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73第四章定向井、水平井测量技术第一节定向井、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.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,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(如转盘钻具中的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。二.测量仪器技术发展情况第二节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)74┌─Φ35mm外径测斜仪(常规)┌─罗盘单点照相测斜仪─┤│└─Φ25mm外径测斜仪(高温)┌─罗盘类─┤││┌─Φ35mm外径测斜仪(常规)│└─罗盘多点照相测斜仪─┤测│└─Φ25mm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│┌─Φ60mm外径多点陀螺测斜仪│┌─照相陀螺测斜仪───┼─Φ35mm外径单点陀螺测斜仪││└─Φ35mm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.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。Φ35mm外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于125℃的井眼。而Φ25mm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.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。生日礼物送什么最好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。75第三节磁罗盘单、多点测量仪器磁罗盘照相测斜仪分为单点测斜仪和多点测斜仪两类,是目前国内石油定向钻井行业中使用最普遍的测量仪器,这两类具有结构简单、操作方便、价格低廉的优点。在裸眼井中,将仪器下到钻具组合的无磁钻铤位置,采用定时器控制仪器电源将某一井深的井斜角、方位角和工具面角数据记录在胶片或胶卷上,作为永久性资料保存。国内外石油行业中使用的磁罗盘照相测斜仪有数十中,目前国内应用最多的是美国EASTMANCHRISTENSEN公司的R型和E型罗盘测斜仪,以及部分美国SPERRY-SUN公司的A型和B型罗盘测斜仪。其中R型和A型为常规仪器,E型和B型为高温仪器。国产单、多点测斜仪主要是西安石油仪器厂和牡丹江石油仪器厂两家,这两家的产品均为仿制美国EASTMANCHRISTENSEN公司的R型单、多点测斜仪。一.磁罗盘单点照相测斜仪1.磁单点测斜仪的结构和工作原理磁单点测斜仪由定时器、电池筒、照相机总成、罗盘短节、外筒总成及辅助工具等五部分组成。(图片:SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪组装图)(图片:EASTMANCHRISTENSENR型磁单点测斜仪组装图)(1).定时器磁单点测斜仪使用的定时器有机械定时器、电子定时器、蒙乃尔传感器和运动传感器等四种,其作用均为控制仪器电源在特定的时间使照相机拍摄测斜胶片。①.机械定时器(图片:SPERRY-SUN磁单点测斜仪机械定时器)机械定时器是一套钟表机构,当转动定时轮使其对准要求的照相时间时,定时轮将受机械发条力的作用,在钟表齿轮系统的控制下往回运动。当定时轮上的O对准外壳上的ON时,定时轮上的触点与钟表系统的触点接触,使电源导通开始照相。②.电子定时器电子定时器是由振荡器、分频器、计数器、开关电路和调节部分组成。其工作原理类似于石英电子钟。(图片:EASTMANCHRISTENSEN磁单点测斜仪电子定时器)③.蒙乃尔传感器蒙乃尔传感器是由参考振荡器、测量振荡器、时基振荡器、频率合成器、整形放大器、计数开关电路、分频与延时电路和时间选择电路等组成。蒙乃尔传感器的测量线圈能够敏感周围环境的金属材料(如钻杆和无磁钻铤),对周围不同的金属材料,线圈产生的电感量不同,从而使测量振荡器产生不同的输出频率。只有在无磁钻铤的环境中产生的频率,经过合成放大才能导通开关电路,控制单点测斜仪照相。(图片:EASTMANCHRISTENSEN单点测斜仪蒙乃尔传感器)④.运动传感器运动传感器与单点测斜仪组装后由运动状态变为静止,并稳定一段时间后导通开关电路,控制单点测斜仪照相。(2).电池筒(图片:SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪电池筒)(图片:EASTMANCHRISTENSENR型磁单点测斜仪电池筒)(3).照相机总成(图片:SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪照相机总成)76照相机总成由胶片盒、连接筒、镜头和光源组成。它们的作用有三个:①.装卸圆形照相胶片。送女孩子什么礼物好②.提供光源通道。③.当定时器导通电源时,使照相机拍摄测斜照片。(图片:EASTMANCHRISTENSENR型单点测斜仪照相机总成)(4).罗盘短节(图片:SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪罗盘短节)根据测量的井斜角范围,SPERRY-SUNA型单点测斜仪使用的测斜罗盘主要有:6°、20°、90°三种规格,其中20°、90°罗盘在定向井中应用最多。这种测斜罗盘和测角装置采用半球体的浮子式结构。(图片:EASTMANCHRISTENSENR型单点测斜仪罗盘短节)根据测量的井斜角范围,EASTMANCHRISTENSENR型单点测斜仪使用的测斜罗盘主要有:6°、20°、90°三种规格,其中20°、90°罗盘在定向井中应用最多。(5).辅助工具磁单点测斜仪的辅助工具主要有:装片盒、显影罐、胶片阅读器和仪器扳手等。(图片:SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪的辅助工具)(图片:EASTMANCHRISTENSENR型磁单点测斜仪的辅助工具)(6).外筒总成和打捞筒仪器的外筒总成包括:仪器外筒、定向减震短节、加长杆、定向引鞋或下减震器短节、打捞绳帽。(图片:SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪外筒总成)(图片:SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪打捞筒)2.磁单点测斜仪的操作方法(1).选择罗盘度数(2).选择定时器(3).选择投测或吊测方式(4).检查仪器性能和零部件(5).组装仪器、装胶片(6).设置测斜时间(除使用蒙乃尔传感器)(7).组装仪器外筒(8).投测或吊测(9).投测打捞(10).冲洗胶片(11).阅读胶片和计算单点测斜仪的吊测需要采用钢丝测斜绞车下入仪器。(图片:钢丝测斜绞车)二.磁罗盘多点照相测斜仪1.磁多点测斜仪的结构和工作原理磁多点测斜仪由定时器、电池筒、电磁阀、胶片筒、照相机总成、罗盘短节、外筒总成及辅助工具等七部分组成。(图片:SPERRY-SUNA型磁多点测斜仪组装图)(图片:EASTMANCHRISTENSENR型磁多点测斜仪组装图)(1).定时器77磁多点测斜仪使用的定时器有机械定时器、电子程序定时器两种,电子程序定时器使用的较多。其作用为控制仪器卷片和拍测斜照片。电子程序定时器是由振荡器、分频计数器、光源放大开关电路和卷片放大开关电路组成。(图片:SPERRY-SUN磁多点测斜仪电子程序定时器)(图片:EASTMANCHRISTENSEN磁多点测斜仪电子程序定时器)(2).电池筒(图片:SPERRY-SUN磁多点测斜仪电池筒)(图片:EASTMANCHRISTENSEN磁多点测斜仪电池筒)(3).照相机总成SPERRY-SUN磁多点测斜仪照相机总成单点测斜仪相同。(图片:EASTMANCHRISTENSEN多点测斜仪照相机总成)(4).罗盘短节SPERRY-SUN单多点测斜仪罗盘短节相同。根据测量的井斜角范围,EASTMANCHRISTENSENR型多点测斜仪使用的测斜罗盘主要有:6°、20°、90°三种规格,其中20°、90°罗盘在定向井中应用最多。(5).辅助工具多点测斜仪的辅助工具主要有:胶卷阅读器和仪器扳手等。(图片:SPERRY-SUNA型多点测斜仪的辅助工具)(图片:EASTMANCHRISTENSENR型多点测斜仪的辅助工具)(6).外筒总成和打捞筒仪器的外筒总成包括:仪器外筒、减震短节、加长杆、下减震器短节、打捞绳帽等,与单点测斜仪外筒总成相同。2.磁多点测斜仪的操作方法(1).选择罗盘度数(2).检查仪器性能和零部件(3).组装仪器、装胶卷(4).设置测斜时间间隔(5).组装仪器外筒(6).投测(7).打捞(8).冲洗胶卷(9).阅读胶卷和计算第四节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的井斜角和方位角数据,一般测点的位置距钻头10~15米。有线随钻测斜仪是通过铠装电缆向地面井下测量数据,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。78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,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