井间微地震仪器的推靠方法分析

井间微地震仪器推靠方法分析黄磊（中国石油测井有限公司生产测井中心仪器装备部）摘要：本文对井间微地震仪器用途、原理及结构进行了简单的介绍，并从多个方面对测井仪器推靠器进行分类，文章重点从井筒施工安全和仪器自身安全两个方面讨论了井间微地震仪器推靠的实现方法。关键词：井间微地震推靠安全套管0引言如今油田测井不仅需要高精度、高分辨率技术，更需要点、链、面、体全方位地层信息资料的采集和处理。井中地震技术可以把一维的测井曲线延伸至二维和三维空间，实现了将现有测井与地面地震技术数据的综合利用，能够为油田勘探开发做出区域性评价。而推靠机构是井中地震仪器中的关键机构之一，它要能够可靠地实现推靠动作，并且施加一定的推靠力，将采集仪器紧贴井壁进行探测。一方面需要满足检波器的测量频响要求，另一方面推靠机构要十分可靠地实现收回，以防推靠机构卡死或电机故障造成仪器损坏和井筒事故。1井间微地震仪器的介绍1.1井间微地震仪器用途井间微地震监测技术是通过监测注水过程中产生的微震波，来确定出水驱前缘位置、优势注水方向、注水波及面积等；在做压裂效果评价时，可以确定出裂缝分布的方位、长度、高度及地应力方向等地层参数。为油藏工程师惊醒方案优化、提高整体开发效果和采收率等提供依据。1.2井间微地震仪器基本原理根据最小周向应力理论、摩尔-库伦理论、断裂力学准则等，分析微地震的传播。无论压裂还是注水都会诱发微地震，产生微震波。压裂时，在射孔段位置，当迅速升高的井筒压力超过岩石强度，岩石破裂，形成裂缝，裂缝扩展时，必将产生一系列向四周传播的微震波；注水时水流在岩层裂缝中的流动也会产生微震波。微震波被布置在井周围的监测分站接收到，根据各分站微震波的到达时差，会形成一系列的方程组，求解这一系列方程组，就可确定微震震源位置，进而确定裂缝产生情况和注水效果。1.3井间微地震仪器串结构井间微地震仪器由校深部分、遥传部分、级联部分、采集部分等四部分组成。如图1所示，其中校深部分由磁定位组成，主要起到仪器校深的作用；遥传部分是仪器与地面采集箱体建立通讯传输数据的短节；级联部分主要满足个采集节之间的距离要求；采集部分是整串仪器的核心部分，根据实际测井的需要最多可以级联12个采集节，每个采集节由地震波采集和机械推靠两部分组成。图1井间微地震仪器结构图（8采集节）2测井仪器推靠器的分类目前，推靠器在测井仪器中的应用越来越多，并且直接影响测井的质量和安全。推靠设计要考虑的因素很多，例如，安全性、可靠性、稳定性、耐磨性等。通常，推靠器按传动方式可以分为机械式和液压式。2.1推靠器按能动性分为2类a）主动推靠器是指在推靠时需要电机或者液压驱动的推靠器，这种推靠器下井时推靠收拢，仪器到达目的层位上测时驱动电机或液压泵打开推靠开始测量。b）被动推靠器主要指的是无需要驱动的扶正器。常见的仪器扶正器大多属于被动式推靠器。2.2推靠器按功能分为3类a）扶正器使测井仪器在井下位于中心位置。结构多为联动方式，结构简单功能可靠，主要分为弹片式扶正器和连杆式扶正器。目前国产生产测井多参数多用弹片式扶正器，SONDEX系列仪器主要使用的是连杆式扶正器。b）贴壁测量推靠器测井仪器的传感器在推靠器上，测井时张开推靠器使传感器贴紧井壁来测量地层参数。典型的仪器有六扇区水泥胶接测井仪器、俄罗斯过套管电阻率等。c）偏移推靠器推靠器张开时，顶在一侧井壁上，将仪器的主体推靠到对侧的井壁上。典型的仪器有井壁取芯仪器、井间微地震仪器等。3井间微地震仪器的推靠方法3.1推靠传动方法类比俄罗斯过套管电阻率仪器。由于井间微地震仪器采用了多级软连接，而目前国内采用这种多级软连接，并且需要多级推靠的仪器并不常见。俄罗斯过套管电阻率与井间微地震仪器有一定程度上的相似之处，它们都采用了多级软连接，都需要多级推靠。由于俄罗斯过套管电阻率级间级联距离短，所以采用的是液压推靠。液压推靠主要存在如下优点：a）液压传动装置效率高，结构紧凑，通过液压管线能够实现单个液压泵储油仓进行多级推靠控制。b）液压推靠推靠要比常规电机推靠力量大，推靠压力精确可控。c）容易可靠的实现井筒安全保障。当多级推靠打开无法正常收回时，可以设置拉断销拉断后液压回流，让所有级联推靠同时收回。d）液压系统内部零件均在液压油内工作，可实现自行润滑，机械部件使用寿命长。同时液压推靠也存在如下缺点：a）液压系统密封环节多，而且影响密封性能的因素也多，所以维护保养比较繁琐。b）仪器在井内高温高压下液压系统内容易进气，影响推靠的正压力和推靠的正常收回。c）软连接级联管线使用运输中容易造成管线损伤。相比俄罗斯过套管电阻率仪器，井间微地震仪器每个采集节推靠间的距离长达10米左右，如果采用液压推靠就需要在级联器上铺设液压管线，而每个级联铺设约10米长的液压管线，并且级联12个采集节显然是不易于仪器的使用维护保养，所以井间微地震仪器采用了电机驱动实现推靠。由于仪器级联软连接，每个采集节必须有单独的电机才能实现推靠。3.2推靠电机控制电路电机控制电路实现如图2所示，当收推靠时，-110V直接通过过线经过反向二极管D8和D9构成电机供电回路。使采集节推靠控制单片机及其相关电路不参与控制，确保在单片机及其相关控制电路失效时能够可靠实现收回推靠，保障井筒施工的安全。当开推靠时，+110V经D6和相关阻容元件稳压出V+5提供给单片机供电，而电机供电回路中包含Q4、Q5开关管电路、R25、R26、R27和R44组成的电流采样电路以及U3单片机控制电路。当+110V电压加载到电路上时，单片机上电工作，按照单片机内的程序，单片机控制开关管进行一定的延时，然后开关管导通构成电机回路，电机旋转，推靠器开始撑开，当推靠器贴上套管内壁，电机电流开始升高，单片机实时采样电机电流，并与程序内上限电流（150mA）对比，一旦电流达到或超过程序内上限电流值，随即控制开关管Q5断开电机供电回路。保障电机不被烧毁并且能产生预期的推靠正压力（大于350Kg）。图2采集节电机控制电路3.3推靠安全可靠性分析3.3.1井间微地震仪器推靠实现方法仪器推靠开臂时，各采集节电机延时启动，确保所有的电机不同时启动，避免产生很大冲击电流，从而保证不会在传输电缆上产生大的压降而导致推靠力不充分的问题。当推靠贴紧套管内壁后，各采集节电机控制电路实时采集到电机电流达到或超过150mA时，断开电机回路，实现推靠开臂安全可控。仪器推靠收臂时，为了保障仪器在极端条件下（电机控制电路失效）推靠能够收回，避免井筒事故的发生，仪器推靠收臂时，电压直接加载在电机上（包括两个反向二极管）。由于收臂时不必考虑冲击电流影响到推靠正压力的大小，所以推靠收臂时，各采集节同时收臂。由于收臂电机不受电机控制电路控制，所以采用了限时供电（一般限时15秒）来控制收臂。根据反复实验各采集节推靠在空气中推至最大后完全收回约45秒，在5.5英寸套管中推靠好后完全收回约30秒。所以15秒推靠收臂时间应该既保障了推靠与套管内壁分开又不会因收臂过紧烧毁电机。3.3.2推靠安全剪切销装置为了保障井筒施工安全，确保单个采集节推靠电机控制失效，推靠臂无法收回时，仪器仍然能够顺利起出。如图3所示，在推靠器连杆39与传动滑块的链接销40上设置了安全剪切销，当推靠无法有效收回时，拉动力500~600Kg就能使该采集节推靠的安全剪切销切断。从而连杆39将与传动滑块脱离，推靠臂41将自然下垂收回。图3采集节推靠臂部分机械结构3.3.3井筒安全与仪器安全在仪器推靠上的衡量首先由于仪器的多级级联并且各级联之间有约9米长的电缆连接，一旦出现仪器串遇卡或者仪器串推靠无法正常收回导致仪器落井失控，打捞处理工作就格外困难，所以井筒施工安全应该是这串仪器设计以及施工时考虑的重中之重。通过大量实验总结得出如下数据：◊马龙头拉力棒最大安全拉力3000Kg；◊采集节级联器最大安全拉力5000Kg；级联12支采集节仪器串重量约500Kg；◊各采集节推靠臂安全剪切销剪切拉力500~600Kg；110V/150mA电机推靠正压力大于350Kg；仪器正常推靠在5.5英寸套管(干净套管)上后的拉动力150~250Kg。如果遇到特殊情况仪器推靠开臂时，正好有一个或者多个采集节推靠器完全被箍住，开臂时因为电机限流后停住，但是这一个或多个采集节推靠开臂时基本没有打开。在之后的限时15秒收臂时，可能烧毁这几个电机。或者由于地面程控电源设置了限流保护，刚一开始收臂，马上电源就限流保护了。但实际上大多数正常推靠到套管内壁的推靠器没有来得及与套管分离。这种情况是冒着烧坏一个或几个电机的风险加大程控电源的限流保护，使大多数推靠与套管分离，还是顶着风险让大多数采集节推靠在套管内壁摩擦着上提起出仪器。假设1个采集节推靠完全收拢，其余11个采集节推靠以350Kg正压力撑在套管内壁，此时，拉动这一串仪器的拉力应该是：仪器串自重+11个采集节正常推靠在5.5英寸套管上的拉动力=500Kg+11*(150~250Kg)=2150~3250Kg。如果有套管变形或者有推靠臂卡进接箍等情况，想要拉动仪器串就必须使该采集节推靠臂安全剪切销切断，而切断一个安全剪切销拉力约500~600Kg。如果这样拉动这一串仪器的拉力必然大于马龙头拉力棒最大安全拉力3000Kg。所以综合上面的理论数据分析，如果出现上述特殊情况，顶着风险让大多数采集节推靠在套管内壁摩擦着上提起出仪器是不可取的，可能造成严重的井筒事故。那么就只有冒着烧坏这个没能正常推靠开臂的采集节的电机的风险，加大地面程控电源的限流设置，使其他采集节推靠收臂一定时间，与套管内壁分离开来。3.3.4如何避免上述烧坏电机的情况发生方案一：增加推靠收臂到位限位开关，虽然其不能解决推靠收臂过程中遇异物卡住电流增大等风险，但能够让推靠收臂到位后，触动限位开关停止给该电机供电。但这就需要增加电机电路控制和机械限位触动装置，如果用机械限位触动装置必然要考虑密封性问题，即便是使用磁头霍尔元器件来进行限位控制，也必须增加电机电路控制。而增加霍尔元件和电机电路控制必须考虑到控制电路工作的可靠性。方案二：增加采集节推靠电机电流监测电路。如同采集节推靠开臂电机监测电路，这样只要推靠遇到一定的阻力，无论是收臂过程中遇异物卡住还是已经收臂到位，只要电机电流增大到一定的时候，控制电路就能及时断开电机供电回路。综合上面的分析，想要避免电机烧坏，就必须增加电机控制电路，增加电路肯定必须考虑到安全可靠的问题。第一种方案保护效果有限并且增加的环节多；第二种方案相对简单而且有开臂监测电流电路做基础，电路实现起来比较容易。4结束语该井间微地震仪器在推靠的设计方法上做了大量的实验论证，仪器的安全可靠性应该是