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1、第7章 定向井测量技术,主讲教师：史玉才中国石油大学（华东）石油工程学院联系方式：13963366855（东营）、15806569086（青岛）0532-86981151（o）,7-1 定向井测量概述7-2 电磁测斜仪的结构及原理 7-3 有线随钻测斜仪7-4 无线随钻测斜仪(MWD)7-5 陀螺测斜仪*,本章内容,从物理意义上讲，测量井下钻具的工具面角为井下钻具定向，或测量井眼的轨迹均属于空间姿态的测量。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。,7-1 定向井测量概述,（1）借助重力场测量井斜角或高边工具面；测量元件为测角器、罗盘重锤或重力加速
2、度计等；测量基准是铅垂线。（2）借助地磁场测量方位角或磁性工具面；测量元件为罗盘或磁通门等；测量基准是磁性北极，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（地理北极）的数据。（3）借助天体坐标系测量方位角或磁性工具面；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，下井之前必须对陀螺仪的自转轴进行地理北极的方位标定（注：新型陀螺仪自动找北，不必地面标定）。,1、钻井过程中测量的方法、媒介和基准,7-1 概述,（1）必须借助专用工具和仪器进行间接测量。根据测量仪器的数据记录和传输方式不同，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。,2、钻井过程中测量的特点,7-1 概述,（4）地温随着井深变化，要求下井仪器具有良好的抗高温性能。常温（常规仪器）：耐温125 以下；高温仪器：耐温182 以下。（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。,2、钻井过程中测量的特点,7-1 概述,3、测量仪器分
4、类和应用范围,7-1 概述,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（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,3、测量仪器分类和应用范围,7-1 概述,主要由井斜刻度盘、罗盘、十字摆锤、照明和照相系统组成。罗盘
5、的S极始终指北。,磁罗盘照相测斜仪的结构和工作原理,1、结构主要由加速度计、磁通门、模拟数字转换、数据采集或传输、数据处理、数据显示、抗压筒和减振器等环节组成。探管是测斜仪重要组成之一，可划分为测量头和电子柱两部分。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。利用6个传感器的输出计算钻井所需的方向参数。,7-2 电磁测斜仪的结构及原理,(1)加速度计：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,7-2 电磁测斜仪,2、测量元件,磁悬浮加速度计：结构：由敏感头和伺服电路组成。工作原理：优点：抗冲击能力较强、结构简单、精度适中。,重力加速度
6、计,重力加速度计的布置在X，Y，Z三个方向上各装一个重力加速度计，则三个重力加速度计的测值是不同的。通过计算，可以算出重力方向与仪器轴线的夹角即井斜角的大小。,(2)磁通门：又称磁通计，将输入磁通转换成与之对应电压的传感器。由一对带骨架的绕组和外壳所组成。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。,2、测量元件,7-2 电磁测斜仪,磁通门,磁通门的布置沿仪器的三个坐标轴方向布置，根据三个磁通门测得的磁通量的值，可以算出磁北方向与井眼方位的夹角，即井斜方位角。,7-2 电磁测斜仪,探管座标系及传感器的配置 INC,AZ,TF的定义,传感器输出的原始测量数据3个加速度计：
7、，3个磁通门：，测斜仪输出的计算参数：井眼参数：井斜角、方位角；工具面参数：重力工具面角GTF、磁性工具面角MTF。,3、数据处理,7-2 电磁测斜仪,3、数据处理,(1)井斜角：在铅垂面内的直三角形中，井斜角是从铅垂线到轴（仪器轴）的夹角。,7-2 电磁测斜仪,3、数据处理,(2)工具面角重力工具面角（GTF）：沿井眼向下看时，由重力矢量所确定的高边和y轴（工具面基准轴）之间的夹角。磁工具面角（MTF）：磁北极与轴夹角。,7-2 电磁测斜仪,工具面 0,工具面 180,定向减震接头,引鞋体,3、数据处理,(3)方位角：在水平面上从北极按顺时针旋转到轴的夹角。必须将磁通门和加速度计的读数分解到
8、两个轴上：轴1是井眼方向在水平面内的投影，与轴2垂直。,7-2 电磁测斜仪,从数据处理公式得出：井斜角、重力高边工具面角与3个加速度计输出有关；磁方位、地磁倾角等参数涉及到6个传感器（3个加速度计、3个磁通门）的输出。校准测斜仪时，若井斜、工具面角超差，应注意检查、校准加速度计的有关部位。若发现方位超差或出现异常，且工具面、井斜正常，则问题肯定出在磁通门部位。在校准精度时，首先校好加速度计，再校其它才是合理的。,3、数据处理,7-2 电磁测斜仪,作用：实现定向钻井的随钻随测，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。与无线随钻测斜仪的主要区别：通过铠装电缆（多为
9、单芯的）向地面传输井下测量数据。基本组成（5 部分）：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。典型系统：SPERRY-SUN 公司SST和MS3有线随钻测斜仪。,7-3 有线随钻测斜仪,以SPERRY-SUN 公司MS3有线随钻测斜仪为例,MS3有线随钻测斜仪,组成（6部分）：地面计算机和 MS3 中间接口卡，恒流源，MS3 探管和下井外筒总成，司钻阅读器，TI热敏打印机，电缆滚筒设备及辅助工具。数据传输方式：数字脉冲、时间调制、多路输出的方式,MS3有线随钻测斜仪原理框图,7-3 有线随钻测斜仪,MS3有线随钻测斜仪,MS3 探管磁通门传感器重力加速度计传
10、感器温度传感器二次电源：24V数据传输电路和传输接头,探管外径:35 mm（1-3/8）探管工作温度:125 系统精度（井斜角0 90）:井斜角:0.5方位角:2.0高边工具面:2.0磁性工具面:2.0探管工作温度:2.0,7-3 有线随钻测斜仪,MS3有线随钻测斜仪,下井外筒总成和辅助工具下井外筒总成：三个主要作用为井下动力钻具组合提供工具面的测量基准。为探管提供一个无磁空间。防止高压泥浆液体侵蚀损坏探管。循环头及液压缸用来代替水龙头循环泥浆，同时密封电缆。需要一套手动液压泵和液压管线，配合液压缸密封电缆。侧入接头：可以代替循环头下入仪器、密封电缆。电缆操作设备及发电机组,7-3 有线随钻测
11、斜仪,7-4 无线随钻测斜仪（MWD）,1、基本组成：主要有五大部分组成。地面计算机及外部设备：终端、打印机、记录仪和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电池组,以泥浆压力脉冲传输法为例,2、数据传输方法,(1)连续波方法两个大小、形状完全相同的盘子，开着同样的槽口。一个是静盘（定子），一个动盘（转子）。马达带动动盘连续旋转，槽口连续“被堵”和“开通”，造成连续波形。,7-4 无线随钻测斜仪,动盘转速不同，得到的连续波形就不一样。只要有两种波形就够了，一种代表“1”，一种代表“0”。每秒钟可发出三个波形，传输一个参数，只需要9s。,平时针阀打开
12、，立管压力正常；针阀被堵时压力突然增高，发出一个脉冲信号。压力增高代表“1”；压力不增高代表“0”。针阀的运动是由探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现。在地面连续检测立管压力的变化，通过译码转换成不同的测量数据。,(2)正脉冲方法,7-4 无线随钻测斜仪,泄流阀在平时被堵住，立管压力正常；开启时使钻柱内空间与井眼环空连通（循环短路），立管压力突然降低，发出一个负脉冲信号。泄流阀的动作是由探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现。在地面连续检测立管的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。,(3)负脉冲方法,7-4 无线随钻测斜仪,连续波方法优点:数据传输速度快、精度高。缺点:结构复杂、下
13、井长、数字译码能力较差。正脉冲方法优点：下井仪器的结构简单、尺寸小，使用操作和维修方便，不需要专门的无磁钻铤（MWD短节）。缺点：数据传输速度慢，不适合传输地质资料参数。负脉冲方法优点：数据传输速度较快，适合传输定向和地质资料参数。缺点：下井仪器的结构较复杂，组装、操作和维修不便，需要专用的无磁钻铤。,(4)三种传输方法对比,7-4 无线随钻测斜仪,3、SPERRY-SUN 公司的定向 DWD 无线随钻测斜仪,采用正脉冲泥浆压力传输系统进行数据传输。具有短测量(SHORT SURVEY)和全测量(FULL SURVEY)功能。地面数据处理系统采用的 MPSR 计算机抗震和抗干扰能力强。除测量参
14、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。包括:井下仪器的环境温度、发电机转速、数据的传输速率等。,7-4 无线随钻测斜仪,(1)泥浆压力传感器和泵冲传感器,地面仪器和井下仪器都具有兼容性，可与测量地质参数的 FED 随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。泥浆压力传感器：安装在泥浆立管上，检测来自井下仪器的脉冲信息，并将该泥浆的压力脉冲转化成电脉冲信息传送给 MPSR 计算机进行处理和显示。泵冲传感器：安装在泥浆泵上，计量泵冲数，并将该泵冲数信息传送给 MPSR 计算机用于进行数据处理时的泥浆泵冲滤波。,7-
15、4 无线随钻测斜仪,(2)MEP 探管测量方式,短测量（SHORT SURVEY）：仅提供井斜角，方位角数据。全测量（FULL SURVEY）：提供原始测量数据（Gx，Gy，Gz，Bx，By Bz）。传输全部数据大约需要 2.5min；井下钻具采用短无磁钻铤的情况下，可以采用这种测量方式。高边工具面（GTF）：传输高边工具面数据，与井斜角变化无关。自动工具面（AUTOMATIC TF）：据根据井斜角的变化，自动转换成磁性工具面方式或高边工具面方式。井斜角 5时，显示磁性工具面数据；井斜角5时，显示高边工具面数据；当井斜角由 5降到 4或 4以下时，将自动由高边工具面方式转变为磁性工具面方式显示工具面数据。,7-4 无线随钻测斜仪,
