定向井轨迹测量及方位控制实验(共7页)

1、中国石油大学采油工程实验报告实验日期：2014.11.12 成绩： 班级： 石工110 学号： 11021 姓名： 教师： 战永平 同组者： 定向井轨迹(guj)测量及方位控制实验(shyn)目的（1）直观(zhgun)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，磁工具角）。（2）了解常用电磁测斜仪的基本构造和测量原理，直观认识磁干扰现象。（3）定向及扭方位操作演示（或井眼轨迹测量操作演示）。实验仪器电子单多点测斜仪（探管）1套：YSS-32电子单多点测斜仪测斜仪校准台1台定向及测斜杆件1套（定向杆，抗压筒，加重杆各1个）定向接头计算机1台：预先安装与测斜仪配套的操

2、作软件图1 实验仪器演示实验原理以北京海蓝科技公司的YSS-32电子单多点测斜仪（以下简称测斜仪）为例简单介绍常用的电磁测斜仪构造及测量原理。YSS系列电子单多点测斜仪是类似于国外ESS的测斜仪器，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。该测斜仪的技术参数如下：测量精度见表1；工作温度范围(fnwi)：+6105；预热(y r)时间：30min；表1 YSS-32电子(dinz)单多点测斜仪精度 型号项目YSS系列井斜INC0.2方位AZ2.0工具面TF1（井斜10，重力高边）2.0工具面TF2（井斜10，磁力高边）2.03.1 测斜仪的构造测斜仪主要由探管、接口

3、电源箱、计算机、打印机、连接电缆等组成（见图2）。另外，抗压筒、引鞋组件、加长杆等机械部件也是测斜仪井下不可缺少的重要组件之一。探管是测斜仪的核心部件，由测量头、电子柱和电池筒组成。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。测斜仪无论处于哪种状态，都可以通过各种传感器的测量值计算出井眼参数。图2 YSS-32电子单多点测斜仪加速度计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。磁悬浮加速度

4、计由敏感头和伺服电路组成，见图3。敏感头的结构是在灌满磁性液的圆柱体内放置圆柱头永久磁铁（磁钢），在圆柱体的外部绕有2个绕组，圆柱体的两端用端盖密封。磁钢的两端吸附一些磁性液体中的磁性小颗粒，在磁钢两端形成的支撑，把磁钢悬浮起来，使磁钢在圆柱体内作轴向自由移动，且摩擦力很小，起到提高灵敏度和保证阻尼参数作用。当圆柱体轴向（称之为加速度计的输入轴）输入加速度时，磁钢受惯性力的作用偏离零位。磁钢的偏移引起2个绕组的电感值变化（一侧变大，另一侧变小），导致磁激电压在两绕组的分布发生差异，即其压降不相同，这一差异就是由2个绕组和磁钢构成的位移传感器上的输出电压。该电压经伺服电路的前置放大、相敏解调、积

5、分功放后，通过采样电阻将反馈电流加到量绕组的中点上，流过绕组的电流在圆柱体内产生电磁场，这一磁场作用于磁钢上，产生反向推力。所产生的推力大小刚好与作用于磁钢上的惯性力相平衡，完成了输入加速度转换成电流的功能，在采样电阻上可获得电压。这一电压在一定的条件下，就正比于输入加速度，即： U0=RsKFma （1）式中，U0输出(shch)电压；Rs采样(ci yn)电阻；KF力发生器传递(chund)系数；m摆质量；a输入加速度。设计时保证KF和m不变，改变Rs阻值来改变加速度计的比例系数。磁通门磁通门又称磁通计，是将输入磁通转换成与之对应电压的传感器。如图4所示，磁通门由一对带骨架的绕组和外壳所组

6、成。在骨架内孔放置导磁率高、饱和磁感应强度小、磁滞回线窄的磁性材料磁芯。完全相同的一对磁组合件平行地装入不导磁的外壳内，用密封材料密封。两个绕组的始端分别接在两个引线端子上，两个末端接在第三个引线端子上。通过两个始端加入交流激磁电压，使磁芯内的磁通变化相同，其正负脉冲幅度相同。当外磁场不为零时，一对磁芯中的磁通量均增大，由于激磁电压是反接的，因此一个磁芯加深饱和状态，另一个磁芯退出饱和区，由此所产生的正负脉冲的幅度是不相同的，其差异随外磁场的增大而变大。脉冲经前置放大、解调、积分功放后通过采样电阻加到两绕组的末端上，所流过的电流产生磁场，其大小几乎等于外磁场，但方向相反，电流的大小和方向取决于

7、外界磁场。从采样电阻可获得与外界磁场磁感应强度成正比的电压输出，即 U0=Rt+RLKBB （2）式中，U0磁通门输出电压；Rt采样电阻；RL绕组电阻；KB磁发生器传递系数；B输入磁感应强度。磁通门磁组合件和伺服电路一起测量出磁芯方向（输入轴）上的磁感应强度。灵敏度高的磁通门可敏感0.005T左右，我国地磁一般为60T左右。3.2测量数据处理 3个加速度计和3个磁通门的输入轴分别平行于台体直角坐标系。设3个加速度计上的重力场分别分量为gx，gy，gz；3个磁通门上的分量分别为Hx，Hy，Hz。井斜角如图5所示。在垂直面内的直三角形中，井斜角(xi jio)是从垂直线到Z轴（加速度计轴）的夹角(

8、ji jio)，井斜角可由下式求出： =arctangx2+gy2gz （3）工具(gngj)面角工具面角分重力工具面和磁性工具面。重力工具面角GTF是沿井眼向下看时，由重力矢量所确定的高边和y轴（加速度计轴，工具面基准）之间的夹角。如图6，重力工具面角GTF可由下式求得：重力工具面角：GTF=arctangxgy （4）磁工具面角MTF是磁北极与y轴的夹角。当井斜角小于一定值时，重力工具面角无法准确测出，即使测出也极不准确，此时采用磁工具面角，即tan=V2方向分量值V1方向分量值 =arctangHxgy-HygxHzgx2+gy2+gzHygy+Hxgx （6）图7 井斜方位角有井斜方位

9、角计算公式可以看出：井斜、重力高边工具面角与加速度计输出有关；磁方位、地磁倾角等参数涉及到6个传感器的输出。校准测斜仪时，若井斜、工具面角超差，应注意检查、校准校准加速度计的有关部位。在校准精度时，首先校好加速度计，再校其他的才是合理的。操作演示内容与实验目的相对应，操作演示实验内容有以下4个方面。4.1认识井眼轨迹参数(cnsh)及造斜工具姿态参数 （1）井斜角(xi jio)：在井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的方向为井眼方向线。井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。（2）井斜方位角：某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为(chn wi)井眼方位线，或井斜方位

10、线；以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度，即井斜方位角，简称方位角。（3）装置角（重力工具面角，GTF）：以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线上所转过的角度，称为造斜工具的装置角。（4）装置方位角（磁工具面角，MTF）：装置角与井斜方位角之和。4.2认识磁干扰现象 将金属物件，比如钥匙、磁铁、铁棒等物体接近探管接头，然后看计算机上相关数据的变化，可以直观感受磁干扰现象。4.3定向及扭方位操作演示定向（或扭方位）方法主要有以下三种方法：单点定向法、有线随钻定向法、无线随钻定向法。定向（或扭方位）就是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

11、（扭方位）的过程，钻井现场通常称之为摆工具面。单点定向方法具体流程a下入造斜点钻具至造斜点位置。b单点测斜，测量造斜位置的井斜角、方位角和工具面。c在测斜的同时，对井口钻杆，方钻杆，地面钻杆进行打印，并把井口钻杆的印痕投到转盘的外缘上，作为基准点。d调整安置角（设计方位角+反扭角），锁住转盘，开泵钻进。e定向钻进，每钻进1-2根进行单点测斜，根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭角，并调整造斜工具的安置角。f定向造斜至井斜角8左右、方位合适，起钻更换转盘增斜钻进。图8井斜角(xi jio)3时按钮方位对待。定向角2=装置角+反扭角+动力钻具角差-高边工具面（GTF）测斜结束之后、扭方位钻进之前，

12、如果将钻杆顺时针旋转至某个角度（定向角），此时的装置方位线就旋转至设定的装置方位线上。b井斜角5以后要求使用重力高边工具面（GTF）。随钻定向方法图10 随钻定向（或扭方位）示意图井斜角3时：按钮方位角对待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(zhungzh)角注意(zh y)：随钻定向(dn xin)或扭方位时，动力钻具角差和方位修正角（磁偏角）要在工作前确认准确无误后输入计算机。思考与讨论扭方位有哪几种模式，各种模式有什么特点？磁干扰的来源有哪些？如何排除磁干扰？扭方位的具体操作流程是怎么样的？实验总