井間微地震儀器的推靠方法分析

井間微地震儀器推靠方法分析黃磊（中國(guó)石油測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心儀器裝備部）摘要：本文對(duì)井間微地震儀器用途、原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并從多個(gè)方面對(duì)測(cè)井儀器推靠器進(jìn)行分類，文章重點(diǎn)從井筒施工安全和儀器自身安全兩個(gè)方面討論了井間微地震儀器推靠的實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：井間微地震推靠安全套管0引言如今油田測(cè)井不僅需要高精度、高分辨率技術(shù)，更需要點(diǎn)、鏈、面、體全方位地層信息資料的采集和處理。井中地震技術(shù)可以把一維的測(cè)井曲線延伸至二維和三維空間，實(shí)現(xiàn)了將現(xiàn)有測(cè)井與地面地震技術(shù)數(shù)據(jù)的綜合利用，能夠?yàn)橛吞锟碧介_發(fā)做出區(qū)域性評(píng)價(jià)。而推靠機(jī)構(gòu)是井中地震儀器中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)之一，它要能夠可靠地實(shí)現(xiàn)推靠動(dòng)作，并且施加一定的推靠力，將采集儀器緊貼井壁進(jìn)行探測(cè)。一方面需要滿足檢波器的測(cè)量頻響要求，另一方面推靠機(jī)構(gòu)要十分可靠地實(shí)現(xiàn)收回，以防推靠機(jī)構(gòu)卡死或電機(jī)故障造成儀器損壞和井筒事故。1井間微地震儀器的介紹1.1井間微地震儀器用途井間微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)監(jiān)測(cè)注水過(guò)程中產(chǎn)生的微震波，來(lái)確定出水驅(qū)前緣位置、優(yōu)勢(shì)注水方向、注水波及面積等；在做壓裂效果評(píng)價(jià)時(shí)，可以確定出裂縫分布的方位、長(zhǎng)度、高度及地應(yīng)力方向等地層參數(shù)。為油藏工程師驚醒方案優(yōu)化、提高整體開發(fā)效果和采收率等提供依據(jù)。1.2井間微地震儀器基本原理根據(jù)最小周向應(yīng)力理論、摩爾-庫(kù)倫理論、斷裂力學(xué)準(zhǔn)則等，分析微地震的傳播。無(wú)論壓裂還是注水都會(huì)誘發(fā)微地震，產(chǎn)生微震波。壓裂時(shí)，在射孔段位置，當(dāng)迅速升高的井筒壓力超過(guò)巖石強(qiáng)度，巖石破裂，形成裂縫，裂縫擴(kuò)展時(shí)，必將產(chǎn)生一系列向四周傳播的微震波；注水時(shí)水流在巖層裂縫中的流動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生微震波。微震波被布置在井周圍的監(jiān)測(cè)分站接收到，根據(jù)各分站微震波的到達(dá)時(shí)差，會(huì)形成一系列的方程組，求解這一系列方程組，就可確定微震震源位置，進(jìn)而確定裂縫產(chǎn)生情況和注水效果。1.3井間微地震儀器串結(jié)構(gòu)井間微地震儀器由校深部分、遙傳部分、級(jí)聯(lián)部分、采集部分等四部分組成。如圖1所示，其中校深部分由磁定位組成，主要起到儀器校深的作用；遙傳部分是儀器與地面采集箱體建立通訊傳輸數(shù)據(jù)的短節(jié)；級(jí)聯(lián)部分主要滿足個(gè)采集節(jié)之間的距離要求；采集部分是整串儀器的核心部分，根據(jù)實(shí)際測(cè)井的需要最多可以級(jí)聯(lián)12個(gè)采集節(jié)，每個(gè)采集節(jié)由地震波采集和機(jī)械推靠?jī)刹糠纸M成。圖1井間微地震儀器結(jié)構(gòu)圖（8采集節(jié)）2測(cè)井儀器推靠器的分類目前，推靠器在測(cè)井儀器中的應(yīng)用越來(lái)越多，并且直接影響測(cè)井的質(zhì)量和安全。推靠設(shè)計(jì)要考慮的因素很多，例如，安全性、可靠性、穩(wěn)定性、耐磨性等。通常，推靠器按傳動(dòng)方式可以分為機(jī)械式和液壓式。2.1推靠器按能動(dòng)性分為2類a）主動(dòng)推靠器是指在推靠時(shí)需要電機(jī)或者液壓驅(qū)動(dòng)的推靠器，這種推靠器下井時(shí)推靠收攏，儀器到達(dá)目的層位上測(cè)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)或液壓泵打開推靠開始測(cè)量。b）被動(dòng)推靠器主要指的是無(wú)需要驅(qū)動(dòng)的扶正器。常見(jiàn)的儀器扶正器大多屬于被動(dòng)式推靠器。2.2推靠器按功能分為3類a）扶正器使測(cè)井儀器在井下位于中心位置。結(jié)構(gòu)多為聯(lián)動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單功能可靠，主要分為彈片式扶正器和連桿式扶正器。目前國(guó)產(chǎn)生產(chǎn)測(cè)井多參數(shù)多用彈片式扶正器，SONDEX系列儀器主要使用的是連桿式扶正器。b）貼壁測(cè)量推靠器測(cè)井儀器的傳感器在推靠器上，測(cè)井時(shí)張開推靠器使傳感器貼緊井壁來(lái)測(cè)量地層參數(shù)。典型的儀器有六扇區(qū)水泥膠接測(cè)井儀器、俄羅斯過(guò)套管電阻率等。c）偏移推靠器推靠器張開時(shí)，頂在一側(cè)井壁上，將儀器的主體推靠到對(duì)側(cè)的井壁上。典型的儀器有井壁取芯儀器、井間微地震儀器等。3井間微地震儀器的推靠方法3.1推靠傳動(dòng)方法類比俄羅斯過(guò)套管電阻率儀器。由于井間微地震儀器采用了多級(jí)軟連接，而目前國(guó)內(nèi)采用這種多級(jí)軟連接，并且需要多級(jí)推靠的儀器并不常見(jiàn)。俄羅斯過(guò)套管電阻率與井間微地震儀器有一定程度上的相似之處，它們都采用了多級(jí)軟連接，都需要多級(jí)推靠。由于俄羅斯過(guò)套管電阻率級(jí)間級(jí)聯(lián)距離短，所以采用的是液壓推靠。液壓推靠主要存在如下優(yōu)點(diǎn)：a）液壓傳動(dòng)裝置效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，通過(guò)液壓管線能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)液壓泵儲(chǔ)油倉(cāng)進(jìn)行多級(jí)推靠控制。b）液壓推靠推靠要比常規(guī)電機(jī)推靠力量大，推靠壓力精確可控。c）容易可靠的實(shí)現(xiàn)井筒安全保障。當(dāng)多級(jí)推靠打開無(wú)法正常收回時(shí)，可以設(shè)置拉斷銷拉斷后液壓回流，讓所有級(jí)聯(lián)推靠同時(shí)收回。d）液壓系統(tǒng)內(nèi)部零件均在液壓油內(nèi)工作，可實(shí)現(xiàn)自行潤(rùn)滑，機(jī)械部件使用壽命長(zhǎng)。同時(shí)液壓推靠也存在如下缺點(diǎn)：a）液壓系統(tǒng)密封環(huán)節(jié)多，而且影響密封性能的因素也多，所以維護(hù)保養(yǎng)比較繁瑣。b）儀器在井內(nèi)高溫高壓下液壓系統(tǒng)內(nèi)容易進(jìn)氣，影響推靠的正壓力和推靠的正常收回。c）軟連接級(jí)聯(lián)管線使用運(yùn)輸中容易造成管線損傷。相比俄羅斯過(guò)套管電阻率儀器，井間微地震儀器每個(gè)采集節(jié)推靠間的距離長(zhǎng)達(dá)10米左右，如果采用液壓推靠就需要在級(jí)聯(lián)器上鋪設(shè)液壓管線，而每個(gè)級(jí)聯(lián)鋪設(shè)約10米長(zhǎng)的液壓管線，并且級(jí)聯(lián)12個(gè)采集節(jié)顯然是不易于儀器的使用維護(hù)保養(yǎng)，所以井間微地震儀器采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)推靠。由于儀器級(jí)聯(lián)軟連接，每個(gè)采集節(jié)必須有單獨(dú)的電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)推靠。3.2推靠電機(jī)控制電路電機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示，當(dāng)收推靠時(shí)，-110V直接通過(guò)過(guò)線經(jīng)過(guò)反向二極管D8和D9構(gòu)成電機(jī)供電回路。使采集節(jié)推靠控制單片機(jī)及其相關(guān)電路不參與控制，確保在單片機(jī)及其相關(guān)控制電路失效時(shí)能夠可靠實(shí)現(xiàn)收回推靠，保障井筒施工的安全。當(dāng)開推靠時(shí)，+110V經(jīng)D6和相關(guān)阻容元件穩(wěn)壓出V+5提供給單片機(jī)供電，而電機(jī)供電回路中包含Q4、Q5開關(guān)管電路、R25、R26、R27和R44組成的電流采樣電路以及U3單片機(jī)控制電路。當(dāng)+110V電壓加載到電路上時(shí)，單片機(jī)上電工作，按照單片機(jī)內(nèi)的程序，單片機(jī)控制開關(guān)管進(jìn)行一定的延時(shí)，然后開關(guān)管導(dǎo)通構(gòu)成電機(jī)回路，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，推靠器開始撐開，當(dāng)推靠器貼上套管內(nèi)壁，電機(jī)電流開始升高，單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣電機(jī)電流，并與程序內(nèi)上限電流（150mA）對(duì)比，一旦電流達(dá)到或超過(guò)程序內(nèi)上限電流值，隨即控制開關(guān)管Q5斷開電機(jī)供電回路。保障電機(jī)不被燒毀并且能產(chǎn)生預(yù)期的推靠正壓力（大于350Kg）。圖2采集節(jié)電機(jī)控制電路3.3推靠安全可靠性分析3.3.1井間微地震儀器推靠實(shí)現(xiàn)方法儀器推靠開臂時(shí)，各采集節(jié)電機(jī)延時(shí)啟動(dòng)，確保所有的電機(jī)不同時(shí)啟動(dòng)，避免產(chǎn)生很大沖擊電流，從而保證不會(huì)在傳輸電纜上產(chǎn)生大的壓降而導(dǎo)致推靠力不充分的問(wèn)題。當(dāng)推靠貼緊套管內(nèi)壁后，各采集節(jié)電機(jī)控制電路實(shí)時(shí)采集到電機(jī)電流達(dá)到或超過(guò)150mA時(shí)，斷開電機(jī)回路，實(shí)現(xiàn)推靠開臂安全可控。儀器推靠收臂時(shí)，為了保障儀器在極端條件下（電機(jī)控制電路失效）推靠能夠收回，避免井筒事故的發(fā)生，儀器推靠收臂時(shí)，電壓直接加載在電機(jī)上（包括兩個(gè)反向二極管）。由于收臂時(shí)不必考慮沖擊電流影響到推靠正壓力的大小，所以推靠收臂時(shí)，各采集節(jié)同時(shí)收臂。由于收臂電機(jī)不受電機(jī)控制電路控制，所以采用了限時(shí)供電（一般限時(shí)15秒）來(lái)控制收臂。根據(jù)反復(fù)實(shí)驗(yàn)各采集節(jié)推靠在空氣中推至最大后完全收回約45秒，在5.5英寸套管中推靠好后完全收回約30秒。所以15秒推靠收臂時(shí)間應(yīng)該既保障了推靠與套管內(nèi)壁分開又不會(huì)因收臂過(guò)緊燒毀電機(jī)。3.3.2推靠安全剪切銷裝置為了保障井筒施工安全，確保單個(gè)采集節(jié)推靠電機(jī)控制失效，推靠臂無(wú)法收回時(shí)，儀器仍然能夠順利起出。如圖3所示，在推靠器連桿39與傳動(dòng)滑塊的鏈接銷40上設(shè)置了安全剪切銷，當(dāng)推靠無(wú)法有效收回時(shí)，拉動(dòng)力500~600Kg就能使該采集節(jié)推靠的安全剪切銷切斷。從而連桿39將與傳動(dòng)滑塊脫離，推靠臂41將自然下垂收回。圖3采集節(jié)推靠臂部分機(jī)械結(jié)構(gòu)3.3.3井筒安全與儀器安全在儀器推靠上的衡量首先由于儀器的多級(jí)級(jí)聯(lián)并且各級(jí)聯(lián)之間有約9米長(zhǎng)的電纜連接，一旦出現(xiàn)儀器串遇卡或者儀器串推靠無(wú)法正常收回導(dǎo)致儀器落井失控，打撈處理工作就格外困難，所以井筒施工安全應(yīng)該是這串儀器設(shè)計(jì)以及施工時(shí)考慮的重中之重。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出如下數(shù)據(jù)：?馬龍頭拉力棒最大安全拉力3000Kg；?采集節(jié)級(jí)聯(lián)器最大安全拉力5000Kg；級(jí)聯(lián)12支采集節(jié)儀器串重量約500Kg；?各采集節(jié)推靠臂安全剪切銷剪切拉力500~600Kg；110V/150mA電機(jī)推靠正壓力大于350Kg；儀器正常推靠在5.5英寸套管(干凈套管)上后的拉動(dòng)力150~250Kg。如果遇到特殊情況儀器推靠開臂時(shí)，正好有一個(gè)或者多個(gè)采集節(jié)推靠器完全被箍住，開臂時(shí)因?yàn)殡姍C(jī)限流后停住，但是這一個(gè)或多個(gè)采集節(jié)推靠開臂時(shí)基本沒(méi)有打開。在之后的限時(shí)15秒收臂時(shí)，可能燒毀這幾個(gè)電機(jī)?；蛘哂捎诘孛娉炭仉娫丛O(shè)置了限流保護(hù)，剛一開始收臂，馬上電源就限流保護(hù)了。但實(shí)際上大多數(shù)正常推靠到套管內(nèi)壁的推靠器沒(méi)有來(lái)得及與套管分離。這種情況是冒著燒壞一個(gè)或幾個(gè)電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)加大程控電源的限流保護(hù)，使大多數(shù)推靠與套管分離，還是頂著風(fēng)險(xiǎn)讓大多數(shù)采集節(jié)推靠在套管內(nèi)壁摩擦著上提起出儀器。假設(shè)1個(gè)采集節(jié)推靠完全收攏，其余11個(gè)采集節(jié)推靠以350Kg正壓力撐在套管內(nèi)壁，此時(shí)，拉動(dòng)這一串儀器的拉力應(yīng)該是：儀器串自重+11個(gè)采集節(jié)正常推靠在5.5英寸套管上的拉動(dòng)力=500Kg+11*(150~250Kg)=2150~3250Kg。如果有套管變形或者有推靠臂卡進(jìn)接箍等情況，想要拉動(dòng)儀器串就必須使該采集節(jié)推靠臂安全剪切銷切斷，而切斷一個(gè)安全剪切銷拉力約500~600Kg。如果這樣拉動(dòng)這一串儀器的拉力必然大于馬龍頭拉力棒最大安全拉力3000Kg。所以綜合上面的理論數(shù)據(jù)分析，如果出現(xiàn)上述特殊情況，頂著風(fēng)險(xiǎn)讓大多數(shù)采集節(jié)推靠在套管內(nèi)壁摩擦著上提起出儀器是不可取的，可能造成嚴(yán)重的井筒事故。那么就只有冒著燒壞這個(gè)沒(méi)能正常推靠開臂的采集節(jié)的電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，加大地面程控電源的限流設(shè)置，使其他采集節(jié)推靠收臂一定時(shí)間，與套管內(nèi)壁分離開來(lái)。3.3.4如何避免上述燒壞電機(jī)的情況發(fā)生方案一：增加推靠收臂到位限位開關(guān)，雖然其不能解決推靠收臂過(guò)程中遇異物卡住電流增大等風(fēng)險(xiǎn)，但能夠讓推靠收臂到位后，觸動(dòng)限位開關(guān)停止給該電機(jī)供電。但這就需要增加電機(jī)電路控制和機(jī)械限位觸動(dòng)裝置，如果用機(jī)械限位觸動(dòng)裝置必然要考慮密封性問(wèn)題，即便是使用磁頭霍爾元器件來(lái)進(jìn)行限位控制，也必須增加電機(jī)電路控制。而增加霍爾元件和電機(jī)電路控制必須考慮到控制電路工作的可靠性。方案二：增加采集節(jié)推靠電機(jī)電流監(jiān)測(cè)電路。如同采集節(jié)推靠開臂電機(jī)監(jiān)測(cè)電路，這樣只要推靠遇到一定的阻力，無(wú)論是收臂過(guò)程中遇異物卡住還是已經(jīng)收臂到位，只要電機(jī)電流增大到一定的時(shí)候，控制電路就能及時(shí)斷開電機(jī)供電回路。綜合上面的分析，想要避免電機(jī)燒壞，就必須增加電機(jī)控制電路，增加電路肯定必須考慮到安全可靠的問(wèn)題。第一種方案保護(hù)效果有限并且增加的環(huán)節(jié)多；第二種方案相對(duì)簡(jiǎn)單而且有開臂監(jiān)測(cè)電流電路做基礎(chǔ)，電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。4結(jié)束語(yǔ)該井間微地震儀器在推靠的設(shè)計(jì)方法上做了大量的實(shí)驗(yàn)論證，儀器的安全可靠性應(yīng)該是