尹國(guó)平 魏 琳

(川慶鉆探工程公司測(cè)井公司 重慶)

井斜方位儀在石油測(cè)井領(lǐng)域中的應(yīng)用

尹國(guó)平 魏 琳

(川慶鉆探工程公司測(cè)井公司 重慶)

在石油鉆井過(guò)程中,井斜方位的測(cè)量至關(guān)重要。文章介紹了測(cè)井行業(yè)中常用的井斜方位儀的基本工作原理以及組成結(jié)構(gòu)。并對(duì)儀器在使用過(guò)程中常見(jiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析,總結(jié)了井斜方位儀在使用中的注意事項(xiàng)。

井斜;方位;重力加速度計(jì);磁通門(mén)

0 引 言

井斜方位技術(shù)是確定井眼在空間的傾斜和傾向的專門(mén)技術(shù)。在石油鉆探領(lǐng)域中,一口井是否按照要求的斜度和走向鉆探,關(guān)系到這口井最終能否鉆到靶心,否則該井就會(huì)報(bào)廢。因此,對(duì)斜度和方位的測(cè)量有較高的要求。目前,隨著定向井、水平井的日益增多,需要精度更高,使用更方便的井斜方位儀。理論研究和測(cè)井實(shí)踐表明,用磁羅盤(pán)和重錘組成的井斜方位儀因測(cè)量精度低,操作復(fù)雜已逐步淘汰。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用于航天航空工業(yè)的重力加速度傳感器和磁通門(mén)傳感器做為井身軌跡檢測(cè)的敏感元件被應(yīng)用在各系列的井斜方位儀中,它們不僅具有很高的精度和靈敏度而且工作十分可靠。

1 井斜方位儀的基本原理

連續(xù)測(cè)斜儀核心由重力加速度傳感器和磁通門(mén)及相關(guān)電子線路組成。石英饒性伺服加速度計(jì)由于精度較高,在測(cè)斜儀中使用較多。用三個(gè)正交安裝的加速度計(jì),可準(zhǔn)確測(cè)量出地重力加速度在三個(gè)方向上分量,通過(guò)矢量合成計(jì)算出當(dāng)?shù)刂亓铀俣?g,并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓或電流信號(hào)輸出。加速度計(jì)輸出信號(hào)為 u為[1]:

式(1)中:g為重力加速度值,α為加速度計(jì)輸出軸與重力方向之間的夾角,k0為最大零偏值。當(dāng)標(biāo)度因素(電壓靈敏度)k1一定時(shí),k0對(duì)應(yīng)的就是一個(gè)電壓或電流值,mV(mA)。加速度計(jì)輸出信號(hào)的大小正比于輸出軸與重力加速度計(jì)方向間的夾角。根據(jù)這一原理,將三個(gè)加速度計(jì)按正交方式沿儀器軸線安裝,分別感應(yīng) X,Y,Z三個(gè)方向上的重力加速度分量,分別稱之 gx,gy和gz。

磁通門(mén)是一種磁測(cè)量傳感器,具有極敏感的感應(yīng)地磁強(qiáng)度的能力。按正交方式沿儀器軸線安裝的三個(gè)磁通門(mén)傳感器,分別感應(yīng) X,Y,Z三個(gè)方向上的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分量,分別稱之為 mx,my和mz。磁通門(mén)傳感器的輸出信號(hào)為[1]:

式中,k為常數(shù),取決于傳感器的結(jié)構(gòu)材料因素;ω為激勵(lì)電流頻率;Ho為被測(cè)磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng);Hm為激勵(lì)電流產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)。

在實(shí)際測(cè)井中,地面計(jì)算機(jī)把井下測(cè)斜儀的三個(gè)加速度計(jì)信號(hào) gx,gy和gz與三個(gè)磁通門(mén)信號(hào)mx,my和 mz進(jìn)行歸一化處理,分別帶入式(3)、(4)、(5)、(6)。

井斜角:

即可得到描述井眼姿態(tài)的四個(gè)角度。

2 測(cè)井中常用井斜方位儀

目前,國(guó)內(nèi)常用的測(cè)井系列為ECLIPS5700,EXCELL2000和HH2530三大系列。這三個(gè)系列各自的井斜方位儀分別為4401XA,SDDT,BDS-IB。這三種井斜方位儀都是基于石英饒性加速度計(jì)和磁通門(mén)設(shè)計(jì)的測(cè)量井眼走向的儀器,能連續(xù)完成儀器(井眼)與垂直方向和儀器(井眼)與磁北方向的位置(夾角)的測(cè)量。

三種連斜儀掛接的測(cè)井系統(tǒng)互不相同,數(shù)據(jù)傳輸方式也不同,但主要部分都由井下儀器和地面監(jiān)測(cè)兩部分組成。地面和井下信號(hào)的傳輸方式為電纜傳輸,井下儀器完成井斜方位的測(cè)量,并把測(cè)量計(jì)算后的結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)井下傳上來(lái)的信息進(jìn)行接收、處理、顯示等。對(duì)三個(gè)系列的連斜儀而言,4401XA和SDDT是將采集到的傳感器信號(hào)和溫度信號(hào)直接在儀器中進(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換,然后再送給遙測(cè)短節(jié)上傳。而在HH2530系列中,BDS是將采集的測(cè)斜信號(hào)并經(jīng)極性轉(zhuǎn)換后傳給共用電子線路段二進(jìn)行信號(hào)處理后再上傳。盡管信號(hào)處理方式不同,但其基本的工作原理可用圖1來(lái)進(jìn)行描述。連斜儀主要由供電模塊、井斜和方位傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制模塊、命令接受和數(shù)據(jù)傳輸模塊四個(gè)部分組成,其中數(shù)據(jù)采集與控制模塊是整個(gè)電路的核心。由重力加速度計(jì)和磁力計(jì)輸出的六個(gè)模擬信號(hào)AX、AY、AZ、MX、MY、MZ 分別經(jīng)六道濾波電路得到 ax、ay、az、mx、my、mz,然后進(jìn)入多路采樣開(kāi)關(guān)電路。多路采樣開(kāi)關(guān)根據(jù)由CPU產(chǎn)生的地址碼對(duì)六個(gè)信號(hào)進(jìn)行選通,輸出串行信號(hào)至A/D轉(zhuǎn)換電路。CPU提供時(shí)鐘和轉(zhuǎn)換的開(kāi)始地址給A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)由CPU控制讀出,通過(guò)遙測(cè)模塊傳至地面系統(tǒng),地面系統(tǒng)根據(jù)公式計(jì)算出描述井眼姿態(tài)的角度。

圖1 連斜儀工作原理框圖

此外,方位組件中還裝有溫度傳感器,可隨時(shí)測(cè)量保溫瓶?jī)?nèi)的環(huán)境溫度,并以電壓的形式輸出。測(cè)得的環(huán)境溫度用于傳感器的溫度補(bǔ)償,在姿態(tài)計(jì)算時(shí)進(jìn)行必要的修正。同時(shí)還可監(jiān)視瓶?jī)?nèi)溫度,在保溫瓶失效或儀器在井下工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起的保溫瓶?jī)?nèi)溫升過(guò)高,超過(guò)傳感器允許的工作溫度時(shí),應(yīng)及時(shí)把儀器提出井外,以免損壞傳感器。

3 井斜方位儀在使用過(guò)程中的常見(jiàn)故障

3.1 方位曲線出現(xiàn)類似正弦干擾

測(cè)井時(shí),方位曲線底部幾十米內(nèi)出現(xiàn)類似于正弦干擾的現(xiàn)象,幅度由大變小,頻率由快變慢。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由下井儀器自轉(zhuǎn)和測(cè)速變化造成的。當(dāng)下井儀處于某一固定的傾角和方位角時(shí),由于下井儀自轉(zhuǎn)時(shí)井斜方位傳感器不可能在任意方向都和其反方向保證絕對(duì)平衡,造成下井儀在不同的自轉(zhuǎn)角,方位角和傾角各自的讀數(shù)每次都不同于固定值。因此下井儀器自轉(zhuǎn)的誤差會(huì)使方位曲線在底部出現(xiàn)類似于正弦干擾的現(xiàn)象。另外,由于重力加速度計(jì)的理想工作環(huán)境是靜止或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),所以在井底起測(cè)時(shí),下井儀器測(cè)速逐漸加快,同時(shí)也產(chǎn)生自轉(zhuǎn),使方位曲線受影響的幅度更大。所以在起測(cè)階段,測(cè)速應(yīng)放慢,盡量做到從勻加速過(guò)度到勻速,在電纜頭下接防轉(zhuǎn)短節(jié),均可以減小影響。目前常用的測(cè)速為10m/min。

3.2 井斜、方位均不正常

以ECLIPS5700的4401XA為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)井斜、方位均不正常時(shí),首先要檢查電源板上的+12V、-12V、+5V是否正常。若電源無(wú)問(wèn)題,就有可能是重力加速度傳感器出現(xiàn)問(wèn)題或是加速度計(jì)和磁力計(jì)同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題。加速度計(jì)的值不僅影響井斜,也要影響方位,而磁力計(jì)的值只影響方位。在儀器通電狀態(tài)下,檢查加速度計(jì)和磁力計(jì)是否有輸出,并轉(zhuǎn)動(dòng)、傾斜儀器下部,觀察輸出值隨運(yùn)動(dòng)變化而變化的情況。若輸出為零值或死值時(shí),說(shuō)明傳感器有問(wèn)題,需返廠更換或重新調(diào)試,不可自行拆修。

如果加速度計(jì)和磁力計(jì)的輸出值正常,就需要對(duì)外圍的信號(hào)處理電路進(jìn)行分析。以4401XA模擬板的部分電路為例進(jìn)行說(shuō)明,如圖2所示。AX為加速度計(jì)的一個(gè)輸出分量,通過(guò)一個(gè)二階低通濾波電路后進(jìn)入HI-508選通器。首先對(duì)濾波電路的輸出AXOUT進(jìn)行檢測(cè),若輸出不對(duì),就要檢查電阻、電容和運(yùn)放。若輸出正常,就需要檢查選通器是否工作正常,從CPU 送來(lái)的選通信號(hào) MUX0、MUX1、MUX2、MUX3 是否有效。如果HI-508選通器壞,就更換器件。如果HI-508選通器正常,就需要檢查A/D轉(zhuǎn)換器、CPU和通訊板。

圖2 4401XA模擬板部分電路

3.3 井斜正常,方位不正常

當(dāng)井斜正常,方位不正常時(shí),可判斷出加速度計(jì)是正常的。需要檢查磁力計(jì)的輸出以及外圍電路是否正常,方法同上。

4 井斜方位儀在使用中的注意事項(xiàng)

4.1 井眼影響

連續(xù)測(cè)斜儀是在裸眼井中工作的,精確反映并身軌跡的前提是儀器軸心與井身軸心重合。實(shí)際上,井眼的直徑往往大于儀器抗壓管的外徑,測(cè)井時(shí)由于下井儀器尾部擺動(dòng)造成曲線跳動(dòng)在擴(kuò)徑井段或井況復(fù)雜的情況下,其影響還要大。4401XA型連續(xù)測(cè)斜儀抗壓管外徑0.085m,儀器長(zhǎng)度為2.08m,加裝馬籠頭后總長(zhǎng)度為3.03m,一般情況下井眼直徑0.216m,那么井眼對(duì)傾角的影響最大為arcsin[(0.216-0.085)/3.03]=2.48,同樣井眼對(duì)方位也有影響。因此測(cè)井時(shí),要減小井眼的影響,可加裝合適的扶正器或加長(zhǎng)儀器。

4.2 運(yùn)輸及維修過(guò)程中的注意事項(xiàng)

井斜方位測(cè)井儀中所用的傳感器為高精密器件,在運(yùn)輸、安裝與拆卸井斜方位儀時(shí),嚴(yán)禁劇烈震動(dòng)或碰撞,應(yīng)輕拿輕放。在檢查電路板中,當(dāng)需要使用電烙鐵焊接維修時(shí),由于使用的都是經(jīng)過(guò)篩選的電阻電容和CMOS器件,必須先斷開(kāi)給儀器供電的交流電源。還要注意避免靜電,以免損壞CMOS電路。維修中一旦動(dòng)了已經(jīng)調(diào)試好的連斜儀芯的加速度計(jì)或磁通門(mén)中的任何一個(gè)的位置或者幅值的大小,整個(gè)連斜儀芯必須重新再調(diào)試一遍。

4.3 定期對(duì)儀器進(jìn)行校驗(yàn)

井斜方位儀使用中,隨著時(shí)間推移和下井次數(shù)的增多,儀器中的儀表及電子線路的性能可能發(fā)生變化,這就要求定期用已知的校驗(yàn)臺(tái)的傾角和方位對(duì)儀器進(jìn)行刻度。校驗(yàn)臺(tái)北向和水平的調(diào)節(jié)精度會(huì)直接影響儀器的精度。刻度時(shí),井斜角誤差不超過(guò)±0.5°,在井斜角大于3°時(shí),方位角誤差不超過(guò)±5°。

4.4 避免磁物質(zhì)對(duì)儀器的影響

鐵磁物質(zhì)對(duì)井斜方位儀的影響是不能忽略的。儀器中三個(gè)正交的磁力計(jì)響應(yīng)敏感狀態(tài)下的地磁場(chǎng)矢量的三個(gè)分量,而鐵磁物質(zhì)影響到地磁場(chǎng)矢量,其對(duì)方位影響的大小與其距探頭的遠(yuǎn)近有關(guān)。要消除鐵磁物對(duì)方位的影響,首先,在連續(xù)測(cè)斜儀校驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng),要求距校驗(yàn)臺(tái)半徑10m內(nèi)沒(méi)有鐵器,20m內(nèi)沒(méi)有強(qiáng)磁場(chǎng)。其次,把下井儀上、下接頭及加長(zhǎng)部分改制成無(wú)磁材料,或者加防磁隔離短節(jié),短節(jié)長(zhǎng)度應(yīng)大于1.5m。這樣,可避免鐵磁物對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(方位角)的影響[2]。在使用過(guò)程中,儀器外殼有可能被磁化,應(yīng)及時(shí)對(duì)儀器外殼進(jìn)行消磁。磁通門(mén)傳感器易受外界異常磁場(chǎng)的干擾,微小陀螺做為其替代品是發(fā)展的趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在鉆井過(guò)程中,井斜方位是一個(gè)必測(cè)的常規(guī)項(xiàng)目,其測(cè)井儀器也非常普遍。但在使用時(shí),必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作手冊(cè)進(jìn)行操作和維護(hù),保證儀器處于良好的工作狀態(tài),否則錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果,就有可能導(dǎo)致大的鉆井工程事故。

[1] 付鑫生,漢澤西,周 靜,等.CLS3700地層傾角測(cè)井原理與儀器[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1996

[2] 李 影,薛繼榮,樊唐生,等.影響連續(xù)測(cè)斜儀測(cè)量精度的因素分析[J].石油儀器,2008,22(5)

TE927

B

1004-9134(2010)02-0031-03

2009-09-01 編輯:高紅霞)

尹國(guó)平,男,1966年生,高級(jí)工程師,西南石油大學(xué)碩士研究生,長(zhǎng)期從事測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集和設(shè)備管理工作。郵編;400021