可调式防脱键顶杆的研制与应用

高彦峰 ，晁文学 ，莫文丽 ，李晓安 ，张晓龙

（1.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001；2.中国石化中原石油工程有限公司钻井二公司，河南 濮阳 457001）

0 引言

随着水平井技术的不断发展与完善，各大油田相继将其作为主要的增产开发方式［1-2］。在水平井定向作业与轨迹控制中，无线随钻测量仪器已成为不可或缺的设备［3-6］。 座键式 MWD（Measure While Drilling）仪器，如海蓝MWD、QDT-MWD等，因具有操作简单、便于运输、维修用时短、运转费用低等特点，在国内各大油田随钻测量中得到了广泛应用［7］。

2006年中原油田引进海蓝MWD仪器以来，应用水平逐步提高，现已成为油田内部市场的主要随钻测量设备。但在使用过程中发现，该仪器时常发生脱键现象，导致无法形成正常的钻井液脉冲信号，影响随钻测量施工正常进行［8］。据统计，MWD仪器脱键造成的起钻次数占总故障起钻次数的近60%，因此对该仪器脱键原因展开分析和研究，找出针对这一问题的相应解决方案，对提高钻井时效、节约钻井成本具有重要的现实意义。

1 存在问题及实例分析

1.1 存在问题

座键式无线随钻测量仪器，主要是通过座键的形式将井下仪器串和定向接头内的循环套对接起来，循环套由定向顶丝与专用定向接头固定在一起，循环套内的定向键与仪器串下端引鞋上的定向键槽配合，保证仪器串与定向钻具之间不能相对转动。仪器串自身重力和仪器扶正器与钻具内壁间摩擦力共同提供阻止仪器串向上移动的力，防止仪器脱键。这种设计能保证仪器串不发生相对定向钻具的转动，却无法完全保证仪器串发生相对定向钻具的轴向移动。

在实际应用过程中，当下钻速度过快时，仪器串有一定程度的失重，加上钻井液的反冲力，仪器串与定向钻具之间就会有轴向的相对运动。如果钻井液性能比较差，如黏度大、含砂量高等，使得仪器串无法复位，移动效果累积一定时间后，最终将导致脱键［9-11］。特别是在井斜角接近90°甚至超过90°的随钻施工中，仪器串自身重力与定向钻具轴向垂直，甚至给仪器串施加一个脱键的力，加上物理条件的影响，很容易发生脱键而导致仪器故障。

1.2 实例分析

下面以随钻测量过程中出现脱键导致的仪器故障为例，对海蓝MWD仪器脱键原因进行详细分析。

1.2.1 卫84-平1井

2009年7月7日钻至2 340.0 m，井斜角89.7°，钻头直径215.9 mm，02：40开始进行短起下作业，05：05下钻到底开泵循环，仪器没有正常脉冲信号，此时的钻井液密度为1.26 g/cm3，黏度为68 s。

初步判断为仪器脱键导致的故障，采取的相应措施为，起出2个立柱，让钻头远离井底，上下活动钻具，开转盘，开泵测试等，结果无效；接着进行起钻检查，起至地面时，发现引鞋导向斜面严重损坏（见图1）。

图1 引鞋导向斜面损坏

对起出的仪器串敲击测试，结果显示仪器串能正常工作。这说明短起下作业时下钻速度过快导致仪器串脱键，脱键后采取使仪器串复位措施时，引鞋导向斜面与定向键发生撞击，定向键卡在引鞋导向斜面损坏豁口上，仪器串无法复位，最终导致非正常起钻。

1.2.2 文188-平1井

三开作业中，2010年12月26日03：50井口测试仪器正常，开始下钻；12：20下钻至3 221.0 m（二开套管下至3 217.8 m），开泵测试仪器，没有正常钻井液脉冲信号。此时井斜角为38.1°，钻头直径为215.9 mm，钻井液密度为1.47 g/cm3，黏度为89 s。

初步判断为脱键导致仪器故障，主要是因为下钻速度过快，没有严格执行每下15柱及时灌满钻井液的作业指令，导致仪器脱键。采取有助于仪器复位的措施无效，起至井口重新坐键，井口测试仪器波形、解码正常，下钻。

1.2.3 濮1-侧平227井

2011年1月13日05：20仪器坐键完毕，放入临时顶杆，井口测试仪正常，下钻；10：25下钻至2610.0m，开泵测试仪器，没有正常钻井液脉冲信号。此时井斜为89.5°，钻头直径为118.0 mm，钻井液密度为1.38 g/cm3，黏度为 85 s。

初步判断为脱键导致仪器故障，其原因是下钻过快，没有及时灌浆，加上小井眼钻具内环空小，钻井液上返冲击力大，导致仪器脱键。复查临时顶杆长度，发现临时顶杆的上顶板不能被上部钻具公扣端面压牢，这样所加顶杆只是相当于增加仪器串自身重量，不能实施其防脱键的作用。采取有助于仪器复位的措施无效，起至井口开泵测试仪器，仪器波形、解码正常。

2 解决方案

通过分析典型的脱键实例可知，在随钻测量施工中，脱键现象时有发生，特别是在小井眼随钻施工中，脱键现象的发生几率要更高一些。所以，有必要重新设计一种操作简单、长度可调的顶杆。

2.1 可调式防脱键顶杆

针对座键式MWD仪器的脱键问题，原中国石油辽河石油勘探局测井公司曾经提出过一种解决方案，即通过在专用无磁定向接头加工防脱键孔，在引鞋加工防脱环和防脱座键环来实现防脱键［12］，其结构如图2a所示。该方案虽然在一定时间内解决了该仪器的脱键问题，但是操作繁琐，增加了仪器坐键的难度，而且正常起钻之后无法按照常规操作方法取出仪器，最重要的是，防脱键顶丝暴露在钻井液的冲刷之下，时刻有被腐蚀冲断的安全隐患。

要使座键式MWD仪器满足不同规格无磁钻具和仪器串组合施工的需求，必须要求防脱键工具在结构设计方面达到长度和外径2方面都具有可调节性，以适应不同的施工要求。基于这一思路，笔者研制了可调式防脱键顶杆，其结构见图2b。

2.1.1 结构特征

可调式防脱键顶杆各组成部分及结构特征如下：

1）上顶板。与上端的钻具公扣端面配合，限定仪器串沿轴向向上移动的空间；“V”形槽设计，保证钻具水眼的基础上提高其自身强度。

2）拉伸杆。与外筒配合使用，调节顶杆的长度，沿拉伸杆轴向均匀分布有定位槽，该定位槽与定位螺孔配合使用，锁定顶杆长度的槽。

3）定位螺丝。与定位螺孔配合，用来锁定顶杆长度的螺丝。

4）外筒。与拉伸杆配合使用，调节顶杆的长度。

5）下顶板。其圆板端面紧紧顶住下方的仪器串打捞头，阻止仪器串沿轴向向上移动；“V”形槽设计，保证钻具水眼的基础上提高其自身强度。

2.1.2 技术特征

1）该顶杆能有效解决海蓝MWD、QDT-MWD等座键式随钻测量仪器的脱键问题，操作简单，使用方便。

2）上、下顶板分别具有多种规格，能满足不同内径无磁定向钻具的施工要求。

3）拉伸杆和外筒分别具有0.5 m和1.5 m两种规格，可以满足无线随钻测量仪器MWD和MWD+GAMMA两种不同仪器串组合随钻施工的需要。

图2 防脱键工具及可调式防脱键顶杆示意

2.2 现场应用

使用时，根据现场所用无磁定向钻具长度计算出所需顶杆的理论长度，并将上顶板的螺母端与拉伸杆的螺纹端连接，将下顶板的螺杆端与外筒的内螺纹端连接。然后，调节拉伸杆在外筒腔体内的长度，并用定位螺丝锁定顶杆。在确认随钻仪器的座键完好后，将调节并锁定长度后的可调式顶杆放入坐有仪器串的无磁定向钻具内，使其下顶板顶在无线随钻测量仪器的上端。在保证10～15 mm的压缩空间后，上顶板由上部的钻具公扣端面限定其轴向移动空间，可有效解决无线随钻测量仪器在施工过程中的脱键问题。

该可调式顶杆分别在濮1-FP1和卫383-FP2两口井的随钻技术服务施工中试应用，在整个随钻测量技术服务过程中，没有出现脱键问题。截至2013年底，可调式防脱键顶杆已经进行了17口井次的现场推广应用，取得了较好的效果，没有发生仪器脱键故障。

3 结论

1）座键式MWD仪器脱键的主要原因是井下工具直接坐在无磁定向钻具内，无防脱键工具，遇到下钻或短起下作业时，产生井下工具与无磁定向钻具的相对运动。

2）新研制的可调式防脱键顶杆，有效解决了海蓝、QDT等座键式MWD的脱键问题，提高了仪器入井成功率，为随钻测量施工顺利进行提供了有力保障。

3）该可调式防脱键顶杆具有操作简单、体积小等特点，便于推广应用。

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