陀螺測斜儀在長慶油田的推廣應用

賀紅民 孫建偉 吳少威 石慶平 王志興 楊 平

(中國石油測井有限公司長慶事業部 陜西西安)

陀螺測斜儀在長慶油田的推廣應用

賀紅民 孫建偉 吳少威 石慶平 王志興 楊 平

(中國石油測井有限公司長慶事業部 陜西西安)

文章介紹了撓性陀螺測斜儀的工作原理以及在長慶油田的實際應用情況。該項技術彌補了中油測井長慶事業部在測井、垂直井定向射孔工藝技術的一項空白,滿足了油田上特殊施工環境的工作要求。并為射孔新工藝在長慶油田的推廣提供了基礎。

撓性陀螺測斜儀;定向射孔

0 引 言

陀螺測斜儀[1]是國內外近些年來開發的一種測井儀器,其工作原理是以地球的自轉角速度方向和重力為參考,應用速率陀螺和加速度計構成捷聯式數學平臺進行定向參數的測量,從而具有自動尋北的功能。這種定向射孔陀螺測斜儀不需要地面初始對準,使用時只需輸入當地地理緯度即可實現真北方位測量,是一種先進的慣導級陀螺測量儀器,彌補了普通連斜儀器測方位時受周圍磁場影響的缺陷。它主要用于老井側鉆套管開窗,套管內、裸眼井等有磁環境下井眼軌跡測量,臨近井等有磁性干擾環境下的定向側量以及垂直井定向射孔。

1 陀螺測斜儀工作原理

陀螺測斜儀使用的是撓性陀螺儀,這種陀螺儀的轉子由撓性接頭支承,它是一種無摩擦的彈性支承。最簡單的結構是做成細頸軸,如圖1所示。轉子借助于撓性接頭與驅動軸相連,驅動電機帶動驅動軸經過撓性接頭使轉子高速旋轉,從而使轉子具有動量矩H。由于接頭很細,當陀螺轉子高速旋轉時,若底座傾斜,由于轉子具有定軸性,就造成轉子的旋轉軸線與電機驅動軸的軸線不重合。所形成的角動量H和驅動軸之間的夾角可分別通過裝在兩個正交進動軸上的角度傳感器來測量。根據所得角度對陀螺轉子施加力矩,產生修正和補償效應,并間接用以測量陀螺儀的輸入角速度。對轉子施加控制力矩,是通過在正交的進動軸上所裝的力矩器來實現。

2 尋北原理

地球的自轉可以看作是地球坐標系相對慣性坐標系的轉動,在設定了地理坐標系后,我們就可以計算當地地理坐標系的絕對角速度。若我們以“北、西、天”為地理坐標系,在地球表面的任意一點,可以將地球自轉角速度量分解為沿地球經線指向真北的水平分量ωn和沿地球垂線指向天頂方向的垂直分量ωu,如圖2所示。

圖1 撓性陀螺示意圖

圖2 地球自轉角速度在地理坐標系上的投影

圖2中:

ωs=0

ωn=ωcosθ(水平分量);

ωu=ωsinθ(垂直分量);

ω為地球自轉角速度;

θ為地球表面的任意一點的緯度角。

如果陀螺自轉軸沒有指向北方,偏東α角,如圖3所示,由圖中可看出,北向水平分量還可以沿x,y軸分解成兩個分量,即在陀螺儀自轉軸上的分量。

圖3 地球角速度分量相對陀螺主軸的變化

另一個是對陀螺轉子的分量

地球自轉引起陀螺儀主軸的變化規律可歸納為:地球角速度分量ωu的作用,將使陀螺自轉軸的方位角發生變化;地球自轉角速度在y軸上的分量ωy的作用,將使陀螺自轉軸的高度角發生變化。

由此,可以利用慣性技術進行測量地球自轉角速度的水平分量獲得地球某位置的北向信息,這就是尋北的基本原理。

3 主要技術指標

主要測量參數:井斜角、方位角、工具面角、探管溫度等定向參數。

測量范圍與精度:

1)傾斜角:0～90°,誤差:±0.3°;

2)傾斜方位角:0°～360°,誤差:井斜＜2°時,數據可信,井斜＜6°時,誤差±4°,井斜＞6°時,誤差±2.5°;

3)高邊工具面角:0～360°,誤差±1.5°;

4)陀螺方位溫漂:＜1°/h。

測量方式:定點測量。

4 應 用

4.1 測 井

石油鉆井作業中,如果鉆頭方向控制不好,就可能造成油藏層位缺失或井眼軌跡不規則,如果不能及時發現問題,將可能造成嚴重的井下事故,或者對井下環境的錯誤判斷。

例1:＊＊井,鉆井到500 m深時,發現有鐵屑出現,因為該井旁邊就有一口已經下了套管的井,所以,懷疑鉆井時方位沒有控制好,鉆到鄰井的套管上。最后決定進行井斜、方位的測量。但由于該井上邊300 m已下過套管,普通的連斜儀器受周圍鐵礦物的影響。所以,只能用陀螺儀測量。

該井通過4個小時順利完成了井斜、方位的測量,并畫出井眼軌跡圖與數據表,通過數據準確的反應出了當前井眼實際情況。

例2:＊＊井,井深1 300,鉆井時發現井況復雜,溢流。隨后給井內加入重晶石,結果加入的又太多。不能下入測井儀器進行測井。最后采取先下入套管固井,固井后井內液體是清水,再在套管內用陀螺測斜儀測量井斜、方位。

測量前的準備與測量時注意事項:

1)上井前效驗測斜儀,確保儀器狀態正常;

2)清楚該井所處當地緯度;3)儀器下井后,先要檢查儀器是否能正常測量。4)為達到更精細的測量效果,可采取每10 m停車測量。

5)測量過程中要注意纜頭電壓與儀器供電電壓及電流。

4.2 垂直井定向射孔

4.2.1 適應地層條件

對裂縫性地層射孔時[2],由于在沉積過程中,構造應力場會造成裂縫也具有相應的方向。射孔時,只有與裂縫方位一致的孔眼具有與裂縫連通的可能,而其它方向的孔眼根本就不存在與裂縫連通。如何實現射孔孔眼方向與裂縫一致,定向射孔技術能夠很好地解決這一難題。對易出砂地層射孔時,避開易出砂的應力方向,在不易出砂的最大主應力方向(軸的正向和反向角)進行射孔,從而達到防砂的效果。

另外,在油井開采一段時間后,地層流體壓力就會減小,此時就需要進行注水以保證所需的生產壓力。但是在注水開采中,往往會出現過早或過快的水淹情況,從而影響了油井的生產。裂縫和最大主應力方向是最容易造成過早或過快水淹的方向,如果在注水井中實施定向射孔,避開裂縫和最大主應力的方向,就可以避免生產井被水淹或延緩生產井被水淹的時間。

4.2.2 系統結構

射孔采用油管輸送方式,它主要由校正測量部分和射孔管柱兩大部分組成。

1)校正測量部分

(1)地面數控射孔儀器與CCL+GR井下組合儀器進行射孔器的深度定位;

(2)地面數控測斜系統與GYRO陀螺測斜儀進行射孔器的方位定位。

2)射孔管柱部分

主要由定向射孔器、起爆裝置、篩管、定方位短接、校深短接及油管管柱等組成。

校深短接是油管輸送射孔中校深定位中的標志性短接。

定方位短接[3]上有方位鍵,測方位時,在重力作用下,可將陀螺測斜儀底部的引斜槽自動導入方位鍵上。此時,陀螺測斜儀與管柱成為一個整體,方位鍵的方位與射孔器方位確定,即可得到射孔器的方位。可以從井口調節油管柱,使得射孔器的方位與射孔方位相同。4.2.3 工藝步驟

1)首先將射孔相位角為0°或180°的定向射孔器管柱在井口對接,定向射孔器射孔相位標志要與定方位短接鎖定方位鍵之間的相位應鎖定在同一個相位點上。然后用油管將其送到預計射孔井段位置附近。

2)用深度測量系統進行射孔器深度測量校正,通過調節管柱將射孔器定位在射孔井段。

3)用測斜系統進行射孔器方位確定,并通過井口轉動油管,將射孔器射孔方位調整到設計方向。

4)進行射孔點火操作。

5 結束語

陀螺測斜儀的應用,解決了在垂直井中實施定向射孔的技術問題,同時為在套管井或受周圍磁場影響較大的井眼內測量井斜、方位提供了技術支持,解決了石油開采作業中遇到的一些施工難題。所以,陀螺測斜儀不僅用在垂直井定向射孔可以提高單井產能、油氣田采收率、增產降耗。而且在遇到井況復雜或者對已下套管的井眼存在疑問時,可以用陀螺測斜儀進行測量驗證,以彌補前期施工中的失誤。需要注意的是在垂直井定向射孔前,一定要對射孔段的地層環境分析正確,否則可能出現相反效果。同時,撓性陀螺儀屬精密儀器,防震差,所以在運輸一定要禁止劇烈顛簸。使用中輕拿輕放,切勿敲擊。

[1] 于來發.陀螺定向測量[M].勘探科技技術,解放軍出版社.1992

[2] 王正國.定向射孔及其適用地質條件[J].國外測井技術,22,(4)

[3] 王界益,等.垂直井定向射孔技術在克拉瑪依油田的應用[J].測井與射孔.2008,25(2)

PI,2011,25(1):63～65

This paper mainly introduces the working principle of the flexible gyro deviation surveying instrument and its practical application in ChangQing oilfield.The technology fills in a technology gap in logging and vertical Wells directionally perforating by the ChangQing division of ZhongY ou logging,and meets special construction environmental requirements in the oilfield.It alos lays a foundation for the promotion of the new perforating technology in ChangQing oilfield.

Key words:The flexible gyro deviation surveying instrument,Directional perforating

and application of the gyro deviation surveying instrument in ChangQing oilfield.

He Hongmin,Sun Jianwei,Wu Shaowei,Shi Qingping,Wang Zhixing and Yang Ping.

P631.6+3

B

1004-9134(2011)01-0063-03

賀紅民,男,1974年生,工程師,1998畢業與石油大學(華東)應用地球物理專業,現在中國石油測井有限公司長慶事業部從事測井射孔工藝研究及測井儀器修理等工作。郵編:710201

2010-03-03編輯:梁保江)