定向井有关知识

第四节 定向井测量仪器为了满足在不同情况下进行井眼轨迹控制的要求，近年来，用于井眼轨迹测量的仪器有 了很大的进步，出现了多种使用方便、测量精确、性能可靠的井眼测量仪器。按照仪器的结 构、性能、工作方式，可归纳为磁性测斜仪和陀螺测斜仪两大类，达十种之多。（单点测斜仪黛像测斜仪I多点测斜仪囲点工作方式”磁性测斜仪电子测斜仪多点工作方式角线随钻喻钻测斜仪冼线随钻得点陀螺肚点陀螺陀螺测斜仪和子陀螺运面记录陀螺一、磁性单点照像测斜仪1常温单点测斜仪1）结构组成（1）外筒总成 定向用外筒总成有绳帽、活动联轴节、扶正接头、加长杆、密封接头、仪器筒、下连 接器、定向杆、定向鞋。 投测用外筒总成有打捞头、活动联轴节、扶正接头、上连接器、仪器筒、下连接器、 加长杆、减震引鞋。（2）测角机构总成测角机构总成包括：罗盘、照像机、定时器（机械钟或电子定时器）或传感器（非磁传 感器或运动传感器）、电池筒。（3）打捞杆总成（用于仪器回收）打捞杆总成包括：绳帽、加重打捞杆、卡瓦式打捞矛。2）辅助设备、工具包括胶片盒、显影罐、阅读器、铅模、测斜绞车、管钳、秒表。3）性能、规范 测量参数。井斜角、磁方位角、造斜器工具面角。 测量范围。为井斜角0120，方位角0360 ,工具面角0360 测量精度。为井斜角土 0.5。，方位角土 1。 工作温度不超过100 C。 电源4.5V, 2号碱性电池3节。 仪器杆外径为44.45mm （13 / 4 ）4）用途。用于井下定向造斜、测量井斜角、方位角、扭方位。5）操作注意事项 进行投测时，测角机构的罗盘向上，不得倒置。 定向用仪器外筒总成不得投测。 定向杆的定向鞋缺口必须与仪器悬挂装置上的刻线在同一条直线上，下井前须检查、 校准。2高温单点测斜仪 高温单点测斜仪与常温单点测斜仪的工作原理和基本结构相同。其耐高温性能好，是因 为将仪器的测量系统装在一个特制的隔热套筒内，可用于260C高温的深井测斜，连续工作 可达 4h。二、磁性多点照像测斜仪1常温磁性多点测斜仪1）结构组成 仪器杆外筒总成包括打捞头、联轴节、扶正短节、加长杆、上连接器、仪器筒、下连 接器、加长杆和减震引鞋。 测角机构总成包括罗盘、照像机总成、胶片盒、马达、定时器和电池筒。 打捞杆总成包括绳帽、加重打捞杆和卡瓦式打捞锚。2）辅助设施 包括阅读器、显影罐、暗袋、多点胶片、秒表、管钳等。3）性能、规范 仪器筒外径为卩/4（44.45mm）。 仪器外径为li/4（31.75mm）。 胶卷尺寸为10mmX2400mm；拍片量在350张以上；拍照时间间隔为1. 2. 4. 8min 四个档次。 电源15 V， 5号电池10节。 测量参数及范围为井斜角0120，方位角0360 工作温度不超过 100C4）用途 用于没有磁干扰的大段井眼进行多点测量。测取井眼轨迹计算所需的基础参数。拍照时 间间隔的长短，应根据实际需要在下井前设定。2.高温磁性多点照相测斜仪1 ）性能、规范 仪器杆外径为 l3/ 8（34.78mm）。8 仪器外径为 11/ 16（27mm）。16 胶片规格是8mmX 1800mm,拍片量在485张以上。2）多点测斜仪使用注意事项 多点测斜仪照像机暗盒的胶卷长度应根据需要测量的点数决定，并留有余量。 井下计时器应和地面秒表同步启动，并作好记录。 仪器下井前应进行地面试验，外筒连接丝扣用管钳紧扣，防止松扣、损坏仪器。三、随钻测量仪器随着定向钻井技术的迅速发展，用于井眼轨迹控制的随钻测量仪器也有很大发展。根据 测量仪器的结构特点和测量参数的传输方式可分为有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪 （MWD ）两大类。1有线随钻测斜仪（SST）1 ）系统描述 有线随钻测斜仪主要由井下测量系统，地面信号接收、转换、显示系统，信号传输电缆 及其密封装备三部分组成。（1）井下测量系统a.探管总成 探管是测量井眼各种参数的心脏。它主要由磁通门（磁力计）、重力加速度计等测量原 器件和电子线路组成。电子线路把井下测量的井眼参数转变成电信号，通过单芯电缆传输给 地面仪器。b.仪器外筒总成 主要由电缆头总成、外筒扶正短节、上连接器、仪器筒、下连接器、加长杆、定向鞋组 成。（2）地面接收、转换、显示系统a.地面计算机数据处理系统井下仪器把井眼参数以电信号的形式传输给地面计算机系统，计算机把接收到的各种井 眼参数的电信号进行信号放大、译码处理，分别以数字形式直观显示在面板显示屏、地面司 钻读出器和输入打印机，把测量的井眼参数打印出来。地面计算机系统是随钻测斜仪的控制中心。它为井下仪器和地面仪表提供电源；监控仪 器的工作状况并随时指示仪器出现的各种故障；选择仪器的工作方式和测取你所需要的井眼 参数。b.司钻读出器 把从计算机控制系统输出的信号以数字形式和指针表盘把井眼参数（井斜角、方位角、 工具面角）直观展现在司钻操作台前。以便司钻根据井眼轨迹控制的要求合理选择钻井参数 （钻压、转速、排量）。C.信号传输电缆及其密封装置 主要由单芯电缆、电缆车（或电缆拖撬）、高压循环头（或电缆旁通接头）、液压管线 及手压泵组成。旁通接头结构简单、使用方便，接单根不需要起下电缆。但应注意保护井口电缆，防止 打扭、挤坏电缆。高压循环头有利于保护电缆，但每次接单根都要把井下仪器提到钻柱最上面一根钻杆 内，接上单根后再下到井底座键。2）性能 测量参数。它包括井斜角、方位角、磁性工具面角、高边工具面角、磁倾角、磁场强 度、探管工作温度等。 液晶显示和打印功能，通过计算机系统显示面板和司钻读出器直观显示各测量参数并 通过打印机打印出来。 探管工作温度为120C，超过120C应加探管隔热罩，以保证探管正常工作。 监测异常磁干扰和仪器的其他故障。3）用途 定向井定向造斜、扭方位。 直井侧钻。2. 无线随钻测斜仪（MWD）1）系统描述 无线随钻测斜仪，是通过钻井液的液柱压力脉冲，传递井下探测仪器测取的井眼参数的 编码数据；地面接收压力传感器监测液柱压力脉冲，然后由地面计算机进行解码处理，以数 字形式显示出来并打印出来。无线随钻测量仪器可分为井下探测仪器总成和地面接收仪表及 数据处理系统两大部分。（1）井下探测仪器总成 井下仪器主要由非磁钻铤短节、电源部分、井眼参数探测器（探管总成）、脉冲发生器 和定向总成组成。井下仪器有可回收式和不可回收式两种系列。 非磁钻铤短节，为磁性探测仪器提供一个没有磁干扰的工作环境，防止钻柱磁场对磁 性探测仪器的影响。 电源部分，为电子线路、井下探测仪器和脉冲发生器提供电能。由电池或涡轮发电机 提供。 探测仪器。由三轴加速器、三轴磁力仪、温度控制器等各种测量参数的电子原件组成。 测取各项井眼参数并进行处理编码。 脉冲发生器。接受地面控制系统发出的编码指令，把探测仪器测取的各项井眼参数的 编码数据通过钻井液压力脉冲传至地面压力脉冲转换器。（2）地面接收仪表及数据处理系统 该系统主要包括：脉冲接收检测器、脉冲信号过滤器、地面计算机、测量参数显示器、 记录仪、司钻读出器、打印机、图形记录仪和操作终端等。 脉冲接收检测器。检测由井下脉冲发生器通过钻井液传到地面的脉冲信号，经过滤器 输入地面计算机。 地面计算机。计算机是地面系统的控制中心。它具有多种功能。最终信号过滤、编码 脉冲检测、解码、数据处理、计算和数据显示与输出。 测量参数显示和司钻读出器。直观显示测量的各项井眼参数：井斜角、井斜方位角、 磁性工具面角及高边工具面角等。 打印机、图形记录仪。打印随钻测量结果及测井曲线图等。2）性能 测量井眼参数：井斜角、方位角、磁性工具面角、高边工具面角、井眼温度、压力、 磁场强度。 测量钻井参数：钻头钻压、扭矩、转速、环空压力。 测量地层参数：自然伽玛、地层电阻率、孔隙度等。 仪器工作温度不大于125C。 地面显功能。在计算机面板和司钻读数器上可直观显示测的井眼参数。 计算绘图功能。由计算机、操作终端、打印机和图形记录仪组成的地面系统，可以根 据需要打印出仪器的系统参数和井眼参数，井眼轨迹计算和输出井下工具发出的信号图形。 不同类型的随钻测斜仪能够测量的井眼参数、钻井参数和地质测井项目也不相同。作 业者可根据设计井的具体情况（钻井目的、钻井工艺难易程度、钻井成本等）选用相应的测 量仪器。3）用途 定向井定向造斜、扭方位和随钻监控井眼轨迹。 直井段和斜井段转盘钻井的井眼轨迹控制。 导向钻井系统中的井眼轨迹控制。 大斜度井、水平井井眼轨迹控制及提供部分常规地质测井项目。 地层参数测井。四 电子测斜仪（Electronic Survey System,简称 ESS） 电子测斜仪是一种先进的磁性测斜仪器。它可以进行井眼参数测量和井眼轨迹计算。ESS采用三轴磁力仪和三轴或双轴重力加速计测量井眼方位角和井斜角。每一个测点可以分 别记录三个重力矢量（GX、GY、GZ）、三个磁通门参数（BX、BY、BZ）、探管温度、 电池电压和井眼参数，并储存在探管的存储器内，提出仪器后再经计算机终端、打印机把 探管存储器里的数据进行回放和打印出来。1ESS 的技术指标工作温度不超过 125C温度测量精度1C13人( 35mm)553/4( 1.42m)811 / 2( 2.07m)0。1 800.l0 3601(井斜角 10。，磁倾角V70)1(井斜角V20，磁倾角V80)1(井斜角 10) 0.2 微特拉斯( MICROTESLAS) 0.003G井斜角测量范围 井斜角测量精度 方位角测量范围 方位角测量精度 磁性工具面测量精度 高边工具面测量精度 磁场强度测量精度 重力测量精度 仪器外径 仪器长度（包括电池筒） 单点工作方式 多点工作方式 2系统描述电子测斜仪主要由井下仪器和地面数据回放、打印系统两部分组成。1）井下测量仪器总成 仪器外筒（压力保护筒）：打捞头（或绳帽）、仪器杆、加长杆、减震弹簧、定向鞋（或减震引鞋）。 测量机构总成：电池筒、探管总成（包括磁通门）、重力加速计、传感器、单点（或 多点）程序模块、数据回放接口。2）地面数据回放、打印系统打印机终端、探管与打印机电缆、接头、电源与打印机终端导线。3电子测斜仪的工作方式1 ）单点工作方式在单点工作方式下， ESS 可测量井斜、方位、磁场强度、重力高边工具面等参数。单点工作方式的软件为：ESSO1DATATIME。（DATA、TIME为出厂日期，ESS01 表示单点软件）。可以测 24 个点。2）多点工作方式多点工作方式的软件为：ESS02DATATIME。可用于定向取心，ESS和专用的取心 工具配合使用，可对地层的倾角，倾向等地层产状进行分析。多点方式可连续测量1000个 测点。五、陀螺测斜仪 陀螺测斜仪是一种不受大地磁场和其他磁性物质影响的测斜仪器。适用于有磁干扰或磁 屏蔽环境条件下的井眼测量。陀螺测斜仪器按其测量方式和性能可以分为：单点陀螺测斜仪、多点陀螺测斜仪、电子 陀螺测斜仪（BOSS）和地面记录陀螺测斜仪（SRO）四种。1单点陀螺测斜仪1 ）系统描述单点陀螺测斜仪是一种由水平转子陀螺、测角机构。相机和控制短节组成的机械式照相 测斜仪。它主要由井下测量仪器系统和地面测试、瞄准器和附助装备系统组成。（ 1）井下仪器a.仪器外筒总成（图1031） 打捞头、钢丝绳接头、活动联轴节、上扶正短节、密封接头、仪器筒、控制接头、电池筒、下密封接头、下胶棒扶正短节、定向杆（包括定向鞋）。 b.测量机构总成水平转子陀螺、测角器、单点照相机、电池筒、计时器。 （2）地面仪表、附助设施 陀螺预热箱、监控测试箱、望远镜（瞄准器）、万用表、秒表、三角架、定向臂 电缆（或钢丝）绞车、天滑轮、地滑轮、显影罐、阅读器、管钳等手工具。 2）性能、规格仪器杆外径为 2in（50.8mm ），陀螺外径为 l12im（38.1mm ）。 测量参数为井斜角070，方位角0360 ,工具面角0360 工作温度为120 C。 陀螺漂移率小于 6h。3）用途 有磁干扰情况下定向造斜、扭方位。 在套管内定向开窗侧钻。2多点陀螺测斜仪球轴承旋转触接头II气泡水准仪电池筒（长42in）定向臂嵌入的凹槽厂控制接头装瞄准目的凹槽仪器筒（长66in）-气泡水准仪定向槽下胶棒扶正器组合（12个） 厂塞堵V“UPE 可调整的斜口管鞋“O”型环触头图10-31. 2单点陀螺测斜仪i）系统描述（1）井下仪器a外筒总成外筒总成包括打捞头、绳帽、活动联轴节、上扶正器（灯笼式）、仪器筒、控制接头、 电池筒、下扶正器、密封接头和减震引鞋（见图 1032）。i-LI, DK接头 I縄帽匕扶正器 同定螺何贻终在上商）O塑环桎制接头、|；F扶疋器加大疋寸的塞堵凸头塞堵 挡环电池簡（民44刼山）i固定爆堆总在上而j I 、陀煤矩形插头最 定向销融头监控器连接器图10-32 3第点陀關装配图b.陀螺仪测量、照相机构总成 该部分主要有：水平转子陀螺、测角机构、多点相机、电池筒、计时器。多点相机为一程序控制的多次照相机构。它主要由镜头、灯泡、胶片盒、微型马达、电 磁阀、程序器和电池筒组成。电池为胶片走片和灯泡提供电源。程序器、电磁阀控制走片和灯泡爆光的时间间隔。 （2）地面检测仪表和附助设备 监控箱。检查陀螺的电流、电压、电池电压。 预热箱。预热陀螺，不少于15min。 瞄准器（望远镜）组合。 定向三角架、定向臂组合。 胶片盒、暗袋、阅读器、地面秒表。 电缆绞车、天（地）滑轮。 罗盘、管钳。2）用途 多点陀螺测斜仪用于套管和钻杆内或有磁干扰的井段进行多点测斜。3）测量步骤（1）建立参照目标，确定参照目标与井口的相对方位。（2）装电缆滑轮，穿电缆、作电缆头。（3）装多点相机胶卷。检查电池筒内的电池电压和照相机灯泡。（ 4）组装仪器外筒，准备检测仪表，附件和手工具。（5）预热陀螺，检查陀螺漂移。检查陀螺的电池电压。（6）安装井口定向三角架。（7）将仪器外筒吊上钻台，座入定向三角架上，卸掉仪器筒上部外筒。（ 8）按装下瞄准器组合。（9）将预热好的陀螺装在控制接头上。使陀螺仪游标零点对着测量（观测）人员。（10）装上瞄准器，检查陀螺游标零点。（11）瞄准。使上、下瞄准镜都对准预先选定的参照目标。（12）校核陀螺标度盘的读数，用监控箱测量陀螺电压、电流，并记录。（13）将装好的照相机总成的计时器与地面秒表同步启动，检查照相机工作情况。（14）将测角机、相机与陀螺连结好。(15) 提起仪器保护筒与控制接头连接(注意扶正仪器保护筒，不损坏陀螺仪)，用力 拧紧丝扣。(16) 用下瞄准镜对准参照目标，等lmin，拍下三张初始照片。(17) 将陀螺仪旋转6090使瞄准镜对准参照目标，拍一张照片。进行一次地面 漂移检查。( 18)卸下下瞄准镜，提起仪器，移开定向三角架。( 19)下放仪器，当测角机构至转盘面时，将电缆深度计调零。( 20)平稳下放仪器，按预先设定的测点间距进行测量。电缆操作人员一定注意平稳操 作，以保证测量精度。(21) 在测量过程中，每1015min作一次陀螺漂移检查。(22) 仪器距离井底10m时停止下放，上提测量并进行上测漂移检查。( 23)仪器接近井口时应缓慢上提。当控制接头提出转盘面时，将定向臂装在控制接头 上，仪器座在定向三角架上。( 24)装上瞄准镜，对准参照目标。(25) 作5min地面漂移检查。(26) 将仪器旋转 6090 拍照，作为最后时间校对数据。(27) 卸掉仪器保护筒(注意保护仪器)。从陀螺上取下照相机总成。(28) 观察相机工作情况，当看到相机灯泡亮时，卸掉相机电池筒，停止地面秒表，并 作好记录。(29) 将瞄准镜对准参照目标，检查并记录陀螺游标刻度盘的读数。(30) 用监控箱测量陀螺电压、电流和电池筒电压。(31) 卸掉瞄准器，从控制接头的陀螺坐上取下陀螺，装在预热箱上，让其自己停下来。( 32)将下部仪器外筒提出井口，移走定向三角架。(33)冲洗胶片，读片，检查陀螺内框架误差，计算陀螺漂移率，并且修正测量数据。( 34)完成测斜数据表，填写测斜报告。( 35)清洗并回收测斜仪器、仪表、工具。3. 地面记录陀螺(SRO)1) 系统描述(1)井下仪器总成 SRO探管。 水平转子陀螺。 仪器外筒(包括仪器帽、电缆头、扶正短节、上连接器、仪器筒、电池筒、加长杆、 定向杆)。( 2)地面仪表及设施 地面计算机。 打印机。 陀螺预热箱。 万用表。 定向三角架总成。 瞄准器组合。 司钻读出器。 电缆绞车、滑轮及手工具。2) 用途 在有磁干扰的井眼中定向造斜及扭方位作业。 在套管内定向开窗侧钻。3）特点 使用地面记录陀螺进行定向、扭方位、侧钻，可以从地面读数器监视井下造斜工具的 工具面角，定向井人员可以把工具面调到需要的方向上。 操作地面记录陀螺的人员必须熟练掌握有线随钻测斜仪（SST）和水平转子陀螺测斜 仪的操作程序。 地面记录陀螺校正漂移和中心校正均由计算机完成，由打印机打印出测量结果。比单 点陀螺操作简便、效率高。4电子陀螺测斜仪（BOSS）1）系统描述 电子陀螺测斜仪由井下测量仪器、测量参数信号传输系统和地面数据处理、打印系统三部分组成。（ 1）井下测量仪器 BOSS陀螺探管。 BOSS 底座。 电池筒。 仪器外筒总成。包括电缆头、保护筒、加长杆（或带轮加长杆）、扶正器、托环等。 （2）测量参数信号传输系统 传输电缆（总电阻不得超过2300）。 电缆绞车（或电缆拖撬）。 滑环及连接导线。（ 3）地面仪表 BOSS计算机。 BOSS打印机。 探管测试架。 瞄准器组合。 袖珍罗盘。 万用表、兆欧表。 变压器。（ 4）其他 电缆滑轮。 仪器支架。 附件及手工具。2）仪器性能 测量参数及精度。井斜角090,0.1 （ii）方位角 0 360 ,0.2。（iii）温度一 10C 125C。 计算机显示功能。（i）测量深度。（ii）井斜角。（iii ）方位角。（iV）温度。（V）测量时间。 陀螺漂移率不大于 8h。 陀螺探管预热时间为 30mm 仪器工作温度范围。(i) 井下探管一10C 125C。(ii) 地面计算机0C3 5C 最多能测取的参数量。(i) 测斜点数290个。(ii) 漂移检查64点。(iii) 测量时间为9h (斜井中23h)。 电源110135V (交流)。 漂移检查(i) 两次漂移检查时间间隔不大于10min(ii) 两次漂移检查之间各测点间狗腿度累计不得超过8。3)用途、特点 用于套管内、钻杆内或其他有磁干扰的井眼内进行多点测斜及数据处理。 有TIEIN测量功能当需要进行 BOSS 陀螺测斜的待测井段的上部井眼，已进行过测斜，且数据准确、可靠， 可以在已测量过的井段中选择45个测点作为TIEIN点，把BOSS陀螺测斜仪下至选择 好的 TIEIN 点，从地研计算机输入该点的井眼参数，并对已知的测点重复测量，如测量 的参数与原测量数据一致，BOSS陀螺测斜仪工作正常，可从TIEIN点(连接点)开始按 照要求进行下面井眼的测量。注意：TIE 一 IN测量的条件。(i) TIEIN 点的测斜数据必须准确、可靠。(ii) 井斜角应大于20 。(iii) 选择的TIEIN点不应靠近套管鞋，因方位在套管鞋附近有小的变化。(iV) TIEIN 点的方位应一致。