【正文】 第四章 定向井、水平井測量技術(shù) 第一節(jié) 定向井、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 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是測點與地心的連線, 即鉛垂線。 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, 不以地球上任何一為基準, 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, 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)盤鉆具中的 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。 二. 測量儀器技術(shù)發(fā)展情況 第二節(jié) 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) ┌─Φ35 mm 外徑測斜儀 (常規(guī)) ┌─羅盤單點照相測斜儀─┤ │ └─Φ25 mm 外徑測斜儀 (高溫) ┌─羅盤類─┤ │ │ ┌─Φ35 mm 外徑測斜儀 (常規(guī)) │ └─羅盤多點照相測斜儀─┤測 │ └─Φ25 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 │ ┌─Φ60 mm 外徑多點陀螺測斜儀 │ ┌─照相陀螺測斜儀───┼─Φ35 mm 外徑單點陀螺測斜儀 │ │ └─Φ35 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. 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)。 Φ35 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 Φ25mm 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. 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。 第三節(jié) 磁羅盤單、多點測量儀器 磁羅盤照相測斜儀分為單點測斜儀和多點測斜儀兩類, 是目前國內(nèi)石油定向鉆井行業(yè)中使用最普遍的測量儀器, 這兩類具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低廉的優(yōu)點。在裸眼井中, 將儀器下到鉆具組合的無磁鉆鋌位置, 采用定時器控制儀器電源將某一井深的井斜角、方位角和工具面角數(shù)據(jù)記錄在膠片或膠卷上, 作為永久性資料保存。 國內(nèi)外石油行業(yè)中使用的磁羅盤照相測斜儀有數(shù)十中, 目前國內(nèi)應(yīng)用最多的是美國 EASTMAN CHRISTENSEN 公司的 R 型和 E 型羅盤測斜儀, 以及部分美國 SPERRYSUN 公司的 A 型和 B 型羅盤測斜儀。其中 R 型和 A 型為常規(guī)儀器, E 型和 B 型為高溫儀器。國產(chǎn)單、多點測斜儀主要是西安石油儀器廠和牡丹江石油儀器廠兩家, 這兩家的產(chǎn)品均為仿制美國 EASTMAN CHRISTENSEN 公司的 R 型單、多點測斜儀。 一. 磁羅盤單點照相測斜儀 1. 磁單點測斜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理 磁單點測斜儀由定時器、電池筒、照相機總成、羅盤短節(jié)、外筒總成及輔助工具等五部分組成。 (圖片: SPERRYSUN A 型磁單點測斜儀組裝圖) (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁單點測斜儀組裝圖) (1). 定時器 磁單點測斜儀使用的定時器有機械定時器、電子定時器、蒙乃爾傳感器和運動傳感器等四種, 其作用均為控制儀器電源在特定的時間使照相機拍攝測斜膠片。 ①. 機械定時器 (圖片: SPERRYSUN 磁單點測斜儀機械定時器) 機械定時器是一套鐘表機構(gòu), 當(dāng)轉(zhuǎn)動定時輪使其對準要求的照相時間時,定時輪將受機械發(fā)條力的作用, 在鐘表齒輪系統(tǒng)的控制下往回運動。當(dāng)定時輪上的 O 對準外殼上的 ON 時, 定時輪上的觸點與鐘表系統(tǒng)的觸點接觸, 使電源導(dǎo)通開始照相。 ②. 電子定時器 電子定時器是由振蕩器、分頻器、計數(shù)器、開關(guān)電路和調(diào)節(jié)部分組成。其工作原理類似于石英電子鐘。 (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN 磁單點測斜儀電子定時器) ③. 蒙乃爾傳感器 蒙乃爾傳感器是由參考振蕩器、測量振蕩器、時基振蕩器、頻率合成器、整形放大器、計數(shù)開關(guān)電路、分頻與延時電路和時間選擇電路等組成。蒙乃爾傳感器的測量線圈能夠敏感周圍環(huán)境的金屬材料 (如鉆桿和無磁鉆鋌), 對周圍不同的金屬材料, 線圈產(chǎn)生的電感量不同, 從而使測量振蕩器產(chǎn)生不同的輸出頻率。只有在無磁鉆鋌的環(huán)境中產(chǎn)生的頻率, 經(jīng)過合成放大才能導(dǎo)通開關(guān)電路, 控制單點測斜儀照相。 (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN 單點測斜儀蒙乃爾傳感器) ④. 運動傳感器 運動傳感器與單點測斜儀組裝后由運動狀態(tài)變?yōu)殪o止, 并穩(wěn)定一段時間后導(dǎo)通開關(guān)電路, 控制單點測斜儀照相。 (2). 電池筒 (圖片: SPERRYSUN A 型磁單點測斜儀電池筒) (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁單點測斜儀電池筒) (3). 照相機總成 (圖片: SPERRYSUN A 型磁單點測斜儀照相機總成) 照相機總成由膠片盒、連接筒、鏡頭和光源組成。它們的作用有三個: ①. 裝卸圓形照相膠片。 ②. 提供光源通道。 ③. 當(dāng)定時器導(dǎo)通電源時, 使照相機拍攝測斜照片。 (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型單點測斜儀照相機總成) (4). 羅盤短節(jié) (圖片: SPERRYSUN A 型磁單點測斜儀羅盤短節(jié)) 根據(jù)測量的井斜角范圍, SPERRYSUN A 型單點測斜儀使用的測斜羅盤主要有: 6176。、20176。、90176。 三種規(guī)格, 其中 20176。、90176。羅盤在定向井中應(yīng)用最多。 這種測斜羅盤和測角裝置采用半球體的浮子式結(jié)構(gòu)。 (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型單點測斜儀羅盤短節(jié)) 根據(jù)測量的井斜角范圍, EASTMAN CHRISTENSEN R 型單點測斜儀使用的測斜羅盤主要有: 6176。、20176。、90176。 三種規(guī)格, 其中 20176。、90176。羅盤在定向井中應(yīng)用最多。 (5). 輔助工具 磁單點測斜儀的輔助工具主要有: 裝片盒、顯影罐、膠片閱讀器和儀器扳手等。 (圖片: SPERRYSUN A 型磁單點測斜儀的輔助工具) (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁單點測斜儀的輔助工具) (6). 外筒總成和打撈筒 儀器的外筒總成包括: 儀器外筒、定向減震短節(jié)、加長桿、定向引鞋或下減震器短節(jié)、打撈繩帽。 (圖片: SPERRYSUN A 型磁單點測斜儀外筒總成) (圖片: SPERRYSUN A 型磁單點測斜儀打撈筒) 2. 磁單點測斜儀的操作方法 (1). 選擇羅盤度數(shù) (2). 選擇定時器 (3). 選擇投測或吊測方式 (4). 檢查儀器性能和零部件 (5). 組裝儀器、裝膠片 (6). 設(shè)置測斜時間 (除使用蒙乃爾傳感器) (7). 組裝儀器外筒 (8). 投測或吊測 (9). 投測打撈 (10). 沖洗膠片 (11). 閱讀膠片和計算 單點測斜儀的吊測需要采用鋼絲測斜絞車下入儀器。 (圖片: 鋼絲測斜絞車) 二. 磁羅盤多點照相測斜儀 1. 磁多點測斜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理 磁多點測斜儀由定時器、電池筒、電磁閥、膠片筒、照相機總成、羅盤短節(jié)、外筒總成及輔助工具等七部分組成。 (圖片: SPERRYSUN A 型磁多點測斜儀組裝圖) (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型磁多點測斜儀組裝圖) (1). 定時器 磁多點測斜儀使用的定時器有機械定時器、電子程序定時器兩種, 電子程序定時器使用的較多。其作用為控制儀器卷片和拍測斜照片。 電子程序定時器是由振蕩器、分頻計數(shù)器、光源放大開關(guān)電路和卷片放大開關(guān)電路組成。 (圖片: SPERRYSUN 磁多點測斜儀電子程序定時器) (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN 磁多點測斜儀電子程序定時器) (2). 電池筒 (圖片: SPERRYSUN 磁多點測斜儀電池筒) (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN 磁多點測斜儀電池筒) (3). 照相機總成 SPERRYSUN 磁多點測斜儀照相機總成單點測斜儀相同。 (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN 多點測斜儀照相機總成) (4). 羅盤短節(jié) SPERRYSUN 單多點測斜儀羅盤短節(jié)相同。 根據(jù)測量的井斜角范圍, EASTMAN CHRISTENSEN R 型多點測斜儀使用的測斜羅盤主要有: 6176。、20176。、90176。 三種規(guī)格, 其中 20176。、90176。羅盤在定向井中應(yīng)用最多。 (5). 輔助工具 多點測斜儀的輔助工具主要有: 膠卷閱讀器和儀器扳手等。 (圖片: SPERRYSUN A 型多點測斜儀的輔助工具) (圖片: EASTMAN CHRISTENSEN R 型多點測斜儀的輔助工具) (6). 外筒總成和打撈筒 儀器的外筒總成包括: 儀器外筒、減震短節(jié)、加長桿、下減震器短節(jié)、打撈繩帽等, 與單點測斜儀外筒總成相同。