CN1131465A - 改进的具有实时地面显示的滑线系统 - Google Patents

Abstract

提供一种由小直径的单芯导体电缆与标准滑线设备结合，以获得测井探头的实时地面显示的装置和方法。以在导电管内共同伸展的螺旋形的绝缘导体取代标准实芯导线，用来将测井探头降入井孔，并将探头产生的信号传送到地面上的显示装置。

Description

改进的具有实时地面显示的滑线系统

本发明涉及一种将普通滑线组件和单芯导体电缆结合使用以在地面“实时”显示测井数据的装置和方法。

测井仪器或测井探头通常通过降入井孔，使其停留在地下层中，以测量地层特性，如作为随时间变化函数的井底压力和温度。这类仪器已有“记忆型”和“实时型”两种。

“记忆型”探头连接在1/8英寸直径的实芯线上，此线称为电缆，通常探头通过衬在井孔里的管线置入井内。这一经济、有效的方法及其相关设备，就是所公知的滑线系统，它主要用于井底压力测量。该记忆型探头将某一时段内的测量数据记录在底孔测量图上。要判读整个时间历程累积的数据时，将探头从井中撤出。

滑线系统以其所需设备少、使用方便而受到欢迎。

用滑线系统测量一个已知的井或地层时，测量人员通常可以估计探头需要在底孔停留的时间长短，从而获得期望的数据。但是，如果将探头过早地撤出，数据会不完整，因而对测量的数值会产生疑问；反之，探头在底孔停留时间过长，会浪费宝贵的时间，产生不必要的费用。例如在压力的升/降测量时，为使压力的增长达到稳态，探头要在井下停留数日才能撤出，可是这种稳态变化经过几天后却可能仍未达到。

由于用于将“实时型”测井探头产生的信号传向地面与滑线系统匹配的电缆线尚不能提供，目前用滑线系统进行测量时还局限于使用“记忆型”探头。

“实时型”探头既可以避免“记忆型”探头测量的不确定性，而且可以将探头产生的信号实时地传给地面测量人员。位于地层中的探头产生的信号通过导电电缆向上传送给地面上的数据采集系统。电缆一般包括一根电缆芯，它的实现有多种方式，并需要多级与滑线系统不同的专用设备。

一种导电电缆线的结构是这样的：外面为直径1/4英寸的管，里面为一根实心电缆芯导体。通常，电缆芯导体用环氧树脂或聚四氟乙烯材料包住置入管中，以使得导体和外界绝缘。管通过井头伸入到井孔中。该管的外围由管线夹住，并向下伸入至通常安装在管线底部的探头。连接在一起的管、导体和环氧树脂绝缘层不能承受弯曲和热辐射的影响，特别易被损坏。

直径1/4英寸电缆在收、放时，会发生弯曲。电缆通常盘绕在直径大于6英尺的大直径电缆盘上。绕线时，管、绝缘层和导体本身在电缆盘上每圈的周向长度各不同，这种区别会导致电缆的每一层产生不同的相对运动，出现重复变形。同样，管和导体存在温差时，会出现不同的热膨胀和相对移动。多次或重复使用最终会使导体、绝缘层或二者都因疲劳而失效，使电缆永久损坏。因此电缆的操作及其在井孔中的不同的热膨胀经常会给组件带来不可修复的损坏。

授予Moore的专利号为USP5,122,209的专利中描述了“实时”管和导体组件的另一种实现方式。按照此方式，在制造时，将多根绝缘导体螺旋卷绕后，一并装入1/4英寸直径的管中。这样，管和导体没有连接在一起成为实心的整体。采用这种方式，前面提到的管/导体/环氧树脂绝缘层组合中局部运动困难的情况会得到改善。导体螺旋线圈和管之间的摩擦可以限制导体在管内的自由移动，但另一方面，导体可以扩张、收缩、移位，以适应电缆盘绕时不同介质层周向长度上的不同，对热效应进行补偿。再将探头及电缆固定在管线的外表面，探头撤收时，必须将管线从井中拉出。

上面两种形式的1/4英寸管和导体电缆一般都是永久性配置的。修理或更换探头时，不论用哪两种方式，都要把管线撤出，为撤出管线而造成的生产的延迟和井的闲置要付出昂贵的代价。另外，还需要设置便于有效地撤出管线的装置；另外，需要比滑线系统更大型的电缆线滚筒和相应设备。

电缆的实现还有一种方式：里面为单根或多根绝缘导体，外面为柔性导电编织护套，将编织电缆及所述探头可送入、撤出管线，不必将管线取出。发明人所知道的编织电缆，单芯直径都大于3/16英寸。

在编织电缆的实施例中，探头从装入井头上的独立润滑器进入管线。在润滑器处将编织电缆密封非常费力，且需专用设备。一般需要专配一个人负责挤压式油脂装置的操作。编织层长度和导体长度一致，和1/4英寸管和导体组件相比，这种组件更为结实，适合多次反复使用。但这种编织层造价贵，由于其表面积大，易被腐蚀，在酸性环境(H₂S)作业时，需使用价格昂贵的编织材料。由于采用编织导线要增加人力、专用设备，单位长度造价又贵，在测井尤其是生产性测井中的使用受到限制。

总之，采用现有技术的电缆都不适用于现有滑线设备以实现“实时”测量。而编织电缆一般造价太高，不宜在非生产性测井中使用，并需要在现有滑线系统中尚不具备的专用设备。1/4英寸直径的电缆在下面几个方面不能和滑线系统匹配：电缆直径太大，刚性太大，不宜于盘绕到普通滑线电缆盘上；电缆太硬，不能在探头的重力作用下拉入井中，故需专用牵伸设备；电缆线需要配置较大型导向滑轮，润滑器处需要密封件。

本发明的目的是：提供一种适用于目前盛行和广泛使用的普通滑线设备的导电电缆，以便在底孔压力测量以及生产性测井应用中，在地面上“实时”获取测量数据。

按照本发明，按Moore的美国专利第5,122,209号所述的电缆样式，提供一种小直径的柔性电缆，这种电缆可配在普通滑线系统上，带动测井探头通过整体管线，测量地下地层特性如某地层的压力和电阻率，并在地面上“实时”显示。

在一优选实施例中，利用一种连续不锈钢管，其外径约1/8英寸，壁厚约0.022英寸，提供了一种导电管，它能起到探头电路的导线作用，并且能承受探头的重量，而其柔性足够大，可盘绕在滑线电缆盘上，并穿过滑线润滑器，而不会产生永久变形。将绝热、绝缘导线按螺旋方向盘绕使导体直径远小于管的内孔径，导体在管孔内共同伸展，这样的导体抗拉性能好，不会由于自身重量作用拉断，可自主轴向伸缩，侧向移动，以适应热效应和盘绕带来的影响，不会断裂或缩短。

概括地说来，一方面，本发明提供一种与一井结合、用于测量地下地层特征曲线的滑线组件，其中该井具有一井头，并含有一带轴向孔的整体管线，该滑线组件包括：装在井头上的滑线润滑器；置于井附近并绕有电缆的电缆盘，电缆线通过润滑器伸入整体管线内孔腔；所述电缆包含一内部有纵向孔的导电金属管，其外径约为1/8英寸，柔性足够大，可与电缆盘和润滑器结合使用而不致产生永久变形，和一螺旋形式的多股绞线的热、电绝缘导体，该导体沿金属管延伸，与之共同伸展，并且与管壁呈摩擦接触，所述导体的直径小于管孔的直径，该导体除了受该摩擦接触的束缚外可轴向自由运动；地层特征测量探头，其连接在电缆的底端，与管和导体有效地接触，形成闭合回路，所述的探头置于该整体吊绳的孔中，以便于在该孔内升降，所述探头装好加电时，产生表示地层特征的信号；给该回路加电的电源；以及位于地面上接受并显示产生的信号的装置。

另一方面，本发明提供一种与一井结合、用于测量地下地层特征的方法，所述井具有一井头、一具有轴向孔的整体管线和一安装在该井头上的润滑器，所述井还具有一与之相连的驱动滑线电缆盘，以便穿过该润滑器向该整体管线供给电缆及撤出电缆，该方法包括：提供一具有导电金属管的柔软电缆，该金属管的外径约为1/8英寸，其内部有一轴向孔腔，一被热、电绝缘的导线沿该管轴向孔腔延伸，所述电缆绕在电缆盘上，经润滑器伸入该整体管线的轴向孔中；在该整体管线孔中提供一地层特征曲线测量探头，所述探头连接于电缆的底端，与金属管和导体有效地接触连接，以形成给探头加电的电路，使探头向地面发出表示地层特征的信号；提供一个向电路加电的电源；地面上提供记录探头发送的信号的装置；将与电缆线连接的探头沿该管线孔下降，穿入地层；当探头和地层对应时，给电路加电，使得通过电缆传出表示地层特征的信号；记录传送来的信号；将电缆绕回电缆盘，以从井中收回电缆和测井探头，回收后的探头留在润滑器内。

以下将结合附图对本发明作详细的描述。附图中：

图1为一示意图，示出本发明的滑线组件和电缆、井和伸入地层内的测井探头；

图2为电缆的截面图；

图3为电缆盘以及电缆地面连线的平面示意图；

图4为用于环形端接和加压的T型接头的横断面图；

图5为电缆头适配器和鱼颈管的分解横断面图；

图6为电缆管的端部和用来与电缆头适配器连接的延伸出的导线紧密盘绕部分的示意图；以及

图7为电缆头适配器的组装示意图，示出了图5及6中的部件装配后的情况。

参看图1，滑线组件1包括电缆2，用来悬吊一井5中的测井探头3，该井5延伸到地下地层6。

井5包括管线4，管线具有轴向孔腔10。井头11置于整体管线4的顶部，井头位于地表面8上。

滑线组件1还包括驱动电缆盘14，电缆盘14的规格是：一般可绕直径0.092-0.125英寸的实心电缆。电缆2绕在电缆盘14上，通过滚子15向上经滑轮16至润滑器9的顶部。

润滑器9使得测井探头3和电缆2能够插入和退出井5。更具体地说，润滑器9形成一个竖向管腔150及其底端连在井头11上的一个隔离阀17和其顶端的封装件102。电缆2通过封装件102、润滑器9，进入管线4的孔腔10内。小型液力泵100对封装件102加压，使其将电缆2周围密封。

参看图2，电缆2包括一个不锈钢制作的导电管18，其外径为1/8英寸，壁厚为0.022英寸。管18形成一个内部纵向腔19。单芯绝缘导体20穿过腔19延伸。导体20的横截面积小于孔腔19的横截面积，从而在绝缘导体20和管18之间形成一个环形空间。

这样，提供了两个导电通路18、20，适合于从现有的“实时”测井探头传送信号。

这里可引用工业标准电缆线，其具有一根导体(绝缘导体20)，还将提供第二接地通路(管18)。

绝缘导体20由20股绞线规格符合ASTM B298-74A标准的镀银铜铰线22制作。该导体20具有两部分绝缘覆盖层23。内绝缘层有两圈按左螺旋方向包绕的聚酰胺胶带，包绕时一圈胶带和另一圈胶带至少重迭二分之一；外绝缘层为芳香聚酰胺酯层，用于密闭内层胶带并提高耐用性。覆盖两层的导体直径约为0.055英寸±0.002英寸。

制作电缆2时，第一步是采用授予Moore的美国专利第5122209号所详述的方法，将绝缘导体装入1/4英寸的管中。在装入该绝缘导体20的同时，在该管中加入带状扁形保护层。用焊接方法密封管18的纵向狭缝时，导体20可以受到特别的保护。

管18可由不锈钢或INCOLOY825(Huntington Alloys，Hunt-ington，WV.)制作。由于这些合金表面光洁无皱纹，可用以供H₂S环境应用。

绝缘导体20以螺旋状缠绕的形式给出。绝缘导体20和管18共同伸展，且和管18的内壁呈摩擦接触。当出现不均匀热膨胀时，这种接触方式使得导体20沿管18轴向运动比较自由，不过，这种摩擦接触还可以限制导线在重力载荷的作用下拉伸和坠落进管的底部。从而，长度达20,000英尺的绝缘导体20可以装在较小直径的管18中。

若在滑线组件1上使用，可将1/4英寸管和导体18、20的组合用机械方法拉伸至直径1/8英寸，壁厚0.022英寸。

新泽西州的Gibson Tube of Bridgewater已经试验成功一种适用于此目的的拉伸技术，并已向市场上提供这种带缠绕螺旋导线和外管的电缆。

请参看图3，电缆2盘绕在电缆盘14上。电缆盘14由液压驱动和传动装置24驱动。电缆的表面端25从电缆盘14伸出，并通过压紧配合伸入T形管连接接头26中，一连接管27一端和T形连接头26相连，另一端和密封块28以螺纹相连，详细连接参看图4。密封块28可以使从T形接头26出来的绝缘导体笔直通过，同时对环形空间21的开口进行密闭。T形接头26的尾部装有阀门99，阀门开启时，电缆2的环形空间21内被增压，最好采用氮气。这样可以平衡下井压力，防止管18被挤裂甚至损坏。然后，绝缘导线20被绕回电缆盘的轴上，连在工业用接线环组件29上，如德克萨斯州Austin的IEC公司提供的Model IEC-2-GO。地线30电连接在T型接头26上，并且类似地连接到组件29上。连接环组件29建立起从随电缆盘14旋转的绝缘导体20和地线30到一与绝缘导体20连接的非旋转电引线31和一与导电管18连接的非旋转地线32的电连接。引线31、32与测井探头3构成回路并能够将产生的信号送到地面8上的记录和显示装置7。

记录和显示装置为常规数据采集系统，它和测井探头3相匹配。

电源101提供用于给电路加电，使测井探头3产生所需的表示地层特征的信号。电源101和测井探头3匹配。例如德克萨斯州FortWorth的Computalog公司可提供匹配的测井探头、电源(一般300伏)和显示装置。

请参看图5、6和7，电缆2在测井探头端部终接于一电缆头适配器33，该适配器33适合于通过螺纹连接在测井探头3上(图中未示出)。该电缆头适配器33包括一金属本体41，其顶端由一压配合件34连接在电缆2上。适配器本体41为空心的，形成有一孔35，绝缘导体20从电缆2延伸到该孔35中。导体20电连接于一插塞36上，该插塞36适合于与测井探头3电连接。适配器本体41将测井探头接地。插塞36以一机械夹持件37可拆卸地固定于适配器本体41的底端。在适配器33的顶端连接一鱼颈管，以便于一旦测井探头3落入井5时将之取回。

将电缆2快速放入或降入管线4的过程中，由于热效应而产生的管18伸长速度可能比导体20快。在极端条件下，导线20在管18内完全拉直，拉紧并破坏与插塞36的连接。所以，绝缘导体20的底端约5英尺制成约6英寸长的一紧绕的线圈42，它提供了导体的余量长度，并使导体20保持与管18共同伸展。

电缆环形空间21在适配器33的内孔35中打开。其中注入类似输电变压器中使用的非导电液体39，液体从侧口40注入。电缆2中万一发生泄漏现象，油或水不会取代大比重的非导电液体而影响在插塞36处的电连接。从而，泄漏不会使测量过早地中断，测量一旦完成，可修复泄漏，并用氮气将环形空间吹净、吹干，不会造成永久性损坏。

每次使用之前，利用阀门99和T型接头可容易地对电缆2进行压力测试，可用水浴和气泡技术进行检查，用锡焊办法可以进行修复。

对地下地层特征曲线进行测量前，将滑线组件1及其电缆2置于井5附近，并将电缆盘上的一段电缆转下。

在准备电缆2和将之与测井探头3连接之前，将电缆末端约5英尺长的管18剥掉，使绝缘导体20伸出。电缆护套管18和导体20穿过润滑器9的封装件102、鱼颈管38、压力配合件34及电缆头适配器33。绝缘导线20的余量段紧紧地缠绕成线圈，导线22连接在插塞36上。线圈42塞入到适配器本体41中，插塞36在本体41底端与本体41固定连接。压力配合件41紧固在已密封的适配器孔腔35内，非导电液体注入腔35内，鱼颈管38紧固在电缆头适配器33上。

测井探头3连接于电缆头适配器33上，电缆2和测井探头组件装入润滑器9中，封装件102固定在其上。液力泵100使封装件密封在电缆周围，隔离阀17向管线4打开。需要指出的是，所有这些操作都可在不影响生产和其它井操作的情况下完成。

若井内压力大，将阀门99打开，从氮气源向电缆2的环形空间加压。阀门99关闭，氮气源去掉，电缆盘14可自由旋转。

从电缆盘上将电缆转下，使探头下降到管线4的内孔腔10中，以测量地层6。探头自身的重量足以将电缆拉入井中。当探头放入地层或所测量的井部时，给电路加电。

测井探头3测量所要求的地层6的特征曲线，并发出表示测量结果的信号，信号经电缆2传出。地面记录和接收装置7接收和记录通过电缆2传来的信号。

完成测量时，将电缆绕回电缆盘，将测井探头撤出，回收至润滑器9内。

本发明的优点是：

热效应、绕线、弯折不会使绝缘层和导线损坏；

首次将现有滑线设备通过管线或其它整体管线与“实时”测井结合使用；

进行底孔压力测量可以很容易实现，不会将探头撤出太早或在井下停留时间过长；

可基于“实时”方法用滑线系统进行生产性测井；

滑线电缆采用造价相对较低的合金材料，可用于腐蚀性井下环境，避免了采用编织电缆产生的高额费用；以及

可降低测井成本。

Claims (9)

1、一种与一井结合、用于测量地下地层特征曲线的滑线组件，其中该井具有一井头，并含有一带轴向孔的整体管线，该滑线组件包括：

装在井头上的滑线润滑器；

置于井附近并绕有电缆的电缆盘，电缆线通过润滑器伸入整体管线孔内；

所述电缆包含一内部形成纵向孔的导电金属管，其外径约为1/8英寸，柔性足够大，可与电缆盘和润滑器结合使用而不致产生永久变形，和一螺旋形式的多股绞线的被热、电绝缘导体，该导体沿金属管延伸，与之共同伸展，并且与管壁呈摩擦接触，所述导体的直径小于管孔的直径，该导体除了受该摩擦接触的束缚外可轴向自由运动；

地层特征测量探头，其连接在电缆的底端，与管和导体有效地接触，形成闭合回路，所述探头置于该整体管线的孔中，以便于在该孔内升降，所述探头装好加电时，产生表示地层特征的信号；

给该回路加电的电源；以及

位于地面上接受并显示产生的信号的装置。

2、根据权利要求1所述的组件，其中，

该导体在其末端紧绕成一个线圈，以留出余量长度，使得由于热效应，管伸长量大于导体伸长量时，导体和管仍可共同伸展。

3、根据权利要求1所述的组件，包括：

用来向该金属管的孔中加压以便至少部分地平衡该管孔中的压力与管外的压力的位于地面的装置。

4、根据权利要求2所述的组件，包括：

用来向该金属管的孔中加压以便至少部分地平衡该管孔中的压力与管外的压力的位于地面的装置。

5、根据权利要求1所述的组件，其中，管壁厚约为0.022英寸。

6、根据权利要求3所述的组件，其中，管壁厚约为0.022英寸。

7、根据权利要求4所述的组件，其中，管壁厚约为0.022英寸。

8、一种与一井结合、用于测量地下地层特征的方法，所述井具有一井头、一具有轴向孔的整体管线和一安装在该井头上的润滑器，所述井还具有一与之相连的驱动滑线电缆盘，以便穿过该润滑器向该整体管线供给电缆及撤出电缆，该方法包括：

提供一具有导电金属管的柔软电缆，该金属管的外径约为1/8英寸，其内部形成一纵向孔，一被热、电绝缘的导线沿该管纵向孔延伸，所述电缆绕在电缆盘上，经润滑器伸入该整体管线的纵向孔中；

在该整体管线孔中提供一地层特征测量探头，所述探头连接于电缆的底端，与金属管和导体有效地接触连接，以形成给探头加电的电路，使探头向地面发出表示地层特征的信号；

提供一个向电路加电的电源；

地面上提供记录探头发送的信号的装置；

将与电缆线连接的探头沿该管线孔下降，穿入地层；

当探头和地层对应时，给电路加电，以通过电缆传出表示地层特征的信号；

记录传送来的信号；

将电缆绕回电缆盘，以从井中收回电缆和测井探头，回收后的探头留在润滑器内。

9、一种与一井结合，用于测量地下地层特征的方法，所说的井具有一井头、一具有轴向孔的整体管线和一安装在该井头上的润滑器，所说的井还具有一与之相连的驱动滑线电缆盘，以便穿过该润滑器向该整体管线供给电缆及撤出电缆，该方法包括：

提供一种地层特征测量探头，沉入孔中对应地层并被加电时，用于产生表示地层特征的信号；

提供一电缆包括：内部形成一纵向孔的导电金属外管，外径约1/8英寸，柔性足够大，可绕在电缆盘上和通过润滑器而不会产生永久变形；多根被绝热、绝缘的导线螺旋缠绕，伸过管孔，此被绝热、绝缘导线和管壁摩擦接触，导体直径远小于管的内径，除受摩擦接触约束外，导线可在孔内沿轴向和侧向自由移动，该电缆外径约为1/8英寸。所述电缆缠绕在电缆盘上，它可以经润滑器进入管线孔，管和绝缘导线的下端有效地连接于探头形成回路；

提供一在地面上的给电路加电的电源；

提供一在地面上的记录探头发送的信号的装置；

将与电缆线连接的探头沿该管线孔下降，穿入地层；

当探头与地层对应时，给电路加电，使得通过电缆传送出表示地层特征大小的信号；

在地面记录传送的信号；以及

将电缆绕回电缆盘，以从井中收回电缆和测井探头，回收后的探头留在润滑器中。

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