合頁式—激光投影螺桿角差定位儀的設(shè)計(jì)探討

馬鴻彥等

摘要：由于油氣藏定位準(zhǔn)確性的提高，對無線隨鉆儀器（LWD/MWD）精度的要求也相應(yīng)提高，但是我國采用進(jìn)口或自主研發(fā)的儀器在現(xiàn)場施工過程中卻忽略了人為導(dǎo)致誤差的因素——整套儀器配合的誤差校正，針對該誤差設(shè)計(jì)了合頁式-激光投影螺桿角差定位儀。它在操作、生產(chǎn)成本、安全系數(shù)、日常維護(hù)、誤差校正等方面都大大優(yōu)于進(jìn)口或國產(chǎn)同類工具。

關(guān)鍵詞：合頁式-激光投影；螺桿角差；定位儀；LWD/MWD；井眼軌跡控制；油氣藏定位 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG386 文章編號：1009-2374（2015）12-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.008

1 概述

目前世界各地的油田區(qū)塊開發(fā)大多都已經(jīng)步入了中后期，伴隨著薄油層及剩余油藏的開發(fā)，大斜度井、水平井及多分枝井的鉆探技術(shù)已經(jīng)成了當(dāng)前的主流。在鉆井過程中，定向鉆井需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，就是對井眼軌跡數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量與信息的實(shí)時(shí)傳輸。但是目前所用的進(jìn)口或國產(chǎn)儀器由于技術(shù)上的不足（幾乎所有儀器都存在15～20米的探測盲區(qū)；在施工現(xiàn)場中存在人為導(dǎo)致測量誤差），給現(xiàn)場施工和后期的施工帶來很大的困難，嚴(yán)重時(shí)還造成填井事故。為了將人為導(dǎo)致的測量誤差減小到最低程度，我們設(shè)計(jì)了一種各方面都優(yōu)于國內(nèi)外同類型的測量工具。

2 LWD/MWD儀器工作原理簡介

泥漿脈沖隨鉆測斜儀（MWD）由井下儀器和地面設(shè)備兩部分組成。用來提供實(shí)時(shí)地理參數(shù)和方向參數(shù)的定向探管是井下儀器的重要組成部分。它是利用當(dāng)?shù)匾阎闹亓龊痛艌鲎鳛榛鶞?zhǔn)來定義方向參數(shù)的，且根據(jù)該探管建立的坐標(biāo)系和基準(zhǔn)坐標(biāo)系的相互關(guān)系來計(jì)算出方向參數(shù)和地理參數(shù)。其內(nèi)置的測量頭裝有6個(gè)傳感器為3個(gè)加速度計(jì)Gx、Gy、Gz和3個(gè)磁通門Bx、By、Bz分別平行于OX、OY、OZ。以X、Y、Z、O為直角坐標(biāo)系的XOZ平面與T形槽定位面平行。而Z軸平行于測量頭的軸向。所以當(dāng)重力加速度計(jì)感受到其三個(gè)方向上的分量和三個(gè)磁通門感受到地磁場三個(gè)方向上的分量時(shí)，與其連接的相關(guān)電路通過一系列的運(yùn)算將其轉(zhuǎn)化為泥漿脈沖信號傳到地面。然后通過地面的解碼設(shè)備解算出工具面、井斜、方位等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供給定向工程師。該測量頭被組裝后安裝在一個(gè)帶有“外部刻痕”（人為規(guī)定的能夠看到的標(biāo)記）的無磁鉆鋌中。然后通過地面設(shè)備計(jì)算出“外部刻痕”與內(nèi)部的T形槽之間的角度誤差。該誤差定義為MWD儀器內(nèi)部T形槽與外部刻痕之間角度的差值——儀器內(nèi)角差。

系統(tǒng)角差歸零：當(dāng)MWD/LWD儀器與定向動(dòng)力鉆具（螺桿）組裝之后，螺桿彎度所形成的“高邊線”與MWD/LWD儀器外部刻痕同樣形成角度差——外部角差。而系統(tǒng)角差歸零的最終目的是將測量頭坐標(biāo)系中XOZ平面和螺桿高邊線所在的平面通過一系列的測量和計(jì)算校正為兩個(gè)相互平行的平面。因此正常工作的時(shí)候地面儀器所顯示的工具面的角度就是螺桿所對應(yīng)的高邊角度。工程師通過調(diào)整工具面的角度來調(diào)整螺桿的角度從而達(dá)到定向鉆井的目的。

3 不同儀器的螺桿（馬達(dá)）角差定位方法

3.1 進(jìn)口儀器的螺桿角差定位方法

3.1.1 測量誤差大。該工具被固定在無磁鉆鋌后，上提至15～20米左右的高空，可以看出兩次目測的結(jié)果差別很大，與實(shí)際的系統(tǒng)誤差歸零相差20°～50°。由于儀器自身存在15～20米的探測盲區(qū)，所以在開始施工或重新更換儀器或螺桿之后，工程師只能憑直覺來判斷人為造成的誤差大概是多少。一旦測量出來的實(shí)際值與之前的估計(jì)值相反，此時(shí)工程師如果再想達(dá)到剛開始的預(yù)期目的，就需要再次鉆進(jìn)超過30米的井段才能實(shí)現(xiàn)。這樣不但延長了鉆井周期，增加了生產(chǎn)成本，而且使后期作業(yè)更加復(fù)雜。情況嚴(yán)重還會(huì)造成填井事故。

3.1.2 安全性差。該工具為金屬鏈條與三角架形成的閉環(huán)系統(tǒng)來固定在無磁鉆鋌上的。在極寒地區(qū)工作時(shí)由于工具與鉆鋌金屬表面有冰，一方面在固定過程中帶來困難，另一方面在鉆具上提過程中由于振動(dòng)隨時(shí)有可能滑落調(diào)入井內(nèi)造成復(fù)雜井下狀況或者傷害現(xiàn)場施工人員。

3.1.3 應(yīng)用范圍小。該工具不能使用于任意尺寸的儀器，當(dāng)無磁鉆鋌的直徑小于該閉環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)切圓直徑或大于第三條邊時(shí)，無法起到固定作用，且遇到大霧和燈光暗淡根本看不到該工具的“指示桿”。

3.1.4 替換性差，成本高。該工具是哈里伯頓公司的專利產(chǎn)品，一旦損毀，國內(nèi)廠家不能大批生產(chǎn)。如果專門進(jìn)口則會(huì)增加生產(chǎn)成本。

3.2 國產(chǎn)儀器普遍使用的螺桿角差定位方法

由于在國內(nèi)使用的無線隨鉆儀器大多是國產(chǎn)。因此用來定位的工具比哈里伯頓公司的更為簡單。用膠帶把一個(gè)簡單的紙筒固定在無磁鉆鋌上即可。該方法操作性雖然簡單，但是帶來的人為誤差更大，在燈光暗淡、刮風(fēng)、雨雪、大霧天氣尤其嚴(yán)重。現(xiàn)場工程師只能估測其投影位置，草率測量。

4 新型的角差定位儀

工作原理及優(yōu)點(diǎn)：該定位儀由4個(gè)簡單的部件組成。

4.1 帶有弧度的合頁

可固定在任意直徑的無磁鉆鋌上，滿足不同井眼的儀器。材料為普通的金屬鋁。這樣的材料一是在潮濕環(huán)境中不會(huì)被氧化上銹而造成折疊困難，不用單獨(dú)維護(hù)保養(yǎng)；二是操作簡單，體積小，重量輕，加工方便，價(jià)格低廉；三是一旦落入井內(nèi)對鉆井不會(huì)產(chǎn)生影響。

4.2 激光指示器

由于激光具有高度定向性。如果利用激光的準(zhǔn)直性進(jìn)行測距與定位，從地球到月球之間的誤差不超過1.5米。如果利用該性能來投影20米的距離誤差幾乎可以忽略不計(jì)。而激光的高亮性不論在任何天氣情況下都能得到其投影。該投影儀所用的激光指示器在市場上隨處可見。

4.3 高邊刻痕定位裝置

該工具的一端是帶有圓錐的定位銷，用來指向無磁鉆鋌的刻痕。另一端是與定位銷相差180°用來插入激光指示器的，所以當(dāng)激光器發(fā)出的光束就和無磁鉆鋌的刻痕在同一平面內(nèi)，得到的投影點(diǎn)就是刻痕的水平投影，從而取代目測找投影點(diǎn)的方法。

4.4 子母粘布毛刺貼

帶有松緊的子母粘布毛刺貼是把整個(gè)投影儀固定在無磁鉆鋌上的。

5 結(jié)語

以上所述合頁式-激光投影螺桿角差定位儀具有定位精確度高、安全系數(shù)高、使用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、體積小、重量輕、操作方便、成本低（總價(jià)格不超過20元錢）等優(yōu)點(diǎn)，且在現(xiàn)場施工中證明了以上的特性，具有推廣意義。

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作者簡介：馬鴻彥（1980-），男，中國石油渤海鉆探工程公司定向井分公司工程師，研究方向：探測制導(dǎo)與控制技術(shù)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）