定向井轨迹测量及方位控制

中国石油大学（钻井工程）实验报告
实验日期：2014.11.12 成绩：
班级：班学号：姓名：教师：郭辛阳
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、磁工具面角）；
2.了解现场常用的电磁测斜仪的基本结构和测量原理，直观认识磁干扰现象；
3.掌握目前现场常用的随钻定向（或扭方位）操作方法。

4.定向（或扭方位）是指设法将实测的装置方位线转到校正方位线上（定向），或设定的装置方位线上（扭方位），钻井现场通常称之为摆工具面。

二．实验仪器
图1.电磁测斜仪
YSS-32测斜仪具有使用方便、准确、可靠性高等优点，是较好的油田钻井测斜仪器设备之一，其技术参数如下：
（1）工作温度范围：6~105℃；
（2）预热时间：30min；
（3）存储点数：1455点；
（4）电源：8节或4节2号碱性电池；
（5）初始延时：1s～18h（连续可变）；
（6）测量间隔：5s～18h（连续可变）；
（7）测量精度见表1。

三．电磁测斜仪结构及工作原理
3.1 电磁测斜仪结构
电磁测斜仪（探管）是测量的核心部件，由测量头、电子柱和电池筒组成，如图2所示。

其中，测量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，可以测量出重力场和地磁场在探管坐标系上的分量。

图2 YSS-32电子单多点测斜仪
加速度计是用来将输入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。

图3磁液悬浮加速度计原理
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。

3.2 测量原理
3个加速度计和3个磁通门的输入轴分别平行于直角坐标系。

设3个加速度计的重力场分别分量为gx，gy，gz；3个磁通门分量分别为Hx，Hy，Hz。

图5 井斜角
图 6 重力工具面角 图7 磁工具面角
)
a r c t a n (y
x
g g G T F =
图8 井斜方位角
结合电磁测斜仪测量结果和仪器位置，直观认识井眼轨迹参数及造斜姿态参数：
z
y
x g g g 22arctan
+=
α)
arctan(y
x
H H MTF =()()
()⎪⎭
⎪
⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⋅+⋅++⋅-⋅=x x y y z y x z x y y x g H g H g g g H g H g H g 2
2arctan φ
（1）井斜角：小于90度和大于90度两种情况；
（2）井斜方位角：3~4个不同的方位；
（3）重力工具面角（GTF）：4个特殊的位置；
（4）磁北工具面角（MTF）：井斜角较大和较小两种情况。

有线随钻定向和无线随钻定向具有不同的底部钻具组合。

采用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。

随钻定向或扭方位时，马达角差（或累计角差）和方位修正角（磁偏角）要预先输入计算机程序。

随钻定向方法可以直接按工具面角来摆工具面。

图9 随钻定向（或扭方位）示意图
（1）井斜角<3~5°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>3~5°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＋装置角
b.加压后：磁工具面(MTF)＝测量方位＋磁偏角＋装置角
c.加压前：高边(GTF)＝反扭角＋装置角
d .加压后：高边(GTF)＝装置角
四．思考题
（1）磁干扰的来源有哪些？如何排除磁干扰？
（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？
解答：（1）磁干扰的来源：
1.无磁钻铤和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.仪器测点离动力钻具或配合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.钻井液中磁性物质产生的磁干扰；
6.磁性物质掉入钻具内并卡在测量仪器外筒边缘。

排除磁干扰的措施：
1.更换造成磁干扰的井下工具；
2.采用陀螺测斜仪；
3.上提测斜仪器：（1）准确测量动力钻具角差，以便后期准确判断和施工；
（2）开始施工时，尽量摆正工具面，并及时测斜，计算造斜率；
（3）钻进至一定井段后将测斜仪器缓慢上提1-3m ，测真实方位； （4）分析实际方位与预期定向方位的差别，计算达到预期方位工具面所需的钻进长度； （5）钻井一定深度后及时测斜，方位达不到要求重复上述步骤。

4.注入清钻井液：如果钻井液存在磁性物质造成磁干扰，可钻进至一定井段起钻通井，利用非磁性物质（如重晶石）加重钻井液封隔井底处需要修正轨迹的井段，然后再投测多点。

（2）推导下面的公式：
})
()()
(arctan{
2
2x x y y z y x z y y x x g H g H g g g H g H g H g ⋅+⋅++⋅-⋅=φ
方位角是在水平面内从磁北方向顺时针旋转到Z 轴的夹角。

如图，轴1V 是井眼方向在水平面内的投影。

轴2V 与轴1V 垂直，方位角φ可由下式求得：
2
1
V tg V φ=
将x H 、y H 、z H 投影到1V 和2V 轴上，可得：
αφαφαcos sin cos cos sin 1z y z H H H V ++= φφsin cos 2y x H H V -=
其中：g
g g y
x 22sin +=
α，g
g z
=
αcos ，22sin y
x
x g
g g +=φ，22cos y
x
y g
g g +=
φ
联立上述方程，可得：
()()
()⎪⎭⎪
⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⋅+⋅++⋅-⋅=x x y y z y x z x y y x g H g H g g g H g H g H g 2
2arctan φ。