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【测姿测向】定向井和水平井钻井技术

新闻发布人:admin 新闻发布时间:2010-09-20 12:05:20
                                      定向井和水平井钻井技术

定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜,钻达地下预定目标的一门科学技术”。
实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。钻进一定的井段后,要进行测斜,被测的点叫测点。两个测点之间的距离称为测段长度。每个测点的基本参数有三项:井斜角、方位角和井深,这三项称为井身基本参数,也叫井身三要素。
1.测量井深:指井口至测点间的井眼实际长度。
2.井斜角:测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。
3.方位角:以正北方向线为始边,顺时针旋转至方位线所转过的角度,该方向线是指在水平面上,方位角可在0—360°之间变化。
我们根据钻井用到的惯性产品的技术进行总结,分析各个技术中使用惯性陀螺及加速度计的优势,最后给出适合钻井技术的惯性产品。
一、井眼轨迹控制技术
井眼轨迹控制的内容包括:优化钻具组合、优选钻井参数、采用先进的井下工具和仪器、利用计算机进行井眼轨迹的检测预测、利用地层的方位漂移规律、避免井下复杂情况等等。
轨迹控制贯穿钻井作业的全过程,它是使实钻井眼沿着设计轨道钻达靶区的综合性技术,也是定向井施工中的关键技术之一。
井眼轨迹控制技术按照定向井的工艺过程,可分为直井段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段和扭方位井段等控制技术。我们根据造斜段所需要的测斜仪进行分析。
根据测斜仪器的种类不同,分为四种定向方式:
1.单点定向
此方法只适用造斜点较浅的情况,通常井深小于1000米。因为造斜点较深时,反扭角很难控制,且定向时间较长。施工过程如下:
(l)下入定向造斜钻具至造斜点位置(注意:井下马达必须按厂家要求进行地面试验)。
(2)单点测斜,测量造斜位置的井斜角,方位角,弯接头工具面;
(3)在测斜照相的同时,对方钻杆和钻杆进行打印,并把井口钻杆的印痕投到转盘面的外缘上,作为基准点;
(4)调整工具面(调整后的工具面是:设计方位角+反扭角)。锁住转盘、开泵钻进;
(5)定向钻进。每钻进2~4个单根进行一次单点测斜,根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭矩的误差,并调整工具面;
(6)当井斜角达到8~10度和方位合适时,起钻换增斜钻具,用转盘钻进。
2.地面记录陀螺(SRO)定向
在有磁干扰环境的条件下(如套管开窗侧钻井)的定向造斜,需采用SRO定向。这种仪器可将井下数据通过电缆传至地面处理系统,并显示或用计算机打印出来,直至工具面调整到预定位置,再起出仪器,施工过程如下:
(l)选择参照物,参照物应选择易于观察的固定目标,距井40米左右;
(2)预热陀螺不少于15分钟,工作正常才可下井;
(3)瞄准参照物,并调整陀螺初始读数;
(4)接探管,连接陀螺外筒,再瞄准参照物,对探管和计算机初始化;
(5)下井测量,按规定作漂移检查;
(6)起出仪器坐在井口,再次瞄准参照物记录陀螺读数;
(7)校正陀螺漂移,确定测量的精度;
(8)定向钻进。
3.有线随钻测斜仪(SST)定向
造斜钻具下到井底后,开泵循环半小时左右,然后接旁通头或循环接头。把测斜仪的井下仪器总成下入钻杆内,使定向鞋的缺口坐在定向键上。定向造斜时,可从地面仪表直接读出实钻井眼的井斜、方位和工具面,司钻和定向井工程师要始终跟踪预定的工具面方向,保持井眼轨迹按预定方向钻进。
4.随钻测量仪(MWD)定向
MWD井下仪器总成安装在下部钻具组合的非磁钻铤内,其下井前要调整好工作模式和传输速度,并准确地测量偏移值,输入计算机。仪器在井下所测的井眼参数通过钻井液脉冲传至地面,信息经地面处理后,可迅速传到钻台。MWD不仅可用于定向造斜,也可用于旋转钻进中的连续测量,是一种先进的测量仪器。
 
二、定向井专用工具——导向钻井系统
导向钻井系统(Navigation Drilling System。)是目前世界上先进的定向钻井系列工具,使用这种系统,可使工程人员在不起下钻的情况下就能够准确、连续、经济地完成多种定向作业以及复杂的长井段定向作业,即实现连续钻进和连续控制井眼轨迹。因此,八十年代这种连续控制井眼轨迹的技术出现后,很快就得到发展,并被推广应用于各类定向井及水平井中,而取得越来越显著的经济效益。
导向钻井系统主要由导向马达、MWD、PDC钻头组成。进行定向作业时,导向马达(DTU)锁住转盘,即和普通的动力钻具一样工作,所钻井眼为一圆弧;稳斜钻进时,转动钻柱,由于钻头偏距和侧向力都很小,钻柱旋转钻出的井眼就是斜直的,达到稳斜的目的。由于配有MWD仪器,可随时监测井眼轨迹,如果再配上耐用的PDC钻头,可实现在不起钻的情况下连续控制井眼轨迹。
导向钻井系统最大的特点是用一套钻具组合实现多种定向作业,这样就节省了大量的起下钻时间,缩短了建井周期,节约了钻井费用,因此对昂贵的海上钻井有特别重要的意义。其主要优点有:
(l)及时控制井眼轨迹,提高钻井的准确性。采用MWD跟踪监测井眼轨迹,一旦发现轨迹不合要求,便可随时进行方位和井斜的调整,提高井眼轨迹的精度;
(2)减少起下钻次数,提高钻井效率。由于使用一套井下钻具组合,就能完成多种定向作业,减少了起下钻的次数,从而避免许多井下事故的发生;
(3)充分发挥钻头潜力,提高机械钻速。由于导向动力钻具的多功能性,减少了为控制井眼轨迹而进行的起下钻,从而得以优化钻头使用效果。钻头受到的侧向力一般较小,也有利于延长钻头寿命和增加钻头进尺。
(4)利用计算机技术监测与预测井眼轨迹以及导向马达和钻头的工作性能,能及时调整有关可控因素、钻进方式,确保井眼轨迹控制得以安全、准确、迅速、连续地进行。
 
三、测量仪器
定向井测斜仪器可分为两大类,十几种规格,我们只介绍六种。
1.单点测斜仪
这种仪器主要由外筒总成、测角机构总成和打捞杆总成三部分组成。其中测角机构总成为其心脏部分,包括罗盘、照像机、定时器(机械或电子式)或传感器(蒙乃尔运动传感器)、电池筒。常用的罗盘为10°、20°和90°三种。
单点测斜仪可用于走向钻井的各项施工作业,可用投测或吊测两种方式测量井斜、方位和工具面,普通单点测斜仪的工作温度<125℃,高温单点测斜仪的工作温度<250℃,测量精度为:井斜角±0.5°,方位角±l°。
单点测斜仪价格便宜,但测斜时间长,易发生井下事故。目前我国海洋定向井使用较少。
2.电子多点测斜仪(ESS或ESI)
ESI电子多点测斜仪采用三轴磁通门和三轴加速度计分别测量方位和井斜。每个测点除记录井斜和方位外,还可记录温度、电池电压和井眼参数,所有测量结果全部储存在探管的储存器里。提出仪器后,再经过计算机、打印机把结果打印出来。
ESI或ESS具有操作简单、经久耐用、测量精度高等优点,是一种较先进的测斜仪器。
(1)ESI互的技术指标
工作压力:95.5兆帕(13848磅/英寸2)
工作温度:0~125℃
温度精度:±3℃
方位精度:l°(井斜>10°,磁倾角<70°)
井斜精度:±0.l°
地磁场强度:±0.2°微泰斯拉(micro Teslas)
地磁倾角:±0.2°
存储量:1500测点
测量间隔:10~600秒
延迟时间:10~9999秒
抗压管长:3.70米(12英尺)
抗压管直径:44.5毫米(13/4英寸)
(2)ESS的技术指标
工作温度:不超过125℃
温度测量精度:±l℃
井斜角测量范围:0~18°
井斜角测量精度:±0.1°
方位角测量范围:0~360°
方位角测量精度:±1°(井斜角>10°,磁倾角<70°)
磁性工具面测量精度:±1°(井斜角>10°,磁倾角<70°)
高边工具面测量精度:±1°(井斜角>10°)
磁场强度测量精度:±0.2°微泰斯拉
重力测量精度:±0.003G
仪器外径:35毫米(13/8英寸)
仪器长度(包括电池筒):单点工作方式1.42米(553/4英寸)
                            多点工作方式2.07米(811/2英寸)
3.有线随钻仪
有线随钻测斜仪主要由井下测量系统、地面计算机系统和绞车三部分组成。探管是井下测量系统的心脏,它主要由两套传感器(三轴磁通门和三轴加速度计)、其他传感器及电子线路组成。探管的功能是测量井眼的各种参数,电子线路把各种参数变成电信号,通过单心电缆把电信号输给地面计算机系统。计算机把各种电信号进行放大、译码处理,分别以数字形式直观显示在显示屏、司钻读数器和输入打印机,然后由打印机把各种井眼参数的测量结果打印出来。
地面计算机系统是有线随钻仪的控制中心,为井下仪器提供电源,监测井下仪器的工作状况,选择仪器的工作方式,测量所需要的井眼参数。绞车用于起下电缆(井下仪器),电缆通过旁通接头和高压循环头进入钻杆内。
4.无线随钻仪(MWD)
(1)工作原理简介
无线随钻仪(MWD)由井下仪器总成、地面接收仪表和地面处理系统三大部分组成。以斯派里森MWD为例,简述MWD的工作原理如下:
MWD的井下部分,在下井之前,预先按定向井工程师对所采集测量数据的要求,进行特定的模式设置,组装在专用的非磁悬挂短节内,随钻具组合一起下井。由井下发电机(通过泥浆流动)供应电源,测量信号的输出由泥浆压力脉冲来完成。在立管上安装信号接收装置(压电感应器),信号接收装置接收压力脉冲信号,并将信号转换成电信号传输给地面计算机,计算机系统对电信号进行放大、处理、译码,分别以数字形式直观显示在显示屏、司钻读数器和输入打印机,也可传输到遥远的基地办公室。
(2)MWD的类型
MWD信号传输系统可分为泥浆压力脉冲和电磁波两种,通常采用第一种传输方式。泥浆压力脉冲又可分为正脉冲、负脉冲、连续波三种形式。井下仪器部分有可回收式和不可回收式两种。
我国海上常用的三种MWD类型如下:
斯派里森MWD属于正脉冲形式,井下仪器不可回收。
哈里伯顿BGD型MWD为负脉冲形式,井下仪器不可回收。
安纳聚尔slim Ⅰ型MWD为正脉冲形式,井下仪器可以回收。
5.随钻测井系统(LWD)
1992年,我国海洋石油开始使用最先进的随钻测井系统(LWD),它可以进行实际测井,完全替代电测。在大斜度井、水平井等方面具有很大的优势。LWD是在MWD的基础上,增加了多种用于电测的井下传感器,
使井下传感器增加到三十多个。因此,除了测量井眼参数以外,LWD还可以测量井下钻压、扭矩,以及测井资料,如伽马、地层电阻率、中子等。但LWD价格昂贵,维修保养也比较困难。
无论MWD还是LWD,其最大的优点是可以使司钻和地质家能有效地“看”到井下实时发生的情况。由于井下测量参数与地面接收数据之间只有几分钟的滞后时间,从而改善和缩短了决策过程。
6.地面记录陀螺(SRO)
(1)系统描述
井下仪器包括:SRO探管、水平转子陀螺、仪器外筒(包括仪器帽、电缆头、扶正短节、连接器、仪器筒、电池筒、加长杆、定向杆)。
地面仪表及设施包括:地面计算机和打印机、陀螺预热箱、定向三角架总成、瞄准器组合、司钻读出器、电缆绞车、滑轮及手工具和万用表。
(2)用途
  • 在有磁干扰的井眼中走向造斜及扭方位作业。
  • 在套管内定向开窗侧钻。
(3)特点
  • 使用地面记录陀螺进行定向、扭方位、侧钻,可以从地面读数器监视井下造斜工具的工具面角,定向井人员可以把工具面调到需要的方向上。
  • 操作地面记录陀螺的人员必须熟练掌握有线随钻测斜仪(SST)和水平转子陀螺测斜仪的操作程序。
  • 地面记录陀螺校正漂移和中心校正均由计算机完成,由打印机打印出测量结果,比单点陀螺操作简便、效率高。
四、适合钻井系统惯性产品
综上所述,加速度计和陀螺仪是钻井测斜必需的高精度传感器,在各种测斜系统中具有举足轻重的作用,因此选择合适的惯性产品是系统优良的保障。
湖北天门信正科技有限公司依靠多年的行业积累,已经与国内外知名惯性传感企业建立良好的合作关系,立足国内,为国内用户提供高性价比的钻井测斜定向产品。
下面是可以提供的部分产品列表,供客户查询:
(欢迎行业内人士来电索取详细资料)
1. FH2000M系列石英挠性加速度计
2. JB-03 微型加速度计
3. 瑞士Colibrys加速度计
  • MS8000
  • MS9000D
4. NV系列加速度计
  • NV-QA100单轴石英挠性加速度计
5. WSJ系列石英加速度计
  • WSJ-Ⅱ/B型石英加速度计
  • WSJ-Ⅱ/C型石英加速度计
6.APS系列钻井定向模块
  • MODEL750高精度定向传感器
  • MODEL751伽马传感器
  • MODEL850高精度定向传感器
  • MODEL533微型三轴磁通门磁力仪
  • MODEL534微型三轴磁通门磁力仪
  • MODEL535微型三轴磁通门磁力仪
  • MODEL543高速角定位传感器
  • MODEL544微型角定位传感器
  • MODEL547微型角定位传感器

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