合页式—激光投影螺杆角差定位仪的设计探讨

马鸿彦等

摘要：由于油气藏定位准确性的提高，对无线随钻仪器（LWD/MWD）精度的要求也相应提高，但是我国采用进口或自主研发的仪器在现场施工过程中却忽略了人为导致误差的因素——整套仪器配合的误差校正，针对该误差设计了合页式-激光投影螺杆角差定位仪。它在操作、生产成本、安全系数、日常维护、误差校正等方面都大大优于进口或国产同类工具。

关键词：合页式-激光投影；螺杆角差；定位仪；LWD/MWD；井眼轨迹控制；油气藏定位 文献标识码：A

中图分类号：TG386 文章编号：1009-2374（2015）12-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.008

1 概述

目前世界各地的油田区块开发大多都已经步入了中后期，伴随着薄油层及剩余油藏的开发，大斜度井、水平井及多分枝井的钻探技术已经成了当前的主流。在钻井过程中，定向钻井需要解决的关键技术之一，就是对井眼轨迹数据的准确测量与信息的实时传输。但是目前所用的进口或国产仪器由于技术上的不足（几乎所有仪器都存在15～20米的探测盲区；在施工现场中存在人为导致测量误差），给现场施工和后期的施工带来很大的困难，严重时还造成填井事故。为了将人为导致的测量误差减小到最低程度，我们设计了一种各方面都优于国内外同类型的测量工具。

2 LWD/MWD仪器工作原理简介

泥浆脉冲随钻测斜仪（MWD）由井下仪器和地面设备两部分组成。用来提供实时地理参数和方向参数的定向探管是井下仪器的重要组成部分。它是利用当地已知的重力场和磁场作为基准来定义方向参数的，且根据该探管建立的坐标系和基准坐标系的相互关系来计算出方向参数和地理参数。其内置的测量头装有6个传感器为3个加速度计Gx、Gy、Gz和3个磁通门Bx、By、Bz分别平行于OX、OY、OZ。以X、Y、Z、O为直角坐标系的XOZ平面与T形槽定位面平行。而Z轴平行于测量头的轴向。所以当重力加速度计感受到其三个方向上的分量和三个磁通门感受到地磁场三个方向上的分量时，与其连接的相关电路通过一系列的运算将其转化为泥浆脉冲信号传到地面。然后通过地面的解码设备解算出工具面、井斜、方位等实时数据提供给定向工程师。该测量头被组装后安装在一个带有“外部刻痕”（人为规定的能够看到的标记）的无磁钻铤中。然后通过地面设备计算出“外部刻痕”与内部的T形槽之间的角度误差。该误差定义为MWD仪器内部T形槽与外部刻痕之间角度的差值——仪器内角差。

系统角差归零：当MWD/LWD仪器与定向动力钻具（螺杆）组装之后，螺杆弯度所形成的“高边线”与MWD/LWD仪器外部刻痕同样形成角度差——外部角差。而系统角差归零的最终目的是将测量头坐标系中XOZ平面和螺杆高边线所在的平面通过一系列的测量和计算校正为两个相互平行的平面。因此正常工作的时候地面仪器所显示的工具面的角度就是螺杆所对应的高边角度。工程师通过调整工具面的角度来调整螺杆的角度从而达到定向钻井的目的。

3 不同仪器的螺杆（马达）角差定位方法

3.1 进口仪器的螺杆角差定位方法

3.1.1 测量误差大。该工具被固定在无磁钻铤后，上提至15～20米左右的高空，可以看出两次目测的结果差别很大，与实际的系统误差归零相差20°～50°。由于仪器自身存在15～20米的探测盲区，所以在开始施工或重新更换仪器或螺杆之后，工程师只能凭直觉来判断人为造成的误差大概是多少。一旦测量出来的实际值与之前的估计值相反，此时工程师如果再想达到刚开始的预期目的，就需要再次钻进超过30米的井段才能实现。这样不但延长了钻井周期，增加了生产成本，而且使后期作业更加复杂。情况严重还会造成填井事故。

3.1.2 安全性差。该工具为金属链条与三角架形成的闭环系统来固定在无磁钻铤上的。在极寒地区工作时由于工具与钻铤金属表面有冰，一方面在固定过程中带来困难，另一方面在钻具上提过程中由于振动随时有可能滑落调入井内造成复杂井下状况或者伤害现场施工人员。

3.1.3 应用范围小。该工具不能使用于任意尺寸的仪器，当无磁钻铤的直径小于该闭环系统的内切圆直径或大于第三条边时，无法起到固定作用，且遇到大雾和灯光暗淡根本看不到该工具的“指示杆”。

3.1.4 替换性差，成本高。该工具是哈里伯顿公司的专利产品，一旦损毁，国内厂家不能大批生产。如果专门进口则会增加生产成本。

3.2 国产仪器普遍使用的螺杆角差定位方法

由于在国内使用的无线随钻仪器大多是国产。因此用来定位的工具比哈里伯顿公司的更为简单。用胶带把一个简单的纸筒固定在无磁钻铤上即可。该方法操作性虽然简单，但是带来的人为误差更大，在灯光暗淡、刮风、雨雪、大雾天气尤其严重。现场工程师只能估测其投影位置，草率测量。

4 新型的角差定位仪

工作原理及优点：该定位仪由4个简单的部件组成。

4.1 带有弧度的合页

可固定在任意直径的无磁钻铤上，满足不同井眼的仪器。材料为普通的金属铝。这样的材料一是在潮湿环境中不会被氧化上锈而造成折叠困难，不用单独维护保养；二是操作简单，体积小，重量轻，加工方便，价格低廉；三是一旦落入井内对钻井不会产生影响。

4.2 激光指示器

由于激光具有高度定向性。如果利用激光的准直性进行测距与定位，从地球到月球之间的误差不超过1.5米。如果利用该性能来投影20米的距离误差几乎可以忽略不计。而激光的高亮性不论在任何天气情况下都能得到其投影。该投影仪所用的激光指示器在市场上随处可见。

4.3 高边刻痕定位装置

该工具的一端是带有圆锥的定位销，用来指向无磁钻铤的刻痕。另一端是与定位销相差180°用来插入激光指示器的，所以当激光器发出的光束就和无磁钻铤的刻痕在同一平面内，得到的投影点就是刻痕的水平投影，从而取代目测找投影点的方法。

4.4 子母粘布毛刺贴

带有松紧的子母粘布毛刺贴是把整个投影仪固定在无磁钻铤上的。

5 结语

以上所述合页式-激光投影螺杆角差定位仪具有定位精确度高、安全系数高、使用范围广、适应性强、体积小、重量轻、操作方便、成本低（总价格不超过20元钱）等优点，且在现场施工中证明了以上的特性，具有推广意义。

参考文献

[1] 陈爱新.随钻电阻率测井仪器分析[J].天然气工业，2007，27（5）.

[2] 苏义脑，窦修荣.随钻测量、随钻测井与录井工具

[J].石油钻采工艺，2005，（2）.

[3] 张春华，刘广华.随钻测量系统技术发展现状及建议[J].钻采工艺，2010，33（1）.

作者简介：马鸿彦（1980-），男，中国石油渤海钻探工程公司定向井分公司工程师，研究方向：探测制导与控制技术。

（责任编辑：周 琼）