激光式MWD工具面角差測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

唐志文，王秀春，楊玉豐

（中國(guó)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(yíng)257064）

由于國(guó)內(nèi)油田多年的大面積開(kāi)發(fā)，油藏開(kāi)發(fā)逐漸步入中后期，油藏開(kāi)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(lái)越廣泛的應(yīng)用，因此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的特點(diǎn)研究新的配套技術(shù)及儀器對(duì)提高鉆井效率、節(jié)約鉆井成本具有重要意義。

1 MWD無(wú)線隨鉆測(cè)量及角差簡(jiǎn)介

MWD是在鉆井過(guò)程中進(jìn)行井下信息實(shí)時(shí)測(cè)量和上傳技術(shù)的簡(jiǎn)稱，MWD的最大優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)時(shí)地“看”到井下的情況，從井底測(cè)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(huì)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(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

勝利油田定向井公司1991年從美國(guó)Sperry-Sun公司引進(jìn)正脈沖定向MWD隨鉆測(cè)量?jī)x器（簡(jiǎn)稱DWD），1999年又從該公司引進(jìn)了隨鉆地質(zhì)評(píng)價(jià)儀器FEWD成套設(shè)備，測(cè)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(dòng)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(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x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(jī)將部分鉆井液的能量轉(zhuǎn)化成電能為探管供電，同時(shí)鉆井液脈沖發(fā)生器將探管探測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)鉆井液傳遞到地面，地面上采用鉆井液壓力傳感器檢測(cè)來(lái)自井下儀器的鉆井液脈沖信息，并傳輸?shù)降孛娼獯a箱進(jìn)行處理，最終井下儀器所測(cè)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(jì)算機(jī)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(cè)量零點(diǎn)與動(dòng)力鉆具彎接頭方位的差值。在MWD儀器下井之前，需要進(jìn)行角差測(cè)量并需將角差值輸入MWD配套軟件中，儀器入井后開(kāi)始正常工作時(shí)，地面工作軟件所顯示的工具面值就是井底儀器所測(cè)到的方位值經(jīng)角差值修正后的值。

角差是影響MWD測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，在一口井的施工過(guò)程中，如果施工人員所測(cè)量的角差值出錯(cuò)或偏差較大，將會(huì)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(bào)廢［7-9］。

2 MWD角差測(cè)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(dòng)方向，由沖管鍵槽順時(shí)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(dòng)方向，由無(wú)磁懸掛刻線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到動(dòng)力鉆具刻線的角度。

目前，儀器內(nèi)部角差的測(cè)量?jī)x器及方法都比較成熟，可以準(zhǔn)確的測(cè)出儀器內(nèi)部角差，但是現(xiàn)有的工具面角差測(cè)量?jī)x器及方法仍存在很多問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)通常采用的工具面角差測(cè)量方法是在無(wú)磁懸掛刻線處固定一個(gè)標(biāo)志物，然后提升鉆具直至動(dòng)力鉆具刻線處，然后目測(cè)無(wú)磁懸掛標(biāo)志物在動(dòng)力鉆具圓周處的位置并做標(biāo)記，測(cè)量該標(biāo)記順時(shí)針到動(dòng)力鉆具刻線處的圓周長(zhǎng)度及此處動(dòng)力鉆具周長(zhǎng)，最后通過(guò)計(jì)算得出MWD的工具面角差。

此種方法有如下缺點(diǎn)：（1）采用目測(cè)方法確定無(wú)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(dòng)力鉆具刻線位置時(shí)，無(wú)磁懸掛刻線處距離地面近20m，采取目測(cè)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(shí)很難確定無(wú)磁懸掛刻線位置。（2）使用卷尺測(cè)量長(zhǎng)度精度低，且卷尺易被鉆井液污染。使用卷尺測(cè)量圓周長(zhǎng)度時(shí)，卷尺是否水平或緊貼動(dòng)力鉆具壁面都會(huì)影響測(cè)量精度，測(cè)量前需花費(fèi)時(shí)間清理動(dòng)力鉆具壁面，且動(dòng)力鉆具上端殘存的鉆井液會(huì)持續(xù)下流，容易污染卷尺。（3）人為因素易導(dǎo)致角差測(cè)量出錯(cuò)。鉆井施工是全天候作業(yè)，深夜或凌晨測(cè)量角差時(shí)，施工人員容易出現(xiàn)失誤導(dǎo)致測(cè)量出錯(cuò)。

3 激光式MWD工具面角差測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)一種適合現(xiàn)場(chǎng)使用的新型激光式MWD工具面角差測(cè)量?jī)x。

3.1 測(cè)量?jī)x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(wú)磁懸掛刻線處，由上部裝置本體、激光發(fā)射器、發(fā)射器護(hù)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(pán)、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(wú)磁懸掛上固定一個(gè)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(dòng)力鉆具在安裝一個(gè)角度刻度盤(pán)，且使其0度刻線與紅色激光光點(diǎn)在同一半徑方向，此時(shí)動(dòng)力鉆具刻線處對(duì)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(wú)磁懸掛刻線對(duì)齊，然后通過(guò)固定裝置將其與無(wú)磁懸掛固定連接，再打開(kāi)激光發(fā)射器放入發(fā)射器安裝孔并通過(guò)發(fā)射器護(hù)蓋固定好，然后提升鉆具使動(dòng)力鉆具刻線處位于井口合適位置，再轉(zhuǎn)動(dòng)下部裝置本體，使紅色激光光點(diǎn)與角度刻度盤(pán)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(pán)插入卡槽并用限位螺栓固定，最后讀取動(dòng)力鉆具刻線所對(duì)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(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)

3.2 測(cè)量?jī)x的原理設(shè)計(jì)

3.2.1 測(cè)量?jī)x上部裝置

如圖2所示，上部裝置本體是一個(gè)月牙形部件，其內(nèi)側(cè)圓弧將與無(wú)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(gè)固定圓環(huán)用于連接鏈條；在上部裝置本體中部有一個(gè)圓孔，用來(lái)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(shí)，將增大上部裝置本體與無(wú)磁懸掛間的接觸壓力，從而增大兩者間摩擦力。

3.2.2 測(cè)量?jī)x下部裝置

如圖3所示，下部裝置本體內(nèi)側(cè)圓弧與動(dòng)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(pán)為一體，兩側(cè)各有一個(gè)固定圓環(huán)用于連接鏈條；上刻度盤(pán)與裝置本體配合后，再通過(guò)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(pán)外側(cè)緊密貼合，通過(guò)移動(dòng)手柄將指針沿刻度盤(pán)外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)外側(cè)指針與動(dòng)力鉆具刻度線對(duì)準(zhǔn)時(shí)，利用鎖緊螺栓固定指針，此時(shí)的角度即為工具面角差。

圖2 上部裝置原理設(shè)計(jì)

圖3 下部裝置原理設(shè)計(jì)

圖4 刻度指針設(shè)計(jì)

3.2.3 測(cè)量?jī)x的優(yōu)點(diǎn)

（1）利用激光傳輸，準(zhǔn)確度高。從無(wú)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(wú)磁懸掛刻線的位置，比目測(cè)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(guò)角度盤(pán)讀取角差，精度高。這種方法省去了利用卷尺測(cè)量圓周長(zhǎng)度的步驟，提高測(cè)量精度的同時(shí)也節(jié)省了測(cè)量時(shí)間。

（3）設(shè)計(jì)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(guò)鉆井液通道下泄，不會(huì)污染儀器，同時(shí)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(pán)上的角度順時(shí)針增加，動(dòng)力鉆具刻線對(duì)應(yīng)的角度即工具面角差，可以避免施工人員失誤讀錯(cuò)角差。

（5）成本較低，操作簡(jiǎn)單。儀器的材質(zhì)沒(méi)有特殊要求，儀器的操作非常簡(jiǎn)單，適用于現(xiàn)場(chǎng)施工。

4 結(jié)論與建議

（1）針對(duì)MWD儀器工具面角差測(cè)量方法及儀器落后的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型激光式MWD角差測(cè)量?jī)x，并介紹了其工作原理和工作步驟，相對(duì)于目前現(xiàn)場(chǎng)采用的工具面角差測(cè)量工具及方法，激光式MWD工具面角差測(cè)量?jī)x具有準(zhǔn)確度高、精度高、成本較低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

（2）筆者僅進(jìn)行了測(cè)量?jī)x的原理設(shè)計(jì)，下一步要做的工作有：計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)輔助檢測(cè)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(hào)的動(dòng)力鉆具其外徑不同，而且受磨損、老化等因素影響，動(dòng)力鉆具的外徑也在變化，計(jì)劃將裝置本體改進(jìn)為尺寸可調(diào)型。

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