《第6章 定向井、水平井测量技术-讲义.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章 定向井、水平井测量技术-讲义.doc（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章 定向井、水平井测量技术第一节 定向井、水平井测量技术概述一、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、媒介和基准从物理意义上讲，测量井下钻具的工具面角为井下钻具定向，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。（媒介测量基准测量元件测量参数）（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
2、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，不以地球上任何一点为基准。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
3、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。（三）测量仪器技术发展情况定向井、水平
4、井测量技术随着石油钻井技术的发展而逐步地提高，测量仪器技术与新材料、新工艺以及微电子等高科技密切相关。随着科学技术的发展，定向井、水平井测量仪器也向着小型化、多功能、智能化方向发展，以满足钻井技术对提高生产时效、提高测量精度的要求。国外定向井、水平井测量仪器的发展趋势大致有如下4 个方面:1、提高仪器的可靠性能钻井工具在井下的工作环境极其恶劣。即承受着高温、高压、振动、冲击等因素的影响，同样测量仪器也经受这种工作条件的挑战和考验。提高仪器在这种环境下的工作寿命，提高可靠性， 不仅是提高仪器的使用效率，更重要的是尽可能减少仪器占用的钻机作业时间。国外通常将仪器的无故障工作时间，即 MTBF 作为
5、仪器可靠性的考核标准，许多公司将下井仪器的无故障工作时间定为 200 个小时。随着工艺技术的发展，测量仪器的可靠性标准在逐渐提高，例如 SERRY-SUN 公司的 DMD 随钻测斜仪的无故障工作时间已达到 600 个小时，加拿大POSITEC公司的POSIPROBE无线随钻测斜仪的无故障工作时间已达到 800个小时，英国 GEOLINK公司推出了免维护的ORIENTEER 无线随钻测斜仪系统。2、测量仪器的小型化和低能耗从科学意义上讲，仪器设备的小型化有助于降低成本、降低能耗、提高可靠性。随着新材料、新工艺和微电子技术的应用， 测量仪器逐渐向小型化、集成化方向发展。例如：电磁类仪器的测量传感器
6、采用整体结构的传感器组，使其装配精度和测量精度提高了一个等级。采用二次集成电路使原来采用分立元器件的下井探管不仅使体积缩小，而且仪器整体的可靠性大大提高。耐高温的微机芯片和大容量的记忆模块应用在下井探管中，替代了照相式的机械结构和胶片，无论是测量数据的容量、精度、数据处理的速度以及仪器的可靠性、耗电量都是照相式的机械结构无法比拟的。降低测量仪器的能耗，采用新型的电子元器件和电路设计，研制新型电源也是仪器专家们研究的一个重要课题。高能锂电池的应用，可以替代 MWD 仪器的发电机组，大大简化了下井仪器的结构，从而使下井仪器由专用无磁钻铤或无磁短节在地面组装缩小为可以象单多点测斜仪一样投测的结构。3
7、、一机多用、向自动化和智能化的方向发展国外某些仪器制造投入了大量的人力、物力，致力于研究多用途的随钻测量系统，以期望寻求一机多用的途径。SERRY-SUN 公司近年来致力于研究随钻陀螺测斜仪，采用性能优良的陀螺仪代替重力和磁性测量元件，可以在不同的井眼条件下完成随钻和单多点测量。许多公司的 MWD 无线随钻仪器中组合了能够测量自然珈玛等地层评价参数的仪器，有的公司甚至将定向 MWD 仪器和测井 MWD 仪器和二为一，使得该仪器系统在控制井眼轨迹钻进的过程中，通过测井数据来鉴定地层，完钻后可立即得到一整套井眼轨迹和测井资料数据。这种仪器在水平井中应用可以大大提高钻井的速度和效益，由于钻井过程中泥
8、浆对地层的污染程度小，其测井资料更准确。随着微机技术的发展和性能的完善，早期随钻测斜仪使用的专用控制计算机被兼容计算机所代替，不仅降低了仪器的成本，实现了地面仪器的通用性，而且测量数据的处理和传输可以通过计算机网络和卫星来实现。另外，在测量仪器中加入检测和分析功能，使测量数据的分析和处理由人工向自动化和智能化的方向发展。例如: 测量仪器的性能由维修人员手工调试变为计算机软件自动补偿。仪器工作过程中的错误诊断、测量数据的筛选以及陀螺测量过程中，复杂的数据绘图修正和计算也由计算机快速、准确的完成。4、探索井下数据传输的新途径磁罗盘单多点测斜仪的应用是定向井测量技术的一大进步，有线随钻测斜仪能实时地
9、反映井下动力钻具的工作状况和工作效果，无线随钻测斜仪解决了采用电缆传输数据的束缚，其应用范围更广泛。现在应用的 MWD 无线随钻测斜仪也有它的不足之处，例如: 数据传输速度慢，数据传输过程中诸多因素影响数据精度和井下仪器较为复杂等，使得仪器专家们一直在探索和试验井下数据传输的新途径。国内外专家研究较多的电磁波传输方法，而且国外已经有样机在使用。此外，也有人在研究采用超声波等传输方法。二、测量仪器分类和应用范围（一）测量仪器分类35 mm 外径测斜仪 （常规）罗盘单点照相测斜仪 25 mm 外径测斜仪 （高温）罗盘类 35 mm 外径测斜仪 （常规） 罗盘多点照相测斜仪测 25 mm 外径测斜仪
10、 （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 60 mm 外径多点陀螺测斜仪 照相陀螺测斜仪35 mm 外径单点陀螺测斜仪 35 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仪器类型应用范围备注1. 磁罗盘单、多点照相测斜仪普通定向井，无邻井磁干扰的丛式井。35mm 外径：适应温度125井眼；25mm 外径：适应温度182井眼定向测斜与无磁钻铤配合使用2. 有线随钻测斜仪较深的定向井、无邻井磁干扰的丛式井或大斜度井、水平井定向3.
11、无线随钻测斜仪超深定向井、大斜度井、水平井或海洋钻井定向测斜4. 电子多点测斜仪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，或海洋钻井定向测斜5. 照相单、多点陀螺测斜仪已下套管的井眼中测斜，或在丛式井、套管开窗井定向6. 电子陀螺测斜仪已下套管的井眼中测斜丛式井、套管开窗井定向附： 磁罗盘照相测斜仪的结构和工作原理主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘的S极始终指北。（1）井斜角的测量当测斜仪随井眼倾斜时，十字摆锤始终指向重力线方向，重力线与仪器轴线的夹角即为井斜角。由摆锤在井斜刻度盘底片上的位置读取。 （2）井斜方位角的测量摆锤所在铅垂线与仪器轴线（井
12、眼方向线）构成井斜铅垂面，该井斜铅垂面与水平面的交线就是井斜方位线。摆锤在罗盘面上的投影位置所在的放射线与罗盘N极之间的夹角即为井斜方位角。（注意：在井下，罗盘标志方位与实际地理方位相反。）第二节 有线随钻测斜仪有线随钻测斜仪主要用于动力钻具组合中，实现定向钻井的随钻随测，即在钻井过程中，随钻测斜仪能够实时、连续地提供和显示井下钻具工作状态和已钻井眼的井斜角和方位角数据，一般测点的位置距钻头1015 米。有线随钻测斜仪是通过铠装电缆向地面井下测量数据，这是与 MWD 无线随钻测斜仪的主要区别之一。目前国内外有线随钻测斜仪产品有数十种，绝大部分是单芯的铠装电缆传输数据，这类仪器主要由 5 部分组
13、成，即地面计算机、下井探管和外筒总成、司钻阅读器、打印机、电缆操作设备和辅助工具组成。国内应用最多的是美国 SPERRY-SUN 公司生产的 SST 和 MS3 有线随钻测斜仪，MS3 随钻测斜仪是 SST 随钻测斜仪是换代产品。近年来，国内航天部门生产的 DST-2 型有线随钻测斜仪等。以下主要介绍MS3随钻测斜仪的组成与性能。一、MS3 有线随钻测斜仪简介MS3 随钻测量仪器是美国 SPERRY- SUN 公司九十年代初生产的新一代组合式有线随钻测斜仪。整个仪器系统由带有 MS3 中间接口卡的地面计算机、恒流源、MS3 探管和下井外筒总成、司钻阅读器、TI 热敏打印机、电缆操作设备和辅助工
14、具组成。MS3 随钻测斜仪是利用 ESS 电子多点测斜仪的探管技术开发的一种与 SST 有线随钻测斜仪兼容的多功能测量仪器，用它可以进行单、多点测量、定向取芯测量；将探管与一专用的传输接头连接可以组成有线随钻测斜仪器，采用单芯电缆将下井仪器和地面设备连接起来，恒流源作为特殊的电源装置，为井下探管和司钻阅读器提供电源及指令的传输通道；地面计算机可通过 MS3 中间接口卡对地面电源箱的工作进行控制。井下探管测取的井下数据再由单芯电缆传送到地面，由地面计算机进行运算和处理；并在地面计算机上实时显示或在 TI 热敏打印机上打印。原理框图如下: TI 703 PSON LX-80 DDU 热敏打印机 点阵打印机 司钻阅读器 行接口 并行接口 8芯数据线 地面计算机 37芯接口线 单芯点缆 （PC
