收稿日期:2003-02-10
连续测斜仪在石油测井领域的应用及发展王 骏(中国船舶重工集团公司第七○五研究所 西安 710075)
摘 要:
介绍了在我国石油测井行业中,广泛使用的测斜设备连续测斜仪的现阶段状况、简要原理及应用,以
及该仪器将来的发展方向。关键词: 测井 井斜角 井斜方位角 连续 惯性技术
AApplicationsandDevelopmentofDipmeterinOilLoggingWangJun(The705ResearchInstitute,CSIC,Xi’an,710075)
Abstract: Thispaperintroducesthecomplexionofthedipmeterinourcountry’soillogging,theprinci2plesandapplicationsofthedipmeter,andthedevelopmentofthedipmeterinthefuture.Keywords: oillogging,deviation,azimuth,progression,inertiatechnology
0 概 述在石油钻测行业中,对斜度和方位的测量一直有着较高的要求。因为一口井能否按要求的斜度和走向钻探,关系着这口井最终能否到达目的层(油层),且能否出油。尤其是现在,随着易开采石油资源的日益枯竭,国内外钻井界纷纷将目光投向滩海、湖泊、稠油油藏及海洋等复杂地况的勘探和开发。小块零散油层的开采和大位移井、大斜度井、丛式井、水平井的日益增多,需要精度更高、使用上更加可靠的测斜仪器。惯性技术的使用,使得这种要求得以实现。采用高精度、高分辨率的重力及磁传感器进行裸眼井的井斜、井斜方位的测量,最初是在高分辨率地层倾角测井仪上实现的,如斯伦贝谢(Schlumberger)公司的SHDT和西方阿特拉斯(WesternATLAS)公司的1016。我国20世纪80年代末,由西安石油仪器总厂全套引进美国西方阿特拉斯CLS3700测井系统生产线,使这项技术在石油测井中得到应用。1 测斜仪现阶段的使用状况直到20世纪90年代中期,在我国的各大油田,国外的高分辨率地层倾角测井仪因为价格昂贵(400万人民币/套),测井费用太高,故通常只在重点井和勘探井中使用。大量的生产井在测斜时还是使用国产老式机械单点测斜仪。这种机械单点测斜仪,由重锤、磁针与低转矩灵敏电位器组成,采用机械转动方式,指针的摆动带动电位器阻值的变化,不同的阻值对应不同的角度,其测量精度低,机械故障较多。该仪器使用时,在测量井段的每25m处要停一下,待仪器稳定后,由地面工作人员根据面板显示,手动记录该点的井斜值和井斜方位值,一次测井一般需要记录300多个数据。测井的时间长,准确度低。进入90年代以后,各油田相继提出了提高井斜的测量精度,
能够连续记录所测数据,缩短测量时间,减轻劳动强度,淘汰老式机械单点测斜仪的要求。我所根据油田用户这一实际需求,在高分辨率地层倾角测井仪的基础上进行了功能简化,大幅降低了成本,研制开发出新型井斜测量仪—705连续测斜仪。它配合GR仪(校正深度用),一次下井可以连续测得DEV(井斜
角)、DAZ(井斜方位)、RB(相对方位角)、DX(X井径)、DY(Y井径)、GR、T(瓶温)等七条曲线,完全可以满足油田用户对裸眼井的斜度及井眼几何形状的
第25卷 第3期2003年6月 舰 船 科 学 技 术SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGY Vol.25 No.3Jun.2003测量要求。该仪器自1996年研制成功后现已生产20余套,在新疆、四川得到了广泛的应用和好评。仪器在使用中,测量精度高,可靠性、重复性好,使用简便。现在全国各大油田也已广泛采用了这种类型的仪器。2 连续测斜仪的基本原理在石油测井中,把井轴与铅垂线的夹角叫做井斜角(简称DEV),它反映被测井眼的倾斜程度;把仪器在水平面上的投影与磁北方向间的夹角叫做井斜方位角(简称DAZ),它反映被测井眼偏离磁北方向的程度。如图1所示,α为该井的井斜方位角,β为该井的井斜角;把垂直于仪器轴的平面内仪器的高边偏离基准线的夹角叫做1#极板相对方位角(简称RB),它反映仪器绕自身旋转的程度。图 1连续测斜仪的核心为方位组件。方位组件是在捷联式惯导系统的基础上研制开发的,它由两组高精度传感器和相关电子线路组成。其中一组传感器是三个加速度计,另一组是三个磁通门,没有机械转动部分。我们知道,重力加速度G为一矢量,大约等于9.8m/s2,其值随纬度的变化略有差异,其方向铅垂向下。地球上每一固定区域的G值为一确定值。用三个正交安装的加速度计,可准确测量出该地重力加速度的三个方向上分量,通过矢量合成计算出当地G值,并转换成对应的电压或电流信号。方位组件就是根据这一原理,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。再根据各个分量的大小通过坐标转换,经过地面计算机的处理,计算出仪器倾斜角。加速度计输出为电压信号E,且E=Gsinα(1)式中:G为重力加速度值。当标度因数一定时,它对应的就是一个电压或电流值,如mV(mA);α为加速度计输出轴与重力方向之间的夹角,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。地磁场矢量的大小约为0.7奥斯特,方向为由南向北,和水平面成一定夹角(磁倾角)。成正交安装的三个磁通门传感器可以测得地磁场的场强。方位组件中也是按正交方式沿仪器轴线安装了三个磁通门传感器,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。地球上各个地域的磁场场强大小不同,磁倾角也不相同。磁传感器测得的三个磁场分量与加速度计测得的重力场的三个分量共同确定仪器方位和井斜方位角。磁传感器的输出信号:
e=KH0H2msin2ω(2)
式中:K———常数,取决于传感器的结构材料因素;
ω———激励电流频率
;
Ho
———被测磁场场强;
Hm
———激励电流产生的激励磁场。
磁传感器输出信号的大小正比于激励磁场的二次谐波分量与被测磁场场强。当激励电流频率为定值时,磁传感器的输出信号仅随被测磁场的强弱改变,这里的被测磁场就是地磁场。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M
x,My
和Mz进行归一化处理,分别带入式(3)、(4)、(5)。
井斜角:
DEV=gx2+gy
2
gz
(3)
相对方位角:
RB=arctggy-gx(4) 井斜方位角:
DAZ=arctggxmy-gymxmz-gzsinI(5)
即可得到描述井眼姿态的三个角度[1]。为了保证传感器正常工作,组件中还分别配有伺服电路,用以对传感器进行激励、信号检测、信号变换等处理。
・84・舰 船 科 学 技 术 第25卷此外,方位组件中还装有温度传感器,可随时测量隔热瓶内的环境温度,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,在隔热瓶失效,或仪器在井下工作时间过长而引起的隔热瓶内温升过高,超过传感器允许的工作温度时,可及时把仪器从井下提出井外,以免损坏传感器。3 连续测斜仪现阶段的应用连续测斜仪井下部分一般由一个测斜仪和一个井径仪组成。它能测量井斜的角度和方位及两个相互垂直且互不影响的井径信号。目前主要应用于以下几个方面:(1)精确地确定井眼的位置和方向,对于钻井部门在进行侧钻,确定井中落物位置,套管停顿位置和解决许多定向井钻井问题等方面都是非常有用的。(2)根据测得的方向数据,计算出真实的垂直深度,用它校正其它测井曲线。(3)井钻完后在下放套管时,根据井眼体积积分可以精确计算需要的水泥体积或砾石充填的体积。(4)两个相互垂直的井径可以表明井眼的椭圆度,也可表明在套管下扩大井眼作业的有效程度。对固井作业和射孔作业也有很大帮助。4 国外测斜仪的发展国外早期多使用单、多点照相测斜仪,以及以重锤、磁针与低转矩灵敏电位器组成的机械转动式测斜仪(如美西方阿特拉斯的1013)等。现在使用的测斜仪主要为高分辨率地层倾角测井仪(SHDT),它的井下部分包括1个遥测短节,用于数据的传输;1个测斜仪,用于姿态的测量,原理与连续测斜仪测斜段相同;1个四支臂或六支臂带极板的井径仪。该仪器除了能完成连续测斜仪的功能外,还增加了4条(6臂为6条)微电阻率曲线。配合地面软件的处理,可以得到井下不同地层的真倾角,在地质构造、沉积相、裂缝识别、断层分析和地应力方向应用等许多领域中应用,为解决许多疑难地质问题起到了重要作用。现在在中国石油测井服务领域最先进的斯伦贝谢公司的MAXIS500测井系统,使用的就是六臂地层倾角测井仪(FMI)。此外,俄罗斯等石油大国也在积极发展石油测井仪器,已经有用陀螺为测斜核心制成的测斜仪。它由1个陀螺水准仪和1个陀螺方位仪组成,采用水银开关和力矩器组成修正装置。该仪器的优点是可以采用所选定的任意空间方位,并稳定在此位置,基本不发生变化,其方位测量不受地球磁场及其它磁性材料的影响。代表了测斜仪将来的发展方向。
5 我国测斜仪的发展前景国外现在还没有单独的测斜仪器在中国服务,而现在使用的地层倾角测井仪测井费用较高,不适合大范围的推广。我们应该抓住这一机遇,开发出性能更可靠,使用、维修更方便的连续测斜仪。当前使用的连续测斜仪还存在以下问题:
(1)三加速度计和三磁通门传感器在安装时,因
轴不重合而使精度降低;
(2)磁通门传感器易受外界异常磁场干扰,使得
测量不准确。因此,微小陀螺作为其替代产品将是必然的发展趋势;
(3)用户需要体积更小、更轻便、更易维修的测
斜仪;
(4)能与其它仪器进行组合测井,以减少测井的
时间和劳动强度。上述问题的解决将是决定我们能否抓住机遇,占领国内市场,并走向国外的关键。
参 考 文 献[1] 于波,陈云相等.惯性技术[M].北京航空航天大学出版社,1994
[2] 赵光辉,李成实.CLS数控测井系统接口技术和数控地层倾角测井仪[M].石油工业出版社,1993
[3] 吴菊仙.六臂倾角计算方法及应用[J].测井技术.1996.1[4] 丁次乾.矿场地球物理[M].石油大学出版社,1992
作者简介: 王骏,男,1974年出生,工程师。西安电子科技大学电子工程系毕业,从事电子线路设计工作。现主要负责705
连续测斜仪的生产和开发。编写了《705连续测斜仪使用维修手册》、《705连续测斜仪现场操作手册》等。
・94・第3期 王 骏: 连续测井仪在石油测井领域的应用和发展