激光式MWD工具面角差测量仪设计

唐志文，王秀春，杨玉丰

（中国石化胜利石油工程有限公司 钻井工程技术公司，山东 东营257064）

由于国内油田多年的大面积开发，油藏开发逐渐步入中后期，油藏开采的难度不断增加，钻井施工中定向井、水平井所占比例逐渐增大，而MWD技术也得到越来越广泛的应用，因此结合现场施工的特点研究新的配套技术及仪器对提高钻井效率、节约钻井成本具有重要意义。

1 MWD无线随钻测量及角差简介

MWD是在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传技术的简称，MWD的最大优点是可实时地“看”到井下的情况，从井底测量参数到地面接收数据只延误几分钟，因此MWD的应用将会大幅提高钻井施工的准确度和效率［1-6］。

1.1 胜利定向井公司DWD无线随钻测量系统

胜利油田定向井公司1991年从美国Sperry-Sun公司引进正脉冲定向MWD随钻测量仪器（简称DWD），1999年又从该公司引进了随钻地质评价仪器FEWD成套设备，测量参数包括定向参数、自然伽马、电磁波电阻率、中子孔隙度、地层密度及井下钻具振动量。目前，定向井公司的DWD共有Super slim、350、650和1200四类，其中350、650及1200系统又各有新、旧两种。

DWD无线随钻测量仪器由地面部分、井下部分及辅助工具、设备组成，其工作原理是利用仪器内的涡轮发电机将部分钻井液的能量转化成电能为探管供电，同时钻井液脉冲发生器将探管探测到的数据通过钻井液传递到地面，地面上采用钻井液压力传感器检测来自井下仪器的钻井液脉冲信息，并传输到地面解码箱进行处理，最终井下仪器所测量的井斜角、方位角和工具面数据等信息可以显示在计算机或DDU司钻阅读器上。

1.2 角差

角差是井底仪器内方位传感器方位测量零点与动力钻具弯接头方位的差值。在MWD仪器下井之前，需要进行角差测量并需将角差值输入MWD配套软件中，仪器入井后开始正常工作时，地面工作软件所显示的工具面值就是井底仪器所测到的方位值经角差值修正后的值。

角差是影响MWD测量系统的一个重要参数，在一口井的施工过程中，如果施工人员所测量的角差值出错或偏差较大，将会严重影响该井的正常施工，情况严重的甚至会导致填井重钻或井眼报废［7-9］。

2 MWD角差测量方法分析

DWD仪器的角差分为仪器内部角差和工具面角差，仪器内部角差即沿钻具内钻井液流动方向，由冲管键槽顺时针旋转到探管标志端的角度；工具面角差即沿钻具内钻井液流动方向，由无磁悬挂刻线顺时针旋转到动力钻具刻线的角度。

目前，仪器内部角差的测量仪器及方法都比较成熟，可以准确的测出仪器内部角差，但是现有的工具面角差测量仪器及方法仍存在很多问题。现场通常采用的工具面角差测量方法是在无磁悬挂刻线处固定一个标志物，然后提升钻具直至动力钻具刻线处，然后目测无磁悬挂标志物在动力钻具圆周处的位置并做标记，测量该标记顺时针到动力钻具刻线处的圆周长度及此处动力钻具周长，最后通过计算得出MWD的工具面角差。

此种方法有如下缺点：（1）采用目测方法确定无磁悬挂刻线位置准确度低且受天气影响大。当钻具提升到动力钻具刻线位置时，无磁悬挂刻线处距离地面近20m，采取目测的方式准确度低，受天气以及光线条件的影响大，遇阴天、雨、雪、大风等天气状况时很难确定无磁悬挂刻线位置。（2）使用卷尺测量长度精度低，且卷尺易被钻井液污染。使用卷尺测量圆周长度时，卷尺是否水平或紧贴动力钻具壁面都会影响测量精度，测量前需花费时间清理动力钻具壁面，且动力钻具上端残存的钻井液会持续下流，容易污染卷尺。（3）人为因素易导致角差测量出错。钻井施工是全天候作业，深夜或凌晨测量角差时，施工人员容易出现失误导致测量出错。

3 激光式MWD工具面角差测量仪设计

针对以上问题，笔者设计一种适合现场使用的新型激光式MWD工具面角差测量仪。

3.1 测量仪的工作原理

主要由上部装置和下部装置两部分组成，上部装置固定在无磁悬挂刻线处，由上部装置本体、激光发射器、发射器护盖和上部固定装置等组成；下部装置由下部装置本体、刻度盘、限位螺栓、下部固定装置和刻度指针等组成（图1）。

其工作原理是在无磁悬挂上固定一个红色激光发射器，且使发射器与刻线在同一半径方向，在动力钻具在安装一个角度刻度盘，且使其0度刻线与红色激光光点在同一半径方向，此时动力钻具刻线处对应的角度即MWD的工具面角差。

工作步骤：首先将上部装置本体上的标记处与无磁悬挂刻线对齐，然后通过固定装置将其与无磁悬挂固定连接，再打开激光发射器放入发射器安装孔并通过发射器护盖固定好，然后提升钻具使动力钻具刻线处位于井口合适位置，再转动下部装置本体，使红色激光光点与角度刻度盘的0度刻线在同一半径方向，然后固定下部装置本体，将另一半刻度盘插入卡槽并用限位螺栓固定，最后读取动力钻具刻线所对应的角度，该角度即是MWD的工具面角差。

图1 激光式MWD工具面角差测量仪结构

3.2 测量仪的原理设计

3.2.1 测量仪上部装置

如图2所示，上部装置本体是一个月牙形部件，其内侧圆弧将与无磁悬挂紧密贴合，装置内侧分布有均匀的齿状增摩带以及钻井液通道；上部装置本体两侧各有一个固定圆环用于连接链条；在上部装置本体中部有一个圆孔，用来放置红外激光发射器。激光发射器由发射器本体和电池组成。上部固定装置由链条、锁紧板及锁紧螺栓组成，链条连接上部装置本体与固定装置，当逐渐旋紧锁紧螺栓时，将增大上部装置本体与无磁悬挂间的接触压力，从而增大两者间摩擦力。

3.2.2 测量仪下部装置

如图3所示，下部装置本体内侧圆弧与动力钻具紧密贴合，且均匀分布有增摩带和钻井液通道，本体上侧与角差下刻度盘为一体，两侧各有一个固定圆环用于连接链条；上刻度盘与装置本体配合后，再通过限位螺栓固连。下部固定装置结构同上部。

如图4所示，刻度指针内侧的圆弧面可以与刻度盘外侧紧密贴合，通过移动手柄将指针沿刻度盘外侧转动，当外侧指针与动力钻具刻度线对准时，利用锁紧螺栓固定指针，此时的角度即为工具面角差。

图2 上部装置原理设计

图3 下部装置原理设计

图4 刻度指针设计

3.2.3 测量仪的优点

（1）利用激光传输，准确度高。从无磁悬挂刻线处发射的激光是与钻具轴线近似平行的直线，可以准确地反映无磁悬挂刻线的位置，比目测的精度提高数倍，而且受雨、雪、大风等恶劣天气的影响较小。

（2）通过角度盘读取角差，精度高。这种方法省去了利用卷尺测量圆周长度的步骤，提高测量精度的同时也节省了测量时间。

（3）设计有钻井液通道，仪器不容易被污染。钻具壁上残存的钻井液可以通过钻井液通道下泄，不会污染仪器，同时齿状的增摩带可以大幅增加装置本体与钻具之间的摩擦阻力，保证仪器的稳定。

（4）减弱了人为因素的影响。角度刻度盘上的角度顺时针增加，动力钻具刻线对应的角度即工具面角差，可以避免施工人员失误读错角差。

（5）成本较低，操作简单。仪器的材质没有特殊要求，仪器的操作非常简单，适用于现场施工。

4 结论与建议

（1）针对MWD仪器工具面角差测量方法及仪器落后的问题，设计了一种新型激光式MWD角差测量仪，并介绍了其工作原理和工作步骤，相对于目前现场采用的工具面角差测量工具及方法，激光式MWD工具面角差测量仪具有准确度高、精度高、成本较低、操作简单等特点。

（2）笔者仅进行了测量仪的原理设计，下一步要做的工作有：计划设计一个辅助检测装置，确保激光发射器发射的激光线与钻具轴线共面平行；不同型号的动力钻具其外径不同，而且受磨损、老化等因素影响，动力钻具的外径也在变化，计划将装置本体改进为尺寸可调型。

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