定向井基础

一．井口操作我们经常碰见的井大都是定向井，就算有直井，也会打偏而定向纠偏。那么在打一口定向井，或者水平井时，对直井段的要特别注意，必须要加以控制。参看资料1中对3000米内，地层倾角大于30度的井有水平位移的要求，一般可以通过单点测斜来获得当前井斜，方位的数据。在起钻前把多点从钻柱内投到靠进钻头处，然后在起钻过程中利用每起一个立柱静止卸口的时间进行测量和记录。也就是说每上提一柱，司钻在本子上记录当前时间。起钻完后将一起把记录本和仪器送到定向服务中心做数据分析来了解当前井的轨迹，如果需要提前下入定向仪器纠偏，会打电话联络什么时候上定向的仪器和人员。井下定向法是先用正常下钻法将造斜工具下到井底，然后从钻柱内下入仪器测量工具面在井下的实际方位；如果实际方位与预定方位不符，亦可在地面上通过转盘将工具面扭到预定的定向方位上。在定向组合钻具入井时，我们经常看见定向工程师在井口量角差。这个角差是有螺杆上的高边方向线和定向接头上的定向键组成。上图中的红圈里的线就是螺杆的高边线，它是弯螺在井下定向时所钻进的方向。上图为定向仪器乘载的定向接头的结构图。上图的上面的钻具为螺杆，下图将定向接头的定向键和高边方向线平移到同一个平面来计算角差。从高边顺时针旋转到顶直接头键的位置，用直尺量是多少，在量出一圈的周长，则可以算出角差是多少度，在司钻显示器和轨迹控制软件上所显示的出的工具面是已经把角差带入后计算好的。上图是司钻读出器，读出当前的井段数据。图中象雷达一样的就是工具面，详细作用可以参考资料2，书中有详细的叙述。那么这个雷达一样的工具面有什么作用呢？把它用360度来划分，那么当红线指零度时是增斜，指180度时是降斜，90度时是增方位，270度是降方位。在特殊井轨道设计这个软件中，这四个度指起着非常重要的作用，我们在下面一节的内容里会介绍它是如何重要的。某时刻，我们测的工具面如上图所示的位置，我们这时候需要全力增井斜，应该怎么办？所给的钻进参数是120KN，根据经验10KN=10度，当我们加了120KN钻压时，红线是否能摆到0度的位置上呢？不一定，我们要考虑反扭角。动力钻具在工作中，液流作用于转子并产生扭矩，传给钻头去破碎岩石。液体同时也作用于定子，使定子受到一反扭矩。此反扭矩将有使钻柱旋转的趋势，但由于钻柱在井口处是被锁住的，所以只能扭转一定的角度，此角称为反扭角。现场中，我们在转盘做一道记号，调整工具面，在加压使红线到0度位置。另外一种方法是，接完单根，定向工程师不做要求，让司钻加压到120KN直接打，看工具面前后的变化，知道120KN下反扭角有多少(在工具面稳定的状况下，这几分钟的忙打不会有多少进尺，也不会影响到定向作业)。然后准确的调整工具面。二．软件操作先来介绍下，一般下井的定向仪器的结构与功能。仪器是将传感器测得的井下参数按照一定的方式进行编码，产生脉冲信号，该脉冲信号控制伺服阀阀头的运动，利用循环的泥浆使主阀阀头产生同步的运动，这样就控制了主阀阀头与下面的限流环之间的泥浆流通面积。在主阀阀头提起状态下，钻柱内的泥浆可以较顺利地从限流环通过；在主阀阀头压下状态时，泥浆流通面积减小，从而在钻柱内产生了一个正的泥浆压力脉冲。定向探管产生的脉冲信号控制着主阀阀头提起或压下状态的时间，从而控制了脉冲的宽度和间隔。主阀阀头与限流环之间的泥浆流通面积决定着信号的强弱，我们可以通过选择主阀阀头的外径和限流环的内径尺寸来控制信号强弱，使之适用于不同井眼、不同排量、不同井深的工作环境。实际上，整个过程涉及到如何在井下获得参数以及如何将这些数据输送到地面，这两个功能分别由探管和泥浆脉冲发生器完成。定向探管这种测斜仪是利用当地已知的重力场和地磁场做为基准定义方向参数的，并利用定向探管坐标系与基准的相互关系计算出方向参数，因此需要建立探管测量头坐标系是很自然的。X、Y、Z、O直角坐标系的XOZ平面与T形槽定位面平行，而Z轴平行于测量头轴向。三个加速度计Gx、Gy、Gz和三个磁通门Bx、By、Bz的敏感轴分别平行于OX、OY、OZ。因此，前者可以感受重力场的重力加速度在三个方向上的分量，后者感受地磁场在三个方向上的分量。当这些传感器感受输入量时，与其伺服电路一起将输入量变换成与之对应的输出电压。温度敏感头及其电路，将温度变换成输出电压（VT）。这7个输出电压和一个基准电压（VR）及电源电压（VD）共9个电压经多路开关依次输入到V/T变换器，经8次采样平均之后形成一组输出脉冲串（P8），这一脉冲串和同步脉冲（PS）在电压时间变换器内部通过与门形成P0，并输入到CPU处理单元，CPU把这一脉冲串的各脉冲间隔变成数字量，并可以解算出工具面、井斜、方位等参数的值。CPU进一步将这些参数进行编码，形成脉冲串，驱动后续电路工作。伽马探管伽马探管是综合测量地壳岩层自然放射性强度的仪器。由于地壳岩层中存在自然放射性核素（主要是铀（U238）、钍（TH232）、钾（K40）），在自然衰变时放射出γ射线，测井时用γ射线探测器沿井眼实时进行地壳岩层的测量，得到地层剖面的自然伽马记录。根据地球化学和地球物理学知识可知，地壳岩层的岩性（如：岩层的种类、生成方式、沉积环境、形成年代等）与其自然放射性γ射线强度有着一定的联系，结合其它测井方法的测量结果即可有效的推测生油岩层，这也是自然伽马测井应用的主要目的。无线伽马与有线伽马测井相比，除有效的完成自然伽马测井记录外，还具有众多突出优点，首先，无线伽马测井记录具有更高的可信度，因为在地层被钻开很短的时间内即进行测量，地层暴露时间较短，受泥浆冲洗较少，记录更真实可靠；其次是测量数据对钻井施工具有较好的指导作用，可以优选钻井参数，提高钻井功效，降低钻井成本；再有，可以有效回避风险，降低钻井事故的发生率；还有，在水平钻井作业中，可以根据测量数据有效的调整钻井方位，使井眼有效的穿越储集层，提高矿藏的采收率和经济效率；另外，还可以有效的在钻井事故发生时获得第一手有效的测井数据，避免宝贵数据的丢失。泥浆发生器泥浆脉冲随钻测斜仪是通过电磁机构控制阀门头与限流环之间的流通面积，进而引起在钻杆内流动的泥浆压力产生变化，达到传输信号的目的。由电磁机构直接带动阀门头需要相当大的功率，在井下实现是不现实的，在设计中，采用了利用流动的泥浆由伺服阀阀头带动主阀阀头的方式。如下图所示，没有信号时，伺服阀阀头处于压下状态，在无磁钻铤内高速流动的泥浆在限流环处产生反向的压力，使主阀阀头提起，弹簧被压缩，主阀阀头与限流环之间的流通面积较大，泥浆可以快速通过，钻杆内泥浆的压力较小。当有信号时，如图4所示，伺服阀阀头被提起，泥浆可以从伺服阀阀头处流入，仪器内外的压力平衡，原来被压紧的弹簧将释放，主阀阀头与限流环之间的流通面积减小，钻杆内泥浆的压力将升高，信号被传输出去。远程数据处理操作远程数据处理器（司显）具有显示随钻测量数据、脉冲波形、简短文字消息和为立管压力传感器提供电气接口的功能。通过该设备，操作者可以将立管压力信号传送到井台下的专用数据处理仪，并实时获取地面解码数据。对于屏幕上显示的内容，用户既可以通过键盘在井台上调整，也可以通过通信联系在计算机软件上做远程调整。1．度盘/消息区该区域用于显示定向度盘或来自于计算机的短消息（用1键切换）。作为度盘显示时，用户可以指定其显示的内容（即从井斜、方位、工具面中选择一个作为度盘指针所指示的数据）。度盘上显示的指针共有五段，从内圈到外圈依次代表从最新到最旧五个不同时间的解码数据；每一段的指针是等腰三角形（空心三角形指针代表重力工具面，否则为磁性工具面），其顶角所指即是其代表的角度。作为短消息显示时，该区域的左上方显示消息的序号（最多16条，用↑，↓键可翻阅），其余部分显示消息内容；若文字较长，会自动折行显示；若在新消息到来之前已经设置了自动显示消息（用3键切换），则新消息在收到后会自动出现在屏幕上，否则需要用户手动显示消息（即通过切换度盘/消息或前后翻阅来显示新收到的消息）。2．数据区该区域位于屏幕的右上方，主要用于显示各种数据的数值。在该区域最上方显示当前工作状况：工作/空闲（当远程数据处理仪连接到系统中，并且计算机一侧正在处于解码工作状态时，显示为工作，否则为空闲），以及当前的日期/时间（该时间在计算机与远程数据处理仪建立通信联系时自动校准，也可由用户在计算机软件中的“司显设置”窗口中校准，校准用的时间基准取自计算机时钟）。接下来的部分用较大字体显示主要的测量数据（井斜、方位、工具面、立管压力等），用较小的字体显示相对次要的测量数据（定向传感器采样值、电压、温度等）。数据显示格式为数据名称+数据值。数据值均来自于计算机的解码输出，并且与计算机同时更新。在井斜、方位、工具面三个数据前，由一个“?0?9”状的标志来指出当前度盘指针所指示的数据内容（即度盘指示的是井斜、方位，还是工具面）；在度盘显示方式下，通过“↑，↓”键可以移动该标志的位置，从而选择度盘显示内容。最新解码的数据其数据名称会高亮（即反白）显示；磁性工具面的数据值会高亮（即反白）显示。3．波形区波形区位于屏幕的下方，用于描绘当前立管压力的波形。波形显示的横坐标轴为时间，纵坐标轴为压力（以千帕为单位），随计算机一侧同步调节。4．状态区该区域位于屏幕的最下方，用于显示一些提示信息。是否自动显示消息的状态即显示在该区域的最右侧，反复按3键，即可看到该状态显示在变化。浅层测试仪器装入套管后，即可开泵进行浅层测试。观察脉冲信号的波形，并可继续测出一组数据，以判断仪器是否工作正常。若出现异常需要取出仪器进行检查、采取相应措施，必要时也可以更换有关部件。软件的主窗口被分成了多个区域，用于显示不同种类的数据，它们分别是：立管压力值显示区、度盘显示区、数据显示区及波形显示区，下面分别加以介绍。立管压力值显示区以柱状图和数值方式显示立管压力值，单位为MPa。柱状图上又分成了三个区：蓝色的欠压区，绿色的正常区和红色的过压区。当压力值处于某个区域之内时，用于表示压力值的柱状图会以该区的颜色显示。这些区的分界点是随压力传感器标定数据一同保存的，可以在压力传感器标定窗口中修改。波形图显示区以波形的形式显示立管压力的变化。另外用一条绿色虚线显示当前设定的脉冲检测门限值。度盘显示区度盘中显示的内容包括：当前井斜、方位、工具面的数值和图示，度盘的最外圈表示的是井斜，次外圈是方位，内部的五圈表示的是工具面，从内到外分别显示着五段不同时刻的工具面值，最内圈的是最新值。磁性工具面和重力工具面以不同颜色区分，重力工具面以纯灰色显示，磁性工具面以蓝灰色显示。随度盘一同用大字体显示的数值都是最新的值，除数据本身外还显示该数据的到达时刻，供现场人员判断数据的新旧程度和有效性。数据显示区该区域位于窗口最右侧。仪器数据列表中以数值方式显示来自探管的测量数据，包括采样测试时以有线方式读出的和下井工作时通过脉冲解码得到的数据。解码得到的数据显示方式与有线方式读出的数据略有不同，除了基本的数据名称和解码值以外，还会同时从左到右依次显示传输精度（由编码信息量限制造成的最大误差），不确定性（以百分比表示，此值越小越好，达到或超过50%意味着数据可能是无效的），校验结果（对或错，只有在选用了校验的数据后面才有显示）和脉冲错误（多脉冲或丢脉冲）。在显示过程中，软件还会判断数据的有效性，如果发现可疑数据，会以红色显示，以提示操作人员，此数据可能是无效的。表中的数据依新旧次序自下向上排列，最多可以容纳22个数据。数据量超过22个之后，旧的数据向上滚动，新数据追加在最下面一行。工具面的性质（磁／重）以文字形式标注于数据之后，如上图所示。数据校正对于工具面测量，由于安装上的原因，会出现“IMO－探管内部安装偏差”和“DAO－钻具组合偏差”两个角度偏差。软件中使用如下方式对这两项偏差进行补偿：补偿工具面=测量工具面－（IMO+DAO）对于方位测量，由于仪器测量的是磁方位，而磁北与地理北之间存在磁偏角，因此需要用户给出当地当年的磁偏角才能换算到地理北。软件中使用的是东磁偏角(即以东为正方向得到的磁偏角。例如：若某地磁北在地理北以东5°，