石工定向井轨迹测量及方位控制.doc

中国石油大学（钻井工程）实验报告
实验日期： 2014 成绩：
班级： 石工11 学号： 姓名： 教师：
同组者：

定向井轨迹测量及方位控制
一、实验目的
1.直观认识井眼轨迹参数（井斜角，井斜方位角）及造斜工具姿态参数（重力工具面角，磁工具角）。
2.了解常用电磁测斜仪的基本结构和测量原理，直观认识磁千扰现象。
3.定向及扭方位操作演示（或井眼轨迹测量操作演示）。
二、实验仪器
（1）电子单多点测斜仪（探管）1套：YSS-32电子单多点测斜仪；
（2）测斜仪校准台1台；
（3）定向及测斜杆件1套（定向杆，抗压筒，加重杆各1个）；
（4）定向接头；
（5）计算机1台：预先安装与测斜仪配套的操作软件。

三、 实验原理
以北京海蓝科技公司的YSS-32电子单多点测斜仪（以下简称测斜仪)为例，简单介绍常用的电磁测斜仪结构及测量原理。
YSS系列电子单多点测斜仪是类似于国外ESS的测斜仪器，具有使用方便、准确、 可靠性高等忧点，是较好的油田钻井测斜仪器设备之一。该测斜仪的技术参数如下：
（1）测量精度见表1 ;
（2）工作温度范围：+ 6〜105°C ；
（3）预热时间：30min:

3.1测斜仪的结构
测斜仪主要由探管、接口电源箱、计算机、打印机、连接电缆等组成（见图2)。另外，抗压筒、引鞋组件、加长杆等机械部件也是测斜仪下井不可缺少的重要组成之一。
探管是测斜仪的核心部件，由测量头、电子柱和电池筒组成。其中，测星头有引入工具面基准的T形槽头和安装传感器的台体。台体上安装3个加速度计和3个磁通门， 可以测堂出重力场和地磁场在探管坐标系上的分量。测斜仪无论处于哪种状态，都可以通过各传感器的测量值计算出井眼参数。

(1) 加速度计

加速度计是用来将输人速度变成与之对应的电压（或电流）或脉冲频率的传感器。 其中，磁悬浮加速度计抗冲击能力较强、结构简单、精度适中的，在钻井测斜仪上被广泛采用。磁悬浮加速度计由敏感头和伺服电路组成，见图3。
敏感头的结构是在灌满磁性液的圆柱体内放罝圆柱头永久磁铁（磁钢)，在圆柱体的外部绕有2个绕组，圆柱体的两端用端盖密封。磁钢的两端吸附一些磁性液体中的磁性小颗粒，在磁钢两端形成由磁性液体形成的支撺，把磁钢悬浮起来，使磁钢在圆柱体内作轴向自由移动，且摩擦力很小，起到提高灵敏度和保证阻尼参数作用。当圆柱体轴向(称之为加速度计的输入轴)输入加速度时，磁钢受惯性力的作用偏离零位。磁钢的偏移引起2个绕组的电感值变化（一侧变大，另一侧变小)，导致激磁电压在两绕组的分布发生差异，即其压降不相同，这一差异就是由2个绕组和磁钢构成的位移传感器上的输出电压。该电压经伺服电路的前置放大、相敏解调、积分功放后，通过采样电阻将反馈电流加到两绕组的中点上，流过绕组的电流在圆柱体内产生电磁场，这一磁场作用干磁钢上，产生反向推力。所产生的推力大小刚好与作用于磁钢上的惯性力相平衡，完成了输入加速度转换成电流的功能，在釆样电阻上可获得电压。这一电压在一定的条件下，就正比于输入加速度，即：
（1）
式中，-输出电压；-采出电压；-力发生器传递系数；m-摆质量；a-输入加速度。设计时保证和m不变，改变阻值来改变加速度计的比例系数。
磁液悬浮加速度计的灵敏度和线性度可达10mm/s2、0.1%,能够满足测斜需要。
（2）磁通门
磁通门又称磁通计，是将输入磁通转换成与之对应电压的传感器。如图4所示，磁通门由一对带骨架的绕组和外壳所组成。在骨架内孔放置导磁率高、饱和磁感应强度小、磁滞回线窄的磁性林科一一磁芯。完全相同的一对磁组合件平行地装入不导磁的外壳内，用密封材料密封。两个绕组的始端分别接在两个引线端子上，两个末端接在第三个引线端子上。通过两个始端入交流激磁电压，使磁芯在激磁电压达到峰值时进入饱和区。当沒有外磁场时，两磁芯的磁状态相同，沒有输出，即磁芯内的磁通变化相同，其正负脉冲幅度相同。当外磁场不为零时，一对磁芯中的磁通量均增大，由于激磁电压是反接的，因此一个磁芯加深饱和状态，另一个磁芯退出饱和区，由此所产生的正负脉冲的幅度是不相同的，其差异随外磁场的增大而变大。脉冲经前罝放大、解调、积分功放后通过采样电阻加到两绕组的末端，所流过的电流产生磁场，其大小几乎等于外磁场，但其方向相反，电流的大小和方向取决于外界磁场。从采样电阻可获得与外界磁场磁感应强度成正比的电压输出，即
（2）
式中，-磁通门输出电压；-采样电阻；-绕组电阻；-磁发生器传递系数；B-输入磁感应强度。
磁通门磁组合件和伺服电路一起测星出磁芯方向（输入轴)上的磁感应强度。灵敏度高的磁通门可敏感0.005左右，我国地磁一般为60左右。
3.2测量数据处理
3个加速度计和3个磁通门的输入轴分别平行于台体直角坐标系。设3个加速度计上的重力场分别分量为，，: 3个磁通门上的分量分别为，。
(1)井斜角
如图5所示。在垂直面内的直三角形中，井斜角是从垂直线到Z轴（加速度计轴） 的夹角，井斜角α可由下式求出：
（3）

(2)工具面角
工具面角分重力工具面和磁性工具面。重力工具面角GTF是沿井眼向下看时，由 重力矢量所确定的高边和y轴（加速度计轴,工具面基准）之间的夹角。如图6，重力工具面角GTF可由下式求得:
重力工具面角：（4）
磁工具面角MTF是磁北极与y轴的夹角。当井斜角小于一定值时，重力工具面角无法准确测出，即使测出也极不准确，此时采用磁工具面角，即
（5）
（6）

有井斜方位角计算公式可以看出：井斜、重力高边工具面角与加速度计输出有关; 磁方位、地磁倾角等参数涉及到6个传感器的输出。
校准测斜仪时，若井斜、工具面角超差，应注意检查、校准加速度计的有关部位。在校准精度时，首先校好加速度计，再校其它才是合理的。
四、 操作演示内容
与实验目的相对应，操作演示实验内容有以下4个方面。
4.1认识井眼轨迹参数及造斜工具姿态参数
（1） 井斜角：在井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的方向为井眼方向线。井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。
（2） 井斜方位角：某测点处的井眼方向线投影到水平面上，称为井眼方位线,或井斜方位线；以正北方位线为始边，顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度，即井斜方位角，简称方位角。
（3） 装罝角（重力工具面角，GTF ):以高边方向线为始边，顺时针旋转到装罝方向线上所转过的角度，称为造斜工具的装罝角。
（4） 装罝方位角（磁工具面角，MTF ):装罝角与井斜方位角之和。
4.2认识磁干扰现象
将金属物件，比如钥匙、磁铁、铁棒等物体接近探管接头，然后看计算机上相关数据的变化，可以直观感受磁千扰现象。
4.3定向及扭方位操作演示
定向（或扭方位）方法主要有以下三种方法：单点定向法、有线随钻定向法、无线随钻定向法。定向（或扭方位）就是设法将实测的装罝方位线转到校正方位线上（定向），或设定的装罝方位线上（扭方位）的过程，钻井现场通常称之为摆工具面。
（1）单点定向方法
①具体流程
a.下入造斜钻具至造斜点位罝。
b.单点测斜，测星造斜位罝的井斜角、方位角和工具面。
c.在测斜的同时，对井口钻杆，方钻杆，地面钻杆进行打印，并把井口钻杆的印痕投到转盘的外缘上,作为基准点。
d.调整安罝角（设计方位角+反扭角),锁住转盘，开泵钻进。
e.定向钻进,每钻进1-2根进行单点测斜,根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭角，并调整造斜工具的安罝角。
f.定向造斜至并斜角8"左右、方位合适，起钻更换转盘増斜钻进。

定向角=校正后的设计方位+反扭角+磁偏角+马达角差一磁工具面(MTF)。
起始角=定向角+转盘角差
起始角+钻杆角差(累计求和）+方钻杆角差=转动角（以转盘标志线为基准线，方 钻杆的基准棱顺时针转过的角度）
其中，弯马达与定向直接头之间的角差如图9所示。测斜结束后、定向钻进之前， 将钻柱顺时针旋转某个角度（定向角)，那么装置方位线就旋转至定向方位线上了。

注意：读角差时左负右正或者是顺正逆反（从上望下看)。每次测斜之后就重新计算定向角、起始角、钻杆角差。
a. 当前井斜角>3°时按扭方位对待。
定向角2=装罝角+反扭角+动力钻具角差-高边工具面(GTF)
测斜结束之后、扭方位钻进之前，如果将钻柱顺时针旋转至某个角度（定向角）， 此时的装罝方位线就旋转至设定的装罝方位线上。
a. 井斜角>5°以后要求使用重力高边工具面(GTF)
（2） 随钻定向方法

①井斜角<3°时：直接定向
a.加压前：磁工具面(MTF)=校正方位+反扭角+磁偏角
b.加压后：磁工具面(MTF)=校正方位+磁偏角
②井斜角>3°时：按扭方位对待
a加压前：磁工具面(MTF)=测量方位+反扭角+磁偏角+装罝角
b加压后：磁工具面(MTF)=测量方位+磁偏角+装罝角
c加压前：高边(GTF)=反扭角+装罝角
d加压后：高边(GTF)=装罝角
注意：随钻定向或扭方位时，动力钻具角差和方位修正角（磁偏角）要在工作前确认准确无误后输入计算机。
五、 思考与讨论
（1）磁干扰的来源有哪些？如何排除磁千扰？
答：1.①无磁钻铤或无磁承压钻杆存在磁干扰；
②动力钻具或定向配合接头存在强磁干扰；
③仪器测点距动力钻具或定向接头太近导致磁干扰；
④邻井套管对定向钻井造成的磁干扰；
⑤钻井液中的磁性物质产生磁干扰；
⑥磁性物质掉入钻具内并卡在测量仪器外筒边缘。
2.①更换井下工具；
②更换测斜工具；
③上提测斜仪器。
（2） 有线随钻定向和无线随钻定向的底部钻具组合及其异同？
图11 有线随钻定向示意图
答：
有线随钻定向配套如图11所示,无线随钻则不采用电缆和测井绞车及通缆水龙头。由此可知，有线随钻定向和无线随钻定向的底部钻具组合是一样的。若采用弯接头+直马达，钻具组合：钻头+直马达+弯接头+无磁钻铤+钻杆；若采用直马达+弯接头，钻具组合：钻头+弯马达+直接头+无磁钻铤+钻杆。不过有线随钻定向时需要测量马达角差（弯马达与直接头之间），采用无线随（MWD）钻定向时除了需要马达角差，还需要测量无磁钻铤两端螺纹联结处与定向接头、MWD短节之间的角差，计算出累计角差。