賀紅民 孫建偉 吳少威 石慶平 王志興 楊 平

(中國石油測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西西安)

陀螺測斜儀在長慶油田的推廣應(yīng)用

賀紅民 孫建偉 吳少威 石慶平 王志興 楊 平

(中國石油測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西西安)

文章介紹了撓性陀螺測斜儀的工作原理以及在長慶油田的實(shí)際應(yīng)用情況。該項(xiàng)技術(shù)彌補(bǔ)了中油測井長慶事業(yè)部在測井、垂直井定向射孔工藝技術(shù)的一項(xiàng)空白,滿足了油田上特殊施工環(huán)境的工作要求。并為射孔新工藝在長慶油田的推廣提供了基礎(chǔ)。

撓性陀螺測斜儀;定向射孔

0 引 言

陀螺測斜儀[1]是國內(nèi)外近些年來開發(fā)的一種測井儀器,其工作原理是以地球的自轉(zhuǎn)角速度方向和重力為參考,應(yīng)用速率陀螺和加速度計(jì)構(gòu)成捷聯(lián)式數(shù)學(xué)平臺(tái)進(jìn)行定向參數(shù)的測量,從而具有自動(dòng)尋北的功能。這種定向射孔陀螺測斜儀不需要地面初始對(duì)準(zhǔn),使用時(shí)只需輸入當(dāng)?shù)氐乩砭暥燃纯蓪?shí)現(xiàn)真北方位測量,是一種先進(jìn)的慣導(dǎo)級(jí)陀螺測量儀器,彌補(bǔ)了普通連斜儀器測方位時(shí)受周圍磁場影響的缺陷。它主要用于老井側(cè)鉆套管開窗,套管內(nèi)、裸眼井等有磁環(huán)境下井眼軌跡測量,臨近井等有磁性干擾環(huán)境下的定向側(cè)量以及垂直井定向射孔。

1 陀螺測斜儀工作原理

陀螺測斜儀使用的是撓性陀螺儀,這種陀螺儀的轉(zhuǎn)子由撓性接頭支承,它是一種無摩擦的彈性支承。最簡單的結(jié)構(gòu)是做成細(xì)頸軸,如圖1所示。轉(zhuǎn)子借助于撓性接頭與驅(qū)動(dòng)軸相連,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸經(jīng)過撓性接頭使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),從而使轉(zhuǎn)子具有動(dòng)量矩H。由于接頭很細(xì),當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí),若底座傾斜,由于轉(zhuǎn)子具有定軸性,就造成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的軸線不重合。所形成的角動(dòng)量H和驅(qū)動(dòng)軸之間的夾角可分別通過裝在兩個(gè)正交進(jìn)動(dòng)軸上的角度傳感器來測量。根據(jù)所得角度對(duì)陀螺轉(zhuǎn)子施加力矩,產(chǎn)生修正和補(bǔ)償效應(yīng),并間接用以測量陀螺儀的輸入角速度。對(duì)轉(zhuǎn)子施加控制力矩,是通過在正交的進(jìn)動(dòng)軸上所裝的力矩器來實(shí)現(xiàn)。

2 尋北原理

地球的自轉(zhuǎn)可以看作是地球坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng),在設(shè)定了地理坐標(biāo)系后,我們就可以計(jì)算當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的絕對(duì)角速度。若我們以“北、西、天”為地理坐標(biāo)系,在地球表面的任意一點(diǎn),可以將地球自轉(zhuǎn)角速度量分解為沿地球經(jīng)線指向真北的水平分量ωn和沿地球垂線指向天頂方向的垂直分量ωu,如圖2所示。

圖1 撓性陀螺示意圖

圖2 地球自轉(zhuǎn)角速度在地理坐標(biāo)系上的投影

圖2中:

ωs=0

ωn=ωcosθ(水平分量);

ωu=ωsinθ(垂直分量);

ω為地球自轉(zhuǎn)角速度;

θ為地球表面的任意一點(diǎn)的緯度角。

如果陀螺自轉(zhuǎn)軸沒有指向北方,偏東α角,如圖3所示,由圖中可看出,北向水平分量還可以沿x,y軸分解成兩個(gè)分量,即在陀螺儀自轉(zhuǎn)軸上的分量。

圖3 地球角速度分量相對(duì)陀螺主軸的變化

另一個(gè)是對(duì)陀螺轉(zhuǎn)子的分量

地球自轉(zhuǎn)引起陀螺儀主軸的變化規(guī)律可歸納為:地球角速度分量ωu的作用,將使陀螺自轉(zhuǎn)軸的方位角發(fā)生變化;地球自轉(zhuǎn)角速度在y軸上的分量ωy的作用,將使陀螺自轉(zhuǎn)軸的高度角發(fā)生變化。

由此,可以利用慣性技術(shù)進(jìn)行測量地球自轉(zhuǎn)角速度的水平分量獲得地球某位置的北向信息,這就是尋北的基本原理。

3 主要技術(shù)指標(biāo)

主要測量參數(shù):井斜角、方位角、工具面角、探管溫度等定向參數(shù)。

測量范圍與精度:

1)傾斜角:0～90°,誤差:±0.3°;

2)傾斜方位角:0°～360°,誤差:井斜＜2°時(shí),數(shù)據(jù)可信,井斜＜6°時(shí),誤差±4°,井斜＞6°時(shí),誤差±2.5°;

3)高邊工具面角:0～360°,誤差±1.5°;

4)陀螺方位溫漂:＜1°/h。

測量方式:定點(diǎn)測量。

4 應(yīng) 用

4.1 測 井

石油鉆井作業(yè)中,如果鉆頭方向控制不好,就可能造成油藏層位缺失或井眼軌跡不規(guī)則,如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,將可能造成嚴(yán)重的井下事故,或者對(duì)井下環(huán)境的錯(cuò)誤判斷。

例1:＊＊井,鉆井到500 m深時(shí),發(fā)現(xiàn)有鐵屑出現(xiàn),因?yàn)樵摼赃吘陀幸豢谝呀?jīng)下了套管的井,所以,懷疑鉆井時(shí)方位沒有控制好,鉆到鄰井的套管上。最后決定進(jìn)行井斜、方位的測量。但由于該井上邊300 m已下過套管,普通的連斜儀器受周圍鐵礦物的影響。所以,只能用陀螺儀測量。

該井通過4個(gè)小時(shí)順利完成了井斜、方位的測量,并畫出井眼軌跡圖與數(shù)據(jù)表,通過數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的反應(yīng)出了當(dāng)前井眼實(shí)際情況。

例2:＊＊井,井深1 300,鉆井時(shí)發(fā)現(xiàn)井況復(fù)雜,溢流。隨后給井內(nèi)加入重晶石,結(jié)果加入的又太多。不能下入測井儀器進(jìn)行測井。最后采取先下入套管固井,固井后井內(nèi)液體是清水,再在套管內(nèi)用陀螺測斜儀測量井斜、方位。

測量前的準(zhǔn)備與測量時(shí)注意事項(xiàng):

1)上井前效驗(yàn)測斜儀,確保儀器狀態(tài)正常;

2)清楚該井所處當(dāng)?shù)鼐暥?3)儀器下井后,先要檢查儀器是否能正常測量。4)為達(dá)到更精細(xì)的測量效果,可采取每10 m停車測量。

5)測量過程中要注意纜頭電壓與儀器供電電壓及電流。

4.2 垂直井定向射孔

4.2.1 適應(yīng)地層條件

對(duì)裂縫性地層射孔時(shí)[2],由于在沉積過程中,構(gòu)造應(yīng)力場會(huì)造成裂縫也具有相應(yīng)的方向。射孔時(shí),只有與裂縫方位一致的孔眼具有與裂縫連通的可能,而其它方向的孔眼根本就不存在與裂縫連通。如何實(shí)現(xiàn)射孔孔眼方向與裂縫一致,定向射孔技術(shù)能夠很好地解決這一難題。對(duì)易出砂地層射孔時(shí),避開易出砂的應(yīng)力方向,在不易出砂的最大主應(yīng)力方向(軸的正向和反向角)進(jìn)行射孔,從而達(dá)到防砂的效果。

另外,在油井開采一段時(shí)間后,地層流體壓力就會(huì)減小,此時(shí)就需要進(jìn)行注水以保證所需的生產(chǎn)壓力。但是在注水開采中,往往會(huì)出現(xiàn)過早或過快的水淹情況,從而影響了油井的生產(chǎn)。裂縫和最大主應(yīng)力方向是最容易造成過早或過快水淹的方向,如果在注水井中實(shí)施定向射孔,避開裂縫和最大主應(yīng)力的方向,就可以避免生產(chǎn)井被水淹或延緩生產(chǎn)井被水淹的時(shí)間。

4.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

射孔采用油管輸送方式,它主要由校正測量部分和射孔管柱兩大部分組成。

1)校正測量部分

(1)地面數(shù)控射孔儀器與CCL+GR井下組合儀器進(jìn)行射孔器的深度定位;

(2)地面數(shù)控測斜系統(tǒng)與GYRO陀螺測斜儀進(jìn)行射孔器的方位定位。

2)射孔管柱部分

主要由定向射孔器、起爆裝置、篩管、定方位短接、校深短接及油管管柱等組成。

校深短接是油管輸送射孔中校深定位中的標(biāo)志性短接。

定方位短接[3]上有方位鍵,測方位時(shí),在重力作用下,可將陀螺測斜儀底部的引斜槽自動(dòng)導(dǎo)入方位鍵上。此時(shí),陀螺測斜儀與管柱成為一個(gè)整體,方位鍵的方位與射孔器方位確定,即可得到射孔器的方位。可以從井口調(diào)節(jié)油管柱,使得射孔器的方位與射孔方位相同。4.2.3 工藝步驟

1)首先將射孔相位角為0°或180°的定向射孔器管柱在井口對(duì)接,定向射孔器射孔相位標(biāo)志要與定方位短接鎖定方位鍵之間的相位應(yīng)鎖定在同一個(gè)相位點(diǎn)上。然后用油管將其送到預(yù)計(jì)射孔井段位置附近。

2)用深度測量系統(tǒng)進(jìn)行射孔器深度測量校正,通過調(diào)節(jié)管柱將射孔器定位在射孔井段。

3)用測斜系統(tǒng)進(jìn)行射孔器方位確定,并通過井口轉(zhuǎn)動(dòng)油管,將射孔器射孔方位調(diào)整到設(shè)計(jì)方向。

4)進(jìn)行射孔點(diǎn)火操作。

5 結(jié)束語

陀螺測斜儀的應(yīng)用,解決了在垂直井中實(shí)施定向射孔的技術(shù)問題,同時(shí)為在套管井或受周圍磁場影響較大的井眼內(nèi)測量井斜、方位提供了技術(shù)支持,解決了石油開采作業(yè)中遇到的一些施工難題。所以,陀螺測斜儀不僅用在垂直井定向射孔可以提高單井產(chǎn)能、油氣田采收率、增產(chǎn)降耗。而且在遇到井況復(fù)雜或者對(duì)已下套管的井眼存在疑問時(shí),可以用陀螺測斜儀進(jìn)行測量驗(yàn)證,以彌補(bǔ)前期施工中的失誤。需要注意的是在垂直井定向射孔前,一定要對(duì)射孔段的地層環(huán)境分析正確,否則可能出現(xiàn)相反效果。同時(shí),撓性陀螺儀屬精密儀器,防震差,所以在運(yùn)輸一定要禁止劇烈顛簸。使用中輕拿輕放,切勿敲擊。

[1] 于來發(fā).陀螺定向測量[M].勘探科技技術(shù),解放軍出版社.1992

[2] 王正國.定向射孔及其適用地質(zhì)條件[J].國外測井技術(shù),22,(4)

[3] 王界益,等.垂直井定向射孔技術(shù)在克拉瑪依油田的應(yīng)用[J].測井與射孔.2008,25(2)

PI,2011,25(1):63～65

This paper mainly introduces the working principle of the flexible gyro deviation surveying instrument and its practical application in ChangQing oilfield.The technology fills in a technology gap in logging and vertical Wells directionally perforating by the ChangQing division of ZhongY ou logging,and meets special construction environmental requirements in the oilfield.It alos lays a foundation for the promotion of the new perforating technology in ChangQing oilfield.

Key words:The flexible gyro deviation surveying instrument,Directional perforating

and application of the gyro deviation surveying instrument in ChangQing oilfield.

He Hongmin,Sun Jianwei,Wu Shaowei,Shi Qingping,Wang Zhixing and Yang Ping.

P631.6+3

B

1004-9134(2011)01-0063-03

賀紅民,男,1974年生,工程師,1998畢業(yè)與石油大學(xué)(華東)應(yīng)用地球物理專業(yè),現(xiàn)在中國石油測井有限公司長慶事業(yè)部從事測井射孔工藝研究及測井儀器修理等工作。郵編:710201

2010-03-03編輯:梁保江)