陀螺测量技术在石油领域的应用与展望

＊何坤 曹川 罗勇 张燕萍 吴千里

（中国石油集团工程技术研究院有限公司钻井机械研究所 北京 100000）

1.陀螺测斜仪特点及分类

（1）陀螺测斜仪特点。由于陀螺仪自转轴相对于惯性空间保持方位不变，而地球以其自转角速度绕极轴相对惯性空间转动，所示观察者若以地球为参考基准，将会看到陀螺仪自转轴相对地球转动，这种相对运动称为陀螺仪的表观运动。表观进动是陀螺仪测量地球角速度的基础。根据坐标系变换，可以求出井斜角I方位角A工具面角T。

图1 陀螺姿态计算原理

陀螺测斜仪是通过测量地球自转角速度及其分量来确定北向方位，具有自动寻北，无需校北的特点，所以测量的数据为井眼轨迹的真实数据。因为其感应地球自转速度，与常规磁性仪器不同，陀螺可以不受周围磁环境干扰，所以在油套管或钻杆中或地磁强度高的地层中能够准确测量井斜、方位[1]。

（2）陀螺测斜仪种类。①从结构和制造工艺上陀螺仪可以分为机械陀螺、光学陀螺、半导体陀螺。

机械陀螺又有框架陀螺、动力调谐陀螺、液浮速率积分陀螺、静电陀螺。其中框架陀螺使用和维护不方便，测量精度低，方位有漂移和累计误差，在20世纪50年代到90年代普遍采用的一种测斜陀螺；动力调谐陀螺目前技术已成熟，具有体积小、可靠性高、故障率小的特点，可以自动寻北，目前已成功应用于钻孔测斜中；液浮速率积分陀螺不适用于井下高温、高压环境；静电陀螺制造难度极大，造价昂贵，技术仅仅掌握在世界上一两个国家，短期内不会应用在油田现场[2]。光学陀螺主要有激光和光纤陀螺两种，光纤陀螺仪具有精度高，日漂移量小的灵敏度，可自动寻北，目前被广泛应用于油田现场测斜服务；激光陀螺因体积庞大，不适用于油田现场测量受限的空间。半导体陀螺中最常见的是硅微陀螺，硅微陀螺的优点是具有良好的抗振性和体积，但因其精度低，漂移大，在油田现场已逐步被淘汰。

②从油田现场应用情况可以分为无线式陀螺和有线式陀螺两种形式。

无线式陀螺包括单多点陀螺和无线随钻陀螺，单多点陀螺采用井口投测方式，通过电池组为测量探管测量系统供电，在起钻过程中测量井下探管姿态，通过地面专用计算机软件解析、读取数据；无线随钻陀螺是近几年研制出来的新型随钻陀螺，采用泥浆脉冲传输方式，在钻进过程中实时测量、显示定向参数，供地面技术人员参考。

有线式陀螺主要有单多点测斜陀螺和有线随钻陀螺：单多点测斜陀螺工作原理与无线式相同，主要区别在于输送方式为铠装单芯电缆吊测，通过地面绞车输送到井下指定深度进行测量；有线随钻陀螺在钻进过程中实时测量井下井斜、方位、工具面等重要定向参数，通过单芯电缆进行供电及数据传输。

（3）国内外技术现状对比。从全球来看，在光纤陀螺技术上美国始终保持领先地位，其他国家处于追赶地位。

国内陀螺测量技术多采用光纤陀螺，基本为中低端技术服务，方位精度基本为个位数量级，最高温度基本在70℃～80℃[3]。MEMS陀螺通过结合其他传感器的数据以及算法上的改进，其精度足以满足大多数的消费级应用，得益于其极低的成本和功耗，极小的体积和质量，集成方便和数据输出简单的特性，我国MEMS陀螺仪发展起步较晚与国外相比依然明显落后，尤其是在中高端产品线上差距明显。

2.陀螺测斜技术在油田开发中的应用现状

（1）陀螺测斜技术应用于老井挖潜。在20世纪80年代末开发的老油田，由于技术条件的限制，部分井眼轨迹资料存在较大误差及不确定因素，导致开发效果不理想。随着开发的不断深入，套管损坏、变形、漏失严重，导致一些井不能正常生产，一类井没有井斜数据，因此对老油田实施二次开发利用作为当今石油行业的重要战略规划，侧钻前要进行方位井斜复测，修正原井眼轨迹和井斜数据，确定开窗侧钻点的位置，指导侧钻设计，并且可以对油田开发中后期有磁环境下进行井斜复测，陀螺测斜数据能够真实反应井眼轨迹，施工前通过采用陀螺测斜技术复测井身轨迹,结合井身轨迹数据制定工程施工方案，为老油田实行高效挖潜增储提供准确数据,取得了很好的挖潜效果[4]。

（2）陀螺测斜技术应用于海洋丛式井绕障防碰。随着海上油田的不断开发，为了降低开发成本，更多的平台采用加密井口方式，在小区域范围布设多个井口，由于井口间距小，在生产井开发中后期磁干扰问题严重，常规的无线随钻测斜仪因磁干扰严重无法正常工作，可以采用陀螺进行井眼轨迹的跟踪测量。目前海上丛式井陀螺防碰施工主要有两种方式：一种是每钻进一段，通过陀螺多点测量该井段井斜、方位等定向参数，测量方式可采用投测，也可以采用电缆将陀螺仪传输至井下预设位置进行测量；另外一种是采用随钻陀螺，将陀螺仪器组合下入到钻具中，在钻进过程中实时测量、传输，测得的参数通过专用软件解析显示到地面系统，定向工程师提前计算出井身轨迹走向，为防碰绕障提供数据[5]。

（3）陀螺测斜技术在定方位开窗侧钻中的应用。随着近些年油田开发战略的调整，老井开窗侧钻以其投入低、周期短、见效快，成为挖掘老井潜力和油田增储主要措施之一，导斜器作为开窗侧钻中的重要工具，在不考虑窗口方向的作业中，先下入导斜器固定，采用磨铣或者锻铣方式完成开窗，出窗后在侧钻过程中按照设计边钻边调整井眼轨迹，如果需要定方位开窗，需下入陀螺仪测量定位接头方向来确定导斜器斜面方位，开窗完成后，按照预设方位进行侧钻施工，目前油田现场通常采用光纤陀螺进行定方位测量，斜向器斜面定位精度可以达到±3°。

通过陀螺测量获得地球自转角速度在正交三维空间的各项分量，通过加速度计获得重力角速度分量，复合计算获得井斜、方位和工具面角。由此我们可以通过陀螺测井获得测量点的状态信息，经过工具坐键和初始角校正得到斜向器的方位，一般＜3°使用陀螺工具面，≥3°使用重力工具面。

（4）陀螺测斜技术用于定方位射孔。射孔完井是油田勘探开发过程中的一个重要环节，射孔效果的好坏不仅影响油气井的产能，而且还会对后续增产改造措施的效果产生影响。目前常规的射孔方式为90°四相位螺旋布孔[6]。

常规射孔孔眼的方向是随机的，因此无法满足一些特殊情况对射孔施工的要求，而定方位射孔技术是一种可以进行井下有方向性射孔的射孔工艺技术，其利用油管输送射孔管柱的方式，在油管与射孔管柱之间接入一定方位短节，通过测量定方位短节上方位键的方位来确定射孔弹穿孔的方位。

陀螺测斜仪下端的导向装置与定方位短节内的定方位键吻合对接，测量定方位键的方位角（射孔弹穿孔的方向），若测量定方位键的方位角与目标方位角不一致时，则需在井口转动油管调整射孔管柱的方向，直至测量的方位角与目标方位角的误差在允许误差范围内后，测斜仪器进行射孔作业。起出陀螺测斜仪器进行射孔作业。

3.陀螺测斜技术在油田开发中的应用展望

（1）陀螺测斜技术用于深井超深井。超深井是指完钻井深在6000m以上的井，在我国塔里木、准格尔、四川等盆地比较集中，这些油气层大多埋深较深，在施工中通常会钻遇异常高压地层及易垮塌特殊地层。为了防止发生井下事故，必须提高钻井液密度和黏度，由于MWD是靠泥浆脉冲发生器进行信号传输的，对于泥浆性能有一定要求，由于固相含量高影响有线随钻MWD数据传输不准确，为解决这个问题可采用有线式随钻陀螺，在钻进过程中实时测量井身轨迹，数据通过单芯电缆实时将井下工具面、井底井斜方位和井斜数据传输至地面，不受钻井液性能如粘度和含砂量条件的影响。

（2）陀螺测斜技术用于事故井的重入。目前在国内各油田现场都会存在因卡钻或者断钻具的事故井，这些类型井因打捞失败导致原井筒无法处理，最终选择重新侧钻或者填眼报废，如果后期需要对这些井进行二次开发利用，要求重入原井筒中进行作业，因井筒中存在钻具或者套管等落鱼，这些落鱼产生的磁性干扰使常规磁性仪器在逐渐靠近过程中会测量不准确，此时就需要下入不受磁干扰的陀螺进行轨迹测量，测量方式可以为某段范围多点测量，通过多次校核井眼轨迹数据，调整目标靶点方向最终重入老井眼，也可以采用随钻陀螺，在钻进过程中实时跟踪井眼轨迹。

（3）陀螺测斜技术用于救援井的连通。当油田现场采用三级井控失败后，油气井发生严重井喷，最终会造成井喷失控态势，往往会引发着火、爆炸等事故，造成平台烧毁和人员伤亡。对于发生爆炸着火的油井，采取救援井施工是解决问题的有效途径，由救援井向井控事故井内泵入压井液，重新恢复井内压力平衡。在钻进过程中可采用磁测距工具探测事故井内套管、钻具或落鱼的距离，通过陀螺仪测量救援井与事故井的相对方位（连通点方位），然后通过不断调整轨迹设计数据，将救援井与事故井联通，在救援井中进行压井作业，最终控制井喷事故[7]。

（4）陀螺测斜技术用于超短半径侧钻水平井。超短半径侧钻水平井是在中长半径水平井技术基础上发展起来的一项钻井新技术，该技术能节约成本、提高油井产量和提高采收率[2]，目前国内超短半径侧钻水平井施工工艺主要包括以下五步：①斜向器坐封；②铣锥开窗；③定向段钻进；④水平段钻进；⑤完井。由于MWD有磁通门元件会受到周围铁磁性物质干扰，因此需要装在无磁钻铤内使用，仪器上下两端需要留出至少两米距离，造成仪器下端工具过长，不利于超短半径精确轨迹控制，随钻陀螺具有长度短、不受磁干扰、测量精度高等优点，特别适用于超短半径水平井定向段轨迹控制。

4.关于陀螺未来发展方向的几点建议

对于陀螺在石油领域的发展，提出以下几点建议：

（1）加快陀螺仪器传感器抗震性能的研究。陀螺的特性决定其致命缺点之一是抗振性差，在钻井过程中由于螺杆钻具连同钻头在井下工作时产生强烈震动导致随钻测斜仪器测量效果差，随钻测量的数据如工具面等参数不能持续稳定输出，测量精度与室内测试存在较大差距，因此应加大陀螺抗振性能研究，使随钻陀螺在井下随钻测量时工具面能够长时间稳定输出。

（2）提高陀螺产品的抗高温性能以适应国内超深井高温油气田的开发。目前国内陀螺产品抗温性能可以达到175℃，都是采用外层加装隔热套的方式，一方面产品外径加大从而限制了其应用范围，另一方面采用隔热套也是持续受到热传导的影响导致不能长时间在井下长时间工作，建议今后可以通过研究吸热材料，将这种材料与陀螺本体结合的方式解决陀螺耐高温难题，因此为了适应国内油田超深井和高温井的开发应用，提高陀螺抗温性以也是今后研究方向之一。

（3）陀螺的数据算法和误差补偿是提高陀螺测量精度的关键技术。无论是陀螺还是随钻陀螺，在井下采集的数据进行高效、快速处理，使其实时显示在地面终端系统、使其稳定输出成为关键技术，因此应加快陀螺漂移算法研究如建立数字模型、数字算法，研究更合理的滤波算法和数字补偿模型，使陀螺在现场应用过程中数据测量准确、测量精度高。

（4）无线随钻陀螺在油田现场中一些特殊类型井中应用有明显优势。将无线随钻陀螺测量技术应用在一些特殊井型应作为今后重点研究方向，如深井超深井、超短半径水平井中，建议加大随钻陀螺测斜技术与传统的无线随钻测量技术结合，加快井下数据传输技术的研发力度,以提升我国的定向钻井技术水平,为复杂井定向施工提供先进的技术支持。

（5）加快有线随钻陀螺测量技术的研发。目前国内有线随钻陀螺测量技术主要应用在海上作业施工，应用于海上丛式井防碰绕障，多数都是采用国外技术，有线随钻技术适应范围更广，在现有技术基础上应继续加快井口配套硬件、地面配套软件的性能优化和改进，使其能够成为从地面、井口至井下仪器成熟的一体化工具。

5.结束语

陀螺测斜仪作为油田现场重要的测斜仪器，近些年通过不断研究取得了很大进步，陀螺产品测量精度逐步提高，测量模式从单一发展为多种，陀螺测斜产品性能不断优化。尽管如此，陀螺仪器在国内各大油田仍然没有得到大范围推广应用，国内各高校及科研单位应结合陀螺的优点及现场实际需求，加快陀螺技术在油田现场应用的研究进度。