一种测井系统中的电缆拉力计算和控制方法

摘要

本发明涉及测井技术领域中的一种测井系统中的电缆拉力计算和控制方法。其利用了测井系统中地面拉力传感器、下井仪器拉力传感器、下井仪器重力加速度计反馈的信号通过测井地面计算机系统按照特定的计算公式计算正常电缆拉力值和计算井斜角，并对实际拉力值与计算值进行对比分析判断井下仪器是否遇阻，同时本发明还根据遇阻情况给出了井下仪器在遇阻后的控制方法。本发明的计算和控制方法，可以获得更为准确的测井拉力数据，进而为准确的控制测井拉力提供了支持，能够很好地满足目前的测井作业要求。

说明书

技术领域

本发明涉及测井技术领域中的一种测井系统中的电缆拉力计算和控制方法。

背景技术

测井系统主要由测井下井仪器、深度测量仪、地面张力传感器、下井仪器张力传感器、下井仪器重力加速度计、测井车和测井地面计算机系统等组成。在执行测井作业时，测井车利用其电缆轮盘上缠绕的电缆将测井仪器放入井下。在此过程中，测井车上的光电编码轮会定时反馈深度信号，通过深度测量仪接收光电编码轮的采样反馈信号，以计算出当前井下测井仪器所处的井深位置。张力传感器采样反馈电缆拉力信号，通过测井地面计算机系统接收张力传感器的采样反馈信号，以计算出当前井下测井仪器所处的井深位置。下井仪器张力传感器采样反馈仪器所受张力信号，通过测井地面计算机系统接收张力传感器的采样反馈信号，以计算出当前井下测井仪器所受的张力。下井仪器重力加速度采样反馈仪器状态信号，通过测井地面计算机系统接收重力加速度传感器的采样反馈信号，以计算出当前井下测井仪器所处的位置的井斜角。

由于不同测井仪器的传感器的响应时间不同，所以测井仪器的测井速度也不同。为实现最佳的测量效果，每种测井仪器都有速度限制。在裸眼井中的测井施工存在遇阻、遇卡的风险，地面张力传感器和下井仪器的张力传感器能给出下井仪器遇阻、遇卡的信号。

使用井下和地面2套张力系统，当发生遇阻情况后，可以根据井下张力的变化第一时间作出判断，避免多下入电缆造成打纽。当发生上测遇卡情况后，可以根据井下张力和地面张力的变化情况迅速判断遇卡类型和卡点部位，及时采取合理的解卡措施，避免演变为测井事故。

在裸眼测井中,测井遇卡情况不可避免,而且经常发生。测井遇卡原因有6种情况:地层垮塌造成的遇卡、井径缩径造成的遇卡、电缆沿井壁运行磨成槽造成的键槽卡、电缆吸附造成的遇卡、井眼不规则、套管磨损等造成的遇卡。

1.地层垮塌造成的遇卡

钻井破坏了井眼周围岩体的自然平衡状态,井眼空间对岩体原应力场的扰动,改变了岩体原始应力场的分布状态。为了达到新的平衡状态,岩体就要发生变形、破坏和移动,因而井眼周围岩体就可能发生垮塌。(1)当钻井液密度较大,导致地层被压裂,从而产生钻井液漏失。(2)当钻井液密度较小,造成原应力低于岩石破裂强度和井眼周围应力强度,使地层产生压缩破坏,这时脆性岩石可导致井眼垮塌,如果地层胶结差,水动力对井眼的冲刷作用,可使井眼周围地层掉块、扩径。对定向井、大斜度井、斜井段上井壁的脆性岩石、胶结差岩石的垮塌作用会加剧,因为这些岩石所受合力作用结果比直井更易导致岩石运动。此外,测井电缆和井下仪对井壁的碰撞、摩损,也易在这样的层段造成井壁垮塌和掉块。垮塌和掉块的结果可能出现两种情况:(1)若井下仪在跨塌地层上面,跨塌、掉块可以使井眼掩埋,导致仪器遇阻；(2)当井下仪在跨塌地层下面时,跨塌量足够大时,跨塌的岩石可以使仪器上部的井眼变小甚至掩埋或在仪器和井眼之间的环形空间填充,致使仪器向上运行增加了阻力。如果电缆的上提拉力不足以克服井下电缆、仪器的这种阻力时,可导致遇卡

2.井径缩径造成的遇卡

当钻井液密度较小使地层产生压缩破坏时,如果没有造成井眼垮塌,则岩体向井眼方向压缩破坏,推进的结果可导致井眼井径缩小；另外,由于地层被钻井液浸泡,某些粘土质矿物构成的岩石所受外力小于矿物颗粒表面对水分子的吸着力时,水分子被挤入矿物颗粒之间,使颗粒之间距离加大,结果使地层岩石膨 胀,使井眼缩小。两种情况用井径测井仪测量,井径曲线常常表现为井径小于名义井径,它们的差别表现在:前者不一定发生在粘土质矿物层段,只要强度弱的岩体都可能发生；而后者则发生在粘土质矿物层段,尽管如此,结果都是井径缩小,都会造成井下仪遇卡。

3.电缆沿井壁运行磨成槽造成键槽卡

电缆在井内运行所受合力作用的结果使电缆沿着一定的方向运动,如果电缆与井壁摩擦达到一定程度,就可摩成深槽。上提井下仪时,电缆沿深槽运行,由于仪器直径大于电缆与井壁摩成的深槽,因而造成遇卡。这种遇卡特点是仪器能向下滑行,多次上提下放,卡点几乎不变,一般活动一段时间可以解卡。

4.电缆的吸附遇卡

电缆在井内静止停留时间过长,使井壁泥饼造成对电缆的吸附遇卡。也可以是钻井液性能指标因素,钻井液与渗透性地层产生较大的压力差,使电缆压向井壁,形成较大摩擦力等造成吸附遇卡。

5.井眼不规则造成遇卡

一般情况下,易塌、易垮地层段容易形成大井径,砂泥岩交互层形成井径交错变化的犬牙形井段。仪器进入大井径井段后,会改变沿井壁运行轨迹,形成侧躺等形状,当其进入井径交错变化的犬牙形井段,易造成遇卡。另外,通常说的狗腿子井段扭方位,方位变化大,改变了仪器沿井壁运行的轨迹,也易造成仪器遇卡。

6.套管磨损造成遇卡

为了使钻井工程顺利进行,对井眼上部地层进行下表层套管封堵。由于在钻井过程中或起下钻过程中,钻具的碰撞、震动、摩擦作用,可能造成套管鞋脱落、破损。当测井电缆或仪器遇到破损、脱落的套管鞋或嵌入套管鞋破损处时,电缆 或仪器也易造成遇卡。

现有技术对于上述情况的判断，高度依赖于现场操作人员的个人经验，存在较大的局限性。对突发状况响应不及时，处理时间长造成测井事故。操作人员疲劳等因素导致误操作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种测井系统中的电缆拉力计算和控制方法，在利用拉力传感器反馈的信号计算出的电缆拉力(也称为张力)基础上，可以提高拉力控制的准确性，提高测井施工的安全性；当发生遇卡情况时，采取正确的解卡方案。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种测井系统中的电缆拉力计算和控制方法，所述测井系统包括井下测井仪器、深度测量仪、测井车和测井地面计算机系统，以及地面拉力传感器、下井仪器拉力传感器、下井仪器重力加速度计，其中：测井车通过其电缆轮盘上缠绕的电缆将井下测井仪器放入井下，下井仪器重力加速度计反馈的信号通过测井地面计算机系统进行处理计算井斜角，地面拉力传感器和下井仪器拉力传感器反馈的信号通过测井地面计算机系统计算电缆拉力值，其计算公式为，

当井斜角小于3°时，电缆拉力计算公式为：

F_n＝W_cmL+F_tm(1)

当井斜角大于3°时，电缆拉力计算公式为：

F_n＝(W_cm(L-L_K)+F_tm)(cosθ+μsinθ)e^μθ+W_cmL_K(2)>

最大安全拉力F_s表达式为：>

F_s＝F_n+F_b×75％-F_t＝F_b×75％+W_cmL-F_tm(3)>

上述公式中：>

W_cm＝W_c-(cable_volume*mud_weight)；

F_tm＝F_t-(tool_volume*mud_weight)；

tool_volume为测井仪器的体积；

mud_weight为井下单位体积的泥浆重量；

cable_volume为单位长度电缆的体积；

F_n---正常测井时的拉力；

F_t---仪器在空气中的悬重；

F_b---拉力棒的最大拉力；

W_cm---单位长度电缆在泥浆中的悬重；

F_tm---仪器在泥浆中的悬重；

W_c---单位长度电缆在空气中的悬重；

L---电缆的长度；>

L_K---直井段电缆长度；

μ---摩擦系数；

θ---井斜角；

按照上述计算方法得到正常测井时的拉力数值后，上提测井过程中的电缆拉力控制方法为：通过对比地面电缆的实际拉力值与正常测井时的拉力数值，判断井下仪器是否遇卡，如有遇卡情形，则需要不断调整电缆实际拉力值，并配合电缆的收放完成上提测井。

上述方案还包括上提测井过程中的电缆拉力控制方法为：

当电缆张力在正常范围内时，以设定的测井速度上提测井。

当电缆张力超出正常范围时，判断为遇卡，对计数器TIME置零，并按照如下步骤进行。

(1)低速上提电缆，拉力增加至最大安全拉力以下，绷紧电缆，停车等待几分钟；

(2)如电缆拉力减小，恢复正常拉力，判断为解卡，执行以设定的测井速度上提测井；

(3)如电缆拉力未减小，则判断为未解卡，此时放松电缆，电缆拉力达到正常拉力时，再多下放一段电缆，等待几分钟；

(4)等待几分钟后，电缆拉力再次增加，如恢复正常拉力，判断为解卡，执行以设定的测井速度上提测井；

(5)等待几分钟后，电缆拉力再次增加后，如未恢复正常拉力，否则判断为未解卡,计数器TIME加1，重复步骤(1)、(2)、(3)和(4)，直至解卡；

(6)如计数器TIME的值等于10后仍未解卡，低速上提电缆，拉力增加到电缆最大安全拉力，绷紧电缆，停车等待几分钟；

(7)如电缆拉力减小，恢复正常拉力，判断为解卡，执行以设定的测井速度上提测井；

(8)如电缆拉力仍未减小，则判断为未解卡，放松电缆，电缆拉力达到正常拉力时，再多下放一段电缆，等待几分钟；

(9)等待几分钟后，如电缆拉力再次增加，如恢复正常拉力，判断为解卡，执行以设定的测井速度上提测井；

(10)等待几分钟后，电缆拉力再次增加后，如未恢复正常拉力，否则判断为未解卡,计数器TIME加1，重复步骤(6)、(7)、(8)和(9)，直至解卡；

(11)如计数器TIME的值等于10后仍未解卡，则计数器TIME置零，执行人工干预或执行打捞程序。

上述方案进一步包括摩擦系数μ取0.35。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的计算和控制方法，可以获得更为准确的测井拉力数据，进而为准确的控制测井拉力提供了支持，能够很好地满足目前的测井作业要求。与此同时，通过对测井系统中的关键信号处理模块采用热冗余备份技术，从而提高了系统运行的可靠性，确保了测井作业的设备安全。

附图说明

附图为本发明应用在上提测井过程中的电缆拉力控制方法流程图。

具体实施方式

一种测井系统中的电缆拉力计算和控制方法，所述测井系统包括井下测井仪器、深度测量仪、测井车和测井地面计算机系统，以及地面拉力传感器、下井仪器拉力传感器、下井仪器重力加速度计，其中：测井车通过其电缆轮盘上缠绕的电缆将井下测井仪器放入井下，下井仪器重力加速度计反馈的信号通过测井地面计算机系统进行处理计算井斜角，地面拉力传感器和下井仪器拉力传感器反馈的信号通过测井地面计算机系统计算电缆拉力值，其计算公式为，

当井斜角小于3°时，电缆拉力计算公式为：

F_n＝W_cmL+F_tm(1)

当井斜角大于3°时，电缆拉力计算公式为：

F_n＝(W_cm(L-L_K)+F_tm)(cosθ+μsinθ)e^μθ+W_cmL_K(2)>

最大安全拉力F_s表达式为：>

F_s＝F_n+F_b×75％-F_t＝F_b×75％+W_cmL-F_tm(3)>

上述公式中：>

W_cm＝W_c-(cable_volume*mud_weight)；

F_tm＝F_t-(tool_volume*mud_weight)；

tool_volume为测井仪器的体积；

mud_weight为井下单位体积的泥浆重量；

cable_volume为单位长度电缆的体积；

F_n---正常测井时的拉力；

F_t---仪器在空气中的悬重；

F_b---拉力棒的最大拉力；

W_cm---单位长度电缆在泥浆中的悬重；

F_tm---仪器在泥浆中的悬重；

W_c---单位长度电缆在空气中的悬重；

L---电缆的长度；>

L_K---直井段电缆长度；

μ---摩擦系数；(一般取0.35)

θ---井斜角；

按照上述计算方法得到正常测井时的拉力数值后，在发生拉力变化时，首先利用地面拉力传感器和井下拉力传感器的信号判断遇阻或遇卡。下放电缆时，地面拉力信号持续减小，表明遇阻。如井下拉力信号也出现减小，表明仪器遇阻。井下拉力信号无明显变化，表明电缆在井下堆积或吸附遇阻。上提电缆时，地面拉力信号超出下面计算公式给出的拉力数值表明遇卡。

上提测井过程中的电缆拉力控制方法为：

当测井仪器下放到测量段底部时，开始上提测井。由仪器所处的井深、井斜角、井眼泥浆性能可以计算出正常电缆拉力。

当电缆张力在正常范围内时，以设定的测井速度上提测井。

当电缆张力超出正常范围时，判断为遇卡，对计数器TIME置零，并按照如下步骤进行：

(1)低速上提电缆，拉力增加至最大安全拉力以下(如2000磅)，绷紧电缆，停车等待3-5分钟；

(2)如电缆拉力减小，恢复正常拉力，判断为解卡，执行以设定的测井速度上提测井；

(3)如电缆拉力未减小，则判断为未解卡，此时放松电缆，电缆拉力达到正常拉力时，再多下放5-15米电缆，等待3-5分钟；

(4)等待后，电缆拉力再次增加，如恢复正常拉力，判断为解卡，执行以设定的测井速度上提测井；

(5)等待后，电缆拉力再次增加后，如未恢复正常拉力，否则判断为未解卡,计数器TIME加1，重复步骤(1)、(2)、(3)和(4)，直至解卡；

(6)如计数器TIME的值等于10后仍未解卡，低速上提电缆，拉力增加到电缆最大安全拉力F_s，绷紧电缆，停车等待几分钟；

(7)如电缆拉力减小，恢复正常拉力，判断为解卡，执行以设定的测井速度上提测井；

(8)如电缆拉力仍未减小，则判断为未解卡，放松电缆，电缆拉力达到正常拉力时，再多下放5-10电缆，等待2-3分钟；

(9)等待后，如电缆拉力再次增加，如恢复正常拉力，判断为解卡，执行以设定的测井速度上提测井；

(10)等待后，电缆拉力再次增加后，如未恢复正常拉力，否则判断为未解卡,计数器TIME加1，重复步骤(6)、(7)、(8)和(9)，直至解卡；

(11)如计数器TIME的值等于10后仍未解卡，则计数器TIME置零，执行 人工干预或执行打捞程序。

以上过程可由计算机软件控制。

本发明的方法中，根据岩石力学理论可知,岩石具有非均质各向异性,内部存在初始应力场和裂隙系统等特点,可视为弹塑性介质,并可视为粘性介质。所以,岩石与一般固体物质不同,在弹性限度内,岩石既有弹性形变,又有塑性形变,并且具有流变性,即蠕变和松驰,因此岩石的永久形变不一定要在外力达到一定数量才发生。只要外力作用的时间和次数增加,岩石的流变也累计增加,当外力作用时间和次数达到足够量时,岩石就产生破坏。井下仪器在井下遇卡的解卡道理应该是一样的。因为井下仪器遇卡后,当上提仪器时,绞车动力系统借助柔性电缆通过井下仪器作用于卡点岩石的力足够大时,可以使岩石破坏而解卡；可是电缆抗拉强度是非常有限,通常小于岩石的破裂强度,这种情况根本不可能在短时间内解卡,所以必须上下活动电缆、增加作用时间和次数,使卡点岩石流变,最后使岩石破坏,达到解卡目的。