连续卡点仪器原理及应用

吴俊祖，邱东瑞，宛文宇(中海油服油田技术事业部塘沽作业公司，天津 300451)

0 引言

在钻、修井的过程中，顶驱等动力输出设备将输出很大的功率来克服钻进、循环及管柱与井壁的摩擦力。当井况良好时，阻力较小，钻杆活动正常；当井况恶化时，例如吸附、井塌、井径收缩和落物等情况发生，将严重影响甚钻杆的良好运转，反应不及时，很可能就会发生卡钻事故［1］。事故发生后，会不同程度给施工单位带来时间和经济上的损失，因此一旦发生卡钻事故，施工单位都会想尽办法，力争在最短时间内解除卡钻，减少事故造成的损失。随着钻井技术的不断提高，深井、大斜度井和水平井逐渐增多，对卡钻事故处理技术及装备提出了更高的要求。连续测卡仪就是一种能快速、准确地为井队找出卡点位置，为后续解卡作业提供准确依据的一种设备［2］。

1 测卡技术现状

1.1 吸附式测卡仪器

吸附式测卡仪器(简称FPI)，它是由磁定位短节、上磁铁、传感器节和下磁铁等组成。通过数次上拉钻具或给钻具施加扭矩产生弹性变形，由测卡仪的应变传感器在卡点附近测得几组应力变化数据，然后通过分析可以给出钻具卡点的位置。

1.2 锚定式测卡仪器

锚定式测卡仪器生产厂家和使用方比较多，它较吸附式测卡仪能更好地固定于钻具内。它是由接箍CCL、上/ 下固定短节、仪器控制短节和传感器接收短节等组成。通过固定短节可以使信号接收短节固定于管柱内特定深度，然后顶驱对钻杆施加拉、压或扭作用力时，由于钻杆受到地面给予力的作用，钻杆会发生形变，与钻杆一体的仪器探头也会发生角度变化，仪器探头本体的位移引起装于内部感应线圈电感量发生变化。通过形变的物理量转变成磁、电的量，把电信号传送到地面，地面再对电信号进行处理、分析，即可确定遇卡的位置［3］。

以上两类测卡仪器都是采用定点、逐次逼近的测量方式确定卡点位置，由于用时较多，不利于快速确定卡点位置，而最新引进的连续卡点仪器(HFPT)，从点测升级为连续测量，为当下先进的测卡技术。

2 HFPT 原理及关键技术

连续卡点仪器(halliburton free point tool)是一种更加准确、直接和省时的卡点测量技术。其原理是：仪器磁化管柱，钻台施加拉力或扭力后释放，卡点以上的自由部分因管柱形变磁化磁场遭到破坏，卡点以下位置因管柱没有形变则管柱磁性基本没有变化，通过测量管柱磁性的变化进而确定卡点位置。根据其原理，一般通过以下3 步即可：(1) 仪器下放，磁化管柱，同时记录基线；(2) 钻台施加拉力或扭力，释放；(3) 仪器上测，记录上测磁性变化，确定卡点位置。

2.1 地面系统

HFPT 的地面系统主要包括CHIP 面板和一台主机。CHIP面板集合了供电、井下数据及张力、深度等参数采集、前期处理等功能；主机则安装了warrior 软件，完成仪器控制、数据显示及后处理等。CHIP 面板和主机之间通过一条Type-C 转USB数据线连接。

2.2 井下仪器

井下仪器一般有加重杆，扶正器和HFPT 仪器，核心是集合了电子线路、探测器和永磁铁的一支1.6 m 长的HFPT 仪器。其中电子线路部分主要负责给传感器部分供电，处理来自传感器信号并把信号传给地面；探测器部分主要是探测管柱的磁场变化和把磁信号转换成电信号；永磁铁则对经过的管柱进行磁化，在整个管柱中建立相等的磁性特性，以建立基线。

仪器的永磁铁部分是两块特殊材质磁铁固定于仪器底部圆周上；线路部分主要包括：电源滤波板、DC-DC 板、信号驱动板、复位板和主控板。传感器部分是整个仪器的核心，磁性探测是使用了HMC1022 双轴磁传感器芯片，每一个芯片上有两个方向的探测分量，前、后两块板子又成90°放置，形成了一个局部的三维分量；前、后两部分各有4 块板子，共8 个HMC1022芯片、16 个分量测量(4 个径向分量，4 个切向分量和8 个纵向分量)，形成了多个三维区，基本覆盖了整个管柱，如图1 所示。

图1 俯视管柱分量示意图

3 HFPT 的操作方法和应用

3.1 地面校验操作

在维保中或作业前，一般需要对仪器进行校验。校验步骤如下。(1) 将验证器穿过仪器，直到传感器被“零场室”包围；(2) 仪器供电；(3) 开始时间驱动记录，记录10 秒；(4) 移动验证器，直到传感器被“磁场室”包围；(5) 慢慢旋转校验器两圈，分量响应应是±5 高斯之间的类似正弦曲线，如图2 所示。

图2 地面检验16分量曲线

3.2 卡点测量过程

现场测量卡点时，连接好仪器串，调好通讯，根据井队初步判定的管柱遇卡位置，下放仪器。

(1) 仪器入井之后在预测卡点上方60.96 m 左右，开始下测，记录测量基线。不同类型的钻杆充磁过程有区别，建议下放过程速度放慢控制在9～15 m/min。

(2) 测到预测卡点以下60.96 m 左右，停止记录。此时，测量段管柱已被磁化建立磁场，并同时测量到了基准信号。再通知钻台对钻杆施加拉力，施加拉力值是管柱破断力的80%，确保拉力传递到卡点以上整个管柱，之后释放拉力；开始上测记录至预测卡点以上60.96 m，停止记录。此时应该就能确定卡点位置，为了进一步确认，进行步骤(3)。

(3)重新下放工具串并记录基线2至卡点以下合适位置之后，通知钻台施加最大允许扭矩，确保扭矩传递到卡点以上整个管柱，之后释放掉扭矩，再次上测记录至预测卡点以上60.96 m，停止记录。

(4) 根据步骤(2) 和步骤(3) 分别确定两次测得卡点位置，两次测量所得卡点位置应该一致，如图3 所示。

图3 某井测卡实测曲线

4 结语

(1) 连续卡点仪器采用16 分量的测量，具有较高的灵敏度，能准确识别井下管柱的磁性变化。数据采集系统与常规生产测井通用，操作方便，可实现实时数据处理，快速准确确定卡点位置。

(2) 该仪器适用范围广，在大斜度井乃至水平井内中都能准确测量。

(3) 该仪器还能通过比较测量磁通量的大小，定性判断遇卡的程度，帮助判断卡钻性质，这可为后续事故处理提供可靠依据，节省时间，节约成本。