井間微地震儀器的推靠方法分析

井間微地震儀器推靠方法分析黃磊（中國石油測井有限公司生產(chǎn)測井中心儀器裝備部）摘要：本文對井間微地震儀器用途、原理及結(jié)構進行了簡單的介紹，并從多個方面對測井儀器推靠器進行分類，文章重點從井筒施工安全和儀器自身安全兩個方面討論了井間微地震儀器推靠的實現(xiàn)方法。關鍵詞：井間微地震推靠安全套管0引言如今油田測井不僅需要高精度、高分辨率技術，更需要點、鏈、面、體全方位地層信息資料的采集和處理。井中地震技術可以把一維的測井曲線延伸至二維和三維空間，實現(xiàn)了將現(xiàn)有測井與地面地震技術數(shù)據(jù)的綜合利用，能夠為油田勘探開發(fā)做出區(qū)域性評價。而推靠機構是井中地震儀器中的關鍵機構之一，它要能夠可靠地實現(xiàn)推靠動作，并且施加一定的推靠力，將采集儀器緊貼井壁進行探測。一方面需要滿足檢波器的測量頻響要求，另一方面推靠機構要十分可靠地實現(xiàn)收回，以防推靠機構卡死或電機故障造成儀器損壞和井筒事故。1井間微地震儀器的介紹1.1井間微地震儀器用途井間微地震監(jiān)測技術是通過監(jiān)測注水過程中產(chǎn)生的微震波，來確定出水驅(qū)前緣位置、優(yōu)勢注水方向、注水波及面積等；在做壓裂效果評價時，可以確定出裂縫分布的方位、長度、高度及地應力方向等地層參數(shù)。為油藏工程師驚醒方案優(yōu)化、提高整體開發(fā)效果和采收率等提供依據(jù)。1.2井間微地震儀器基本原理根據(jù)最小周向應力理論、摩爾-庫倫理論、斷裂力學準則等，分析微地震的傳播。無論壓裂還是注水都會誘發(fā)微地震，產(chǎn)生微震波。壓裂時，在射孔段位置，當迅速升高的井筒壓力超過巖石強度，巖石破裂，形成裂縫，裂縫擴展時，必將產(chǎn)生一系列向四周傳播的微震波；注水時水流在巖層裂縫中的流動也會產(chǎn)生微震波。微震波被布置在井周圍的監(jiān)測分站接收到，根據(jù)各分站微震波的到達時差，會形成一系列的方程組，求解這一系列方程組，就可確定微震震源位置，進而確定裂縫產(chǎn)生情況和注水效果。1.3井間微地震儀器串結(jié)構井間微地震儀器由校深部分、遙傳部分、級聯(lián)部分、采集部分等四部分組成。如圖1所示，其中校深部分由磁定位組成，主要起到儀器校深的作用；遙傳部分是儀器與地面采集箱體建立通訊傳輸數(shù)據(jù)的短節(jié)；級聯(lián)部分主要滿足個采集節(jié)之間的距離要求；采集部分是整串儀器的核心部分，根據(jù)實際測井的需要最多可以級聯(lián)12個采集節(jié)，每個采集節(jié)由地震波采集和機械推靠兩部分組成。圖1井間微地震儀器結(jié)構圖（8采集節(jié)）2測井儀器推靠器的分類目前，推靠器在測井儀器中的應用越來越多，并且直接影響測井的質(zhì)量和安全。推靠設計要考慮的因素很多，例如，安全性、可靠性、穩(wěn)定性、耐磨性等。通常，推靠器按傳動方式可以分為機械式和液壓式。2.1推靠器按能動性分為2類a）主動推靠器是指在推靠時需要電機或者液壓驅(qū)動的推靠器，這種推靠器下井時推靠收攏，儀器到達目的層位上測時驅(qū)動電機或液壓泵打開推靠開始測量。b）被動推靠器主要指的是無需要驅(qū)動的扶正器。常見的儀器扶正器大多屬于被動式推靠器。2.2推靠器按功能分為3類a）扶正器使測井儀器在井下位于中心位置。結(jié)構多為聯(lián)動方式，結(jié)構簡單功能可靠，主要分為彈片式扶正器和連桿式扶正器。目前國產(chǎn)生產(chǎn)測井多參數(shù)多用彈片式扶正器，SONDEX系列儀器主要使用的是連桿式扶正器。b）貼壁測量推靠器測井儀器的傳感器在推靠器上，測井時張開推靠器使傳感器貼緊井壁來測量地層參數(shù)。典型的儀器有六扇區(qū)水泥膠接測井儀器、俄羅斯過套管電阻率等。c）偏移推靠器推靠器張開時，頂在一側(cè)井壁上，將儀器的主體推靠到對側(cè)的井壁上。典型的儀器有井壁取芯儀器、井間微地震儀器等。3井間微地震儀器的推靠方法3.1推靠傳動方法類比俄羅斯過套管電阻率儀器。由于井間微地震儀器采用了多級軟連接，而目前國內(nèi)采用這種多級軟連接，并且需要多級推靠的儀器并不常見。俄羅斯過套管電阻率與井間微地震儀器有一定程度上的相似之處，它們都采用了多級軟連接，都需要多級推靠。由于俄羅斯過套管電阻率級間級聯(lián)距離短，所以采用的是液壓推靠。液壓推靠主要存在如下優(yōu)點：a）液壓傳動裝置效率高，結(jié)構緊湊，通過液壓管線能夠?qū)崿F(xiàn)單個液壓泵儲油倉進行多級推靠控制。b）液壓推靠推靠要比常規(guī)電機推靠力量大，推靠壓力精確可控。c）容易可靠的實現(xiàn)井筒安全保障。當多級推靠打開無法正常收回時，可以設置拉斷銷拉斷后液壓回流，讓所有級聯(lián)推靠同時收回。d）液壓系統(tǒng)內(nèi)部零件均在液壓油內(nèi)工作，可實現(xiàn)自行潤滑，機械部件使用壽命長。同時液壓推靠也存在如下缺點：a）液壓系統(tǒng)密封環(huán)節(jié)多，而且影響密封性能的因素也多，所以維護保養(yǎng)比較繁瑣。b）儀器在井內(nèi)高溫高壓下液壓系統(tǒng)內(nèi)容易進氣，影響推靠的正壓力和推靠的正常收回。c）軟連接級聯(lián)管線使用運輸中容易造成管線損傷。相比俄羅斯過套管電阻率儀器，井間微地震儀器每個采集節(jié)推靠間的距離長達10米左右，如果采用液壓推靠就需要在級聯(lián)器上鋪設液壓管線，而每個級聯(lián)鋪設約10米長的液壓管線，并且級聯(lián)12個采集節(jié)顯然是不易于儀器的使用維護保養(yǎng)，所以井間微地震儀器采用了電機驅(qū)動實現(xiàn)推靠。由于儀器級聯(lián)軟連接，每個采集節(jié)必須有單獨的電機才能實現(xiàn)推靠。3.2推靠電機控制電路電機控制電路實現(xiàn)如圖2所示，當收推靠時，-110V直接通過過線經(jīng)過反向二極管D8和D9構成電機供電回路。使采集節(jié)推靠控制單片機及其相關電路不參與控制，確保在單片機及其相關控制電路失效時能夠可靠實現(xiàn)收回推靠，保障井筒施工的安全。當開推靠時，+110V經(jīng)D6和相關阻容元件穩(wěn)壓出V+5提供給單片機供電，而電機供電回路中包含Q4、Q5開關管電路、R25、R26、R27和R44組成的電流采樣電路以及U3單片機控制電路。當+110V電壓加載到電路上時，單片機上電工作，按照單片機內(nèi)的程序，單片機控制開關管進行一定的延時，然后開關管導通構成電機回路，電機旋轉(zhuǎn)，推靠器開始撐開，當推靠器貼上套管內(nèi)壁，電機電流開始升高，單片機實時采樣電機電流，并與程序內(nèi)上限電流（150mA）對比，一旦電流達到或超過程序內(nèi)上限電流值，隨即控制開關管Q5斷開電機供電回路。保障電機不被燒毀并且能產(chǎn)生預期的推靠正壓力（大于350Kg）。圖2采集節(jié)電機控制電路3.3推靠安全可靠性分析3.3.1井間微地震儀器推靠實現(xiàn)方法儀器推靠開臂時，各采集節(jié)電機延時啟動，確保所有的電機不同時啟動，避免產(chǎn)生很大沖擊電流，從而保證不會在傳輸電纜上產(chǎn)生大的壓降而導致推靠力不充分的問題。當推靠貼緊套管內(nèi)壁后，各采集節(jié)電機控制電路實時采集到電機電流達到或超過150mA時，斷開電機回路，實現(xiàn)推靠開臂安全可控。儀器推靠收臂時，為了保障儀器在極端條件下（電機控制電路失效）推靠能夠收回，避免井筒事故的發(fā)生，儀器推靠收臂時，電壓直接加載在電機上（包括兩個反向二極管）。由于收臂時不必考慮沖擊電流影響到推靠正壓力的大小，所以推靠收臂時，各采集節(jié)同時收臂。由于收臂電機不受電機控制電路控制，所以采用了限時供電（一般限時15秒）來控制收臂。根據(jù)反復實驗各采集節(jié)推靠在空氣中推至最大后完全收回約45秒，在5.5英寸套管中推靠好后完全收回約30秒。所以15秒推靠收臂時間應該既保障了推靠與套管內(nèi)壁分開又不會因收臂過緊燒毀電機。3.3.2推靠安全剪切銷裝置為了保障井筒施工安全，確保單個采集節(jié)推靠電機控制失效，推靠臂無法收回時，儀器仍然能夠順利起出。如圖3所示，在推靠器連桿39與傳動滑塊的鏈接銷40上設置了安全剪切銷，當推靠無法有效收回時，拉動力500~600Kg就能使該采集節(jié)推靠的安全剪切銷切斷。從而連桿39將與傳動滑塊脫離，推靠臂41將自然下垂收回。圖3采集節(jié)推靠臂部分機械結(jié)構3.3.3井筒安全與儀器安全在儀器推靠上的衡量首先由于儀器的多級級聯(lián)并且各級聯(lián)之間有約9米長的電纜連接，一旦出現(xiàn)儀器串遇卡或者儀器串推靠無法正常收回導致儀器落井失控，打撈處理工作就格外困難，所以井筒施工安全應該是這串儀器設計以及施工時考慮的重中之重。通過大量實驗總結(jié)得出如下數(shù)據(jù)：?馬龍頭拉力棒最大安全拉力3000Kg；?采集節(jié)級聯(lián)器最大安全拉力5000Kg；級聯(lián)12支采集節(jié)儀器串重量約500Kg；?各采集節(jié)推靠臂安全剪切銷剪切拉力500~600Kg；110V/150mA電機推靠正壓力大于350Kg；儀器正常推靠在5.5英寸套管(干凈套管)上后的拉動力150~250Kg。如果遇到特殊情況儀器推靠開臂時，正好有一個或者多個采集節(jié)推靠器完全被箍住，開臂時因為電機限流后停住，但是這一個或多個采集節(jié)推靠開臂時基本沒有打開。在之后的限時15秒收臂時，可能燒毀這幾個電機?；蛘哂捎诘孛娉炭仉娫丛O置了限流保護，剛一開始收臂，馬上電源就限流保護了。但實際上大多數(shù)正常推靠到套管內(nèi)壁的推靠器沒有來得及與套管分離。這種情況是冒著燒壞一個或幾個電機的風險加大程控電源的限流保護，使大多數(shù)推靠與套管分離，還是頂著風險讓大多數(shù)采集節(jié)推靠在套管內(nèi)壁摩擦著上提起出儀器。假設1個采集節(jié)推靠完全收攏，其余11個采集節(jié)推靠以350Kg正壓力撐在套管內(nèi)壁，此時，拉動這一串儀器的拉力應該是：儀器串自重+11個采集節(jié)正常推靠在5.5英寸套管上的拉動力=500Kg+11*(150~250Kg)=2150~3250Kg。如果有套管變形或者有推靠臂卡進接箍等情況，想要拉動儀器串就必須使該采集節(jié)推靠臂安全剪切銷切斷，而切斷一個安全剪切銷拉力約500~600Kg。如果這樣拉動這一串儀器的拉力必然大于馬龍頭拉力棒最大安全拉力3000Kg。所以綜合上面的理論數(shù)據(jù)分析，如果出現(xiàn)上述特殊情況，頂著風險讓大多數(shù)采集節(jié)推靠在套管內(nèi)壁摩擦著上提起出儀器是不可取的，可能造成嚴重的井筒事故。那么就只有冒著燒壞這個沒能正常推靠開臂的采集節(jié)的電機的風險，加大地面程控電源的限流設置，使其他采集節(jié)推靠收臂一定時間，與套管內(nèi)壁分離開來。3.3.4如何避免上述燒壞電機的情況發(fā)生方案一：增加推靠收臂到位限位開關，雖然其不能解決推靠收臂過程中遇異物卡住電流增大等風險，但能夠讓推靠收臂到位后，觸動限位開關停止給該電機供電。但這就需要增加電機電路控制和機械限位觸動裝置，如果用機械限位觸動裝置必然要考慮密封性問題，即便是使用磁頭霍爾元器件來進行限位控制，也必須增加電機電路控制。而增加霍爾元件和電機電路控制必須考慮到控制電路工作的可靠性。方案二：增加采集節(jié)推靠電機電流監(jiān)測電路。如同采集節(jié)推靠開臂電機監(jiān)測電路，這樣只要推靠遇到一定的阻力，無論是收臂過程中遇異物卡住還是已經(jīng)收臂到位，只要電機電流增大到一定的時候，控制電路就能及時斷開電機供電回路。綜合上面的分析，想要避免電機燒壞，就必須增加電機控制電路，增加電路肯定必須考慮到安全可靠的問題。第一種方案保護效果有限并且增加的環(huán)節(jié)多；第二種方案相對簡單而且有開臂監(jiān)測電流電路做基礎，電路實現(xiàn)起來比較容易。4結(jié)束語該井間微地震儀器在推靠的設計方法上做了大量的實驗論證，儀器的安全可靠性應該是