定向井、水平井测量技术

第四章定向井、水平井测量技术

第一节定向井、水平井测量的性质和特点

一. 钻井过程中测量的方法、媒介和基准

石油钻井过程中的测量属于工程测量的一种类型。从物理意义上讲, 测量井下钻

具的工具面角, 即为井下钻具定向或测量井眼的轨迹均属于空间姿态的测量。由于石

油钻井工程的特殊性使得这一测量过程必须借助专门的工具和仪器, 采取间接测量的

方法来完成。

目前, 石油钻井过程中的测量需要借助三种媒介, 即大地的重力场、大地磁场和

天体坐标系, 由此产生了与这三种测量媒介有关的测量仪器。

1. 借助于重力场测量井斜角或高边工具面, 采用的测量元件为测角器、罗盘重锤或重力加速度计等。这类仪器的测量基准是测点与地心的连线, 即铅垂线。

2. 借助于地磁场测量方位角或磁性工具面, 采用的测量元件为罗盘或磁通门等。这类仪器的测量基准是磁性北极, 所以磁性仪器测量的方位角数据必须根据当地的磁

偏角修正成真北极, 即地理北极的数据。

3. 借助于天体坐标系测量方位角或磁性工具面, 采用的测量元件为陀螺仪。陀螺仪为惯性测量仪器, 不以地球上任何一为基准, 这类仪器下井测量之前必须对陀螺仪

的自转轴进行地理北极的方位标定。

二. 钻井过程中测量的特点

1. 钻井过程中的测量是间接测量, 必须借助专用工具和仪器完成。而且根据测量仪器的数据记录和传输方式的不同, 钻井测量分为实时测量和事后测量。

2. 测量仪器的尺寸受到井眼和钻井工具的限制, 特别是下井仪器的径向尺寸必须能够下入套管和钻具内, 而且不会因仪器的下入而影响泥浆的流动或产生过大的泥浆

压降。

3. 下井仪器受到地层和泥浆的高压, 仪器的保护筒和密封件必须能够承受这种高压, 而且还应具备一定的安全系数。

4. 由于地层的温度随着井深变化, 下井仪器是在高于地面温度的环境里工作, 要求下井仪器具有良好的抗高温性能, 一般称耐温 125℃以下的仪器为常温或常规仪器, 称耐温 182℃以下的仪器为高温仪器。

5. 某些仪器在使用过程中要承受冲击 (如单多点测斜仪的投测)、钻具转动 (如

转盘钻具中的 MWD 仪器)、钻头和钻具在钻进过程中的振动 (如 MWD 和有线随钻测斜仪) 等。

二. 测量仪器技术发展情况

第二节测量仪器分类和应用范围

一. 测量仪器分类

(图片: 测量仪器分类)

┌─Φ35 mm 外径测斜仪 (常规)

┌─罗盘单点照相测斜仪─┤

│└─Φ25 mm 外径测斜仪 (高温) ┌─罗盘类─┤

││┌─Φ35 mm 外径测斜仪 (常规)

│└─罗盘多点照相测斜仪─┤

测│└─Φ25 mm 外径测斜仪 (高温) │┌─有线随钻测斜仪

量││

──┼─电磁类─┼─无线随钻测斜仪 (包括: 定向 MWD、带地质参数 MWD)

仪││

│└─电子多点测斜仪

器│┌─Φ60 mm 外径多点陀螺测斜仪│┌─照相陀螺测斜仪───┼─Φ35 mm 外径单点陀螺测斜仪

││└─Φ35 mm 外径多点陀螺测斜仪

└─陀螺类─┤

│┌─地面记录定向陀螺测斜仪

└─电子陀螺测斜仪───┼─框架式电子陀螺测斜仪

└─速率积分电子陀螺测斜仪

二. 测量仪器的应用范围

1. 磁罗盘单、多点照相测斜仪

这类仪器适用于普通定向井和无邻井磁干扰的丛式井中与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。

Φ35 mm 外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于 125℃的井眼。而Φ25 mm 外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于 182℃的井眼。

2. 有线随钻测斜仪

有线随钻测斜仪适用于较深的定向井、无邻井磁干扰的丛式井或大斜度井、水平井中与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向。

3. 无线随钻测斜仪

无线随钻测斜仪适用于超深定向井、大斜度井、水平井中或海洋钻井平台上与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。

4. 电子多点测斜仪

电子多点测斜仪适用于精度要求较高的定向井、无邻井磁干扰的丛式井、大斜度井、水平井中或海洋钻井平台上与无磁钻铤配合使用, 为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。

5. 照相单、多点陀螺测斜仪

这类仪器适用于已下探管的井眼中测取井身轨迹数据, 或在丛式井、套管开窗井中为井下钻具组合定向。

6. 电子陀螺测斜仪

电子陀螺测斜仪适用于已下探管的井眼中测取较高精度的井身轨迹数据, 或在丛式井、套管开窗井中为井下钻具组合定向。

第三节磁罗盘单、多点测量仪器

磁罗盘照相测斜仪分为单点测斜仪和多点测斜仪两类, 是目前国内石油定向钻井行业中使用最普遍的测量仪器, 这两类具有结构简单、操作方便、价格低廉的优点。在裸眼井中, 将仪器下到钻具组合的无磁钻铤位置, 采用定时器控制仪器电源将某一井深的井斜角、方位角和工具面角数据记录在胶片或胶卷上, 作为永久性资料保存。

国内外石油行业中使用的磁罗盘照相测斜仪有数十中, 目前国内应用最多的是美国 EASTMAN CHRISTENSEN 公司的 R 型和 E 型罗盘测斜仪, 以及部分美国 SPERRY- SUN 公司的 A 型和 B 型罗盘测斜仪。其中 R 型和 A 型为常规仪器, E 型和 B 型为高温仪器。国产单、多点测斜仪主要是西安石油仪器厂和牡丹江石油仪器厂两家, 这两家的产品均为仿制美国 EASTMAN CHRISTENSEN 公司的 R 型单、多点测斜仪。

一. 磁罗盘单点照相测斜仪

1. 磁单点测斜仪的结构和工作原理

磁单点测斜仪由定时器、电池筒、照相机总成、罗盘短节、外筒总成及辅助工具等五部分组成。

(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪组装图)

(图片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁单点测斜仪组装图)

(1). 定时器

磁单点测斜仪使用的定时器有机械定时器、电子定时器、蒙乃尔传感器和运动传感器等四种, 其作用均为控制仪器电源在特定的时间使照相机拍摄测斜胶片。

①. 机械定时器

(图片: SPERRY-SUN 磁单点测斜仪机械定时器)

机械定时器是一套钟表机构, 当转动定时轮使其对准要求的照相时间时,定时轮将受机械发条力的作用, 在钟表齿轮系统的控制下往回运动。当定时轮上的 O 对准外壳上的 ON 时, 定时轮上的触点与钟表系统的触点接触, 使电源导通开始照相。

②. 电子定时器

电子定时器是由振荡器、分频器、计数器、开关电路和调节部分组成。其工作原理类似于石英电子钟。

(图片: EASTMAN CHRISTENSEN 磁单点测斜仪电子定时器)

③. 蒙乃尔传感器

蒙乃尔传感器是由参考振荡器、测量振荡器、时基振荡器、频率合成器、整形放大器、计数开关电路、分频与延时电路和时间选择电路等组成。蒙乃尔传感器的测量线圈能够敏感周围环境的金属材料 (如钻杆和无磁钻铤), 对周围不同的金属材料, 线圈产生的电感量不同, 从而使测量振荡器产生不同的输出频率。只有在无磁钻铤的环境中产生的频率, 经过合成放大才能导通开关电路, 控制单点测斜仪照相。

(图片: EASTMAN CHRISTENSEN 单点测斜仪蒙乃尔传感器)

④. 运动传感器

运动传感器与单点测斜仪组装后由运动状态变为静止, 并稳定一段时间后导通开关电路, 控制单点测斜仪照相。

(2). 电池筒

(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪电池筒)

(图片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁单点测斜仪电池筒)

(3). 照相机总成

(图片: SPERRY-SUN A 型磁单点测斜仪照相机总成)