井斜方位仪在石油测井领域中的应用

尹国平 魏 琳

(川庆钻探工程公司测井公司 重庆)

井斜方位仪在石油测井领域中的应用

尹国平 魏 琳

(川庆钻探工程公司测井公司 重庆)

在石油钻井过程中,井斜方位的测量至关重要。文章介绍了测井行业中常用的井斜方位仪的基本工作原理以及组成结构。并对仪器在使用过程中常见的故障现象进行了分析,总结了井斜方位仪在使用中的注意事项。

井斜;方位;重力加速度计;磁通门

0 引 言

井斜方位技术是确定井眼在空间的倾斜和倾向的专门技术。在石油钻探领域中,一口井是否按照要求的斜度和走向钻探,关系到这口井最终能否钻到靶心,否则该井就会报废。因此,对斜度和方位的测量有较高的要求。目前,随着定向井、水平井的日益增多,需要精度更高,使用更方便的井斜方位仪。理论研究和测井实践表明,用磁罗盘和重锤组成的井斜方位仪因测量精度低,操作复杂已逐步淘汰。随着科学技术的发展,应用于航天航空工业的重力加速度传感器和磁通门传感器做为井身轨迹检测的敏感元件被应用在各系列的井斜方位仪中,它们不仅具有很高的精度和灵敏度而且工作十分可靠。

1 井斜方位仪的基本原理

连续测斜仪核心由重力加速度传感器和磁通门及相关电子线路组成。石英饶性伺服加速度计由于精度较高,在测斜仪中使用较多。用三个正交安装的加速度计,可准确测量出地重力加速度在三个方向上分量,通过矢量合成计算出当地重力加速度 g,并转换成对应的电压或电流信号输出。加速度计输出信号为 u为[1]:

式(1)中:g为重力加速度值,α为加速度计输出轴与重力方向之间的夹角,k0为最大零偏值。当标度因素(电压灵敏度)k1一定时,k0对应的就是一个电压或电流值,mV(mA)。加速度计输出信号的大小正比于输出轴与重力加速度计方向间的夹角。根据这一原理,将三个加速度计按正交方式沿仪器轴线安装,分别感应 X,Y,Z三个方向上的重力加速度分量,分别称之 gx,gy和gz。

磁通门是一种磁测量传感器,具有极敏感的感应地磁强度的能力。按正交方式沿仪器轴线安装的三个磁通门传感器,分别感应 X,Y,Z三个方向上的磁场场强分量,分别称之为 mx,my和mz。磁通门传感器的输出信号为[1]:

式中,k为常数,取决于传感器的结构材料因素;ω为激励电流频率;Ho为被测磁场场强;Hm为激励电流产生的激励磁场。

在实际测井中,地面计算机把井下测斜仪的三个加速度计信号 gx,gy和gz与三个磁通门信号mx,my和 mz进行归一化处理,分别带入式(3)、(4)、(5)、(6)。

井斜角:

即可得到描述井眼姿态的四个角度。

2 测井中常用井斜方位仪

目前,国内常用的测井系列为ECLIPS5700,EXCELL2000和HH2530三大系列。这三个系列各自的井斜方位仪分别为4401XA,SDDT,BDS-IB。这三种井斜方位仪都是基于石英饶性加速度计和磁通门设计的测量井眼走向的仪器,能连续完成仪器(井眼)与垂直方向和仪器(井眼)与磁北方向的位置(夹角)的测量。

三种连斜仪挂接的测井系统互不相同,数据传输方式也不同,但主要部分都由井下仪器和地面监测两部分组成。地面和井下信号的传输方式为电缆传输,井下仪器完成井斜方位的测量,并把测量计算后的结果实时传输到地面,地面监控系统对井下传上来的信息进行接收、处理、显示等。对三个系列的连斜仪而言,4401XA和SDDT是将采集到的传感器信号和温度信号直接在仪器中进行信号处理和数模转换,然后再送给遥测短节上传。而在HH2530系列中,BDS是将采集的测斜信号并经极性转换后传给共用电子线路段二进行信号处理后再上传。尽管信号处理方式不同,但其基本的工作原理可用图1来进行描述。连斜仪主要由供电模块、井斜和方位传感器、数据采集与控制模块、命令接受和数据传输模块四个部分组成,其中数据采集与控制模块是整个电路的核心。由重力加速度计和磁力计输出的六个模拟信号AX、AY、AZ、MX、MY、MZ 分别经六道滤波电路得到 ax、ay、az、mx、my、mz,然后进入多路采样开关电路。多路采样开关根据由CPU产生的地址码对六个信号进行选通,输出串行信号至A/D转换电路。CPU提供时钟和转换的开始地址给A/D转换器,转换完成后的数据由CPU控制读出,通过遥测模块传至地面系统,地面系统根据公式计算出描述井眼姿态的角度。

图1 连斜仪工作原理框图

此外,方位组件中还装有温度传感器,可随时测量保温瓶内的环境温度,并以电压的形式输出。测得的环境温度用于传感器的温度补偿,在姿态计算时进行必要的修正。同时还可监视瓶内温度,在保温瓶失效或仪器在井下工作时间过长而引起的保温瓶内温升过高,超过传感器允许的工作温度时,应及时把仪器提出井外,以免损坏传感器。

3 井斜方位仪在使用过程中的常见故障

3.1 方位曲线出现类似正弦干扰

测井时,方位曲线底部几十米内出现类似于正弦干扰的现象,幅度由大变小,频率由快变慢。这种现象的出现是由下井仪器自转和测速变化造成的。当下井仪处于某一固定的倾角和方位角时,由于下井仪自转时井斜方位传感器不可能在任意方向都和其反方向保证绝对平衡,造成下井仪在不同的自转角,方位角和倾角各自的读数每次都不同于固定值。因此下井仪器自转的误差会使方位曲线在底部出现类似于正弦干扰的现象。另外,由于重力加速度计的理想工作环境是静止或匀速运动状态,所以在井底起测时,下井仪器测速逐渐加快,同时也产生自转,使方位曲线受影响的幅度更大。所以在起测阶段,测速应放慢,尽量做到从匀加速过度到匀速,在电缆头下接防转短节,均可以减小影响。目前常用的测速为10m/min。

3.2 井斜、方位均不正常

以ECLIPS5700的4401XA为例进行说明。当井斜、方位均不正常时,首先要检查电源板上的+12V、-12V、+5V是否正常。若电源无问题,就有可能是重力加速度传感器出现问题或是加速度计和磁力计同时出现问题。加速度计的值不仅影响井斜,也要影响方位,而磁力计的值只影响方位。在仪器通电状态下,检查加速度计和磁力计是否有输出,并转动、倾斜仪器下部,观察输出值随运动变化而变化的情况。若输出为零值或死值时,说明传感器有问题,需返厂更换或重新调试,不可自行拆修。

如果加速度计和磁力计的输出值正常,就需要对外围的信号处理电路进行分析。以4401XA模拟板的部分电路为例进行说明,如图2所示。AX为加速度计的一个输出分量,通过一个二阶低通滤波电路后进入HI-508选通器。首先对滤波电路的输出AXOUT进行检测,若输出不对,就要检查电阻、电容和运放。若输出正常,就需要检查选通器是否工作正常,从CPU 送来的选通信号 MUX0、MUX1、MUX2、MUX3 是否有效。如果HI-508选通器坏,就更换器件。如果HI-508选通器正常,就需要检查A/D转换器、CPU和通讯板。

图2 4401XA模拟板部分电路

3.3 井斜正常,方位不正常

当井斜正常,方位不正常时,可判断出加速度计是正常的。需要检查磁力计的输出以及外围电路是否正常,方法同上。

4 井斜方位仪在使用中的注意事项

4.1 井眼影响

连续测斜仪是在裸眼井中工作的,精确反映并身轨迹的前提是仪器轴心与井身轴心重合。实际上,井眼的直径往往大于仪器抗压管的外径,测井时由于下井仪器尾部摆动造成曲线跳动在扩径井段或井况复杂的情况下,其影响还要大。4401XA型连续测斜仪抗压管外径0.085m,仪器长度为2.08m,加装马笼头后总长度为3.03m,一般情况下井眼直径0.216m,那么井眼对倾角的影响最大为arcsin[(0.216-0.085)/3.03]=2.48,同样井眼对方位也有影响。因此测井时,要减小井眼的影响,可加装合适的扶正器或加长仪器。

4.2 运输及维修过程中的注意事项

井斜方位测井仪中所用的传感器为高精密器件,在运输、安装与拆卸井斜方位仪时,严禁剧烈震动或碰撞,应轻拿轻放。在检查电路板中,当需要使用电烙铁焊接维修时,由于使用的都是经过筛选的电阻电容和CMOS器件,必须先断开给仪器供电的交流电源。还要注意避免静电,以免损坏CMOS电路。维修中一旦动了已经调试好的连斜仪芯的加速度计或磁通门中的任何一个的位置或者幅值的大小,整个连斜仪芯必须重新再调试一遍。

4.3 定期对仪器进行校验

井斜方位仪使用中,随着时间推移和下井次数的增多,仪器中的仪表及电子线路的性能可能发生变化,这就要求定期用已知的校验台的倾角和方位对仪器进行刻度。校验台北向和水平的调节精度会直接影响仪器的精度。刻度时,井斜角误差不超过±0.5°,在井斜角大于3°时,方位角误差不超过±5°。

4.4 避免磁物质对仪器的影响

铁磁物质对井斜方位仪的影响是不能忽略的。仪器中三个正交的磁力计响应敏感状态下的地磁场矢量的三个分量,而铁磁物质影响到地磁场矢量,其对方位影响的大小与其距探头的远近有关。要消除铁磁物对方位的影响,首先,在连续测斜仪校验的现场,要求距校验台半径10m内没有铁器,20m内没有强磁场。其次,把下井仪上、下接头及加长部分改制成无磁材料,或者加防磁隔离短节,短节长度应大于1.5m。这样,可避免铁磁物对测井数据(方位角)的影响[2]。在使用过程中,仪器外壳有可能被磁化,应及时对仪器外壳进行消磁。磁通门传感器易受外界异常磁场的干扰,微小陀螺做为其替代品是发展的趋势。

5 结束语

在钻井过程中,井斜方位是一个必测的常规项目,其测井仪器也非常普遍。但在使用时,必须严格按照标准操作手册进行操作和维护,保证仪器处于良好的工作状态,否则错误的测量结果,就有可能导致大的钻井工程事故。

[1] 付鑫生,汉泽西,周 静,等.CLS3700地层倾角测井原理与仪器[M].西安:西安电子科技大学出版社,1996

[2] 李 影,薛继荣,樊唐生,等.影响连续测斜仪测量精度的因素分析[J].石油仪器,2008,22(5)

TE927

B

1004-9134(2010)02-0031-03

2009-09-01 编辑:高红霞)

尹国平,男,1966年生,高级工程师,西南石油大学硕士研究生,长期从事测井数据采集和设备管理工作。邮编;400021