定向井随钻测量仪器可靠性分析

范浩思，张宏阜，李元生，李焱坤，范志国

1.中国石油西部钻探试油公司 （新疆 克拉玛依 834000）

2.中国石油西部钻探定向井技术服务公司 （新疆 克拉玛依 834000）

0 前言

定向井随钻测量仪器是高精度的复杂仪器，是定向井工程师的“眼睛”，用以引导工程师按照预定井眼轨迹进行钻进。定向井工程师根据随钻测量仪器提供的数据对井眼轨迹的前进方向进行控制。如果随钻测量仪器发生故障，不能及时给定向井工程师提供可靠数据，就会造成严重的后果，包括不得不提下钻对仪器进行维修调试，延误施工工期，严重情况下甚至会造成井眼轨迹失控、填井侧钻等工程事故的发生[1-3]。另外，随着石油勘探开发领域的进一步扩大，随钻测量仪器的工作环境越来越恶劣复杂，井下高温高压环境，井内杂质和沉沙堵塞，泥浆的冲刷，化学材料侵蚀、钻具振动等。这些因素都会对仪器可靠性产生重大影响，导致故障发生。

对仪器设备进行可靠性分析是20世纪50年代发展起来的管理技术，随着电子仪器设备的复杂性呈指数型增长，其在企业管理中的作用越来越受到重视。利用概率论和数理统计的方法，在对大量的理化数据分析的基础上，对仪器设备故障进行定性定量分析，找出引起故障的各种因素，发现规律，最大限度地避免故障的发生[4]。对定向井随钻仪器进行可靠性分析，统计仪器故障，发现引起仪器故障的各种因素，采取有效措施，减少仪器故障发生频次，对现场施工具有重要意义。

1 定向井随钻测量仪器可靠性模型的建立

可靠性是指仪器设备在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的任务的可能性[5]。可靠性模型是通过数学方法描述系统各单元存在的功能逻辑关系而形成的数学模型。根据每个部件功能的可靠性与整个仪器系统功能可靠性的逻辑关系，分为串联可靠性模型、并联可靠性模型、串并联可靠性模型。串联可靠性模型是指仪器系统只要一个部件失效，整个仪器系统就失效，整个仪器系统的可靠性小于或等于每个仪器部件的最低可靠性，即：

并联可靠性模型是指仪器系统中只有所有连接部件失效，整个系统才失效，整个仪器系统的可靠性大于或等于每个部件的最高可靠性,即：

R≥max(Ri) （2）

式中：R是整个仪器系统的可靠性，Ri是部件的可靠性。

串并联可靠性模型是指部件的功能之间既有并联关系，又有串联关系。

对于定向井随钻仪器，目前一般的看法是，其可靠性是指在一趟钻时间内仪器能够完成规定的测量功能。定向井随钻仪器由多个部件组成，包括测量部件（仪器探管）、控制部件（脉冲发生器）、信号发送部件、电源电池、仪器附件等组成。其中任何一个部件发生故障都会导致整个系统发生故障，仪器的功能就要中断。其可靠性模型是串联系统可靠性模型，类似于金属环的链条，只要其中一个环节发生断裂整个系统就发生断裂。可靠性的串联模型也称最弱环模型。仪器的可靠性模型如图1所示：

图1 随钻测量仪器串联可靠性模型

2 随钻测量仪器故障分析和规避措施

2.1 故障树分析方法

故障树分析方法是美国贝尔电报公司电话实验室于1962年开发的。它采用逻辑的方法，形象地进行故障、事故的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。体现了以系统工程方法研究设备仪器故障问题的系统性、准确性和预测性。它是利用逻辑推导，由顶上事件推导出中间事件，再推导出基本事件，以达到以下目的和效果：①识别导致仪器故障的基本事件与人为因素的组合，找出规避事故原因的基本线索，从而降低仪器故障发生的可能性；②对导致故障的各种因素及逻辑关系能作出全面、简洁和形象的描述；③便于查明仪器系统内固有的或潜在的各种危险因素，为设计、施工和管理提供科学依据；④使有关人员了解各项预防要点；⑤便于进行逻辑运算和对事故进行定性、定量分析及系统评价；⑥具有能发现事先未估计到的原因事件的效果。

使用故障树分析方法对定向井随钻测量仪器故障进行分析，可以清晰地找出引起仪器故障的原因，以便对症下药，有的放矢地解决问题，避免仪器故障地发生。根据引起定向井随钻测量仪器的原因，做出了故障树，如图2所示。

图2 定向井随钻仪器故障树

从图2可以看出，引起定向井随钻测量仪器故障的有8个基本事件，分别是：X1仪器脱键、X2阀杆被卡、X3引鞋被卡、X4电池短路、X5无磁过短、X6冲击损坏、X7振动损坏、X8人员素质。有7个最小割集，分别是｛X1，X8｝，｛X2，X8｝，｛X3，X8｝，｛X4，X8｝｛X5，X8｝，｛X6，X8｝，｛X7，X8｝。

2019年上半年，对某定向井公司引进的仪器进行故障统计，造成仪器故障的基本事件见表1。

2.2 仪器故障的规避措施

从表1可以发现，引起仪器信号异常的仪器脱键、阀杆被卡、引鞋被卡3项事件发生概率最大，共82起，占整个仪器故障次数的85%。减少这三类事件的发生次数，可以有效地减少仪器故障率。

表1 某公司2019年上半年仪器故障事件统计

2.2.1 减少仪器脱键次数

定向井随钻仪器通过坐健形式将引鞋坐入定向接头的定向套内，引鞋上的蘑菇头进入定向套的限流环内[6]。正常测量情况下，仪器根据测量的数据控制蘑菇头在定向套的限流环内径向运动，产生压力波，地面设备根据产生的压力波，解读出仪器测量的数据。在施工时，由于各种原因，引鞋脱离定向套，不能产生有效的压力波，这种情况叫“脱键”。减少仪器脱键次数的措施如下所述。

1）使用防脱键装置。目前有几种类型的防脱键装置，基本原理大同小异，均是在仪器下端加工有特殊的连接件。仪器在井口安装时，用顶丝、滚珠、或“O”型圈等将仪器固定住，可以避免仪器在井下时引鞋与定向套脱开。选用防脱键装置时，要对其固定部件进行强度校核，要考虑在仪器打捞等非常规作业时，能够顺利地将仪器提取出来[7]。图3是一种带有防脱键装置的示意图。防脱键装置主要由防脱顶丝、防脱环、防脱坐健环等组成。连接杆下端螺纹连接有防脱环。防脱环下方引鞋顶部设有防脱坐健环。防脱环一侧的定向接头设有防脱顶丝。使用时，将仪器放入到定向接头内，并用防脱顶丝将仪器顶紧。防止仪器纵向移动而导致仪器引鞋脱离定向套。若发生卡钻，由于防脱环上下两端分别带有外螺纹的圆环，其下部外圆设有45°坡脚凸起，只要施加足够的外力即可将防脱顶丝拉弯拉折，实现仪器打捞。

图3 带有防脱键装置的仪器下部结构

2）在非磁上端安装止回阀。仪器脱键的原因之一是，下钻时，钻具内泥浆倒灌，将仪器从定向套内顶出，仪器上的引鞋脱离定向套。在非磁上端安装止回阀，可以防止泥浆从环空返回到钻具内，有效地避免泥浆倒灌。

3）控制钻具的下放速度。钻具如果下放太快，环空泥浆会急速流入到钻具内，泥浆倒灌，将仪器顶出，使仪器引鞋脱离定向套。

2.2.2 减少阀杆被卡、引鞋被卡次数

要保障泥浆的净化，泥浆含砂量在设计范围以内，使用高目高频振动筛；泥浆循环时，及时开动除砂器、除泥器；进行堵漏等特殊作业时，要把堵漏材料彻底筛除才能下入随钻仪器；提下钻时，专人观察井口，防止异物落入钻具内；要有专人负责清洗钻杆滤子、立管滤子等。采取这些措施，可以有效地减少阀杆被卡、引鞋被卡事件的发生次数。

3 结论及建议

1）定向井随钻测量仪器是定向井工程师的“眼睛”，若其发生故障，会造成严重后果。对其进行可靠性分析和研究意义重大。

2）可靠性是指仪器在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的任务的可能性。对于定向井随钻仪器来说，其可靠性是指在一趟钻时间内仪器能够完成预计的测量功能。

3）定向井随钻测量仪器由多个部件组成，其中任何一个部件出现故障都会导致整个仪器失效，其可靠性模型是串联可靠性模型。

4）经过统计分析，在引起仪器故障的基本事件中，仪器脱键、阀杆被卡、引鞋被卡这3项产生概率最大。从仪器部件的改进、加强管理等多方面入手，减少仪器故障的发生频次。