定向井轨迹测量及方位控制

中国石油大学（）实验报告
实验日期：成绩：
班级：学号：姓名：教师：
同组者：
定向井轨迹测量及方位控制
一、实验目的
1.直观认识井眼轨迹参数（井斜角、井斜方位角）及造斜工具姿态参数（重力工具面角、磁工具面角）；
2.了解现场常用的电磁测斜仪的基本结构和测量原理，直观认识磁干扰现象；
3.掌握目前现场常用的随钻定向（或扭方位）操作方法。

定向（或扭方位）是指设法将实测的装置方位线转到校正方位线上（定向），或设定的装置方位线上（扭方位），钻井现场通常称之为摆工具面。

二、实验原理
1.实验设备
1）YSS-32测斜仪具有使用方便、准确、可靠性高等优点，是较好的油田钻井测斜仪器设备之一，其技术参数如下：
（1）工作温度范围：6~105℃；
（2）预热时间：30min；
（3）存储点数：1455点；
（4）电源：8节或4节2号碱性电池；
（5）初始延时：1s～18h（连续可变）；
（6）测量间隔：5s～18h（连续可变）；
（7）测量精度见表1；。

表1 电磁测斜仪测量精度
参数偏差
井斜INC ±0.2°
方位AZ ±2.0°
重力工具面角GTF（井斜＞10°）±2.0°
磁工具面角MTF（井斜≤10°）±2.0°
图1 电磁测斜仪
2）电磁测斜仪结构
电磁测斜仪（探管）是测量的核心部件，由测量头、电子柱和电池筒组成，如图2所示。

其中，测量头有引入工具面基准的T 形槽头和安装传感器的台体。

台体上安装3个加速度计和3个磁通门，可以测量出重力场和地磁场在探管坐标系上的分量。

加速度计是用来将输入速度变成与之对应的电压（或电流）或脉冲频率的传感器。

其中，磁悬浮加速度计抗冲击能力较强、结构简单、精度适中的，在钻井测斜仪上被广泛采用。

磁通门又称磁通计，是将输入磁通转换成与之对应电压的传感器。

2.测量原理
3个加速度计和3个磁通门的输入轴分别平行于直角坐标系。

设3个加速度计的重力场分别分量为gx ，gy ，gz ；3个磁通门分量分别为Hx ，Hy ，Hz 。

图2 井斜角
z
y
x g g g 22arctan
+=α
图3 重力工具面角 图4 磁工具面角
)a r c t a n (
y
x
g g G T F =
)
arctan(y
x H H
MTF =
图5 井斜方位角
()()
()⎪⎭
⎪
⎬⎫⎪⎩⎪⎨
⎧⋅+⋅++⋅-⋅=x x y y z y x z x y y x g H g H g g g H g H g H g 2
2arctan φ
三、实验操作方法
有线随钻定向和无线随钻定向具有不同的底部钻具组合。

采用有线随钻定向
时需要测量马达角差（弯马达与直接头之间），采用无线随（MWD ）钻定向时除了需要马达角差，还需要测量无磁钻铤两端螺纹联结处与定向接头、MWD 短节之间的角差，计算出累计角差。

随钻定向或扭方位时，马达角差（或累计角差）和方位修正角（磁偏角）要预先输入计算机程序。

随钻定向方法可以直接按工具面角来摆工具面。

图6 随钻定向（或扭方位）示意图
（1）井斜角<3~5°时：直接定向
a.加压前：磁工具面(MTF)＝校正方位＋反扭角＋磁偏角
b.加压后：磁工具面(MTF)＝校正方位＋磁偏角 （2）井斜角>3~5°时：按扭方位对待
a.加压前：磁工具面(MTF)＝测量方位＋反扭角＋磁偏角＋装置角
b.加压后：磁工具面(MTF)＝测量方位＋磁偏角＋装置角
c.加压前：高边(GTF)＝反扭角＋装置角
d.加压后：高边(GTF)＝装置角 四、思考题
1.磁干扰的来源有哪些？如何排除磁干扰？ 答：磁干扰的来源主要有以下几方面：
（1）钻柱剩余磁化的影响。

井下各种铁质的工具，如钻柱、套管等都会受到地磁场的影响而发生磁化，将削弱地磁场作用在轴向磁通门上的磁场分量；
（2）钻井液磁化的影响。

钻进过程中，钻头与岩石、钻柱与井壁、钻柱与套管之间会产生摩擦，使得相当数量的铁屑会掺杂在钻井液中，使钻井液具有一定的磁性，钻井液的磁化干扰在测斜仪的轴线上会产生的诱导磁化误差与截面上产生的诱导磁化误差，而且截面上的两垂直方向上磁化误差是相关的；
（3）地层磁性矿物的影响。

在存在磁性矿物的地区内，磁性测量仪器测出的读
数来求的方位角是不准确的，对此影响，目前还没有具体解决的方法；
排除磁干扰措施：
对于排除磁干扰的影响，主要是尽可能的营造一个无磁的测量环境： （1）采用无磁钻铤、钻柱的方法，减小井下管柱对测斜仪器的影响；
（2）针对钻井液磁化的影响，可将截面上的磁化误差作为整体进行分析计算，可得测斜仪Z 轴上以及与Z 轴相垂直的界面上的诱导磁化误差，进而可以误差校核；
（3）使套管鞋与测斜仪器保持一定的距离，减小套管鞋对测量结果的影响；
2.有线随钻定向和无线随钻定向的底部钻具组合及其异同？
答：不同点有：有线随钻定向钻具组合有测井电缆、测井绞车及通缆水龙头，无线随钻则不采用测井电缆、测井绞车及通缆水龙头。

相同点有：二者钻具组合中都含有钻杆、无磁钻铤、定向接头、溢流阀、井底马达、弯接头或弯外管、造斜钻头等。

3.推导公式
()()
()⎪⎭
⎪
⎬⎫⎪⎩⎪⎨
⎧⋅+⋅++⋅-⋅=x x y y z y x z x y y x g H g H g g g H g H g H g 2
2arctan φ。

图7 井斜方位角
推导如下:
方位角是在水平面内从北极按顺时针旋转到Z 轴的夹角。

为计算井斜方位角，必须将磁通门和加速度计的读数分解到两个轴上，如图，轴 V1是井眼方向在水平面内的投影。

轴V2与轴V1垂直，方位角φ可由下式求得：
2
1
V tg V φ=
将H x 、H y 、H z 投影到V 1和V 2轴上，可得： V 1=H z sin α+H y cos ϕcos α+H z sin ϕcos α V 2=H x cos ϕ-H y sin ϕ 而：g g g y
x 2
2sin +=
α
g
g z =α
c o s
22s i n y
x x g g g +=
φ
22
c o s y
x
y g
g g +=φ
联立上述方程，可得：
()()
()⎪⎭
⎪
⎬⎫⎪⎩⎪⎨
⎧⋅+⋅++⋅-⋅=x x y y z y x z x y y x g H g H g g g H g H g H g 2
2arctan φ。