水平井测量技术

1、 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

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,

3、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。

4、 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) 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 (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.

5、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。 35 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 25mm 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.

6、 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。 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

7、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,

8、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: TI 703

9、 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 110 V 交流 (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

10、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

11、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 EASTMAN CHRISTENSEN 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

12、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。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: TI 703 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 110/220 V 110/220 V 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

13、电 探 源 线 管 110/220 V (3). ESS 探管直接与 TI 热敏终端连接: TI 703 25×4 芯数据线 下 热敏打印机 井 电 探 源 线 管 110 V MWD 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-SUN DWD 随钻测斜仪的组成) . 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) . 数据检测设备 (泥浆压力传感器、泵冲传感器等) . 司钻阅读器 . 测量探管总成 . 泥浆脉冲发生器和涡轮发电机总成 三. S

14、PERRY- 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 EPSON LX-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 EPSON LX

15、-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

16、、费用低。 (2)、该随钻测量系统具有短测量 (SHORT SURVEY) 和全测量 (FULL SURVEY) 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

17、 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, EPSON LX-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)、下井仪器系统有三个不同的系列, 可以满足不同井眼尺寸和不同泥浆排量的要求。 (6)、地面仪器和井下仪器都具有兼容性, 地面仪器设备可以与三个系列的井下仪器配套使用, 也可与测量地质参数的 FED 随

18、钻测井系统配套使用。井下仪器可以与自然伽玛、电阻率等多种测井仪器连接使用, 以扩大仪器的用途。 2. DWD 仪器系统的技术规范 (1)、无磁短节 类 型 Slimhole 650 系统 650 系统 1200系统 外 径 121 毫米165 毫米203 毫米241 毫米 (4-3/4") (6-1/2") (8") (9-1/2") 长 度 9.449 米 1.829 米 1.829 米 1.829 米 ( 31') ( 72") ( 72") ( 72") 接 头 NC38 4-1/2" IF 6-5/

19、8" REG7-5/8" REG (310×310)(411×410)(631×630)(731×730) (2)、工作条件 . 井下仪器: 泥浆泵 双缸或三缸泵 空气脉冲缓冲器 推荐充气压力为立管压力的 3040% 泥浆排量 Slimhole 系统 9.522.1 l/min 650 系统 14.241.0 l/min 1200 系统 22.175.7 l/min 泥浆类型 水基泥浆 (清水或盐水) 油基泥浆 (原油或矿物油) 泥浆密度 12.17 g/cm(8.318 PPG) 含砂量 小于 2% (最好小于 1%) 塑性粘度 1

20、50 厘泊 最大压力 102 MPa (15000 PSI) 最高工作温度 125 (257°F) 堵漏材料 细、中细的无纤维颗粒 润滑微珠 粒度小于 125 m, 含量小于 2% 钻杆滤清器 必须装在方钻杆下的第一个单根里 . 地面设备: 工作温度范围 -45 55 贮藏温度范围 -45 70 最大相对湿度 95% 无凝固 功率负荷 最小 3.0 kW 电压范围 96132 V 交流、单相 瞬间极限电压 2500 V 交流, 10 微秒 频率 5763 Hz 电流 20 A . 系统精度: 方位角 ±1.5°(井斜角10°, 地磁倾角70°)

21、 井斜角 ±0.2° (在 0180°范围内) 磁性工具面 ±2.8° 高边工具面 ±2.8° 工具面解析度 5.6° 测量数据修正时间 2.5 分 工具面修正时间 14 秒, 传输频率 0.5 Hz 9.3 秒, 传输频率 0.8 Hz 四. 带地质参数和工程参数的无线随钻测斜仪及测井无线随钻测斜仪 1. SCHLUMBERGER 和 TELECO 公司的 MWD 随钻测斜仪都可与带地质参数和工程参数的下井仪器连接使用, 除测量定向参数以外, 还可测量自然伽玛、电磁波电阻率、钻头的钻压、扭矩等地质参数和工程参数。

22、SCHLUMBERGER 公司的 LWD 系统为专用的水平井无线随钻测井仪器。 2. GEARHART 公司的 MWD 随钻测斜仪可与带地质参数和工程参数的下井仪器连接使用, 除测量定向参数以外, 还可测量自然伽玛、电阻率、泥浆压差、涡轮转速等地质参数和工程参数。 3. SPERRY-SUN 公司的 DWD 随钻测斜仪可与带地质参数的下井仪器连接使用, 组成DGWD 仪器, 除测量定向参数以外, 还可测量自然伽玛等地质参数。 SPERRY-SUN 公司的 DWD 随钻测斜仪可与 RLL 、EWR 等多种井下记录的地质参数测量仪器连接使用, 组成 FED 仪器用于定向和地质参数测量。 SPERR

23、Y-SUN 公司的 MPT 负脉冲无线随钻测量仪器可测量定向参数和温度、泥浆压力、钻头振动等工程参数。 SPERRY-SUN 公司的负脉冲 MWD 无线随钻测量仪器可与 ADT 测井系统组合使用,测量定向参数和多项地质、工程参数。 电子类测斜使用的几个问题 一、 对钻具组合的要求电磁类测斜仪器是在钻具组合中与无磁钻铤配合使用。使用MWD仪器与井下动力钻具组合时，应调整仪器工具面刻线与动力钻具的高边刻线一致，而使用磁性单点、电子多点测斜仪或有线随钻测斜仪进行定向测量时，需要在动力钻具组合中与定向弯接头、定向直接头循环套相配合。进行多点测量时，需要在钻具组合中使用测斜挡板。1、 在定向钻具组合中使

24、用定向弯接头、定向直接头和循环套2、 MWD仪器与井下动力钻具组合3、 磁性多点、电子多点测斜仪测斜使用测斜挡板二、 无磁钻铤的选择原则1、 为随钻测斜仪提供无磁的测量空间，减小来自钻具的有磁干扰。2、 满足钻具组合的要求。三、 水平井定向或测量在大斜度井和水平井的施工中，为了提高钻井的速度和经济效益，提高定向或测量的成功率，应选择MWD无线随钻测斜仪或有线随钻测斜仪配合井下动力钻具使用，井身轨迹测量应选用ESS电子多点测斜仪。实践表明，在目前国内仪器和装备的条件下，配合使用有线随钻测斜仪和电子多点测斜仪完成大斜度井、水平井的定向与测量工作是行之有效的方法。水平井测量仪器的发展趋势 定向井、水

25、平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: 一. 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

26、时间, 即 MTBF 作为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。 二. 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采用整体结构的传感