直井测斜仪脉冲器磨损特征分析

李爱超 黄津松 姬广奇 孙文峻 王欣

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452

1 引言

目前在海上及陆地油田勘探过程中，以直井为主。而井斜是检验井身结构是否合格的重要指标，所以在直井钻进作业中，对井斜的监测尤为重要。在此前提下直井测斜仪应运而生，直井测斜仪以其结构简单、测量精确。同时可随钻测量的优点，缩短了钻井作业周期，降低了钻井作业成本，在陆地及海上得到了普遍的应用[1，2]而脉冲器作为直井测斜仪的“大心脏”，决定着仪器在井下的稳定性，保证数据稳定的传输。因而在工具入井前对脉冲的选择是很重要的一步，而目前行业内几乎还没有专门划分脉冲器是否可入井使用的磨损分级依据。所以本文以海上及陆地已作业完成井为依据，来对脉冲器磨损特征进行分析，以便于对行业内测斜仪及MWD（Measurement While Drilling）现场应用提供一定的理论支持[3]。

从直井测斜仪现场应用的司显终端可以看出见图1，钻进初期静止测斜仪器信号质量和稳定性均在95以上，测斜序列所属脉冲信号Pluse1和Pluse2均为50%上下浮动；钻进后期乃至起钻前静止测斜仪器信号质量和稳定性基本维持在80-90之间，测斜序列所属脉冲信号Pulse1占比远小于Pulse2幅值强度。在循环时间小于100小时内，测斜过程中的脉冲信号Pulse1和Pulse2波峰明显，压降参数相近，说明在探管预设行程下，每个测斜序列都是稳定、准确的；当循环时间大于200小时以后，测斜过程中的脉冲信号Pulse1小于Pulse2且Pulse1波峰不明显，过渡过程中出现黏连现象，说明由于脉冲器内部蘑菇头等配件的冲蚀导致在开泵起压过程中发生了压力泄露的情况，导致Pulse1无法正常发码，干扰信号识别。

图1 测斜序列信号

起钻后拆甩直井测斜仪脉冲器见图2，发现脉冲器各配件均发生不同程度冲蚀反应：承托环顶端出现不均匀麻点和顺向裂纹，桁架和环带交界处存在扇形冲蚀区；适配器桁架上下端均出现不同程度的沟槽，环带内壁呈波状条纹分布，两者之间较承托环相比存在较小的扇形冲蚀区；陶瓷件中蘑菇头侧翼的两个流道也出现不同程度的扩展凹槽。

2 脉冲器磨损评级项目组成

钻头的主要失效形式是破岩过程中发生的结构磨损，而直井测斜仪脉冲器的主要失效形式循环过程中发生的冲蚀磨损[5]。反应脉冲器能否继续使用的因素主要取决于脉冲器结构的冲蚀情况：

直井测斜仪脉冲器在冲蚀类磨损失效特征中，通常表现为渐变性、同变性，通常随着开泵时间的增加不同配件的磨损是同步且逐渐发生的，与钻头磨损的渐变性类似，可以进行等级划分[6]。按照组装和连接模式来主要分为本体、承托环、陶瓷总成（陶瓷腔+提升阀）、适配器总成（轴承套+支撑环+适配器）五个部分，通过对现场反馈的出井配件进行回收和整理，按照冲蚀严重程度进行等级划分，并标记关键位置作为钝化特征，主要包括以下三个部分：承托环、适配器、陶瓷提升阀[4]。

2.1 承托环冲蚀磨损级别划分

承托环冲蚀磨损特征以桁架与中心环、外环结构特征为主，见图3。等级一：呈轻微型磨损，表面少量冲蚀痕迹，关键位置结构完整，存在部分麻点；等级二：呈轻型磨损，表面少量冲蚀痕迹，关键位置结构较完整，存在凹坑、缝隙；等级三：整体呈中型磨损，表面中量冲蚀痕迹，关键位置结构欠缺，不影响功能但影响强度，存在凹坑、犁沟、局部冲蚀带；等级四：整体呈严重型磨损，表面大量冲蚀痕迹，关键位置结构缺失，影响功能和强度，存在严重冲蚀失效区；等级五：整体呈极严重型磨损，结构完全缺失发生形变，无功能和强度，存在多处严重冲蚀失效区。

图3 承托环冲蚀磨损级别划分

2.2 适配器冲蚀磨损级别划分

适配器冲蚀磨损特征以桁架与外环连接带结构特征为主，见图4。等级一：呈轻微型磨损，表面极少量冲蚀痕迹，关键位置结构完整，存在部分麻点；等级二：呈轻型磨损，表面少量冲蚀痕迹，关键位置结构较完整，存在凹坑、缝隙；等级三：整体呈中型磨损，表面中量冲蚀痕迹，关键位置结构欠缺，不影响功能但影响强度，存在凹坑、犁沟、局部冲蚀带；等级四：整体呈严重型磨损，表面大量冲蚀痕迹，关键位置结构缺失，影响功能和强度，存在严重冲蚀失效区；等级五：整体呈极严重型磨损，结构完全缺失发生形变，无功能和强度，存在多处严重冲蚀失效区。

图4 适配器冲蚀磨损级别划分

2.3 陶瓷提升阀冲蚀磨损级别划分

陶瓷提升阀冲蚀磨损特征以侧流道结构特征为主，见图5。等级一：整体呈轻微型磨损，表面无明显冲蚀痕迹，关键位置结构完整；等级二：整体呈轻型磨损，表面少量冲蚀痕迹，关键位置结构扩张，不影响流道布局；等级三：呈中型磨损，表面中量冲蚀痕迹，关键位置结构部分缺失、流道结构变更；等级四：体呈重型磨损，表面大量冲蚀痕迹，冲蚀带连结成槽，关键位置发生形变，收束流变散射流；等级五：整体呈严重型磨损，表面碎裂或断裂，结构体损坏，完全失效。

图5 陶瓷提升阀冲蚀磨损级别划分

2.4 其它钝化特征

钝化特征：直井测斜仪脉冲器在现场应用过程中的钝化特征根据关键冲蚀带和现场失效形式进行统计归纳，其结果如下见表1 。

表1 钝化特征描述

3 评估组成与分析

（1）本体：本体结构强度较高，且受冲蚀磨损影响较小，通常在使用过程中不发生失效更换的情况，如发现钝化特征，无需进行车间维保，强制报废；

（2）承托环：承托环本体结构强度较高，可以承受强度更大、时间更长的冲蚀磨损，经评估认定承托环形态等级大于等于三级，无法再次入井作业，返厂维修；承托环形态等级大于等于五级，无需进行车间维保，强制报废；

特殊情况：当确定井队下趟钻投放多点测斜仪，承托环形态等级大于等于三级不可再次入井；当脉冲器入井次数≥3次后不可再次入井；

（3）陶瓷总成：陶瓷总成结构分陶瓷腔和提升阀两部分，主磨损区域为提升阀，经评估认定提升阀形态等级大于等于三级，无法再次入井作业，返厂维修；提升阀形态等级大于等于四级，无需进行车间维保，强制报废；

特殊情况：当不确定提升阀侧流道结构是否干扰脉冲信号识别时，不可再次入井；当钻具组合中包括震击器、螺杆、扭力冲击器、旋转导向等轴/切向交变应力发生工具时，陶瓷总成评估形态等级提升2级警戒值。

（4）适配器：适配器受流道收束和扰乱影响导致磨损速率远大于其他配件，经评估认定适配器形态等级大于等于二级，无法再次入井作业，返厂维修；适配器形态等级大于等于四级，无需进行车间维保，强制报废；

（5）钝化特征/其他钝化特征：钝化特征除流道堵塞、外环涡壳、交界涡壳、沉淀堆积、无特征外，剩余钝化特征只要出现即判定无法再次入井作业，返厂维修；钝化特征除环顶缺陷、桁架凹陷、流道堵塞、外环涡壳、交界涡壳、振动错位、沉淀堆积、无特征外，剩余钝化特征只要出现即判定无需进行车间维保，强制报废。

4 结束语

通过对直井测斜仪，在现场应用过程中易冲蚀、钝化结构进行实际总结分析，并以钻头磨损分级标准为指导，制定出直井测斜仪各部分的磨损分级等级和其他钝化特征，从而为直井测斜仪能否再次入井、返厂维修、报废提供一定客观数据支持，为测斜仪及MWD现场应用提供一定的理论指导。