徐占超

勝利油田鉆井工程技術(shù)公司定向井公司

常規(guī)MWD/LWD是磁性測(cè)量工具，是通過(guò)大地磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量方位角的。在開(kāi)窗側(cè)鉆和套管鉆井等作業(yè)中，制品等的磁力干擾源對(duì)測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生較大的影響，給井眼軌跡預(yù)測(cè)和控制帶來(lái)困難。為避免測(cè)量過(guò)程中磁場(chǎng)的干擾，美國(guó)PathFinde能源公司研制出了重力隨鉆測(cè)斜儀，即重力MWD。它是在常規(guī)MWD/LWD上裝置了一套三軸加速度傳感器取代傳統(tǒng)的磁力傳感器，通過(guò)兩組加速度計(jì)之間鉆柱固有彎曲來(lái)測(cè)量方位角的相對(duì)變化，從而確定測(cè)量位置處的軌跡參數(shù)。

一、重力MWD測(cè)方位角技術(shù)

1.MWD/LWD測(cè)量方位角的原理

常規(guī)MWD/LWD是以磁力儀作為測(cè)量方位角的主要傳感器，使用單個(gè)三軸磁力儀測(cè)量地球磁場(chǎng)的各個(gè)分量，從而獲取井眼方位角。磁場(chǎng)分量如圖1所示，圖中I表示地磁傾角，H表示磁場(chǎng)的強(qiáng)度，Hx，Hy和Hz是井筒磁場(chǎng)H在x、y和z軸上的分量，G表示重力方向。

圖1 磁力儀在井筒中的各磁場(chǎng)分量示意

由磁力傳感器的磁場(chǎng)分量和相關(guān)重力分量，得MWD/LWD在用磁力傳感器測(cè)量井眼方位角和磁性工具面角的表達(dá)式:

式中，α為井眼的方位角，（°）；βMTF為磁性工具面角，（°）；Gx、Gy、Gz為井筒重力場(chǎng)沿x、y、z軸的重力分量，m/s2。

在確定情況下，重力保持不變。在強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的環(huán)境中，通過(guò)磁力傳感器的磁通量就不僅僅是大地磁場(chǎng)，還有外部干擾磁場(chǎng)的迭加，這給測(cè)量帶來(lái)誤差，進(jìn)而給井眼軌跡的判斷或修正帶來(lái)障礙。

2.重力MWD測(cè)量方位角的原理

考察單個(gè)重力傳感器，可以根據(jù)傳感器測(cè)試體的重力分量計(jì)算得到井眼軌跡的井斜角和工具面角[2]，其計(jì)算公式為:

式中，αINC為井眼的井斜角，（°）；βTOF為工具面角，（°）。

兩組加速度計(jì)之間的關(guān)系對(duì)于推導(dǎo)井眼方位角非常重要的。在鉆鋌中，必須保證兩組加速度計(jì)上下互相對(duì)齊，且加速度計(jì)軸重合或相互平行。

兩組加速度計(jì)之間的角度變化被對(duì)應(yīng)地?fù)Q算成方位角變化(△)，圖2中的結(jié)點(diǎn)就表示方位角的變化?！鞣从车撞裤@具組合上固定兩點(diǎn)之間的相對(duì)變化。通過(guò)單個(gè)重力傳感器可以測(cè)得傳感器所在位置的井斜角變化而知道兩組加速度計(jì)之間的方位變化，最后將△與一個(gè)已知的參照測(cè)量值α1’相加就得到井眼的實(shí)際方位角。

式中，α1為工具的實(shí)際方位角，（°）；α1'為參照測(cè)量的方位角，（°）；△為兩組加速度計(jì)角度的相對(duì)變化值，（°）。

圖2 兩組加速度計(jì)重力分量之間的關(guān)系

二、影響方位角測(cè)量的關(guān)鍵因素

1.傳感器之間的距離

重力MWD通過(guò)測(cè)量鉆鋌上兩點(diǎn)的相對(duì)變化來(lái)反映井眼軌跡的變化。在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)保證兩組傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)重疊(下部傳感器在新測(cè)量點(diǎn)所得數(shù)據(jù)應(yīng)該覆蓋上部傳感器在前一個(gè)測(cè)量點(diǎn)所得數(shù)據(jù))，以減小測(cè)量數(shù)據(jù)不斷累計(jì)產(chǎn)生的誤差。

2.參照測(cè)量方位角

參照測(cè)量方位角的測(cè)量精度取決于參照測(cè)量方位角的質(zhì)量或精度必須準(zhǔn)確控制前一井段的測(cè)量質(zhì)量，并且盡量縮短測(cè)量間距，為后續(xù)的重力測(cè)量提供參照。

3.井斜的限制

建議井斜角小于3?；蚓苯谴笥?0。的井段不用重力MWD。并且，建議測(cè)量長(zhǎng)度一般不超過(guò)300m。

三、國(guó)外應(yīng)用情況

重力MWD儀器在國(guó)外多口井中的試驗(yàn)表明，在磁性干擾比較強(qiáng)的井中測(cè)量結(jié)果精確。在英國(guó)Vis-count W1Z側(cè)鉆井中，應(yīng)用重力MWD技術(shù)取得了顯著的效果。

在W1Z井鉆井過(guò)程中共進(jìn)行了16次重力MWD測(cè)量，其中5次用于參照。各種測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3

圖3 W1Z井重力MWD、磁性MWD和陀螺儀的測(cè)量結(jié)果

結(jié)論

1.重力MWD是一種依據(jù)重力原理測(cè)量井眼方位角的隨鉆測(cè)斜儀，能夠消除磁性干擾。它是在常規(guī)MWD/LWD上增加一組重力傳感器，利用兩組重力傳感器在下部鉆具組合上的角度變化來(lái)確定方位角。

2.重力MWD測(cè)量與兩組重力傳感器之間的距離、參照測(cè)量方位角和井斜角大小有關(guān)，對(duì)于井斜角小于3。和大于70。的井段應(yīng)慎用重力MWD，同時(shí)重力MWD一般只用于磁性干擾井段的測(cè)量。

3.重力MWD技術(shù)應(yīng)用廣泛，不但應(yīng)用在套管鉆井，側(cè)鉆井和分支井，還可應(yīng)用在鉆出套管鞋，繞過(guò)鄰井、救援井鉆井等。

[1]聶世軍，張軒，高揚(yáng).重力MWD技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2007，04:97-99.

[2]涂兵.MWD中泥漿脈沖信號(hào)辨識(shí)及地面適配技術(shù)研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2013.