重力MWD技术在国外的应用

徐占超

胜利油田钻井工程技术公司定向井公司

常规MWD/LWD是磁性测量工具，是通过大地磁场来测量方位角的。在开窗侧钻和套管钻井等作业中，制品等的磁力干扰源对测量仪器产生较大的影响，给井眼轨迹预测和控制带来困难。为避免测量过程中磁场的干扰，美国PathFinde能源公司研制出了重力随钻测斜仪，即重力MWD。它是在常规MWD/LWD上装置了一套三轴加速度传感器取代传统的磁力传感器，通过两组加速度计之间钻柱固有弯曲来测量方位角的相对变化，从而确定测量位置处的轨迹参数。

一、重力MWD测方位角技术

1.MWD/LWD测量方位角的原理

常规MWD/LWD是以磁力仪作为测量方位角的主要传感器，使用单个三轴磁力仪测量地球磁场的各个分量，从而获取井眼方位角。磁场分量如图1所示，图中I表示地磁倾角，H表示磁场的强度，Hx，Hy和Hz是井筒磁场H在x、y和z轴上的分量，G表示重力方向。

图1 磁力仪在井筒中的各磁场分量示意

由磁力传感器的磁场分量和相关重力分量，得MWD/LWD在用磁力传感器测量井眼方位角和磁性工具面角的表达式:

式中，α为井眼的方位角，（°）；βMTF为磁性工具面角，（°）；Gx、Gy、Gz为井筒重力场沿x、y、z轴的重力分量，m/s2。

在确定情况下，重力保持不变。在强磁场干扰的环境中，通过磁力传感器的磁通量就不仅仅是大地磁场，还有外部干扰磁场的迭加，这给测量带来误差，进而给井眼轨迹的判断或修正带来障碍。

2.重力MWD测量方位角的原理

考察单个重力传感器，可以根据传感器测试体的重力分量计算得到井眼轨迹的井斜角和工具面角[2]，其计算公式为:

式中，αINC为井眼的井斜角，（°）；βTOF为工具面角，（°）。

两组加速度计之间的关系对于推导井眼方位角非常重要的。在钻铤中，必须保证两组加速度计上下互相对齐，且加速度计轴重合或相互平行。

两组加速度计之间的角度变化被对应地换算成方位角变化(△)，图2中的结点就表示方位角的变化。△反映底部钻具组合上固定两点之间的相对变化。通过单个重力传感器可以测得传感器所在位置的井斜角变化而知道两组加速度计之间的方位变化，最后将△与一个已知的参照测量值α1’相加就得到井眼的实际方位角。

式中，α1为工具的实际方位角，（°）；α1'为参照测量的方位角，（°）；△为两组加速度计角度的相对变化值，（°）。

图2 两组加速度计重力分量之间的关系

二、影响方位角测量的关键因素

1.传感器之间的距离

重力MWD通过测量钻铤上两点的相对变化来反映井眼轨迹的变化。在测量过程中应保证两组传感器测得的数据重叠(下部传感器在新测量点所得数据应该覆盖上部传感器在前一个测量点所得数据)，以减小测量数据不断累计产生的误差。

2.参照测量方位角

参照测量方位角的测量精度取决于参照测量方位角的质量或精度必须准确控制前一井段的测量质量，并且尽量缩短测量间距，为后续的重力测量提供参照。

3.井斜的限制

建议井斜角小于3。或井斜角大于70。的井段不用重力MWD。并且，建议测量长度一般不超过300m。

三、国外应用情况

重力MWD仪器在国外多口井中的试验表明，在磁性干扰比较强的井中测量结果精确。在英国Vis-count W1Z侧钻井中，应用重力MWD技术取得了显著的效果。

在W1Z井钻井过程中共进行了16次重力MWD测量，其中5次用于参照。各种测量数据见图3

图3 W1Z井重力MWD、磁性MWD和陀螺仪的测量结果

结论

1.重力MWD是一种依据重力原理测量井眼方位角的随钻测斜仪，能够消除磁性干扰。它是在常规MWD/LWD上增加一组重力传感器，利用两组重力传感器在下部钻具组合上的角度变化来确定方位角。

2.重力MWD测量与两组重力传感器之间的距离、参照测量方位角和井斜角大小有关，对于井斜角小于3。和大于70。的井段应慎用重力MWD，同时重力MWD一般只用于磁性干扰井段的测量。

3.重力MWD技术应用广泛，不但应用在套管钻井，侧钻井和分支井，还可应用在钻出套管鞋，绕过邻井、救援井钻井等。

[1]聂世军，张轩，高扬.重力MWD技术在国外的应用[J].石油钻探技术，2007，04:97-99.

[2]涂兵.MWD中泥浆脉冲信号辨识及地面适配技术研究[D].北京工业大学，2013.