合頁式—激光投影螺桿角差定位儀的設計探討

馬鴻彥等

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

關鍵詞：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 文獻標識碼：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塊開發大多都已經步入了中后期，伴隨著薄油層及剩余油藏的開發，大斜度井、水平井及多分枝井的鉆探技術已經成了當前的主流。在鉆井過程中，定向鉆井需要解決的關鍵技術之一，就是對井眼軌跡數據的準確測量與信息的實時傳輸。但是目前所用的進口或國產儀器由于技術上的不足（幾乎所有儀器都存在15～20米的探測盲區；在施工現場中存在人為導致測量誤差），給現場施工和后期的施工帶來很大的困難，嚴重時還造成填井事故。為了將人為導致的測量誤差減小到最低程度，我們設計了一種各方面都優于國內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備兩部分組成。用來提供實時地理參數和方向參數的定向探管是井下儀器的重要組成部分。它是利用當地已知的重力場和磁場作為基準來定義方向參數的，且根據該探管建立的坐標系和基準坐標系的相互關系來計算出方向參數和地理參數。其內置的測量頭裝有6個傳感器為3個加速度計Gx、Gy、Gz和3個磁通門Bx、By、Bz分別平行于OX、OY、OZ。以X、Y、Z、O為直角坐標系的XOZ平面與T形槽定位面平行。而Z軸平行于測量頭的軸向。所以當重力加速度計感受到其三個方向上的分量和三個磁通門感受到地磁場三個方向上的分量時，與其連接的相關電路通過一系列的運算將其轉化為泥漿脈沖信號傳到地面。然后通過地面的解碼設備解算出工具面、井斜、方位等實時數據提供給定向工程師。該測量頭被組裝后安裝在一個帶有“外部刻痕”（人為規定的能夠看到的標記）的無磁鉆鋌中。然后通過地面設備計算出“外部刻痕”與內部的T形槽之間的角度誤差。該誤差定義為MWD儀器內部T形槽與外部刻痕之間角度的差值——儀器內角差。

系統角差歸零：當MWD/LWD儀器與定向動力鉆具（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。而系統角差歸零的最終目的是將測量頭坐標系中XOZ平面和螺桿高邊線所在的平面通過一系列的測量和計算校正為兩個相互平行的平面。因此正常工作的時候地面儀器所顯示的工具面的角度就是螺桿所對應的高邊角度。工程師通過調整工具面的角度來調整螺桿的角度從而達到定向鉆井的目的。

3 不同儀器的螺桿（馬達）角差定位方法

3.1 進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果差別很大，與實際的系統誤差歸零相差20°～50°。由于儀器自身存在15～20米的探測盲區，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。一旦測量出來的實際值與之前的估計值相反，此時工程師如果再想達到剛開始的預期目的，就需要再次鉆進超過30米的井段才能實現。這樣不但延長了鉆井周期，增加了生產成本，而且使后期作業更加復雜。情況嚴重還會造成填井事故。

3.1.2 安全性差。該工具為金屬鏈條與三角架形成的閉環系統來固定在無磁鉆鋌上的。在極寒地區工作時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隨時有可能滑落調入井內造成復雜井下狀況或者傷害現場施工人員。

3.1.3 應用范圍小。該工具不能使用于任意尺寸的儀器，當無磁鉆鋌的直徑小于該閉環系統的內切圓直徑或大于第三條邊時，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品，一旦損毀，國內廠家不能大批生產。如果專門進口則會增加生產成本。

3.2 國產儀器普遍使用的螺桿角差定位方法

由于在國內使用的無線隨鉆儀器大多是國產。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、雨雪、大霧天氣尤其嚴重。現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

工作原理及優點：該定位儀由4個簡單的部件組成。

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境中不會被氧化上銹而造成折疊困難，不用單獨維護保養；二是操作簡單，體積小，重量輕，加工方便，價格低廉；三是一旦落入井內對鉆井不會產生影響。

4.2 激光指示器

由于激光具有高度定向性。如果利用激光的準直性進行測距與定位，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。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，所以當激光器發出的光束就和無磁鉆鋌的刻痕在同一平面內，得到的投影點就是刻痕的水平投影，從而取代目測找投影點的方法。

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投影儀固定在無磁鉆鋌上的。

5 結語

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、安全系數高、使用范圍廣、適應性強、體積小、重量輕、操作方便、成本低（總價格不超過20元錢）等優點，且在現場施工中證明了以上的特性，具有推廣意義。

參考文獻

[1] 陳愛新.隨鉆電阻率測井儀器分析[J].天然氣工業，2007，27（5）.

[2] 蘇義腦，竇修榮.隨鉆測量、隨鉆測井與錄井工具

[J].石油鉆采工藝，2005，（2）.

[3] 張春華，劉廣華.隨鉆測量系統技術發展現狀及建議[J].鉆采工藝，2010，33（1）.

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：探測制導與控制技術。

（責任編輯：周 瓊）