重力MWD技術在國外的應用

徐占超

勝利油田鉆井工程技術公司定向井公司

常規MWD/LWD是磁性測量工具，是通過大地磁場來測量方位角的。在開窗側鉆和套管鉆井等作業中，制品等的磁力干擾源對測量儀器產生較大的影響，給井眼軌跡預測和控制帶來困難。為避免測量過程中磁場的干擾，美國PathFinde能源公司研制出了重力隨鉆測斜儀，即重力MWD。它是在常規MWD/LWD上裝置了一套三軸加速度傳感器取代傳統的磁力傳感器，通過兩組加速度計之間鉆柱固有彎曲來測量方位角的相對變化，從而確定測量位置處的軌跡參數。

一、重力MWD測方位角技術

1.MWD/LWD測量方位角的原理

常規MWD/LWD是以磁力儀作為測量方位角的主要傳感器，使用單個三軸磁力儀測量地球磁場的各個分量，從而獲取井眼方位角。磁場分量如圖1所示，圖中I表示地磁傾角，H表示磁場的強度，Hx，Hy和Hz是井筒磁場H在x、y和z軸上的分量，G表示重力方向。

圖1 磁力儀在井筒中的各磁場分量示意

由磁力傳感器的磁場分量和相關重力分量，得MWD/LWD在用磁力傳感器測量井眼方位角和磁性工具面角的表達式:

式中，α為井眼的方位角，（°）；βMTF為磁性工具面角，（°）；Gx、Gy、Gz為井筒重力場沿x、y、z軸的重力分量，m/s2。

在確定情況下，重力保持不變。在強磁場干擾的環境中，通過磁力傳感器的磁通量就不僅僅是大地磁場，還有外部干擾磁場的迭加，這給測量帶來誤差，進而給井眼軌跡的判斷或修正帶來障礙。

2.重力MWD測量方位角的原理

考察單個重力傳感器，可以根據傳感器測試體的重力分量計算得到井眼軌跡的井斜角和工具面角[2]，其計算公式為:

式中，αINC為井眼的井斜角，（°）；βTOF為工具面角，（°）。

兩組加速度計之間的關系對于推導井眼方位角非常重要的。在鉆鋌中，必須保證兩組加速度計上下互相對齊，且加速度計軸重合或相互平行。

兩組加速度計之間的角度變化被對應地換算成方位角變化(△)，圖2中的結點就表示方位角的變化。△反映底部鉆具組合上固定兩點之間的相對變化。通過單個重力傳感器可以測得傳感器所在位置的井斜角變化而知道兩組加速度計之間的方位變化，最后將△與一個已知的參照測量值α1’相加就得到井眼的實際方位角。

式中，α1為工具的實際方位角，（°）；α1'為參照測量的方位角，（°）；△為兩組加速度計角度的相對變化值，（°）。

圖2 兩組加速度計重力分量之間的關系

二、影響方位角測量的關鍵因素

1.傳感器之間的距離

重力MWD通過測量鉆鋌上兩點的相對變化來反映井眼軌跡的變化。在測量過程中應保證兩組傳感器測得的數據重疊(下部傳感器在新測量點所得數據應該覆蓋上部傳感器在前一個測量點所得數據)，以減小測量數據不斷累計產生的誤差。

2.參照測量方位角

參照測量方位角的測量精度取決于參照測量方位角的質量或精度必須準確控制前一井段的測量質量，并且盡量縮短測量間距，為后續的重力測量提供參照。

3.井斜的限制

建議井斜角小于3。或井斜角大于70。的井段不用重力MWD。并且，建議測量長度一般不超過300m。

三、國外應用情況

重力MWD儀器在國外多口井中的試驗表明，在磁性干擾比較強的井中測量結果精確。在英國Vis-count W1Z側鉆井中，應用重力MWD技術取得了顯著的效果。

在W1Z井鉆井過程中共進行了16次重力MWD測量，其中5次用于參照。各種測量數據見圖3

圖3 W1Z井重力MWD、磁性MWD和陀螺儀的測量結果

結論

1.重力MWD是一種依據重力原理測量井眼方位角的隨鉆測斜儀，能夠消除磁性干擾。它是在常規MWD/LWD上增加一組重力傳感器，利用兩組重力傳感器在下部鉆具組合上的角度變化來確定方位角。

2.重力MWD測量與兩組重力傳感器之間的距離、參照測量方位角和井斜角大小有關，對于井斜角小于3。和大于70。的井段應慎用重力MWD，同時重力MWD一般只用于磁性干擾井段的測量。

3.重力MWD技術應用廣泛，不但應用在套管鉆井，側鉆井和分支井，還可應用在鉆出套管鞋，繞過鄰井、救援井鉆井等。

[1]聶世軍，張軒，高揚.重力MWD技術在國外的應用[J].石油鉆探技術，2007，04:97-99.

[2]涂兵.MWD中泥漿脈沖信號辨識及地面適配技術研究[D].北京工業大學，2013.