哈里伯顿卡点指示仪的原理及应用

韩知明

(中国石油长城钻探工程公司国际测井公司 北京 100101)

0 引 言

在石油钻井过程中，多种原因会导致钻具卡住，俗称卡钻，卡钻也是钻井作业施工中经常发生的事故[1]。在井队无法自行解卡时，就需要进行其他的钻具回收作业，如爆炸松扣、钻具切割等。这时就要高效准确地确定钻具卡点位置。当前常用的卡点指示仪多为锚定式或类似结构，属于应力探测测井仪器，根据虎克定律和电磁感应原理设计，通过高灵敏度的应力探测器探测上下锚之间的扭转量和拉伸量来判断探测位置钻具的自由程度[2]。该种仪器需要重复多次锚定和测量来判断钻具卡点的位置，测量时需要多次提拉或旋转钻具，操作复杂，作业效率比较低。这就需要有一种新的测量方法和测量仪器来简化操作流程，提高作业效率，减少损工时间。

新一代哈里伯顿卡点指示仪(HFPT)由于采用了全新的测量理论和方法，作业时不需要重复多次锚定仪器，也不需要多次提拉或旋转钻具，具有可以不间断连续测量、操作简单可靠、作业效率高、施工时间短、测量数据直观准确等优点，是一种先进的卡点测量仪。本文从原理、组成和应用等方面介绍哈里伯顿卡点指示仪(HFPT)，以期为卡点测量作业提供有益参考。

1 HFPT工作原理、组成及特点

1.1 HFPT设计及工作原理

HFPT卡点指示仪利用了铁磁性物质具有的逆磁致伸缩效应。所谓逆磁致伸缩效应是指给已磁化的铁磁性物质施加应力后，其磁场状态会发生变化[3]，其内部磁畴排列、自发磁化的状态会发生变化，如图1所示。铁磁性物体未被磁化前，物体磁畴磁矩取各种方向，相互抵消，对外不显磁性，如图1(a)所示；施加磁场后，物体内部的磁畴磁矩发生变化，无法再相互抵消，对外显示磁性如图1(b)所示。磁化后的物体，在受到机械应力作用后，内部的磁畴磁矩又会发生变化，对外显示不同于未受应力作用时的磁场状态[4]，如图1(c)、(d)所示。

图1 物质磁化过程及外加机械应力对磁化过程的影响示意图

根据逆磁致伸缩效应理论，当扭矩或拉力作用于自由状态的已经被磁化的钻具时，其磁场状态将发生变化，而扭矩或拉力无法作用于非自由状态的钻具上，所以非自由状态钻具的磁场状态将保持不变。利用这一特性，通过使用内置于仪器内部的多分量高灵敏度磁传感器测量被磁化的钻具在扭矩或拉力作用前后的磁场状态，通过前后两次测量对比即可确定自由状态钻具和非自由状态钻具的分界点，即钻具的卡点。

图2为HFPT卡点指示仪磁传感器测量示意图。作业时，在仪器下部安装一个永磁体，用于磁化其周围的钻具。仪器内有8个磁传感器电路板来测量周围钻具被磁化后的磁场状态，包含4个径向磁传感器板，4个切向磁传感器板，每个磁传感器板又各包含1个纵向测量，共计得到16个测量值[5]。测量的数据通过仪器的电子线路上传到地面数据采集系统，数据采集系统通过一系列的信号处理，对测量的信号进行叠加处理，最终输出1条数字化的API标准曲线，被数据采集系统记录并显示在操作界面上。

图2 HFPT卡点指示仪磁传感器测量示意图

1.2 HFPT卡点指示仪的组成和功能

HFPT卡点指示仪共分为4个部分：上下扶正器、永磁铁、磁性探头、电子线路部分。HFPT卡点指示仪组成图如图3所示。

1)上下扶正器对仪器进行居中扶正，无锚定功能，提高测量精度和准确度。

2)永磁铁用于产生磁场，磁化仪器周围的钻具。

3)探头内有内置的高灵敏度的磁传感器，探测周围钻具的磁场，并把测量数据传送给电子线路。

4)电子线路为探头内的磁传感器板提供合适的工作电压，把探头测量的数据转换成电信号，把电信号增强后上传到地面数据采集系统。该电子线路短节中设置有电源、信号处理和总控芯片等电路和元器件，具有较高的可靠性和稳定性[2]。

图3 HFPT卡点指示仪组成图

1.3 HFPT卡点指示仪的特点

常用的锚式卡点指示仪，作业时需要多次的锚定测量，作业时间长，作业效率低，且影响测量的因素很多，比如扭矩或拉力传输情况、仪器刻度、人为操作因素、井斜等，都能对测量精度和准确度带来很大的影响。而相比于锚式卡点指示仪，HFPT卡点指示仪具有可以不间断的连续测量、操作简单可靠、作业效率高、施工时间短、测量数据直观准确等优点。只需要连续下测1条曲线，然后在钻具施加扭矩或拉力后，再上测1条曲线，2条曲线通过叠加对比即可确定出卡点的准确位置。因为是连续测量，故作业时间短，施工效率高，通过特殊的测量原理以及数据处理方式，又保障了测量结果的精度和准确度。此外，不需要额外使用磁定位(CCL)短节，根据测量的数据，通过数据处理和计算，地面数据处理系统能够给出1条磁定位(CCL)曲线，缩短了下井仪器长度，减少了下井仪器数量。

2 操作步骤及注意事项

为了加快卡点测量效率，节省作业时间，在进行卡点测量前，强烈建议通过管串拉伸计算法估算卡点深度，即给井内钻具施加一定的拉力。根据钻具的拉伸量来计算卡点的方法，为后续卡点测量提供大致的参考区间，提高作业效率。

首先，按照仪器标准操作流程，设置地面采集系统及软件各参数和档位，在地面连接仪器，对仪器进行地面供电检查和调试，并用校验筒对仪器状态进行检验，确保仪器工作响应正常，测量准确。

其次，根据估算的卡点深度，参照井内的钻具组合类型，计算确定卡点以上管串的正常悬重值以及后续作业时需要的上提拉力附加值以及施加正旋扭矩所需的旋转圈数。卡点测量步骤：

1)把遇卡的管串上提至正常悬重状态，斜井可以适当增加提拉力10%～15%，然后把仪器串下入被测量的管串内，直到距离估算的卡点之上100 m处停止下放。

2)在地面系统软件上操作仪器开始向下测量并记录测量结果，下侧至估算的卡点之下100 m或可以抵达的最深安全深度，然后停止测量，保存测量的结果。

3)给管串施加提拉力至管串破断力的80%，然后上下活动管串，目的是通过活动管串，让提拉力能够顺利地传递到整个自由管串上。尤其是斜井，需要适当增加上下活动次数，注意活动管串时最大上提拉力不要超过管串破断力的80%，活动管串时注意保护测井电缆。

4)继续保持提拉力为管串破断力的80%状态，在地面系统软件上操作仪器开始向上测量并记录测量结果，上侧至估算的卡点之上100 m，然后停止测量，保存测量的结果。

5)在地面操作系统软件中整合叠加两次测量的结果，通过两次测量结果叠加曲线的对比，曲线重叠部分为非自由状态钻具测量结果，曲线分离部分为自由状态钻具测量结果，而两部分的交界点既是卡点。

此外，还可以通过对管串施加旋转正扭矩，然后测量施加扭矩前后的结果，同样也可以得到1个卡点深度。2个卡点深度对比核对，即可互相验证卡点深度是否准确真实。具体的操作流程如下：

1)把遇卡的管串上提至正常悬重状态，斜井可以适当增加提拉力10%～15%。

2)在地面系统软件上操作仪器从估算的卡点之上100 m处开始向下测量并记录测量结果，下侧至估算的卡点之下100 m或可以抵达的最深安全深度，然后停止测量，保存测量的结果。

3)在井口正向旋转钻具，然后上下活动管串，目的是通过活动管串，让正向的旋转扭矩能够顺利地传递到整个自由管串上，尤其是斜井，需要适当增加上下活动次数，活动管串时注意保护测井电缆。在此步骤中，建议施加最大量的正向旋转扭矩，让管串受到足够扭矩作用的同时充分拧紧钻具连接丝扣，为后续爆炸松扣作业做好准备，对于卡点较深的情况，需要施加的旋转圈数会较多，这种情况下可以分多次施加旋转扭矩的方式，即施加几圈后，上下活动管串，然后再施加几圈，再上下活动管串。

4)旋转扭矩施加完成后，在地面系统软件上操作仪器开始向上测量并记录测量结果，上侧至估算的卡点之上100 m，然后停止测量，保存测量的结果。

5)在地面操作系统软件中整合叠加2次测量的结果，通过2次测量结果叠加曲线的对比，曲线重叠部分为非自由状态钻具测量结果，曲线分离部分为自由状态钻具测量结果，而两部分的交界点既是卡点。

3 应用实例

国外某油田某井，在钻进至约2 200 m时，发生卡钻，井队经过尝试无法顺利解卡，然后甲方通知测井公司使用测卡仪器测量卡点，并通过爆炸松扣解决卡钻问题。测井公司本次测卡作业使用了哈里伯顿HFPT测卡仪，对该井遇卡管串进行了测量，分别通过施加提拉力和正扭矩2种方式进行了2次测量，得到了2个测量卡点深度：提拉力测量卡点深度为2 119.8 m，扭矩测量卡点深度为2 120 m，如图4所示。

图4 HFPT卡点指示仪在国外某井实际测量结果

通过测量结果对比，2个卡点深度大致吻合，一致性比较高。经过甲方的同意，测井小队按照测量的卡点深度，对卡点之上的第1个钻具接箍进行了爆炸松扣作业，一次作业成功，解卡的所有钻具起出井后，经过检查核对，松扣位置准确，无明显外观损伤，作业十分成功，说明该测卡仪测量结果比较可靠，同时测卡作业时间也很短，相比于锚定式测卡仪作业效率较高，优势比较明显。

本次测卡作业中共进行了提拉和旋转2种方式测量，测量距离150 m，测量时测井速度为10 m/min，只计算实际测卡时间在2 h之内，测量过程中共施加2次正常悬重，施加1次80%破断力的提拉力，施加1次正向旋转扭矩。如果采用常规的锚定式测卡仪，要获得准确的卡点，首次使用提拉力或扭矩方式测量时，需要在估算的卡点上下测量至少5～7个点才能获得卡点位置，第2次采用扭矩方式测量时，可以减少测点数量，2种方式测量共计需要至少8～10个点，而且每个测点都需要重复对管串施加提拉力或扭矩，重复锚定仪器、释放电缆、测量、回收仪器等操作，所以实际测卡时间将达到3～4 h，甚至更长。而且多次地施加较大的提拉力或正向旋转扭矩，作业过程中风险较高。实际作业中还发现，如果前一次的提拉力或扭矩未能充分释放掉，残余的提拉力或扭矩会对测量产生干扰，影响测量结果和测量效率。所以通过对比，该新型仪器，无论是从作业效率还是作业风险性等方面，优势比较明显。

4 结束语

哈里伯顿卡点指示仪(HFPT)通过应用新的测量理念和测量原理，形成了一种新的测量方法，该测量方法不论从测量准确度还是测量效率上都是十分优秀的。石油工程作业现场存在太多的影响和变化因素，都会影响仪器测量结果的准确性、可靠性及一致性，这就需要作业人员具有充足的作业经验和较高的作业技能来弥补。本文仅通过介绍该仪器的基本原理和作业实例，为石油钻井过程中卡点测量作业提供一种新的可选方法。