超声波测量钻井卡点的方法研究

李海 刘忠松 薛博

【摘 要】在钻井过程中，由于吸附、井塌、泥包、顿钻、落物、井径收缩、岩屑堆积、内外压差等原因，常造成钻具卡钻工程事故。目前测量钻具卡钻点的方法有扭矩式和注磁式两种，这两种方法都存在各自的弱点，导致施工时间长，测量卡点位置不准确。论文首次提出了超声波测量钻井卡点的新方法，并分析了通过记录超声波单发双收的钻杆首波衰减和垂直井壁超声反射波尾波震荡衰减的方法，来确定钻具卡点的方式、厚度、砂埋深度和压实系数等状况。这为后期工程松爆施工作业提供了一种更安全高效的全新测量方式。

【Abstract】In the process of drilling， engineering accidents are often brought by drilling tool stuck which are caused by adsorption， well collapse， mud balling， cable drilling， falling objects， diameter shrinkage， debris accumulation and Ladder differential pressure. At present， there are two methods to measure the stuck points of drilling tools， torque type and magnetic injection type. Both of these methods have their own weaknesses， which lead to long construction time and inaccurate measurement of stuck points. This paper puts forward a new method of ultrasonic measurement of drilling stuck points for the first time. The attenuation either the first wave along with drill pipe by single-emission & double-receiving or the oscillation tail wave reflected from ultrasonic wave of vertical borehole wall is analyzed .The Amplitude decay rate can determine the way， thickness， depth of sand and compaction coefficient of clamping， which provides a new and more safe measurement method for loose blasting construction.

【关键词】卡钻;锚定式测卡仪;首波;超声波;扭矩;压实系数

【Keywords】stuck; anchored card tester; head wave; ultrasonic; torque; compaction coefficient

【中图分类号】TE242                                            【文獻标志码】A                                【文章编号】1673-1069 （2020） 01-0169-02

1 引言

在油田勘探和开发过程中，尽管钻井水平和工艺日益成熟，但石油工程是一项极其复杂的系统工程，地质构造的复杂和人为等原因都有可能造成在钻井过程中发生钻具卡钻的工程事故。

工程上卡钻的类型有很多种，主要有键槽卡钻、沉砂卡钻、井塌卡钻、压差卡钻、缩径卡钻、落物卡钻、砂桥卡钻、泥包卡钻及钻具脱落下顿卡钻等。为满足后续钻进作业及松爆施工的需要，判断钻具卡点位置、卡钻类型和方式就显得尤为重要，而石油工程测卡仪器是测量和判断钻具卡点位置强有力的武器。目前工程卡点测量方式通常采用注磁式和扭矩式这两种测卡方法。

注磁式测卡仪器通过比较自由部分和卡点部分磁信号幅度的大小可大致确定卡点位置。但由于钻具油管这类物质的居里点都远在100℃以上，扭动拉伸管具这种消磁方式在低温下消磁不明显。所以注磁式测卡仪对钻铤卡点位置的判断十分困难。

扭矩式测量方式大多使用锚定式测卡仪，操作烦琐复杂、施工时间长。扭矩式测量仪器受井内管具长度的影响较大，超深井施工时，上部钻具如果承受很大拉力和扭矩，容易对管具造成损伤;如果过于谨慎，拉力和扭矩传不到卡钻点或者非常微弱又导致测卡点不准确。

以上两种测卡方式都无法确定卡点方式（砂埋、掉块、点卡）以及砂埋深度、厚度等情况。

2 超声波测卡的理论基础

声波水泥胶结和变密度测井能够很好地测量固井质量的好坏。同样，与固井质量相似的钻具卡点测量也同样应该可以用声波来测量，只是卡钻场景与常规水泥胶结测量不同，水泥胶结的物质是单一的水泥，而卡钻由于卡钻类型不同导致钻杆外侧的物质属性不同，声阻抗差异化极大。钻杆外侧物质的不同密度、不同粒度、不同接触面积及疏密程度等因素对卡钻波形的影响也不同。因此，声波测量卡点的优势在于它能测量卡点的方式（砂埋、掉块、点卡）以及沙埋深度、厚度。

空声波测量钻杆遇卡属于井孔声场问题，是一种通过计算遇卡和自由状态下声场的不同响应规律，来确定声波仪器的测量方案。目前有两种方法均可以用来对卡点的测量。

2.1 通过记录单发双收的钻杆首波衰减规律表征卡钻特性

采用单发射～双接收的测量方法。假设仪器是居中位于钻杆中心轴处的轴对称单极模式，模拟沿钻具传播的钻杆波（首波）响应，分析钻杆波在不同频率下的传播速度，着重研究钻杆波在不同接收器的幅度并评价其衰减率，分析衰减率与钻具外介质参数的定量关系。中科院声学所在前期的预研中，已经初步证实利用这种测试方法可以明显识别自由钻具时首波衰减率较小，而在卡井钻具内腔的钻杆波衰减率则明显增强，如图1所示。

2.2 记录垂直井壁超声反射波尾波震荡衰减情况的评价方法

借鉴固井质量套后评价，拟采用自发自收超声换能器放置在钻铤内腔并垂直于钻铤壁发射～接收，假设当钻铤能在井中自由运动时，钻铤与地层井壁之间填充泥浆;而当钻铤在井中卡住时，钻铤与井壁间为泥土。

模拟当钻铤和地层之间分别为泥浆和泥土时的接收响应，尤其关注反射震荡尾波的衰减情况，如图2所示。数值模拟所用的模型参数如表1所示。

实验分别模拟了频率为200kHz、300kHz、400kHz三种情况下的反射波响应（图2为300 kHz时的反射波响应）。假设脉冲宽度固定为20s，由于模型为多层结构，垂直入射的超声波产生多次来回反射，形成震荡尾波的形态。当钻铤与地层之间为泥土时，因钻铤、泥土和地层均为固体，能量易于向外泄漏，因此震荡尾波的幅度衰减较为明显（红线）;但当钻铤和地层间为泥浆时，因泥浆与钻铤的波阻抗差异较大，震荡尾波的衰减较为缓慢（黑线），如图2所示。

3 设计测卡环境模拟实验研究

建立与卡钻环境相吻合的模拟实验模型和方案是超声波测量卡钻成败的关键。

卡钻模拟实验与常规水泥胶结实验不同，主要由于卡钻类型不同导致钻杆外侧的物质属性不同，这些物质有掉块、泥土、异物，还有导致卡钻的吸附、缩径、压差等非物质的因素，这导致钻具与这些因素之间的声阻抗差异极大。模拟实验必须尽量具备这些相关的构件，才能模拟真实的卡钻环境。

卡钻模拟实验主要模拟沉砂卡钻，井塌卡钻和压差卡钻三种卡钻类型。基于钻杆外侧物质的模拟分析，根据不同密度、不同粒度、不同接触面积等因素对卡钻波形的影响，设计卡钻环境模拟实验井。然后基于数值模拟结果分析发射器的激發频率、带宽、换能器间距、钻杆内径、壁厚、泥土/地层特性，卡钻段长度等因素，为未来的仪器设计提供最优化的方案。

4 结语

超声波测量钻井卡点是一个全新的研究课题，迄今为止还没有公开发表过相关的理论研究论文和相应的仪器面世。论文提出的两种测量方案都要建立在实践的基础上进行优化选择或者针对不同的测量对象出现两条应用上的分支，以便研究不同的卡钻类型和条件。

超声波测量钻井卡点成功的关键是建立标准的模拟实验井和相应的解释图版以及仪器的刻度校验方法，为未来的超声波测卡仪器的研制和应用提供强大的理论依据和实践基础。

超声波测卡可以不间断地测量管外砂埋深度、长度、压实系数等状况，并快速确定卡点位置、卡点类型和卡点方式（砂埋、掉块、点卡），未来应用前景将十分广阔。