水平井測量技術(shù)

1、 水平井測量技術(shù) 水平井測量的性質(zhì)和特點 一. 鉆井過程中測量的方法、媒介和基準(zhǔn) 石油鉆井過程中的測量屬于工程測量的一種類型。從物理意義上講, 測量井下鉆具的工具面角, 即為井下鉆具定向或測量井眼的軌跡均屬于空間姿態(tài)的測量。由于石油鉆井工程的特殊性使得這一測量過程必須借助專門的工具和儀器, 采取間接測量的方法來完成。 目前, 石油鉆井過程中的測量需要借助三種媒介, 即大地的重力場、大地磁場和天體坐標(biāo)系, 由此產(chǎn)生了與這三種測量媒介有關(guān)的測量儀器。 1. 借助于重力場測量井斜角或高邊工具面, 采用的測量元件為測角器、羅盤重錘或重力加速度計等。這類儀器的測量基準(zhǔn)是測點與地心的連線, 即鉛垂線。 2

2、. 借助于地磁場測量方位角或磁性工具面, 采用的測量元件為羅盤或磁通門等。這類儀器的測量基準(zhǔn)是磁性北極, 所以磁性儀器測量的方位角數(shù)據(jù)必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐拇牌切拚烧姹睒O, 即地理北極的數(shù)據(jù)。 3. 借助于天體坐標(biāo)系測量方位角或磁性工具面, 采用的測量元件為陀螺儀。陀螺儀為慣性測量儀器, 不以地球上任何一點為基準(zhǔn), 這類儀器下井測量之前必須對陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸進行地理北極的方位標(biāo)定。 二. 鉆井過程中測量的特點 1. 鉆井過程中的測量是間接測量, 必須借助專用工具和儀器完成。而且根據(jù)測量儀器的數(shù)據(jù)記錄和傳輸方式的不同, 鉆井測量分為實時測量和事后測量。 2. 測量儀器的尺寸受到井眼和鉆井工具的限制,

3、特別是下井儀器的徑向尺寸必須能夠下入套管和鉆具內(nèi), 而且不會因儀器的下入而影響泥漿的流動或產(chǎn)生過大的泥漿壓降。 3. 下井儀器受到地層和泥漿的高壓, 儀器的保護筒和密封件必須能夠承受這種高壓, 而且還應(yīng)具備一定的安全系數(shù)。 4. 由于地層的溫度隨著井深變化, 下井儀器是在高于地面溫度的環(huán)境里工作, 要求下井儀器具有良好的抗高溫性能, 一般稱耐溫 125 以下的儀器為常溫或常規(guī)儀器,稱耐溫 182 以下的儀器為高溫儀器。 5. 某些儀器在使用過程中要承受沖擊 (如單多點測斜儀的投測)、鉆具轉(zhuǎn)動 (如轉(zhuǎn)盤鉆進中的 MWD 儀器)、鉆頭和鉆具在鉆進過程中的振動 (如 MWD 和有線隨鉆測斜儀) 等。

4、 二. 測量儀器技術(shù)發(fā)展情況 測量儀器分類和應(yīng)用范圍 一. 測量儀器分類 (圖片: 測量儀器分類) 35 mm 外徑測斜儀 (常規(guī)) 羅盤單點照相測斜儀 25 mm 外徑測斜儀 (高溫) 羅盤類 35 mm 外徑測斜儀 (常規(guī)) 羅盤多點照相測斜儀測 25 mm 外徑測斜儀 (高溫) 有線隨鉆測斜儀量 電磁類無線隨鉆測斜儀 (包括: 定向 MWD、帶地質(zhì)參數(shù) MWD)儀 電子多點測斜儀器 60 mm 外徑多點陀螺測斜儀 照相陀螺測斜儀35 mm 外徑單點陀螺測斜儀 35 mm 外徑多點陀螺測斜儀 陀螺類 地面記錄定向陀螺測斜儀 電子陀螺測斜儀框架式電子陀螺測斜儀 速率積分電子陀螺測斜儀 二.

5、測量儀器的應(yīng)用范圍 1. 磁羅盤單、多點照相測斜儀 這類儀器適用于普通定向井和無鄰井磁干擾的叢式井中與無磁鉆鋌配合使用, 為井下鉆具組合定向或測取井身軌跡數(shù)據(jù)。 35 mm 外徑的常規(guī)單、多點照相測斜儀適應(yīng)溫度小于 125 的井眼。而 25mm 外徑的常規(guī)單、多點照相測斜儀適應(yīng)溫度小于 182 的井眼。 2. 有線隨鉆測斜儀 有線隨鉆測斜儀適用于較深的定向井、無鄰井磁干擾的叢式井或大斜度井、水平井中與無磁鉆鋌配合使用, 為井下鉆具組合定向。 3. 無線隨鉆測斜儀 無線隨鉆測斜儀適用于超深定向井、大斜度井、水平井中或海洋鉆井平臺上與無磁鉆鋌配合使用, 為井下鉆具組合定向或測取井身軌跡數(shù)據(jù)。 4.

6、 電子多點測斜儀 電子多點測斜儀適用于精度要求較高的定向井、無鄰井磁干擾的叢式井、大斜度井、水平井中或海洋鉆井平臺上與無磁鉆鋌配合使用, 為井下鉆具組合定向或測取井身軌跡數(shù)據(jù)。 5. 照相單、多點陀螺測斜儀 這類儀器適用于已下探管的井眼中測取井身軌跡數(shù)據(jù), 或在叢式井、套管開窗井中為井下鉆具組合定向。 6. 電子陀螺測斜儀 電子陀螺測斜儀適用于已下探管的井眼中測取較高精度的井身軌跡數(shù)據(jù), 或在叢式井、套管開窗井中為井下鉆具組合定向。 有線隨鉆測斜儀 有線隨鉆測斜儀主要用于動力鉆具組合中, 實現(xiàn)定向鉆井的隨鉆隨測, 即在鉆井過程中, 隨鉆測斜儀能夠?qū)崟r、連續(xù)地提供和顯示井下鉆具工作狀態(tài)和已鉆井眼

7、的井斜角和方位角數(shù)據(jù), 一般測點的位置距鉆頭 1015 米。有線隨鉆測斜儀是通過鎧裝電纜向地面?zhèn)魉途聹y量數(shù)據(jù), 這是與 MWD 無線隨鉆測斜儀的主要區(qū)別之一。 目前國內(nèi)外有線隨鉆測斜儀產(chǎn)品有數(shù)十種, 絕大部分是單芯的鎧裝電纜傳輸數(shù)據(jù),這類儀器主要由 5 部分組成, 即地面計算機、下井探管和外筒總成、司鉆閱讀器、打印機、電纜操作設(shè)備和輔助工具組成。 國內(nèi)油田應(yīng)用的有線隨鉆測斜儀有美國 SPERRY-SUN 公司生產(chǎn)的 SST 和 MS3 有線隨鉆測斜儀, EASTMAN 公司生產(chǎn)的 DOT 有線隨鉆測斜儀, 以及 DETA 公司和 SCHLUMBERGER 公司生產(chǎn)的有線隨鉆測斜儀。近年來,

8、國內(nèi)航天部門生產(chǎn)的 DST-2 型有線隨鉆測斜儀等。國內(nèi)應(yīng)用最多的是美國 SPERRY-SUN 公司生產(chǎn)的 SST 和 MS3 有線隨鉆測斜儀, MS3 隨鉆測斜儀是 SST 隨鉆測斜儀是換代產(chǎn)品, 以下主要介紹 SST 和 MS3隨鉆測斜儀的組成與性能。 一. SST 有線隨鉆測斜儀 1. SST 有線隨鉆測斜儀簡介 SST 隨鉆測量儀器是美國 SPERRY- SUN 公司八十年代初生產(chǎn)的一代有線隨鉆測斜儀。整個儀器系統(tǒng)由 A-1 地面計算機、(10000, 900 和 700 系列) 探管和下井外筒總成、司鉆閱讀器、TI 熱敏打印機、電纜操作設(shè)備和輔助工具組成。原理框圖如下: TI 703

9、 熱敏打印機 司鉆閱讀器 串 8 芯數(shù)據(jù)線 行 接 單芯電纜 口 A-1 下 地 面 計 算 機 井 探 管 電 總 源 成 線 110 V 交流 (圖片: SST 有線隨鉆測斜儀的地面儀器和電纜滾筒車內(nèi)部結(jié)構(gòu)) (圖片: 循環(huán)頭與輔助工具) (圖片: 側(cè)入接頭與輔助工具) (圖片: 下入隨鉆測斜儀的鉆具組合簡圖) SST 有線隨鉆測斜儀的地面儀器是由 A-1 地面計算機、TI 熱敏打印機和司鉆閱讀器三部分組成, SST 隨鉆測量系統(tǒng)具有磁性參數(shù)的分析與修正功能, 它可以消除來自井下鉆具和地層的磁性干擾; 通過分析來自井下探管的地磁和重力分量數(shù)據(jù), 可以及時判斷測量數(shù)據(jù)的誤差原因以及確定測量的

10、精度。 測量過程中, 井下探管還向 A-1 計算機傳輸除測量參數(shù)外的儀器工作環(huán)境與工作狀態(tài)數(shù)據(jù), 這些數(shù)據(jù)包括: 探管的環(huán)境溫度、工作電壓、地磁參數(shù)等。該測量儀器系統(tǒng)具有磁掃描功能, 運行磁掃描子程序可以檢查無磁鉆鋌、無磁扶正器、儀器外筒等無磁材料的磁化情況。 可以在井溫 125 以內(nèi), 隨鉆測取所有定向鉆進參數(shù); SST 隨鉆測斜儀可以采用兩種方式下入儀器。一是采用循環(huán)頭方式, 二是采用側(cè)入接頭方式。 二. MS3 有線隨鉆測斜儀 電子多點測斜儀 電子單多點測斜儀在國內(nèi)簡稱作電子多點測斜儀, 是在有線隨鉆測斜儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種電磁類測斜儀器, 它采用了有線隨鉆測斜儀探管的磁通門和重力加

11、速度計測量元件以大地磁場和重力場作為測量的媒介, 將微處理器芯片和記憶元件裝入探管。在探管內(nèi)將測量的原始分量數(shù)據(jù)處理成井斜角、方位角和工具面等數(shù)據(jù), 并記錄和儲存, 當(dāng)探管起出地面時, 通過終端打印機或計算機輸出。 電子多點測斜儀是磁羅盤單多點測斜儀換代產(chǎn)品, 由于在探管中采用了微處理技術(shù), 使這類儀器的操作和數(shù)據(jù)處理更簡捷、可靠、精度更高、使用范圍更廣泛。目前國內(nèi)外電子單多點測斜儀有多種型號, 其中最多見的是美國 SPERRY-SUN 公司的 ESI和 ESS 電子多點測斜儀, 以及 EASTMAN CHRISTENSEN 公司的 EWS 電子多點測斜儀,而 ESS 電子多點測斜儀在國內(nèi)應(yīng)用

12、最廣泛。 一. ESS 電子多點測斜儀簡介 ESS 電子多點測斜儀器主要由 6 部分組成, 即地面計算機及操作軟件、下井探管和外筒總成、TI 熱敏終端打印機、點陣打印機、中間接口器和輔助工具組成。連接方式 (1). 使用中間接口器與地面計算機、TI 熱敏終端和點陣打印機連接: TI 703 點陣打印機 熱敏打印機 25 線并口 25 線串口 25芯 4 芯 接口線 中間 數(shù)據(jù)線下 地面計算機 接 口 器 井 電 電 探 源 源 線 線 管 110/220 V 110/220 V 交流 交流 (2). ESS 探管直接與地面計算機連接: 點陣打印機 25 線并口 4 芯數(shù)據(jù)線下 地面計算機 井

13、電 探 源 線 管 110/220 V (3). ESS 探管直接與 TI 熱敏終端連接: TI 703 25×4 芯數(shù)據(jù)線 下 熱敏打印機 井 電 探 源 線 管 110 V MWD 無線隨鉆測斜儀 MWD 無線隨鉆測斜儀是在有線隨鉆測斜儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的隨鉆測量儀器。典型的 MWD 隨鉆測斜儀主要有五大部分組成: (圖片: SPERRY-SUN DWD 隨鉆測斜儀的組成) . 地面計算機及外部設(shè)備 (包括終端、打印機、記錄儀和供電電源等) . 數(shù)據(jù)檢測設(shè)備 (泥漿壓力傳感器、泵沖傳感器等) . 司鉆閱讀器 . 測量探管總成 . 泥漿脈沖發(fā)生器和渦輪發(fā)電機總成 三. S

14、PERRY- SUN 公司定向 DWD 無線隨鉆測斜儀 1. DWD 無線隨鉆測量儀器系統(tǒng)簡介 美國 SPERRY- SUN 公司生產(chǎn)的定向 MWD 隨鉆測量儀器 (簡稱 "DWD") 采用正脈沖泥漿壓力傳輸系統(tǒng), 井下儀器由一套渦輪發(fā)電機供電, 地面上采用泥漿壓力傳感器檢測來自井下儀器的泥漿脈沖信息, 并傳輸?shù)?MPSR 計算機進行處理, 井下儀器所測量的井斜角、方位角和工具面數(shù)據(jù)可以顯示在 MPSR 計算機或 DDU 司鉆閱讀器上,也可由 TI 終端或 EPSON LX-810 打印機上打印出來。DWD 隨鉆測量儀器是由 MPSR 計算機、TI 終端和 EPSON LX

15、-810 打印機、長條記錄儀、防爆箱、DDU 司鉆閱讀器、MEP 探管和下井外筒總成、泥漿脈沖發(fā)生器和渦輪發(fā)電機總成、無磁短節(jié)及泥漿壓力傳感器、泵沖傳感器和輔助工具、設(shè)備組成。它的技術(shù)性能先進、工作可靠、特別適用于大斜度井和水平井中配合導(dǎo)向動力鉆具組成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng), 以及用于海洋石油鉆井, 提高井眼軌跡的控制精度、提高鉆井的速度和效益。該儀器有如下特點: (1)、采用正脈沖泥漿壓力傳輸系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸, 使得整個井下儀器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小, 現(xiàn)場檢測、組裝和拆卸容易, 占用鉆機作業(yè)時間短。而且不象負(fù)脈沖泥漿壓力傳輸系統(tǒng)需要專門的無磁鉆鋌。采用渦輪發(fā)電機為井下儀器供電, 使井下儀器的連續(xù)工作時間長

16、、費用低。 (2)、該隨鉆測量系統(tǒng)具有短測量 (SHORT SURVEY) 和全測量 (FULL SURVEY) 功能, 短測量方式的數(shù)據(jù)傳輸速度快, 工具面數(shù)據(jù)修正時間僅為 9.3 秒鐘。全測量方式可以將 MEP 探管測量的磁性和重力分量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?MPSR 計算機, 用于進行磁性參數(shù)的分析, 以消除來自井下鉆具對儀器磁干擾的修正, 適用于大斜度定向井和水平井測量, 及時判斷測量數(shù)據(jù)的誤差原因以及確定測量的精度。 (3)、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用的 MPSR 計算機抗震和抗干擾能力強。測量過程中,操作人員可以通過 MPSR 計算機的數(shù)據(jù)顯示和 TI 終端的數(shù)據(jù)打印, 了解儀器的工作情況。司鉆通過

17、 DDU 司鉆閱讀器的顯示, 掌握井下鉆具的工作狀態(tài), 指導(dǎo)定向鉆進。 測量過程中, 測量數(shù)據(jù)可以隨時存盤、修改和調(diào)用。 測量結(jié)束, EPSON LX-810 打印機可以打印出一份或多份經(jīng)過 MPSR 計算機數(shù)據(jù)處理的隨鉆測量報表。 (4)、除測量參數(shù)外, MEP 探管還向 MPSR 計算機傳輸儀器工作環(huán)境與工作狀態(tài)數(shù)據(jù), 這些數(shù)據(jù)包括: 井下儀器的環(huán)境溫度、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、數(shù)據(jù)的傳輸速率等。 (5)、下井儀器系統(tǒng)有三個不同的系列, 可以滿足不同井眼尺寸和不同泥漿排量的要求。 (6)、地面儀器和井下儀器都具有兼容性, 地面儀器設(shè)備可以與三個系列的井下儀器配套使用, 也可與測量地質(zhì)參數(shù)的 FED 隨

18、鉆測井系統(tǒng)配套使用。井下儀器可以與自然伽瑪、電阻率等多種測井儀器連接使用, 以擴大儀器的用途。 2. DWD 儀器系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范 (1)、無磁短節(jié) 類 型 Slimhole 650 系統(tǒng) 650 系統(tǒng) 1200系統(tǒng) 外 徑 121 毫米165 毫米203 毫米241 毫米 (4-3/4") (6-1/2") (8") (9-1/2") 長 度 9.449 米 1.829 米 1.829 米 1.829 米 ( 31') ( 72") ( 72") ( 72") 接 頭 NC38 4-1/2" IF 6-5/

19、8" REG7-5/8" REG (310×310)(411×410)(631×630)(731×730) (2)、工作條件 . 井下儀器: 泥漿泵 雙缸或三缸泵 空氣脈沖緩沖器 推薦充氣壓力為立管壓力的 3040% 泥漿排量 Slimhole 系統(tǒng) 9.522.1 l/min 650 系統(tǒng) 14.241.0 l/min 1200 系統(tǒng) 22.175.7 l/min 泥漿類型 水基泥漿 (清水或鹽水) 油基泥漿 (原油或礦物油) 泥漿密度 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 最大壓力 102 MPa (15000 PSI) 最高工作溫度 125 (257°F) 堵漏材料 細(xì)、中細(xì)的無纖維顆粒 潤滑微珠 粒度小于 125 m, 含量小于 2% 鉆桿濾清器 必須裝在方鉆桿下的第一個單根里 . 地面設(shè)備: 工作溫度范圍 -45 55 貯藏溫度范圍 -45 70 最大相對濕度 95% 無凝固 功率負(fù)荷 最小 3.0 kW 電壓范圍 96132 V 交流、單相 瞬間極限電壓 2500 V 交流, 10 微秒 頻率 5763 Hz 電流 20 A . 系統(tǒng)精度: 方位角 ±1.5°(井斜角10°, 地磁傾角70°)

21、 井斜角 ±0.2° (在 0180°范圍內(nèi)) 磁性工具面 ±2.8° 高邊工具面 ±2.8° 工具面解析度 5.6° 測量數(shù)據(jù)修正時間 2.5 分 工具面修正時間 14 秒, 傳輸頻率 0.5 Hz 9.3 秒, 傳輸頻率 0.8 Hz 四. 帶地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)的無線隨鉆測斜儀及測井無線隨鉆測斜儀 1. SCHLUMBERGER 和 TELECO 公司的 MWD 隨鉆測斜儀都可與帶地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)的下井儀器連接使用, 除測量定向參數(shù)以外, 還可測量自然伽瑪、電磁波電阻率、鉆頭的鉆壓、扭矩等地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)。

22、SCHLUMBERGER 公司的 LWD 系統(tǒng)為專用的水平井無線隨鉆測井儀器。 2. GEARHART 公司的 MWD 隨鉆測斜儀可與帶地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)的下井儀器連接使用, 除測量定向參數(shù)以外, 還可測量自然伽瑪、電阻率、泥漿壓差、渦輪轉(zhuǎn)速等地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)。 3. SPERRY-SUN 公司的 DWD 隨鉆測斜儀可與帶地質(zhì)參數(shù)的下井儀器連接使用, 組成DGWD 儀器, 除測量定向參數(shù)以外, 還可測量自然伽瑪?shù)鹊刭|(zhì)參數(shù)。 SPERRY-SUN 公司的 DWD 隨鉆測斜儀可與 RLL 、EWR 等多種井下記錄的地質(zhì)參數(shù)測量儀器連接使用, 組成 FED 儀器用于定向和地質(zhì)參數(shù)測量。 SPERR

23、Y-SUN 公司的 MPT 負(fù)脈沖無線隨鉆測量儀器可測量定向參數(shù)和溫度、泥漿壓力、鉆頭振動等工程參數(shù)。 SPERRY-SUN 公司的負(fù)脈沖 MWD 無線隨鉆測量儀器可與 ADT 測井系統(tǒng)組合使用,測量定向參數(shù)和多項地質(zhì)、工程參數(shù)。 電子類測斜使用的幾個問題 一、 對鉆具組合的要求電磁類測斜儀器是在鉆具組合中與無磁鉆鋌配合使用。使用MWD儀器與井下動力鉆具組合時，應(yīng)調(diào)整儀器工具面刻線與動力鉆具的高邊刻線一致，而使用磁性單點、電子多點測斜儀或有線隨鉆測斜儀進行定向測量時，需要在動力鉆具組合中與定向彎接頭、定向直接頭循環(huán)套相配合。進行多點測量時，需要在鉆具組合中使用測斜擋板。1、 在定向鉆具組合中使

24、用定向彎接頭、定向直接頭和循環(huán)套2、 MWD儀器與井下動力鉆具組合3、 磁性多點、電子多點測斜儀測斜使用測斜擋板二、 無磁鉆鋌的選擇原則1、 為隨鉆測斜儀提供無磁的測量空間，減小來自鉆具的有磁干擾。2、 滿足鉆具組合的要求。三、 水平井定向或測量在大斜度井和水平井的施工中，為了提高鉆井的速度和經(jīng)濟效益，提高定向或測量的成功率，應(yīng)選擇MWD無線隨鉆測斜儀或有線隨鉆測斜儀配合井下動力鉆具使用，井身軌跡測量應(yīng)選用ESS電子多點測斜儀。實踐表明，在目前國內(nèi)儀器和裝備的條件下，配合使用有線隨鉆測斜儀和電子多點測斜儀完成大斜度井、水平井的定向與測量工作是行之有效的方法。水平井測量儀器的發(fā)展趨勢 定向井、水

25、平井測量技術(shù)隨著石油鉆井技術(shù)的發(fā)展而逐步地提高, 測量儀器技術(shù)與新材料、新工藝以及微電子等高科技密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 定向井、水平井測量儀器也向著小型化、多功能、智能化方向發(fā)展, 以滿足鉆井技術(shù)對提高生產(chǎn)時效、提高測量精度的要求。 國外定向井、水平井測量儀器的發(fā)展趨勢大致有如下 4 個方面: 一. 提高儀器的可靠性能 鉆井工具在井下的工作環(huán)境極其惡劣。即承受著高溫、高壓、振動、沖擊等因素的影響, 同樣測量儀器也經(jīng)受這種工作條件的挑戰(zhàn)和考驗。提高儀器在這種環(huán)境下的工作壽命, 提高可靠性, 不僅是提高儀器的使用效率, 更重要的是盡可能減少儀器占用的鉆機作業(yè)時間。國外通常將儀器的無故障工作

26、時間, 即 MTBF 作為儀器可靠性的考核標(biāo)準(zhǔn), 許多公司將下井儀器的無故障工作時間定為 200 個小時。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展, 測量儀器的可靠性標(biāo)準(zhǔn)在逐漸提高, 例如 SERRY-SUN 公司的 DMD 隨鉆測斜儀的無故障工作時間已達(dá)到 600 個小時, 加拿大 POSITEC 公司的 POSIPROBE 無線隨鉆測斜儀的無故障工作時間已達(dá)到 800 個小時, 英國 GEOLINK 公司推出了免維護的ORIENTEER 無線隨鉆測斜儀系統(tǒng)。 二. 測量儀器的小型化和低能耗 從科學(xué)意義上講, 儀器設(shè)備的小型化有助于降低成本、降低能耗、提高可靠性。隨著新材料、新工藝和微電子技術(shù)的應(yīng)用, 測量儀器逐漸向小型化、集成化方向發(fā)展。例如: 電磁類儀器的測量傳感器采用整體結(jié)構(gòu)的傳感