变和施加旋转扭力时的扭矩形变，调整地面仪的扭矩增益值，保证测卡时既不损伤被卡管柱，又能测出正确的数据。

其次，根据井队估计被卡管柱卡点的大致位置，进而确定卡点以上管柱重量，并根据管柱的类型，确定上提管柱的附加力和转动的圈数。将锚定式测卡仪下到预计卡点以上某一位置，然后自上而下逐点分别测拉伸与扭转应变，采用深度“对折”的方式从而更加精确的断定卡点位置，一般5～7个点即可找到卡点[5]。

卡点测量过程：

1）仪器串下到测点位置，通知司钻活动管柱，使测点位置处于中和点（自由）状态。

2）操作仪器，使仪器固定在管柱的内壁上，同时将电缆放松3m左右，通知司钻旋转管柱施加正扭矩，上下活动管柱以使扭矩传到测点位置（原则上施加的扭矩为3 圈/ km，斜井时多加10%，井队负责掌握，在不对管柱造成损坏的情况下可多加）。

3）观察扭矩读值，若扭矩读值发生变化，说明测点为自由点；扭矩读值未发生变化，说明测点为卡点或卡点以下。

4）工程师将每个测点对应的序号、深度、上提吨位、施加扭矩的旋转圈数、扭矩变化量记录下来，用于分析卡点位置。

5）上提电缆至正常悬重后下放仪器到下一个测点，重复步骤1～5，继续测量。

最后，传感器测量的两种方式：

a）测拉伸应变，先将上下锚定腿打开，并使电子控制短节置于传感器数据采集状态，松电缆3m（视钻台晃动情况可改变），通知井队提升管柱，此时注意观察TORQUE数值和曲线是否有明显变化。

b）测扭转应变，根据管柱的规范，确定应施加于被卡管柱旋转圈数。先将上下锚定腿打开，并使电子控制短节置于传感器数据采集状态，松电缆3m，再按已确定的旋转圈数缓慢转动管柱经验值330m转动四分之三圈的经验数据反向旋转管柱（大直径的钻杆或套管，一般320m转二分之一圈；卡点距地面较近时，转的圈数减少一点），观察每转一圈时地面仪表读数的变化，此时注意观察TORQUE数值和曲线是否有明显变化。跟据TORQUE数值和曲线可以判断该点是否遇卡，如果曲线有明显变化，则此测试点没有遇卡，如图3所示；反之，曲线没有明显变化，如图4所示，则该点在遇卡位置以下。

图3 管柱自由点的波形图Fig.3 String free point of waveform figure

图4 管柱已被卡住时的曲线Fig.4 The curve of the string has been stuck

2.2渤海某井卡钻的应用

锚定式卡点测试仪在海洋石油测卡钻井作业中占主导地位，经过多次的使用表明，其性能符合作业要求，能够取得可靠的资料，提供必要的依据。如：2013年8月渤海某井钻井作业中遇卡，钻井部紧急动员测卡仪作业，按照锚定式卡点操作方法，经过6次定点测量，分别获取了图3和图4资料，经过对各测试点位置和状态记录及判断分析，精确地获得了遇卡位置数据，为后续进行的爆炸松扣作业提供了充分依据。通过爆炸松扣，解卡成功，有效解决了甲方的问题，缩短了遇卡和打捞间隔，提升了作业效率。

3 结束语

在油田的长期发展过程中，钻井、管柱安装及后期管柱回收等作业中，卡点指示仪以其高可靠性、快速性和稳定性为管柱提供准确卡点测试，使得后续作业具有准确的参考信息，有效地保障作业的顺利进行。

[1]郭书昌,刘嘉福．钻井工程安全手册第1板[M]．北京：石油工业出版社,2009：366-384．

[2]赵金洲,张桂林．钻井工程技术手册第2板[M]．北京：中国石化出版社,2011：1321-1342．

[3]余小平,奚大顺．电子系统设计第2板[M]．北京：电子工业出版社,2010：103-124．

[4]吴利民,余国文,欧阳华,等．电子学第2板[M]．北京：电子工业出版社,2005：37-64．

[5]石兴春．井下作业工程监督手册第1板[M]．北京：中国石化出版社, 2008：340-343．

3.2充分理解核级仪表的供货范围

企业需建立核质保体系，核级仪表的鉴定和生产都需在核安全法规的监管之下。企业完成仪表生产只是核电供货过程的一部分，企业的很大一部份精力不仅是生产仪表，而且是很大一部分人力和物力应集中在完成相关的质保程序，试验程序和文件编制上。

3.3提高供货商的综合能力

国内的供货商一般具有较好的生产设备，良好的服务态度，但仪表企业在抗震分析，力学计算，材料，焊接等方面缺少相关人才，无法很好地解决项目实际执行过程遇到的实际问题，这也是限制核级仪表国产化的一个因素。

4 结束语

本文就核电站内使用的温度仪表的种类和特点进行了总结，以帮助读者对核电站内的温度仪表的种类和特点有一个总体认识,有助于读者更好地进行仪表选型设计以及核级温度仪表的国产化。

参考文献：

[1]RCC-P-1991,法国90万千瓦压水堆核电厂系统设计和建造规则[S]．法国：EDF and FRAMATOME,1991．

[2]ASME PTC 19．3,仪表及仪器第三部分-温度测量[S]．美国：ASME,1974．

[3]IEC60751-2008,工业铂电阻仪表及铂温度传感器[S]．瑞士：IEC,2008．

[4]H．M．Hashemian．核电厂过程仪表的维护[M]．德国：Springer,2006．ASTM E235,核设备或其它有高可靠性应用的铠装K型及N型热电偶[S]．美国：ASTM,2006．

[5]RCC-E-2002,核岛电气设备设计和建造规则[S]．法国：AFCEN,2002．

[6]HAF102 核动力厂设计安全规定[S]．北京：国家核安全局,2004．

投稿日期：2014/3/24

作者简介：范遂，男，硕士研究生，工程师，长期从事核电行业仪控设计工作。

The Principle and Application of the Anchored FreePiont Indicator

Zhang Lujiang,Chen Xinjun
（China Oilfield Services Limited Well-Tech Tanggu Base ,Tianjin 300452 China）

Anchored FreePiont Indicator is a special instrument used in drilling or column when it is clamped . It can measure the clamping position accurately . The principle and application of the Anchored FreePiont Indicator are introduced in this article . After the development and production of the equipment by COSL, the depth of the clamped can get accurately and reliably on oil rigs offshore in high deviation wells .The efficiency and success rate of the operation can be Improved , It is Indispensable in the process of oilfield development .

sticking ; anchored freePiont Indicator; drilling; logging

P613.8

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.015

2014-04-26

张鲁江，男，工程师，从事测井仪器的管理和维修工作。