水平井测量技术

73水平井测量技术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(如转盘钻进中的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)74┌─Φ35mm外径测斜仪(常规)┌─罗盘单点照相测斜仪─┤│└─Φ25mm外径测斜仪(高温)┌─罗盘类─┤││┌─Φ35mm外径测斜仪(常规)│└─罗盘多点照相测斜仪─┤测│└─Φ25mm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│┌─Φ60mm外径多点陀螺测斜仪│┌─照相陀螺测斜仪───┼─Φ35mm外径单点陀螺测斜仪││└─Φ35mm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。Φ35mm外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于125℃的井眼。而Φ25mm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。75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10~15米。有线随钻测斜仪是通过铠装电缆向地面传送井下测量数据,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。国内油田应用的有线随钻测斜仪有美国SPERRY-SUN公司生产的SST和MS3有线随钻测斜仪,EASTMAN公司生产的DOT有线随钻测斜仪,以及DETA公司和SCHLUMBERGER公司生产的有线随钻测斜仪。近年来,国内航天部门生产的DST-2型有线随钻测斜仪等。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,以下主要介绍SST和MS3随钻测斜仪的组成与性能。一.SST有线随钻测斜仪1.SST有线随钻测斜仪简介SST随钻测量仪器是美国SPERRY-SUN公司八十年代初生产的一代有线随钻测斜仪。整个仪器系统由A-1地面计算机、(10000,900和700系列)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具组成。原理框图如下:┌───────┐┌───────┐│TI703││││热敏打印机││司钻阅读器│││││└───┬───┘└───┬───┘串│8芯数据线│行│┌─────────┘接││单芯电缆口││┌─────────┐┌──┴──┴─┴──┐┌┴┐│││││A-1││下││地面计算机││井││││探│└──┬───────┘│管│电││总│源││成│线│110V│││交流└─┘76(图片:SST有线随钻测斜仪的地面仪器和电缆滚筒车内部结构)(图片:循环头与辅助工具)(图片:侧入接头与辅助工具)(图片:下入随钻测斜仪的钻具组合简图)SST有线随钻测斜仪的地面仪器是由A-1地面计算机、TI热敏打印机和司钻阅读器三部分组成,SST随钻测量系统具有磁性参数的分析与修正功能,它可以消除来自井下钻具和地层的磁性干扰;通过分析来自井下探管的地磁和重力分量数据,可以及时判断测量数据的误差原因以及确定测量的精度。测量过程中,井下探管还向A-1计算机传输除测量参数外的仪器工作环境与工作状态数据,这些数据包括:探管的环境温度、工作电压、地磁参数等。该测量仪器系统具有磁扫描功能,运行磁扫描子程序可以检查无磁钻铤、无磁扶正器、仪器外筒等无磁材料的磁化情况。可以在井温125℃以内,随钻测取所有定向钻进参数;SST随钻测斜仪可以采用两种方式下入仪器。一是采用循环头方式,二是采用侧入接头方式。二.MS3有线随钻测斜仪电子多点测斜仪电子单多点测斜仪在国内简称作电子多点测斜仪,是在有线随钻测斜仪的基础上发展起来的一种电磁类测斜仪器,它采用了有线随钻测斜仪探管的磁通门和重力加速度计测量元件以大地磁场和重力场作为测量的媒介,将微处理器芯片和记忆元件装入探管。在探管内将测量的原始分量数据处理成井斜角、方位角和工具面等数据,并记录和储存,当探管起出地面时,通过终端打印机或计算机输出。电子多点测斜仪是磁罗盘单多点测斜仪换代产品,由于在探管中采用了微处理技术,使这类仪器的操作和数据处理更简捷、可靠、精度更高、使用范围更广泛。目前国内外电子单多点测斜仪有多种型号,其中最多见的是美国SPERRY-SUN公司的ESI和ESS电子多点测斜仪,以及EASTMANCHRISTENSEN公司的EWS电子多点测斜仪,而ESS电子多点测斜仪在国内应用最广泛。一.ESS电子多点测斜仪简介ESS电子多点测斜仪器主要由6部分组成,即地面计算机及操作软件、下井探管和外筒总成、TI热敏终端打印机、点阵打印机、中间接口器和辅助工具组成。77连接方式(1).使用中间接口器与地面计算机、TI热敏终端和点阵打印机连接:┌───────┐┌───────┐│││TI703││点阵打印机││热敏打印机│││││└───┬───┘└───┬───┘│25线并口│25线串口│┌───┴───┐25芯┌───┴─┐4芯┌─┐││接口线│中间│数据线│下││地面计算机├────┤接口器├───┤││││││井│└───┬───┘└──┬──┘│││电│电│探││源│源│││线│线│管│││└─┘110/220V110/220V交流交流(2).ESS探管直接与地面计算机连接:┌───────┐│││点阵打印机│││└───┬───┘│25线并口│┌───┴───┐┌─┐││4芯数据线│下││地面计算机├─────┤││││井│└───┬───┘│││电│探││源│││线│管││└─┘110/220V78(3).ESS探管直接与TI热敏终端连接:┌───────┐┌─┐│TI703│25×4芯数据线│下││热敏打印机├────────┤││││井│└───┬───┘│││电│探││源│││线│管││└─┘110VMWD无线随钻测斜仪MWD无线随钻测斜仪是在有线随钻测斜仪的基础上发展起来的一种新型的随钻测量仪器。典型的MWD随钻测斜仪主要有五大部分组成:(图片:SPERRY-SUNDWD随钻测斜仪的组成)①.地面计算机及外部设备(包括终端、打印机、记录仪和供电电源等)②.数据检测设备(泥浆压力传感器、泵冲传感器等)③.司钻阅读器④.测量探管总成⑤.泥浆脉冲发生器和涡轮发电机总成三.SPERRY-SUN公司定向DWD无线随钻测斜仪1.DWD无线随钻测量仪器系统简介美国SPERRY-SUN公司生产的定向MWD随钻测量仪器(简称DWD)采用正脉冲泥浆压力传输系统,井下仪器由一套涡轮发电机供电,地面上采用泥浆压力传感器检测来自井下仪器的泥浆脉冲信息,并传输到MPSR计算机进行处理,井下仪器所测量的井斜角、方位角和工具面数据可以显示在MPSR计算机或DDU司钻阅读器上,也可由TI终端或EPSONLX-810打印机上打印出来。DWD随钻测量仪器是由MPSR计算机、TI终端和EPSONLX-810打印机、长条记录仪、防爆箱、DDU司钻阅读器、MEP探管和下井外筒总成、泥浆脉冲发生器和涡轮发电机总成、无磁短节及泥浆压力传感器、泵冲传感器和辅助工具、设备组成。它的技术性能先进、工作可靠、特别适用于大斜度井和水平井中配合导向动力钻具组成导向钻井系统,以及用于海洋石油钻井,提高井眼轨迹的控制精度、提高钻井的速度和效益。该仪器有如下特点:(1)、采用正脉冲泥浆压力传输系统进行数据传输,使得整个井下仪器结构紧凑、体积小,现场检测、组装和拆卸容易,占用钻机作业时间短。而且不象负脉冲泥浆压力传输系统需要专门的无磁钻铤。采用涡轮发电机为井下仪器供电,使井下仪器的连续工作时间长、费用低。(2)、该随钻测量系统具有短测量(SHORTSURVEY)和全测量(FULLSURVEY)功能,短测量方式的数据传输速度快,工具面数据修正时间仅为9.3秒钟。全测量方式可以将MEP探管测量的磁性和重力分量数据传输到MPSR计算机,用于进行磁性参数的分析,以消除来自井下钻具对仪器磁干扰的修正,适用于大斜度定向井和水平井测79量,及时判断测量数据的误差原因以及确定测量的精度。(3)、地面数据处理系统采用的MPSR计算机抗震和抗干扰能力强。测量过程中,操作人员可以通过MPSR计算机的数据显示和TI终端的数据打印,了解仪器的工作情况。司钻通过DDU司钻阅读器的显示,掌握井下钻具的工作状态,指导定向钻进。测量过程中,测量数据可以随时存盘、修改和调用。测量结束,EPSONLX-810打印机可以打印出一份或多份经过MPSR计算机数据处理的随钻测量报表。(4)、除测量参数外,MEP探管还向MPSR计算机传输仪器工作环境与工作状态数据,这些数据包括:井下仪器的环境温度、发电机转速、数据的传输速率等。(5)、下井仪器系统