井眼轨迹测量计算.pptx
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1、第三节第三节井眼轨迹测量计算井眼轨迹测量计算n n 一口井钻完后需要了解井眼轨迹的形状,以及是否打中了预计的目标层。在实钻过程中也需要及时了解已钻井眼的轨迹形状,以便判断其发展趋势及时采取措施进行轨迹控制,这就需要进行井孔测量并根据测量数据进行轨迹计算,这种井孔测量在工程术语中称作测斜。n n井眼的轨迹是通过测量不同井深的井斜和方位并通过适当的计算确定的。一、井眼轨迹测量一、井眼轨迹测量n n单点测斜仪n n多点测斜仪n n有线MWDn nMWD一一、测斜方法与测斜仪测斜方法与测斜仪 井斜的测量原理:使用重力摆锤、摆锤始终位井斜的测量原理:使用重力摆锤、摆锤始终位于铅垂线上,测量摆锤与井眼中心
2、线(仪器中心于铅垂线上,测量摆锤与井眼中心线(仪器中心线)的夹角线)的夹角井斜角。井斜角。照相记录方式:记录下摆锤中心偏离井眼轴线照相记录方式:记录下摆锤中心偏离井眼轴线的距离(对应于井斜角)。的距离(对应于井斜角)。电子记录方式:摆锤偏离中心线夹角数值转换电子记录方式:摆锤偏离中心线夹角数值转换成电信号。成电信号。方位的测量原理方位的测量原理:使用磁性测斜仪测量地磁使用磁性测斜仪测量地磁方位或使用陀螺(地面定向正北方向、启动方位或使用陀螺(地面定向正北方向、启动陀螺后由于进动作用指向不变)。陀螺后由于进动作用指向不变)。磁性测斜仪磁性测斜仪:利用罗盘(利用罗盘(compass)测量井测量井眼
3、方向的地磁指向。主要部件有摆锤、照相眼方向的地磁指向。主要部件有摆锤、照相机(带定时器),适用于裸眼井段、配套无机(带定时器),适用于裸眼井段、配套无磁钻铤(磁钻铤(NMDC)。)。讨论:讨论:1、磁屏蔽作用;、磁屏蔽作用;2、地理方位与地磁方位;、地理方位与地磁方位;测斜方法测斜方法:投测、吊测。投测、吊测。投测:仪器从钻柱内孔投入,钻柱上有配套投测:仪器从钻柱内孔投入,钻柱上有配套测斜短节定位测斜仪。投测后必须起钻。测斜短节定位测斜仪。投测后必须起钻。吊测:使用钢丝绳将仪器吊入钻柱内孔,测吊测:使用钢丝绳将仪器吊入钻柱内孔,测量完毕后起出测斜仪。量完毕后起出测斜仪。磁性测斜仪的种类磁性测斜
4、仪的种类:单点、多点单点、多点 单点测斜仪:定向、扭方位过程中监测井单点测斜仪:定向、扭方位过程中监测井眼轨迹。眼轨迹。多点测斜仪:起钻前投入钻柱内孔,按照多点测斜仪:起钻前投入钻柱内孔,按照定时器进行起钻操作,一般每起一柱钻杆测定时器进行起钻操作,一般每起一柱钻杆测量一次,获得较为完整的井身数据量一次,获得较为完整的井身数据 电子陀螺多点测斜仪电子陀螺多点测斜仪:能记录较为完整的井能记录较为完整的井身数据,是一种较为先进的测斜仪器。身数据,是一种较为先进的测斜仪器。随钻测斜仪(随钻测斜仪(MWD):钻进时实时将井下钻进时实时将井下数据传输到地面。数据传输到地面。型式:有线随钻、型式:有线随钻
5、、无线随钻无线随钻 数据传输方式:泥浆脉冲方式数据传输方式:泥浆脉冲方式 常用于定向井水平井、定向井段以及扭方常用于定向井水平井、定向井段以及扭方位井段的钻进。位井段的钻进。随钻测斜仪(随钻测斜仪(MWD)的应用发展)的应用发展:早期只能在钻进时实时传输井下数据早期只能在钻进时实时传输井下数据(井斜、方位、钻压、扭矩等)。目前已经(井斜、方位、钻压、扭矩等)。目前已经出现了出现了测斜测斜+测井测井(LWD)(LWD)方式、测斜方式、测斜+测井测井+井下自动导向,最先进的钻井方式:井下闭井下自动导向,最先进的钻井方式:井下闭环地质导向系统。环地质导向系统。国外已经有广泛的应用,主要为世界大国外已
6、经有广泛的应用,主要为世界大石油公司。石油公司。国内研究有了一定的进展。国内研究有了一定的进展。一、顶角测量原理一、顶角测量原理 测量顶角度必须符合两个条件:测量顶角度必须符合两个条件:测量顶角度必须符合两个条件:测量顶角度必须符合两个条件:该角度代表测点钻孔轴线与铅垂线的该角度代表测点钻孔轴线与铅垂线的夹角;该角度在钻孔弯曲平面内。夹角;该角度在钻孔弯曲平面内。液面水平原理(氢氟酸测斜)液面水平原理(氢氟酸测斜)把把20203030浓度的氢氟酸注入长度为浓度的氢氟酸注入长度为100100150mm150mm内径为内径为151525mm25mm的玻璃的玻璃试管中。注入量为试管长度的试管中。注入
7、量为试管长度的1 13 3左右。然后,将盛有氢氟酸的玻璃试左右。然后,将盛有氢氟酸的玻璃试管装在特制的接头内,用橡胶塞加以密封。用钻杆将其下到孔内待测位管装在特制的接头内,用橡胶塞加以密封。用钻杆将其下到孔内待测位置,静止停留置,静止停留151525min25min后,提钻取出试管。由于氢氟酸对玻璃的腐蚀作后,提钻取出试管。由于氢氟酸对玻璃的腐蚀作用,在试管上留有液面痕迹。根据液面的高低,就可算出顶角。用,在试管上留有液面痕迹。根据液面的高低,就可算出顶角。由于有毛细管的作用,试管形成了如右图所示的蚀痕曲面。由此测出的由于有毛细管的作用,试管形成了如右图所示的蚀痕曲面。由此测出的顶角必须校正,
8、按下式可求出实际顶角顶角必须校正,按下式可求出实际顶角:=+E=+E 式中式中钻孔的实际顶角,钻孔的实际顶角,-玻璃试管上实测顶角,玻璃试管上实测顶角,E E校正角校正角为了避免计算和校正上的麻烦,可以利用倾斜仪来直接测定。为了避免计算和校正上的麻烦,可以利用倾斜仪来直接测定。钻孔弯曲的测量及仪器及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理液面水平原理(氢氟酸测斜)第四节 钻孔弯曲的测量及仪器及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理悬锤原理悬锤原理 悬锤测量钻孔顶角的原理是利用地球悬锤测量钻孔顶角的原理是利用地球重力场,如下图所示。框架可绕重力场,如下图所示。框架可绕a a轴灵活轴灵活转动,转动,b
9、b轴与轴与a a轴垂直相交,在轴垂直相交,在b b轴中点轴中点0 0悬挂一能灵活转动的弧形刻度盘,刻度悬挂一能灵活转动的弧形刻度盘,刻度盘转动面与钻孔弯曲平面一致,刻度盘盘转动面与钻孔弯曲平面一致,刻度盘因重力作用永远下垂。当仪器在垂直孔因重力作用永远下垂。当仪器在垂直孔内时,刻度盘上的内时,刻度盘上的0 0 正对准弧形竖板了正对准弧形竖板了上的标线,即顶角为上的标线,即顶角为0 0;当仪器在倾斜;当仪器在倾斜孔内时,弧形竖板倾斜一个角度,此角孔内时,弧形竖板倾斜一个角度,此角度就是钻孔顶角度就是钻孔顶角。第四节 钻孔弯曲的测量及仪器及仪器悬锤原理测量钻孔顶角示意图重力加速度仪重力加速度仪随钻
10、测量对加速度计的主要要求随钻测量对加速度计的主要要求n n有较高的精度n n较好的抗震性能伺服加速度计伺服加速度计n n力平衡式加速度计:力平衡式加速度计:一个悬垂、高导磁性一个悬垂、高导磁性的物体是向下还是处的物体是向下还是处于中点,由中位检测于中点,由中位检测器检测并由磁力线圈器检测并由磁力线圈提供一个反向平衡力提供一个反向平衡力使其保持中位。使其保持中位。n n磁悬浮重力加速度传感器主要由绕磁悬浮重力加速度传感器主要由绕有两个绕组的王字架、圆柱形磁钢有两个绕组的王字架、圆柱形磁钢和悬浮磁钢的磁液组成。磁钢放入和悬浮磁钢的磁液组成。磁钢放入王字架的轴孔内王字架的轴孔内,轴孔内灌满磁液。轴孔
11、内灌满磁液。当没有外来加速度时当没有外来加速度时,磁钢处于机磁钢处于机械械0 0 位位,两绕组的电感相同两绕组的电感相同,其输出其输出为为0 0。当有加速度作用于磁钢轴线。当有加速度作用于磁钢轴线上时上时,磁钢移位引起两个绕组的电磁钢移位引起两个绕组的电感一增一减感一增一减,传感器上出现不平衡传感器上出现不平衡电压电压,此电压经带通放大、相敏检此电压经带通放大、相敏检波、滤波之后波、滤波之后,经反馈电阻经反馈电阻R Rf f 将反将反馈电流馈电流I If f 输入到加速度传感器内的输入到加速度传感器内的两个绕组两个绕组,产生一个与重力加速度产生一个与重力加速度相反的电磁力相反的电磁力,阻止磁钢
12、移位。阻止磁钢移位。石英挠性伺服线加速度计原理结构如图石英挠性伺服线加速度计原理结构如图n n当沿敏感轴线当沿敏感轴线(图中所示点划线图中所示点划线)有加速度输入时由挠性片及力有加速度输入时由挠性片及力矩线圈组成的敏感质量块相对矩线圈组成的敏感质量块相对平衡位置运动而产生惯性力平衡位置运动而产生惯性力(或或惯性力矩惯性力矩)然后通过换能器将此然后通过换能器将此机械运动转换成电信号再通过机械运动转换成电信号再通过伺服放大器变成电流信号将此伺服放大器变成电流信号将此电流信号反馈到处于恒定磁场电流信号反馈到处于恒定磁场中的力矩器导致产生反馈力中的力矩器导致产生反馈力 F F b b(或反馈力矩或反馈
13、力矩 M M b b)与惯性力与惯性力F F(或或惯性力矩惯性力矩M M)相平衡直至再次恢相平衡直至再次恢复到平衡位置复到平衡位置.Inclination&Highside ToolfaceInclination:Toolface:Magnetic NorthEarths Gravitational FieldVertical二、方位角测量原理二、方位角测量原理 根据钻孔方位角的定义,方位角的测量必须满足两个条件:根据钻孔方位角的定义,方位角的测量必须满足两个条件:一是该角度必须是钻孔轴线上某点的切线方向与地北的夹角;一是该角度必须是钻孔轴线上某点的切线方向与地北的夹角;一是该角度必须是钻孔轴
14、线上某点的切线方向与地北的夹角;一是该角度必须是钻孔轴线上某点的切线方向与地北的夹角;其二该角度必须是水平面上的角度其二该角度必须是水平面上的角度其二该角度必须是水平面上的角度其二该角度必须是水平面上的角度。在无磁性干扰或干扰很小的孔段中,可利用地磁场定向原理;在无磁性干扰或干扰很小的孔段中,可利用地磁场定向原理;在有磁屏蔽在有磁屏蔽(如在套管内如在套管内)或磁干扰较大或磁干扰较大(如存在磁性矿体如存在磁性矿体)的孔段的孔段中,因为磁针失去定向能力,可用地面定向原理中,因为磁针失去定向能力,可用地面定向原理。钻孔弯曲的测量及仪器及仪器方位角测量方位角测量n n磁通门n n陀螺仪二、方位角测量原
15、理二、方位角测量原理地磁定向原理地磁定向原理 地磁场定向原理是利用罗盘磁针的指北特性或磁敏感元地磁场定向原理是利用罗盘磁针的指北特性或磁敏感元件件(磁通门磁通门)确定倾斜钻孔的方位角。因此,测量时罗盘确定倾斜钻孔的方位角。因此,测量时罗盘必须必须处于水平状态处于水平状态,并且罗盘上,并且罗盘上0 0 线必须指向钻孔弯曲线必须指向钻孔弯曲方向方向。为了满足这些要求,罗盘的转动轴应垂直于钻孔。为了满足这些要求,罗盘的转动轴应垂直于钻孔弯曲平面,并且在其下部装有重块,使罗盘保持水平。弯曲平面,并且在其下部装有重块,使罗盘保持水平。此外,罗盘上此外,罗盘上0 0 与与180180 连线及框架上的偏重块
16、都在框架连线及框架上的偏重块都在框架的垂直平分平面内的垂直平分平面内(即钻孔弯曲平面内即钻孔弯曲平面内),偏重块与,偏重块与180180 线同侧。这样一来,在倾斜钻孔中线同侧。这样一来,在倾斜钻孔中180180 线必定指向钻孔线必定指向钻孔弯曲方向。此时,弯曲方向。此时,0 0 线与磁针指北方向的夹角就是钻孔线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角。的磁方位角。(如右图如右图)钻孔弯曲的测量及仪器及仪器地磁场定向原理图钻孔方位角示意图磁通门磁通门n n磁通门测量地球磁场沿固定轴线的强磁通门测量地球磁场沿固定轴线的强度。图示为线圈缠绕的软铁芯。如果度。图示为线圈缠绕的软铁芯。如果把这个铁芯放在把
17、这个铁芯放在 变化的磁场中,磁流变化的磁场中,磁流将集中在这种线圈中并在电线中产生将集中在这种线圈中并在电线中产生电流。电流的大小取决于暴露在磁场电流。电流的大小取决于暴露在磁场中透磁量的大小。如果线圈放在与磁中透磁量的大小。如果线圈放在与磁场成场成9090度时电流将最大,其他位置时度时电流将最大,其他位置时电流减小。因此电流的大小可以度量电流减小。因此电流的大小可以度量出磁场和线圈的角度。但是只有变化出磁场和线圈的角度。但是只有变化的磁场才能产生电流,而地球的磁场的磁场才能产生电流,而地球的磁场是不变的而且也不能移动线圈因为这是不变的而且也不能移动线圈因为这样会减低方向测量精度。线圈必须保样
18、会减低方向测量精度。线圈必须保持固定并且与测量工具的一个参考轴持固定并且与测量工具的一个参考轴对齐。用磁通门装置可以测量磁场沿对齐。用磁通门装置可以测量磁场沿特定轴强度。特定轴强度。磁通门原理磁通门原理两个同样的线圈反方向绕线。交变电流通过主线圈产生磁场使芯饱和。如无外磁场,则电压为零,因为线圈反方向。但是,若有外磁场存在,则一个铁芯会比另一铁芯提前饱和,引起电压输出错相位,产生电压脉冲。因此设置在与外磁场一定角度的检测线圈会产生一个与通过磁环磁流变化率大小相对应的电压。而这个电压的大小也与外磁场强度相对应。所以三轴磁通门可以测定地球磁场沿三个正交轴线的分量。陀螺仪陀螺仪n n陀螺的原意为高速
19、旋转的刚体,而现在一般将能够测量相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器,其功能是敏感运动体的角度、角速度和角加速度。陀螺仪有两大特性,即定轴性和进动性。n n陀螺特性陀螺特性n n定轴性:如果陀螺不受外力矩作用,则主定轴性:如果陀螺不受外力矩作用,则主轴在惯性空间永指向确定方向轴在惯性空间永指向确定方向,陀螺的这种特性称为定轴性定轴性。n n进动性:对陀螺施力,则陀螺主轴的运动并不发生在力的作用平面内,而是与此平面垂直。陀螺的这种特殊运动称为进动进动。高速旋转陀螺支撑于自身的转轴及内、高速旋转陀螺支撑于自身的转轴及
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