硬电缆测井施工工艺及应用效果分析

张炳军, 周扬, 孙志忠, 谢刚, 龚光勇, 李金刚

(中国石油集团测井有限公司长庆事业部, 陕西 西安 710201)

0 引 言

随着长庆油气田勘探开发的需要及水平井钻井技术的迅速提高,开展水平井测井新工艺技术研究[1]、提高水平井测井时效成为面临的主要问题。钻杆(油管)输送测井虽然工艺成熟,但是需要钻井队配合,井眼占用时间较长。试验使用的挠性油管输送测井工艺成本高[2],施工繁琐;爬行器施工成功率及安全性较低,风险较大,均未能形成规模应用。硬电缆测井技术具有低成本、高安全性、高时效的特点,自2003年在俄罗斯首次成功应用,俄罗斯秋明工业地球物理公司约有30%的井中测量使用这项技术(其中带压施工的约占8%)[3],并且可以根据现场和用户需要加工不同规格的电缆及硬电缆连接总成。为实现硬电缆的水平井和大斜度测井,俄罗斯巴什石油地球科研生产股份公司还配套开发了大滚筒、大马力、高强度底盘的测井绞车[4]。2012年中国石油集团测井有限公司长庆事业部首次引进硬电缆,在测井工艺及配套技术上进行了一系列创新,形成了系列化硬电缆测井技术,应用效果显著,为硬电缆测井技术的国产化和推广应用奠定了坚实的基础。

1 硬电缆设备介绍

硬电缆是俄罗斯石油技术公司开发的一种可实现挠性油管功能,能在裸眼井、大斜度套管井或水平井中输送测井仪器完成测井作业的电缆设备[5]。电缆常规直径11.8 mm,电缆外铠装高强度硬钢丝(外加高强度钢丝铠装)及工程塑料,其外径为22～36 mm(见图1)。从内到外分别是普通测井电缆、工程塑料外皮、加重元件配重体、加固层、外部工程塑料绝缘耐磨层等。电缆有多种直径和规格,可以根据电缆用途、井下仪器重量、井筒流体密度、水平井段长度等多种工程技术参数(见表1),选择适当粗细的硬电缆。

图1 硬电缆结构图

项目 技术指标最高工作温度/℃120最低工作温度/℃-20抗断裂强度/kN≥230空气中电缆重/(kg·km-1)2433液体中电缆重/(kg·km-1)1048(ρ=1000kg/m3时，1526kg/km)外径/mm340±05滑轮直径/mm≥1000导电缆芯电阻/(Ω·km-1)<255绝缘层电阻/(MΩ·km-1)≥20000最高工作电压/V660(交流电，频率50Hz)使用寿命/km4500(电缆经过滑轮的长度)试验电压/V2500(5min)注：34mm的硬电缆通常要求盘绕在直径大于1m的滚筒，电缆导向滑轮直径不得小于1m。否则会损坏电缆或缩短电缆使用寿命，尤其在低温施工环境。

图2 柔性快速连接鱼雷外壳示意图

2 硬电缆测井配套技术

针对硬电缆的结构特点,借鉴国外硬电缆的测井配套技术,以降低成本、提高测井时效为原则,通过研究配套硬电缆测井系统,形成基于硬电缆的测井配套技术。前期进行的主要研究:①普通测井电缆滚筒硬电缆缠绕技术;②直径为11.8 mm的常规电缆与直径为24、34 mm的硬电缆不同长度组合;③硬电缆使用寿命以及与油气井深度、测量段长度的关系;④槽径可变自适应天地滑轮,该天地滑轮可用于直径为11.8 mm常规电缆和直径为24、34 mm的硬电缆;⑤直径为24、34 mm的硬电缆与直径为11.8 mm的常规电缆智能深度丈量技术;⑥常规电缆、硬电缆的软硬接头连接技术;⑦硬电缆在大斜度和水平套管井中输送能力以及与电缆配重的关系;⑧硬电缆测井安全配套技术(张力短节、弱点设置、打捞工具)。

2.1 软硬电缆连接

常规电缆(Φ11.8 mm)与硬电缆(Φ24～34 mm)通过连接装置进行连接,该连接装置既要保证常规电缆与硬电缆在滚筒上有序缠绕,也要保障2种电缆的电气性能不受影响。经过研究发明了柔性快速连接鱼雷,其外壳采用高强度钢材制成“T”型软体结构(见图2)。

图3 自适应马丁代克结构示意图

2.2 智能马丁代克深度记录设备

硬电缆与常规电缆的直径不同,为实现2种直径电缆计量深度的统一,改进了原有马丁代克结构,将原有马丁代克的丈量机构加大,压紧机构的范围变宽,并在底部设计硬电缆定向装置,可同时满足2种电缆使用;排缆器的限缆立柱间隙可以调节,限缆立柱上部的横杆改为带凹槽的轮子,使其同时具有辅助拉力功能,以利硬电缆收回滚筒时能缠绕整齐,形成了自适应马丁代克(见图3)。

2.3 深度记录

常规注磁设备虽然可以对硬电缆进行记号标记,但由于硬电缆硬度与重量较大,电缆标定时悬挂的磁定位器和加重块使硬电缆不能顺利通过,标注磁记号难度较大。因此,硬电缆不使用磁性记号标注深度,而用伽马曲线校验、标注深度。电缆下放、上提时都以马丁代克传输的深度为参考,曲线深度以伽马与完井曲线校对、标注。

2.4 双槽天地滑轮

直径为1 m的双槽天地滑轮,既保证24、34 mm直径硬电缆的通过,又保证常规电缆的顺利通过(见图4)。

图4 双槽天地滑轮结构示意图

2.5 硬电缆配重

为保证硬电缆能将仪器顺利送到目的层,需要对其进行配重。在大斜度井段找到其受力平衡点,设计不同尺寸的加重杆,使用时加大直井段部分的电缆重量,推动井下仪在大斜度井段继续前行,直至到达目的层位。

2.6 硬电缆打捞

测井过程中如果发生落井事故,硬电缆打捞技术不同于常规电缆。硬电缆外层是较厚的橡胶层,如果用常规打捞工具,只能抓住硬电缆的外皮,受力上提过程容易拉脱硬电缆的橡胶层,导致电缆损伤,打捞失败。重新设计钳制部位,使打捞筒能够抓住橡胶层下的电缆钢丝。此外,还设计专用T型井口电缆卡,在紧急情况时卡住硬电缆,避免电缆落井事故。

2.7 软硬电缆缠绕和装载

(1) 电缆装载。长庆油田水平井的水平段长度通常为800～1 000 m,甚至更长,适合把1 500 m硬电缆装载同一台车上使用。但是,硬电缆对滚筒宽度和高度的要求,无法在现有车辆上直接安装。设计的方案是用Φ11.8 mm常规电缆在现有绞车滚筒0.55 m轴径上缠绕1 735 m,使轴径为0.8 m,再接着缠绕硬电缆,可以缠绕698 m。

(2) 电缆驱动装置。施工要求井口安装的电缆驱动装置(或称电缆注入装置)具备3个功能:①将电缆从滚筒上拉至井口;②从井口向井内推送电缆;③在井口对电缆起扶正作用。电缆驱动装置通过螺栓与井口法兰盘固定。电缆驱动装置由电机经过变速箱减速,带动传输方向与井筒轴线平行的驱动履带运动,2条履带相对硬电缆有一定压力,保证履带与电缆之间推送电缆下井所需摩擦力。驱动速度360～1 000 m/h,驱动力≥300 kg即可,超载时打滑。

(3) 辅助拉力器。由于电缆很硬,若井口方向没有一定拉力,末段电缆不易缠绕到滚筒上,所以,绞车后部要安装辅助拉力器。辅助拉力器由一对安装在轨道内的滚轮组成,2个滚轮之间压力可调,将电缆夹紧增加拉力,这样电缆易于缠绕到滚筒上。滚轮可以在垂直于电缆方向的滑轨上往返滑动,以利于整齐排缆。

(4) 电缆缠绕。2种电缆同在1个滚筒上缠绕。在原测井绞车滚筒缠绕Φ11.8 mm的常规电缆至轴径为0.8 m时再缠绕硬电缆。这2种电缆需要连接起来,在电缆紧贴滚筒侧板处截断普通电缆,铆上锥套通过柔性鱼雷与硬电缆连接,接着缠绕硬电缆,直至缠满。

3 硬电缆测井技术方法

3.1 硬电缆测井基本原理

在大斜度套管井中依靠电缆自重、配重模块和硬电缆的刚性特点,利用硬电缆在垂直井段的自重及其在水平段的刚度,克服仪器和电缆在水平井段与井壁的磨擦阻力,将测井仪器推送到目的层底部,达到输送测井仪器的目的[1],不需要钻井队配合,可独立完成测井作业。在油气水平完井测井时,用常规电缆-硬电缆-常规电缆形成组合电缆,利用常规湿接头在电缆的底部进行对接,确保硬电缆介于旁通外与表层套管底部之间,充分利用硬电缆的抗挤压、与井筒吸附弱的特点,输送钻杆一次对接,完成水平完井测井作业。

软-硬-软3段电缆长度的设计和取值原则。①滚筒底部:底部Φ11.8 mm电缆起到加大滚筒轴径和增加电缆总长度的作用,为保证硬电缆的使用寿命,在尽量为中段硬电缆和前段电缆留有足够容量前提下,尽量多装载,以保证足够的轴径和总长度。针对长庆油田不同区块,一般取1 000～1 500 m,轴径0.7～0.75 m(Φ22～24 mm)。②中段:为了保证一次对接能够测量尽可能长的水平段,硬电缆的长度应该大于/等于区域内油井水平段长度。在保证前2段电缆总长能满足油井深度前提下,硬电缆最大长度只能取1 000～1 200 m(Φ24、22 mm电缆)。③前段:湿接头最佳对接位置在井斜40°左右的深度,前段电缆的长度要根据区块井深参数决定。

3.2 大斜度固井质量测井技术方案

在苏里格区域的大斜度固井质量测井中,根据测算,配套应用的硬电缆包含直径11.8 mm普通电缆3 550 m,硬电缆554 m,总长4 105 m,可以完成井斜60°～90°不超过300 m的97%的固井质量测井施工,连接方式见图5;部分超长段可以使用硬电缆750 m完成施工任务。

图5 硬电缆在套管井固井质量测井中的应用连接图

3.3 水平井完井测井技术方案

长庆油田在开发过程中,油井表层套管下深介于80～200 m之间,水平段长达1 000 m,用常规的湿接头钻杆输送测井技术,为保障旁通不出表套,测量水平段为1 000 m的水平井,需要对接湿接头7～13次,不但测井时效低,多次对接湿接头大大增加井下仪器和工具损坏几率。通过对长庆油田各区块钻井设计分析,采用软-硬-软组合电缆钻杆输送湿接头测井技术,旁通以下、钻杆以内为常规电缆,旁通以上、表层套管之外为硬电缆,这样,可以使旁通出套管,将多次对接变为一次对接测量水平井,可优质高效完成水平的完井测井(见图6)。

图6 软硬电缆完井测井施工方案示意图

3.4 硬电缆装载长度计算方法

普遍使用的直径11.8 mm的5 000～7 000 m的电缆其滚筒直径为0.55 m,不能满足硬电缆的缠绕需求。根据缆长公式

式中,L缆为硬电缆装载长度,m;L筒为滚筒的宽度,m;D沿为绕满电缆滚筒的直径,m;D轴为滚筒的轴直径,m;R缆为硬电缆半径,m;π为圆周率。

测量大斜度三样时,装备3 600 m的直径为11.8 mm的常规电缆,500 m的直径为34 mm硬电缆能满足测井条件。

测井水平井段完井时,按照电缆总长满足施工区块井深、硬电缆长度应等于水平段长度、前段软电缆长度等于或略小于仪器自重能到达的深度的原则配置硬电缆长度。例如,根据陕西定边区块油水平井井身结构规律,将电缆结构设计成:2 126 m(Φ11.8 mm)+980 m(Φ24 mm)+100 m(Φ11.8 mm),总长4 106 m。

3.5 硬电缆输送方式

(1) 直接输送:井身斜度不大或水平井段较短,仪器和电缆的自身重量足以克服仪器的推进阻力的条件下,可以不加外力,直接依靠电缆自身的重力和硬电缆挠性特点将仪器输送到大斜度或水平井内。

(2) 附加外力输送:理论上如果全部采用硬电缆,可借用井内流体加压泵送、钻杆传输等方式直接推动硬电缆和下井仪器,大大增加大斜度或水平井段的测井仪器输送距离。

3.6 施工注意事项

(1) 测井用硬电缆(2.43 kg/m)、天、地滑轮较重,在监督、施工方召开的班前会上必须对设备变化后带来的风险及控制措施进行通告,确保措施到位后方可施工。

(2) 施工时使用小吊钩起吊仪器,在井口组装好。不能用硬电缆起吊仪器串,以免缩短硬电缆使用寿命,甚至损坏专用缆头鱼雷。马笼头上井台时可用小吊钩起吊,在游车起升时,带硬电缆的马笼头必须用麻绳拴住,绞车工掌握下放速度确保和游车提升速度一致。

(3) 软硬电缆连接鱼雷处通过马丁代克时必须由专门人员查看,绞车减速慢行通过。必要时将压紧轮松开,通过马丁代克后停车,对连接鱼雷注硅脂,确保其绝缘良好。

(4) 下放过程中若需要停车,一定要缓慢刹车,不可太猛。大于500 m硬电缆和仪器重量达1.5 t,除去浮力,约有900 kg,急速刹车的惯性易造成软硬电缆连接处断裂或硬电缆落井事故。

(5) 硬电缆在下放至60°后缓慢减速至2 000 m/h以下,接近井底100 m时降至600 m/h,要密切注意绞车张力变化,如果遇阻要随时停车;要熟悉掌握整个施工过程中张力的变化控制。

(6) 起至硬电缆长度时要减速,注意观察,连接的柔性鱼雷(其极限弯曲弧度为30°)过天地滑轮、马丁代克时要降至600 m/h以下,专人观察绞车慢速通过。

(7) 停止记录后,继续下放电缆至软硬连接处,在井口对连接柔性鱼雷注入硅脂,因柔性鱼雷中加入了胶套,最大程度地隔离钻井液(见图2),避免出现电缆绝缘低的现象发生。

4 应用效果分析

(1) 作业时效分析。硬电缆水平井测井占用井口时间较常规电缆测井大幅缩短,作业时效明显提升。硬电缆测井在水平井固井质量测井时,无需钻具推送和湿接头对接,施工平均单井用时约10 h,只占常规钻杆输送湿接头工艺作业测井时间的1/3。硬电缆测井技术在裸眼水平完井测井对枪次数明显少于常规缆测,且硬电缆的抗撞击性能良好,电缆损伤风险小,硬电缆测井用时平均为30 h,而区域邻井常规电缆测井平均为52 h,提高时效40%。

(2) 气井大斜度固井质量测井中,采用硬电缆作业成本仅为钻具输送测井的1/12。按照每年施工120井次计算,累计节约井上作业时间1 883 h,节约作业成本约660万余元(统计数据见表2)。

(3) 通过撞击试验,硬电缆的抗撞、耐摩擦能力明显优于常规电缆。通过柔性鱼雷等多种配套技术,硬电缆测井技术在裸眼井和套管井中均可安全作业,在水平井施工中,夹伤、挤伤电缆事故可减少80%。

(4) 硬电缆只是改变了测井工艺,测井仪器未发生变化,所以测井质量满足验收标准[6]。

表2 钻具输送测井与硬电缆测井作业成本对比 (人民币:万元)

5 结 论

(1) 通过配套设施及其测井技术方案的不断应用和发展,硬电缆测井技术适合并满足了长庆油气田气井大斜度段固井质量测井与油井水平井段完井测井的生产需求,是一种新的测井工艺,具有广阔的应用前景。

(2) 通过长庆油田采用硬电缆工艺测井原始资料与传统工艺测井原始资料对比,发现硬电缆测量大斜度段时,张力及速度更加稳定,测井曲线连续性好,测井更加安全可靠。

(3) 硬电缆测井技术在大斜度井固井质量测井用时约为常规测井技术的1/3,水平完井测井用时约为常规测井技术的1/2,节约作业成本的同时,缩短了建井周期,节能增效效果明显。

参考文献:

[1] 宋玉玲, 董丽娟, 李占武. 国外大位移井钻井技术发展现状 [J]. 机械研究与应用, 1998, 21(5): 4-8.

[2] 杨留强. 套管水平井测井输送技术 [J]. 国外测井技术, 2013(6): 98-102.

[3] 香港合创国际有限公司. 俄罗斯测井技术介绍 [R]. 2013.

[4] 耿义兰. 俄罗斯水平井和分支水平井中的“硬”电缆探测技术和地球物理技术 [J]. 测井与射孔, 2008(3): 1-4.

[5] 安涛. 俄罗斯测井企业和新技术概况及分析 [J]. 国外测井技术, 2010, 34(2): 103-107.

[6] 吴雷, 任磊, 王振鲁. 硬电缆三样测井时效影响因素分析及质量控制方法 [J]. 国外测井技术, 2015(1): 16-17.