水平井培训教材.docx

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水平井培训教材

第四章定向井、水平井测量技术

第一节定向井、水平井测量的性质和特点

一.钻井过程中测量的方法、媒介和基准

石油钻井过程中的测量属于工程测量的一种类型。

从物理意义上讲,测量井下钻

具的工具面角,即为井下钻具定向或测量井眼的轨迹均属于空间姿态的测量。

由于石

油钻井工程的特殊性使得这一测量过程必须借助专门的工具和仪器,采取间接测量的

方法来完成。

目前,石油钻井过程中的测量需要借助三种媒介,即大地的重力场、大地磁场和

天体坐标系,由此产生了与这三种测量媒介有关的测量仪器。

1.借助于重力场测量井斜角或高边工具面,采用的测量元件为测角器、罗盘重锤

或重力加速度计等。

这类仪器的测量基准是测点与地心的连线,即铅垂线。

2.借助于地磁场测量方位角或磁性工具面,采用的测量元件为罗盘或磁通门等。

这类仪器的测量基准是磁性北极,所以磁性仪器测量的方位角数据必须根据当地的磁

偏角修正成真北极,即地理北极的数据。

3.借助于天体坐标系测量方位角或磁性工具面,采用的测量元件为陀螺仪。

陀螺

仪为惯性测量仪器,不以地球上任何一为基准,这类仪器下井测量之前必须对陀螺仪

的自转轴进行地理北极的方位标定。

二.钻井过程中测量的特点

1.钻井过程中的测量是间接测量,必须借助专用工具和仪器完成。

而且根据测量

仪器的数据记录和传输方式的不同,钻井测量分为实时测量和事后测量。

2.测量仪器的尺寸受到井眼和钻井工具的限制,特别是下井仪器的径向尺寸必须

能够下入套管和钻具内,而且不会因仪器的下入而影响泥浆的流动或产生过大的泥浆

压降。

3.下井仪器受到地层和泥浆的高压,仪器的保护筒和密封件必须能够承受这种高

压,而且还应具备一定的安全系数。

4.由于地层的温度随着井深变化,下井仪器是在高于地面温度的环境里工作,要

求下井仪器具有良好的抗高温性能,一般称耐温125℃以下的仪器为常温或常规仪器,

称耐温一八2℃以下的仪器为高温仪器。

5.某些仪器在使用过程中要承受冲击（如单多点测斜仪的投测）、钻具转动（如

转盘钻具中的MWD仪器）、钻头和钻具在钻进过程中的振动（如MWD和有线随钻测斜

仪）等。

二.测量仪器技术发展情况

第二节测量仪器分类和应用范围

一.测量仪器分类

（图片:

测量仪器分类）

┌─Φ35mm外径测斜仪（常规）

┌─罗盘单点照相测斜仪─┤

│└─Φ25mm外径测斜仪（高温）

┌─罗盘类─┤

││┌─Φ35mm外径测斜仪（常规）

│└─罗盘多点照相测斜仪─┤

测│└─Φ25mm外径测斜仪（高温）

│┌─有线随钻测斜仪

量││

──┼─电磁类─┼─无线随钻测斜仪（包括:

定向MWD、带地质参数MWD）

仪││

│└─电子多点测斜仪

器│┌─Φ60mm外径多点陀螺测斜仪

│┌─照相陀螺测斜仪───┼─Φ35mm外径单点陀螺测斜仪

││└─Φ35mm外径多点陀螺测斜仪

└─陀螺类─┤

│┌─地面记录定向陀螺测斜仪

└─电子陀螺测斜仪───┼─框架式电子陀螺测斜仪

└─速率积分电子陀螺测斜仪

二.测量仪器的应用范围

1.磁罗盘单、多点照相测斜仪

这类仪器适用于普通定向井和无邻井磁干扰的丛式井中与无磁钻铤配合使用,为

井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。

Φ35mm外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于125℃的井眼。

而Φ25

mm外径的常规单、多点照相测斜仪适应温度小于一八2℃的井眼。

2.有线随钻测斜仪

有线随钻测斜仪适用于较深的定向井、无邻井磁干扰的丛式井或大斜度井、水平

井中与无磁钻铤配合使用,为井下钻具组合定向。

3.无线随钻测斜仪

无线随钻测斜仪适用于超深定向井、大斜度井、水平井中或海洋钻井平台上与无

磁钻铤配合使用,为井下钻具组合定向或测取井身轨迹数据。

4.电子多点测斜仪

电子多点测斜仪适用于精度要求较高的定向井、无邻井磁干扰的丛式井、大斜度

井、水平井中或海洋钻井平台上与无磁钻铤配合使用,为井下钻具组合定向或测取井

身轨迹数据。

5.照相单、多点陀螺测斜仪

这类仪器适用于已下探管的井眼中测取井身轨迹数据,或在丛式井、套管开窗井

中为井下钻具组合定向。

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6.电子陀螺测斜仪

电子陀螺测斜仪适用于已下探管的井眼中测取较高精度的井身轨迹数据,或在丛

式井、套管开窗井中为井下钻具组合定向。

第三节磁罗盘单、多点测量仪器

磁罗盘照相测斜仪分为单点测斜仪和多点测斜仪两类,是目前国内石油定向钻井

行业中使用最普遍的测量仪器,这两类具有结构简单、操作方便、价格低廉的优点。

在裸眼井中,将仪器下到钻具组合的无磁钻铤位置,采用定时器控制仪器电源将某一

井深的井斜角、方位角和工具面角数据记录在胶片或胶卷上,作为永久性资料保存。

国内外石油行业中使用的磁罗盘照相测斜仪有数十中,目前国内应用最多的是美

国EASTMANCHRISTENSEN公司的R型和E型罗盘测斜仪,以及部分美国SPERRY-

SUN公司的A型和B型罗盘测斜仪。

其中R型和A型为常规仪器,E型和B型为

高温仪器。

国产单、多点测斜仪主要是西安石油仪器厂和牡丹江石油仪器厂两家,这

两家的产品均为仿制美国EASTMANCHRISTENSEN公司的R型单、多点测斜仪。

一.磁罗盘单点照相测斜仪

1.磁单点测斜仪的结构和工作原理

磁单点测斜仪由定时器、电池筒、照相机总成、罗盘短节、外筒总成及辅助工具

等五部分组成。

（图片:

SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪组装图）

（图片:

EASTMANCHRISTENSENR型磁单点测斜仪组装图）

（1）.定时器

磁单点测斜仪使用的定时器有机械定时器、电子定时器、蒙乃尔传感器和运动传

感器等四种,其作用均为控制仪器电源在特定的时间使照相机拍摄测斜胶片。

①.机械定时器

（图片:

SPERRY-SUN磁单点测斜仪机械定时器）

机械定时器是一套钟表机构,当转动定时轮使其对准要求的照相时间时,定时轮将

受机械发条力的作用,在钟表齿轮系统的控制下往回运动。

当定时轮上的O对准外壳

上的ON时,定时轮上的触点与钟表系统的触点接触,使电源导通开始照相。

②.电子定时器

电子定时器是由振荡器、分频器、计数器、开关电路和调节部分组成。

其工作原

理类似于石英电子钟。

（图片:

EASTMANCHRISTENSEN磁单点测斜仪电子定时器）

③.蒙乃尔传感器

蒙乃尔传感器是由参考振荡器、测量振荡器、时基振荡器、频率合成器、整形放

大器、计数开关电路、分频与延时电路和时间选择电路等组成。

蒙乃尔传感器的测量

线圈能够敏感周围环境的金属材料（如钻杆和无磁钻铤）,对周围不同的金属材料,线

圈产生的电感量不同,从而使测量振荡器产生不同的输出频率。

只有在无磁钻铤的环

境中产生的频率,经过合成放大才能导通开关电路,控制单点测斜仪照相。

（图片:

EASTMANCHRISTENSEN单点测斜仪蒙乃尔传感器）

④.运动传感器

运动传感器与单点测斜仪组装后由运动状态变为静止,并稳定一段时间后导通开

关电路,控制单点测斜仪照相。

（2）.电池筒

（图片:

SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪电池筒）

（图片:

EASTMANCHRISTENSENR型磁单点测斜仪电池筒）

（3）.照相机总成

（图片:

SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪照相机总成）

照相机总成由胶片盒、连接筒、镜头和光源组成。

它们的作用有三个:

①.装卸圆形照相胶片。

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②.提供光源通道。

③.当定时器导通电源时,使照相机拍摄测斜照片。

（图片:

EASTMANCHRISTENSENR型单点测斜仪照相机总成）

（4）.罗盘短节

（图片:

SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪罗盘短节）

根据测量的井斜角范围,SPERRY-SUNA型单点测斜仪使用的测斜罗盘主要有:

6°

、20°、90°三种规格,其中20°、90°罗盘在定向井中应用最多。

这种测斜罗盘和测角装置采用半球体的浮子式结构。

（图片:

EASTMANCHRISTENSENR型单点测斜仪罗盘短节）

根据测量的井斜角范围,EASTMANCHRISTENSENR型单点测斜仪使用的测斜罗盘

主要有:

6°、20°、90°三种规格,其中20°、90°罗盘在定向井中应用最多。

（5）.辅助工具

磁单点测斜仪的辅助工具主要有:

装片盒、显影罐、胶片阅读器和仪器扳手等。

（图片:

SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪的辅助工具）

（图片:

EASTMANCHRISTENSENR型磁单点测斜仪的辅助工具）

（6）.外筒总成和打捞筒

仪器的外筒总成包括:

仪器外筒、定向减震短节、加长杆、定向引鞋或下减震器

短节、打捞绳帽。

（图片:

SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪外筒总成）

（图片:

SPERRY-SUNA型磁单点测斜仪打捞筒）

2.磁单点测斜仪的操作方法

（1）.选择罗盘度数

（2）.选择定时器

（3）.选择投测或吊测方式

（4）.检查仪器性能和零部件

（5）.组装仪器、装胶片

（6）.设置测斜时间（除使用蒙乃尔传感器）

（7）.组装仪器外筒

（8）.投测或吊测

（9）.投测打捞

（10）.冲洗胶片

（11）.阅读胶片和计算

单点测斜仪的吊测需要采用钢丝测斜绞车下入仪器。

（图片:

钢丝测斜绞车）

二.磁罗盘多点照相测斜仪

1.磁多点测斜仪的结构和工作原理

磁多点测斜仪由定时器、电池筒、电磁阀、胶片筒、照相机总成、罗盘短节、外

筒总成及辅助工具等七部分组成。

（图片:

SPERRY-SUNA型磁多点测斜仪组装图）

（图片:

EASTMANCHRISTENSENR型磁多点测斜仪组装图）

（1）.定时器

磁多点测斜仪使用的定时器有机械定时器、电子程序定时器两种,电子程序定时

器使用的较多。

其作用为控制仪器卷片和拍测斜照片。

电子程序定时器是由振荡器、分频计数器、光源放大开关电路和卷片放大开关电

路组成。

（图片:

SPERRY-SUN磁多点测斜仪电子程序定时器）

（图片:

EASTMANCHRISTENSEN磁多点测斜仪电子程序定时器）

（2）.电池筒

（图片:

SPERRY-SUN磁多点测斜仪电池筒）

（图片:

EASTMANCHRISTENSEN磁多点测斜仪电池筒）

（3）.照相机总成

SPERRY-SUN磁多点测斜仪照相机总成单点测斜仪相同。

（图片:

EASTMANCHRISTENSEN多点测斜仪照相机总成）

（4）.罗盘短节

SPERRY-SUN单多点测斜仪罗盘短节相同。

根据测量的井斜角范围,EASTMANCHRISTENSENR型多点测斜仪使用的测斜罗盘

主要有:

6°、20°、90°三种规格,其中20°、90°罗盘在定向井中应用最多。

（5）.辅助工具

多点测斜仪的辅助工具主要有:

胶卷阅读器和仪器扳手等。

（图片:

SPERRY-SUNA型多点测斜仪的辅助工具）

（图片:

EASTMANCHRISTENSENR型多点测斜仪的辅助工具）

（6）.外筒总成和打捞筒

仪器的外筒总成包括:

仪器外筒、减震短节、加长杆、下减震器短节、打捞绳帽

等,与单点测斜仪外筒总成相同。

2.磁多点测斜仪的操作方法

（1）.选择罗盘度数

（2）.检查仪器性能和零部件

（3）.组装仪器、装胶卷

（4）.设置测斜时间间隔

（5）.组装仪器外筒

（6）.投测

（7）.打捞

（8）.冲洗胶卷

（9）.阅读胶卷和计算

第四节有线随钻测斜仪

有线随钻测斜仪主要用于动力钻具组合中,实现定向钻井的随钻随测,即在钻井

过程中,随钻测斜仪能够实时、连续地提供和显示井下钻具工作状态和已钻井眼的井

斜角和方位角数据,一般测点的位置距钻头10~一五米。

有线随钻测斜仪是通过铠装电

缆向地面井下测量数据,这是与MWD无线随钻测斜仪的主要区别之一。

目前国内外有线随钻测斜仪产品有数十种,绝大部分是单芯的铠装电缆传输数据,

这类仪器主要由5部分组成,即地面计算机、下井探管和外筒总成、司钻阅读器、打

印机、电缆操作设备和辅助工具组成。

国内油田应用的有线随钻测斜仪有美国SPERRY-SUN公司生产的SST和MS3有

线随钻测斜仪,EASTMAN公司生产的DOT有线随钻测斜仪,以及DETA公司和SCHLU

MBERGER公司生产的有线随钻测斜仪。

近年来,国内航天部门生产的DST-2型有线随

钻测斜仪等。

国内应用最多的是美国SPERRY-SUN公司生产的SST和MS3有线随钻

测斜仪,MS3随钻测斜仪是SST随钻测斜仪是换代产品,以下主要介绍SST和MS3

随钻测斜仪的组成与性能。

一.SST有线随钻测斜仪

1.SST有线随钻测斜仪简介

SST随钻测量仪器是美国SPERRY-SUN公司八十年代初生产的一代有线随钻测斜

仪。

整个仪器系统由A-1地面计算机、（10000,900和700系列）探管和下井外筒

总成、司钻阅读器、TI热敏打印机、电缆操作设备和辅助工具组成。

原理框图如下:

┌───────┐┌───────┐

│TI703│││

│热敏打印机││司钻阅读器│

││││

└───┬───┘└───┬───┘

串│8芯数据线│

行│┌─────────┘

接││单芯电缆

口││┌─────────┐

┌──┴──┴─┴──┐┌┴┐

││││

│A-1││下│

│地面计算机││井│

│││探│

└──┬───────┘│管│

电││总│

源││成│

线│110V││

│交流└─┘

（图片:

SST有线随钻测斜仪的地面仪器和电缆滚筒车内部结构）

（图片:

循环头与辅助工具）

（图片:

侧入接头与辅助工具）

（图片:

下入随钻测斜仪的钻具组合简图）

SST有线随钻测斜仪的地面仪器是由A-1地面计算机、TI热敏打印机和司钻阅

读器三部分组成,其中A-1计算机是一台专用的控制计算机,采用固化软件系统,开

机自动进入随钻测量状态。

A-1计算机还具有错误诊断功能,测量过程中它可以检测

来自井下探管、电缆或地面仪器的错误信息,并通过A-1计算机或TI打印机显示

或打印出来。

TI热敏打印机是作为A-1地面计算机的数据终端,同时具备热敏打印

功能。

SST随钻测量系统具有磁性参数的分析与修正功能,它可以消除来自井下钻具和

地层的磁性干扰;通过分析来自井下探管的地磁和重力分量数据,可以及时判断测量

数据的误差原因以及确定测量的精度。

测量过程中,井下探管还向A-1计算机传输除测量参数外的仪器工作环境与工作

状态数据,这些数据包括:

探管的环境温度、工作电压、地磁参数等。

该测量仪器系

统具有磁扫描功能,运行磁扫描子程序可以检查无磁钻铤、无磁扶正器、仪器外筒等

无磁材料的磁化情况。

SST有线随钻测斜仪可与三种探管配套使用。

与10000系列全角度探管配套,可

以在井温125℃以内,随钻测取所有定向钻进参数;与900系列高温探管配套,可

以在井温一八2℃以内,随钻测取定向高边工具面数据;与700系列高温探管配套,

可以在井温一八2℃以内,随钻测取定向磁性工具面数据。

SST随钻测斜仪可以采用两种方式下入仪器。

一是采用循环头方式,这种方式不

需要方钻杆,而是采用钻杆替根与循环头连接,通过循环头可以循环泥浆、通过并密

封电缆,每次下仪器前可接2~3个单根;优点是能较好地保护电缆,适于较深的井眼

定向和调方位。

二是采用侧入接头方式,这种方式需要用方钻杆,侧入接头连接在方

钻杆以下的钻杆上,侧入接头以下的电缆在钻杆水眼内,侧入接头以上的电缆在井眼

环空内,通过侧入接头可以循环泥浆、密封电缆,并使用开口方补心使电缆通过转盘,

采用方钻杆接单根钻进;优点是接单根和控制调整钻具工具面方便,但容易损坏电缆,

适于浅井眼定向施工。

2.SST有线随钻测斜仪的技术性能

（1）.A-1计算机

显示方式:

5位数码板

数据输入方式:

标准键盘

报警方式:

错误代码显示、蜂鸣报警

接口:

交流电源接口、RS-232接口和司钻阅读器接口

工作温度:

0~120°F

工作电压:

110V交流

电源频率:

单相50~60Hz

（2）.10000系列探管外径:

Φ35mm（1-3/8"）

（3）.900、700系列探管外径:

Φ25mm（1"）

（4）.探管工作条件

工作温度:

10000系列125℃、900和700系列一八2℃

工作电压:

30V

工作电流:

120mA

（5）.仪器的系统精度（0~90°井斜角）

井斜角:

±0.5°

方位角:

±2.0°

工具面:

±2.0°

探管工作温度:

±2.0°

二.MS3有线随钻测斜仪

1.MS3有线随钻测斜仪简介

MS3随钻测量仪器是美国SPERRY-SUN公司九十年代初生产的新一代组合式有线

随钻测斜仪。

整个仪器系统由带有MS3中间接口卡的地面计算机、恒流源、MS3探管

和下井外筒总成、司钻阅读器、TI热敏打印机、电缆操作设备和辅助工具组成。

MS3随钻测斜仪是利用ESS电子多点测斜仪的探管技术开发的一种与SST有线

随钻测斜仪兼容的多功能测量仪器,用它可以进行单、多点测量、定向取芯测量;将

探管与一专用的传输接头连接可以组成有线随钻测斜仪器,采用单芯电缆将下井仪器

和地面设备连接起来,恒流源作为特殊的电源装置,为井下探管和司钻阅读器提供电

源及指令的传输通道;地面计算机可通过MS3中间接口卡对地面电源箱的工作进行控

制。

井下探管测取的井下数据再由单芯电缆传送到地面,由地面计算机进行运算和处

理;并在地面计算机上实时显示或在TI热敏打印机上打印。

原理框图如下:

┌───────┐┌───────┐┌───────┐

│TI703││EPSONLX-810││DDU│

│热敏打印机││点阵打印机││司钻阅读器│

││││││

└───┬───┘└───┬───┘└───┬───┘

│串││

│行并行接口││

│接┌───────┘┌──┘

│口││8芯数据线

┌───┴──┴──┐┌────┴────┐

│地面计算机│37芯接口线││单芯电缆

│（PC80386）├───────┤恒流源├───┐

│带MS3中间接口卡│││┌┴┐

└─┬───────┘└─┬───────┘││

│││下│

│电┌──────────┘│井│

│源││探│

│线││管│

110/220V110V│总│

交流交流│成│

││

└─┘

MS3随钻测量仪器技术性能先进、适用范围广、测量精度高,是SST有线随钻测

斜仪的换代产品,这种仪器有如下几个特点:

（1）.采用单芯电缆以及配套的电缆滚筒操作设备可完成井下数据的传输和为井下

仪器的供电,实现有线随钻随测,通过TI热敏打印机可打印出测量时间、测量井深、

井斜角、井斜方位角、工具面数据,并在地面计算机和司钻阅读器上实时地显示。

司

钻通过司钻阅读器的显示,掌握井下动力钻具的工作状态,指导定向钻进。

（2）.该随钻测量系统具有磁性参数的分析与修正功能,它可以消除来自井下钻具

和地层的磁性干扰,特别适用于大斜度定向井和水平井测量;通过分析来自井下探管

的地磁和重力分量数据,可以及时判断测量数据的误差原因以及确定测量的精度。

（3）.地面数据处理系统采用IBM兼容计算机,改善了地面仪器的通用性,实现

了一机多用的目的,在同一地面计算机上可以运行其它定向井、水平井软件。

该测量

系统所配备的STERRING随钻测量软件功能全、使用方便;在测量过程中,操作人员

可以通过地面计算机上的数据显示了解仪器的工作情况,从而保证了仪器的测量的精

度和数据的可靠性。

测量过程中,测量数据可以随时存盘、修改和调用。

测量结束,打印机可立即打印出一份或多份经过地面计算机数据处理的随钻测量

报表。

（4）.除测量参数外,井下探管还向地面计算机传输仪器工作环境与工作状态数据,

这些数据包括:

探管的环境温度、工作电流、工作电压、数据的传输率等。

（5）.该测量仪器系统具有磁扫描功能,运行磁扫描子程序可以检查无磁钻铤、无

磁扶正器、仪器外筒等无磁材料的磁化情况。

（6）.同一根探管可以实现ESS电子多点测量和有线随钻测量的全部功能。

（7）.地面计算机具有错误诊断功能,测量过程中,它可以检测来自井下探管、电

缆或地面仪器的错误信息,并通过地面计算机或TI打印机显示或打印出来。

2.仪器的组成和技术性能

MS3有线随钻测量仪器系统主要有以下六部分组成:

地面计算机和MS3中间接口卡,恒流源,MS3探管和下井外筒总成,司钻阅读器,

TI热敏打印机,电缆滚筒设备及辅助工具。

MS3随钻测量系统的数据传输是采用数字脉冲、时间调制、多路输出的方式;这

使得来自探管的测量信息,可以通过单芯电缆传输到地面仪器;在地面仪器中,这些

来自探管的原始数据被送到解码电路中,并进行数字化处理;软件系统能辨认出脉冲

信号传输中的时间基准,并以此基准作为原始测量数据的采集起点。

（1）.地面计算机和MS3中间接口卡

该系统是由一台兼容的PC80286或PC80386计算机和一块MS3中间接口卡组

成。

地面计算机接收来自MS3探管测量信息,进行数据的处理、贮存并在地面计算机

显示器和司钻阅读器上显示出来;测量人员可以操作计算机选择MS3随钻测量系统的

工作方式;根据