水平井测井仪器牵引器输送工艺改进及应用

张志华，饶海涛，余 双，石元会

（1.中国石化江汉石油工程有限公司测录井公司，湖北 潜江433123；2.长江大学，湖北 武汉430100）

前 言

江汉油田近年来在页岩气、致密油气等非常规油气层的勘探开发规模逐年扩大，水平井和大斜度井越来越多，而目前，对套管水平井的监测还处于空白状态，这给江汉测录井公司又提出了一个新的课题。在水平井和大斜度井生产测井过程中，电缆和仪器与井壁之间会产生摩擦阻力（通常在井斜大于70°时，仪器就不能靠自身重力向下自由移动），仪器需要借助外力才能进入水平井段。牵引器就是一种操作方便、安全系数大、能够提供动力的输送设备，它依靠地面控制，带动下井仪器在水平段移动，使其到达测量层位，进行测井施工。2011年江汉测录井公司研制的JHYQ－A型牵引器，是目前江汉油田评价水平井固井质量的主要手段之一，应用于江汉、坪北、建南和涪陵等油田近150多井次，效果较好，成为快捷、经济、安全的水平井测井手段。

1 JHYQ－A型牵引器的介绍

1.1 牵引器的工作原理

调节牵引器供电电压，唤醒地面系统与牵引器之间的通讯联系，啮合离合器，用软件控制张开电压，使与驱动臂相连的支撑弹簧压缩，这时驱动轮缓慢伸展，并根据实际负荷的大小来调整驱动臂张开的程度。控制牵引电压，将牵引器电机产生的动力传递给中心轴，通过锥齿轮完成动力换向，由链条传递给链轮，最后将动力传递给与套管壁紧贴的两对互成90°夹角的交叉驱动轮，使驱动轮转动，从而牵引测井仪器到达目的层段。停止对牵引器供电（牵引器就成为一条连接电缆和仪器的连接线），开动绞车，上提电缆进行测井。

1.2 牵引器主要技术指标

仪器总长：≤7m；

仪器外径：54mm；

最大牵引力：2700N；

最大牵引速度：9m／min（空载）；

最高工作温度：150℃ ；

最高工作压力：100MPa；

适用的套管规格：4.5"～9"。

1.3 JHYQ－A型牵引器优点及存在的问题

在江汉多个油田的应用中，JHYQ－A型牵引器体现出的优点有：长度短、重量轻、运输方便、操作简单、输送位置较准确；工艺简单，施工方便，测井施工时不需要井下作业、钻井配合；测井施工时间较短；输送过程不会造成仪器损伤等。但它也有不足之处，主要有以下几点。

1）牵引器虽然避免了侧翻，却无法阻止牵引器在井内旋转。

2）驱动轮与套管壁接触面积小，越障能力较弱，对环境要求较高。

3）牵引电机功率偏小，牵引距离短。

4）较重仪器在水平段不能有效居中，影响牵引效果和测井质量。

5）施工作业容易遇阻、遇卡，成功率较低，风险较大。

6）牵引过程无法进行有效实时监控。

2 牵引器输送工艺改进和完善

JHYQ－A型牵引器是专为过油管传输Ф38mm生产测井仪器而设计的，目前，江汉油田主要是将它应用在套管井中传输Ф70mm较重的RIB仪器以测量固井质量。在使用过程中，容易出现仪器连接部位脱扣，产生滑动摩擦阻力，下井仪器无法居中，牵引电机提供的能量无法转换为有效动力等不利于测井的因素，因此，使用之初，效果并不理想（爬行距离始终突破不了500m、牵引器容易发生变形、牵引轮磨损严重等）。对应用中出现的问题逐一进行分析和试验，找出问题的症结，不断改进和完善JHYQ－A型牵引器的性能、工艺和操作维修标准，使其在焦页某井创造了2 105m的爬行距离，满足了江汉油田各种水平井输送要求。

2.1 降低牵引器无效功率损耗

2.1.1 消除仪器串与套管间的滑动摩擦阻力

当JHYQ－A型牵引器在套管内移动时，在重仪器的压力作用下，一方面扶正臂会被挤压收缩，仪器串会与套管壁接触，产生较大的滑动摩擦阻力，另一方面还会造成牵引器两组驱动轮不在同一轴上，牵引电机能量无法转换为有效动能。如在广某井（第一口实验井），在自然遇阻位置仪器串就未能爬行。

改进扶正器，将四臂扶正器改为每臂相隔60°的六臂扶正器。从四臂扶正器与六臂扶正器对比图（图1）可以看出：六臂扶正器降低了扶正臂的承受压力，利用自动调心球轴承，在移动中自动调整受力方向，使各驱动轮受力达到均衡；采用高强度弹簧，使测试仪器与套管有效分离，消除滑动摩擦阻力，提高了牵引器的牵引效果。

图1 四臂扶正器与六臂扶正器对比图

2.1.2 降低仪器串滚动摩擦阻力

牵引器在长距离套管中行走的最佳方法是将长距离分成若干段，采用不同牵引力分别进行行走，以减缓机械设备各零件的磨损速度。扶正臂和牵引臂张开过大，对套管的正压力会变大，仪器串所产生的滚动摩擦阻力增大，牵引器为克服滚动摩擦阻力消耗的能量增加，这样不仅影响牵引效果，而且也会加快牵引臂内的机械零件的磨损速度，使得牵引器爬行较短距离就会损坏，甚至无法爬行。为了找出问题的症结，在5⅟2″套管中做了牵引器机械零件磨损与牵引臂张开位移大小的实验，并得出相应的数据（表1）。

表1 牵引器动能与牵引臂张开位移大小实验数据

从表1中可以看出，仪器串在水平状态下运移，牵引器只需要提供340mA左右电流的能量，对应的牵引臂张开的位移就可达到43～44cm，随着牵引臂张开位移的增加，牵引器消耗的能量快速上升，加快了设备零部件的损耗。为了降低仪器串的滚动摩擦阻力，总结出了以下两点。

1）根据下井仪器的质量，调节扶正器的支撑力，一般大于仪器总质量的20%～30%。

2）牵引器带动仪器运移时，牵引臂张开位移不得大于其在最小动能时张开位移的2cm。

2.1.3 降低仪器内部动能损耗

牵引器通过电机将动力传递给中心轴，利用锥齿轮完成动力换向，由链条传递给链轮，最后将动力传递给与套管壁紧贴的两对互成90°夹角的交叉驱动轮，使驱动轮转动。整个能量转换过程需由200多个零件配合完成，这些零件因组装或磨损都会产生较大误差，致使牵引器在长距离爬行时，动能内耗猛增，牵引效果受到严重影响。为此，要求：测井后必须将所有机械零、部件拆开，分别进行保养，使组装后每个零件的误差 ＜0.5mm；当零件损耗造成的误差 ＞0.5mm时，必须更换零件；当牵引器连续运移2 000m或遇阻牵引电流 ＞1 200mA时，必须更换所有消耗件；组装后无负载运转30min，牵引负载应 ＜1kg。

2.2 各种曲率半径水平井测井

如果牵引器和下井仪器连接起来长度超过13m，那么在通过较大狗腿度井段时，牵引器就很容易在承受压力最弱的牵引部位发生不同程度的局部变形。可以推算出在不同套管内仪器串通过井眼最大曲率需要的刚性长度（图2）。根据直角三角形边长关系可得：

式1中：L－仪器总长度，m；

d－仪器外径，mm；

D－套管内径，mm；

R－井眼弯曲半径，m。

通过计算可以得到弯曲半径和曲率表达式：

将仪器串总长度、仪器外径及套管内径代入式2、3，可得到测井仪器串在套管中移动所需的最小曲率。目前，当牵引器携带测井仪器（总长为13m）在5⅟2″套管中移动时，就容易受到大狗腿度的限制。为解决这一问题，研制了单芯柔性短节，并将其安装在仪器的不同位置，以增大仪器串的刚性长度。多口大狗腿度水平井的应用表明，施工效果良好，满足了各种曲率半径的水平井施工需要。

图2 井眼最大曲率与仪器刚性长度关系

2.3 水平井测井资料质量的提高

在测井过程中，仪器串由于受到电缆释放的旋转力矩的作用会发生旋转，造成RIB测量扇区位置发生相对变化，致使两次测量结果的差异较大，给解释工作带来一定难度。如SH某井，从其测井成果图（图3）可以看出，两次测量结果差异较大。为使电缆的旋转力矩不传递给测井仪器，消除仪器的旋转，研制了与JHYQA型牵引器配套的专用单芯旋转短节。通过在仪器串顶部添加旋转短节的方法，释放来自电缆上的旋转力矩，使得井下仪器的姿态相对稳定，从而提高RIB测井资料的质量。

图3 SH某井RIB两次测量结果图

3 牵引器的应用

3.1 长距离水平井的应用

焦页A井是涪陵页岩气示范区的一口水平井，井深为5 370m，最大井斜为87°，5⅟2″套管下深为5 364.5m，浮箍深度为5 364.5m。牵引器与4支扶正器、1支柔性短节、1支旋转短节和RIB仪器组成井下仪器串，仪器串依靠重力下放到3 187m，张开推靠臂移动至40.1cm，供电，牵引仪器串，经过40.3，40.7，41.1等不同的推靠位移，共采用4种牵引动力，供电电流由400mA逐步加大到760mA。经10h后，仪器串牵引至5 292m，牵引长度为2 105m，很好地完成了固井质量评价任务（图4）。

图4 焦页A井部分固井质量成果图

3.2 复杂井眼环境水平井的应用

黄B井，完钻井深为3 035m，造斜点位于2 400m，最大井斜为90.8°，5⅟2″套管下深为3 005m。于2012年1月28日进行固井质量监测，牵引器挂接RIB仪器，依靠重力下放到257 1m，给牵引器供电，推动仪器，当仪器推进到2 663m时，牵引电流突然从650mA迅速达到1 950mA，起出仪器，进行检查，发现牵引器牵引电机被烧坏。更换第二支牵引器，从2 579m开始推动仪器，到2 714m牵引电流突然达到1 890mA，随后电流变为140mA，反复牵引，电流始终为140mA，起出仪器，进行检查，发现动力传动轴销子被切断。两次引起供电电流迅速增大、仪器发生故障的原因是由于套管内壁大量水泥将牵引器机械部位填满（图5），牵引轮被卡死，电机能量无法释放所致。在甲方对该井进行钻塞、洗井等处理后，进行第三次测井，这次，牵引器一次将仪器顺利送至目的层。

图5 黄某井测后牵引器机械部位

3.3 大斜度水平井的应用

陵C井，完钻井深为2 908m，最大井斜角为97°，5⅟2″套管下深为2 890m。2012年6月17日，用牵引器输送声波变密度仪器进行固井质量监测，仪器靠重力下放到1 950m，给牵引器供电，推动仪器，经4h连续传输，顺利地完成了该井固井质量的评价工作。软件计算的仪器串运移中的各项参数指标验证了这一结果（图6）。

图6 软件计算的陵某井各项参数指标

4 认识与建议

1）JHYQ－A型牵引器的研制满足了水平井施工难度大和输送距离长的需求。该牵引器已累计使用150多井次，测井成功率超过86%，成为江汉油田水平井固井质量检测的主要输送工具。

2）造成牵引器严重损坏的实例说明，不良的井筒环境不仅影响测井成功率，而且容易造成牵引器的损坏，从而增加维修成本。因此，为了保证测井顺利，在测井前甲方必须对井筒进行钻塞、洗井等作业，以确保井筒无杂物和其它工具。

3）牵引器应用广泛，能完成管具输送工艺无法进行的水平井测井项目，如水平井注入剖面、产出剖面、储层参数评价及套管质量检查等测井项目。

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