唐志文，王秀春，楊玉豐

（中國石化勝利石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)公司，山東 東營257064）

由于國內(nèi)油田多年的大面積開發(fā)，油藏開發(fā)逐漸步入中后期，油藏開采的難度不斷增加，鉆井施工中定向井、水平井所占比例逐漸增大，而MWD技術(shù)也得到越來越廣泛的應(yīng)用，因此結(jié)合現(xiàn)場施工的特點研究新的配套技術(shù)及儀器對提高鉆井效率、節(jié)約鉆井成本具有重要意義。

1 MWD無線隨鉆測量及角差簡介

MWD是在鉆井過程中進行井下信息實時測量和上傳技術(shù)的簡稱，MWD的最大優(yōu)點是可實時地“看”到井下的情況，從井底測量參數(shù)到地面接收數(shù)據(jù)只延誤幾分鐘，因此MWD的應(yīng)用將會大幅提高鉆井施工的準(zhǔn)確度和效率［1-6］。

1.1 勝利定向井公司DWD無線隨鉆測量系統(tǒng)

勝利油田定向井公司1991年從美國Sperry-Sun公司引進正脈沖定向MWD隨鉆測量儀器（簡稱DWD），1999年又從該公司引進了隨鉆地質(zhì)評價儀器FEWD成套設(shè)備，測量參數(shù)包括定向參數(shù)、自然伽馬、電磁波電阻率、中子孔隙度、地層密度及井下鉆具振動量。目前，定向井公司的DWD共有Super slim、350、650和1200四類，其中350、650及1200系統(tǒng)又各有新、舊兩種。

DWD無線隨鉆測量儀器由地面部分、井下部分及輔助工具、設(shè)備組成，其工作原理是利用儀器內(nèi)的渦輪發(fā)電機將部分鉆井液的能量轉(zhuǎn)化成電能為探管供電，同時鉆井液脈沖發(fā)生器將探管探測到的數(shù)據(jù)通過鉆井液傳遞到地面，地面上采用鉆井液壓力傳感器檢測來自井下儀器的鉆井液脈沖信息，并傳輸?shù)降孛娼獯a箱進行處理，最終井下儀器所測量的井斜角、方位角和工具面數(shù)據(jù)等信息可以顯示在計算機或DDU司鉆閱讀器上。

1.2 角差

角差是井底儀器內(nèi)方位傳感器方位測量零點與動力鉆具彎接頭方位的差值。在MWD儀器下井之前，需要進行角差測量并需將角差值輸入MWD配套軟件中，儀器入井后開始正常工作時，地面工作軟件所顯示的工具面值就是井底儀器所測到的方位值經(jīng)角差值修正后的值。

角差是影響MWD測量系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，在一口井的施工過程中，如果施工人員所測量的角差值出錯或偏差較大，將會嚴(yán)重影響該井的正常施工，情況嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致填井重鉆或井眼報廢［7-9］。

2 MWD角差測量方法分析

DWD儀器的角差分為儀器內(nèi)部角差和工具面角差，儀器內(nèi)部角差即沿鉆具內(nèi)鉆井液流動方向，由沖管鍵槽順時針旋轉(zhuǎn)到探管標(biāo)志端的角度；工具面角差即沿鉆具內(nèi)鉆井液流動方向，由無磁懸掛刻線順時針旋轉(zhuǎn)到動力鉆具刻線的角度。

目前，儀器內(nèi)部角差的測量儀器及方法都比較成熟，可以準(zhǔn)確的測出儀器內(nèi)部角差，但是現(xiàn)有的工具面角差測量儀器及方法仍存在很多問題?，F(xiàn)場通常采用的工具面角差測量方法是在無磁懸掛刻線處固定一個標(biāo)志物，然后提升鉆具直至動力鉆具刻線處，然后目測無磁懸掛標(biāo)志物在動力鉆具圓周處的位置并做標(biāo)記，測量該標(biāo)記順時針到動力鉆具刻線處的圓周長度及此處動力鉆具周長，最后通過計算得出MWD的工具面角差。

此種方法有如下缺點：（1）采用目測方法確定無磁懸掛刻線位置準(zhǔn)確度低且受天氣影響大。當(dāng)鉆具提升到動力鉆具刻線位置時，無磁懸掛刻線處距離地面近20m，采取目測的方式準(zhǔn)確度低，受天氣以及光線條件的影響大，遇陰天、雨、雪、大風(fēng)等天氣狀況時很難確定無磁懸掛刻線位置。（2）使用卷尺測量長度精度低，且卷尺易被鉆井液污染。使用卷尺測量圓周長度時，卷尺是否水平或緊貼動力鉆具壁面都會影響測量精度，測量前需花費時間清理動力鉆具壁面，且動力鉆具上端殘存的鉆井液會持續(xù)下流，容易污染卷尺。（3）人為因素易導(dǎo)致角差測量出錯。鉆井施工是全天候作業(yè)，深夜或凌晨測量角差時，施工人員容易出現(xiàn)失誤導(dǎo)致測量出錯。

3 激光式MWD工具面角差測量儀設(shè)計

針對以上問題，筆者設(shè)計一種適合現(xiàn)場使用的新型激光式MWD工具面角差測量儀。

3.1 測量儀的工作原理

主要由上部裝置和下部裝置兩部分組成，上部裝置固定在無磁懸掛刻線處，由上部裝置本體、激光發(fā)射器、發(fā)射器護蓋和上部固定裝置等組成；下部裝置由下部裝置本體、刻度盤、限位螺栓、下部固定裝置和刻度指針等組成（圖1）。

其工作原理是在無磁懸掛上固定一個紅色激光發(fā)射器，且使發(fā)射器與刻線在同一半徑方向，在動力鉆具在安裝一個角度刻度盤，且使其0度刻線與紅色激光光點在同一半徑方向，此時動力鉆具刻線處對應(yīng)的角度即MWD的工具面角差。

工作步驟：首先將上部裝置本體上的標(biāo)記處與無磁懸掛刻線對齊，然后通過固定裝置將其與無磁懸掛固定連接，再打開激光發(fā)射器放入發(fā)射器安裝孔并通過發(fā)射器護蓋固定好，然后提升鉆具使動力鉆具刻線處位于井口合適位置，再轉(zhuǎn)動下部裝置本體，使紅色激光光點與角度刻度盤的0度刻線在同一半徑方向，然后固定下部裝置本體，將另一半刻度盤插入卡槽并用限位螺栓固定，最后讀取動力鉆具刻線所對應(yīng)的角度，該角度即是MWD的工具面角差。

圖1 激光式MWD工具面角差測量儀結(jié)構(gòu)

3.2 測量儀的原理設(shè)計

3.2.1 測量儀上部裝置

如圖2所示，上部裝置本體是一個月牙形部件，其內(nèi)側(cè)圓弧將與無磁懸掛緊密貼合，裝置內(nèi)側(cè)分布有均勻的齒狀增摩帶以及鉆井液通道；上部裝置本體兩側(cè)各有一個固定圓環(huán)用于連接鏈條；在上部裝置本體中部有一個圓孔，用來放置紅外激光發(fā)射器。激光發(fā)射器由發(fā)射器本體和電池組成。上部固定裝置由鏈條、鎖緊板及鎖緊螺栓組成，鏈條連接上部裝置本體與固定裝置，當(dāng)逐漸旋緊鎖緊螺栓時，將增大上部裝置本體與無磁懸掛間的接觸壓力，從而增大兩者間摩擦力。

3.2.2 測量儀下部裝置

如圖3所示，下部裝置本體內(nèi)側(cè)圓弧與動力鉆具緊密貼合，且均勻分布有增摩帶和鉆井液通道，本體上側(cè)與角差下刻度盤為一體，兩側(cè)各有一個固定圓環(huán)用于連接鏈條；上刻度盤與裝置本體配合后，再通過限位螺栓固連。下部固定裝置結(jié)構(gòu)同上部。

如圖4所示，刻度指針內(nèi)側(cè)的圓弧面可以與刻度盤外側(cè)緊密貼合，通過移動手柄將指針沿刻度盤外側(cè)轉(zhuǎn)動，當(dāng)外側(cè)指針與動力鉆具刻度線對準(zhǔn)時，利用鎖緊螺栓固定指針，此時的角度即為工具面角差。

圖2 上部裝置原理設(shè)計

圖3 下部裝置原理設(shè)計

圖4 刻度指針設(shè)計

3.2.3 測量儀的優(yōu)點

（1）利用激光傳輸，準(zhǔn)確度高。從無磁懸掛刻線處發(fā)射的激光是與鉆具軸線近似平行的直線，可以準(zhǔn)確地反映無磁懸掛刻線的位置，比目測的精度提高數(shù)倍，而且受雨、雪、大風(fēng)等惡劣天氣的影響較小。

（2）通過角度盤讀取角差，精度高。這種方法省去了利用卷尺測量圓周長度的步驟，提高測量精度的同時也節(jié)省了測量時間。

（3）設(shè)計有鉆井液通道，儀器不容易被污染。鉆具壁上殘存的鉆井液可以通過鉆井液通道下泄，不會污染儀器，同時齒狀的增摩帶可以大幅增加裝置本體與鉆具之間的摩擦阻力，保證儀器的穩(wěn)定。

（4）減弱了人為因素的影響。角度刻度盤上的角度順時針增加，動力鉆具刻線對應(yīng)的角度即工具面角差，可以避免施工人員失誤讀錯角差。

（5）成本較低，操作簡單。儀器的材質(zhì)沒有特殊要求，儀器的操作非常簡單，適用于現(xiàn)場施工。

4 結(jié)論與建議

（1）針對MWD儀器工具面角差測量方法及儀器落后的問題，設(shè)計了一種新型激光式MWD角差測量儀，并介紹了其工作原理和工作步驟，相對于目前現(xiàn)場采用的工具面角差測量工具及方法，激光式MWD工具面角差測量儀具有準(zhǔn)確度高、精度高、成本較低、操作簡單等特點。

（2）筆者僅進行了測量儀的原理設(shè)計，下一步要做的工作有：計劃設(shè)計一個輔助檢測裝置，確保激光發(fā)射器發(fā)射的激光線與鉆具軸線共面平行；不同型號的動力鉆具其外徑不同，而且受磨損、老化等因素影響，動力鉆具的外徑也在變化，計劃將裝置本體改進為尺寸可調(diào)型。

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