钻井与完井工程教材第六章井眼轨迹设计与控制

1第六章、井眼轨迹设计与控制第一节、概述当今的科学技术提供了预测地下油气藏位置的手段，而从地面确定位置到地下确定油气藏通道的建立，只有通过钻井工程来达到。钻井工程的钻进原理前面的章节已经阐述，本章要解决的问题是如何来设计这一条通道的轨迹以及如何控制钻进过程，使实际钻进路径和设计轨迹一致。一种情况是：当地面井口位置就在地下油气藏的正上方，采用铅直井井眼轨迹设计，此时设计的轨迹就是从地面井口位置到地下油气藏的一条铅直线，轨迹控制的问题是如何防止实钻轨迹过大地偏离出铅垂线（这一过程称为“井斜控制” ） 。另一种情况是：当地面井口位置不在地下油气藏的正上方或钻井目标有特殊要求，将按专门的钻井目的和要求设计对应的井眼轨迹，并在钻进过程中一直进行井眼轨迹控制，使井眼沿预先设计的井眼轨迹钻达预定目标。工程上把第一种情况的井称为直井，第二种情况的井称为定向井或根据目标和轨迹的情况分为丛式井、侧钻井、水平井、大位移井、分支井等。定向井的应用范围广阔：1地面限制。油田所处地面不利于或不允许设置井场钻井或搬家安装受到极大障碍。如房屋建筑、城镇、河流、沼泽、高山、港口、道路、海洋、沙漠等地面条件限制。图 6-1 定向井在油气田勘探开发中的应用a-勘探海底油田； b-海上钻井利用平台；c-控制断层；d-地面条件限制；e-盐丘附近钻井； f-增大出油量；g- 多底井；h-救援井22地下地质条件要求。由于地质构造特点，定向井能更有利于发现油藏、增加开发速度。如控制断层、探采盐丘突起下部的油气层、探采高角度裂缝性油气藏、开发薄油层油藏等。3钻井技术的需要。需用定向井来处理井下复杂情况或易斜地层的钻井。如我国自行设计、施工的数口成功的定向救援井：濮 2151 井（中原油田） 、永 59 井（胜利） 、南21 井（青海） 。均成功地制服了井喷失控事故。4其它方面的应用如过江管道的铺设、煤层气的开发、地热井的钻井等。定向井引入石油钻井界约在 19 世纪后期，当时的定向井是在落鱼周围侧钻。世界上第一口真正有记录的定向井是 1932 年美国人在加利福尼亚亨延滩油田完成。当时浅海滩下油田的开发是在先搭的栈桥上竖井架钻井。美国一位有创新精神的钻进承包商改变了这种做法，他在陆地上竖井架，使井眼延伸到海床下，由此开创了定向钻井新纪元。1934 年，德国的克萨斯康罗油田一口井严重井喷。一位有丰富想象力的工程师提出用定向井技术来解决。在距失控井一定距离钻一口定向井，井底与失控井相交，然后向井内泵入重浆压住失控井，这是世界上第一口定向救援井。二战后随着生产的发展、海洋石油的开发、井下动力钻具的研制以及计算技术的进步，促进了定向井技术的发展。我国的第一口定向井是 1955 年在玉门油田钻成，井号为 C215 井。1965 年在四川油田钻成了我国第一口水平井，磨三井，水平延伸 160m，是世界上第二个钻成水平井的国家。四川油田的草 16 井，1987 年钻成，是一口过长江定向井。70 年代以来，我国海洋定向井迅速发展，在渤海湾海上钻丛式定向井，在一个钻井平台上施工多达 12 口（目前已达 35口以上）定向井。胜利油田的河 50 丛式井组，1988 年完成，一个陆地平台钻成 42 口定向井。由于石油天然气勘探开发的需要，在我国第七个五年计划期间，定向井、丛式井钻井工艺技术获得突破性进展，大踏步进入生产实用阶段，其水平跨入世界先进行列。采用这项技术打成了一大批多目标并、三维绕障井、高精度定向勘探井，满足了地质勘探上的特殊需要，并且成功地运用丛式井组整装开发了沈阳、二连、江苏的卞杨等三个油田。 “七五”期间全国共钻成定向井 4317 口，为“六五”期间的 465 倍，少占用土地万亩以上，节约资金 3 亿元。辽河油田在杜 48 断块的 10 号平台钻 17 口井，平均井深 23442m，最大井斜 28°，最大水平位移 16333m，中靶率达到 100，平均建井周期 32 天，平均机械钻速912mhr，这个平台和相同日数的单井相比少占工业用地 123 亩，节约 76，节约成本1197 万元。四川石油管理局 1987 年成功地钻成隆 401 丛式井组，最大井斜角 90°，开创了我国深层、硬地层打大斜度井的先河。该井完钻井深 3130 米，垂直井深 229004 米，最大水平位移 145944 米，在气层内进尺 532 米，等于目的层垂直厚度的 5 倍，该井打出了我国大斜度定向井的新水平。胜利油田根据油藏地面建设十分密集，地下老井很多（达 14 口）的实际情况，采用了3多目标、绕障打油田开发井的先进技术，应用计算机剖面绘图，防碰扫描、三维绕障程序、丛式井防干扰装置，随钻定向造斜与扭方位技术以及电子多点测量等一系列井眼轨迹控制技术，打成了我国目前陆上丛式井完井口数最多的井组河 50 丛式井组，共有 42 口井，其中多目标井有 5 口，平台占地面积 65 亩，比单井少占地 335 亩，节约土地 845。第二节、定向井井眼轨迹设计定向井在施工前必须按专门的钻井目的和要求设计对应的井眼轨迹。该设计轨迹必须在现有的装备、工艺和技术条件下满足勘探开发的要求。设计时要考虑能经济地钻达目标的路径或轨迹，要考虑地质因素对要用的井底钻具组合的影响以及可能最终影响井眼轨迹的其它因素。定向井施工是使井眼沿预先设计的井眼轨迹钻达预定目标的过程，所以设计的定向井轨迹是施工的依据和检验的标准。一、基本要素定向井的井眼轨迹是空间的一条曲线，为了能结合工程参数描述该曲线，需要掌握定向井的基本要素：1井深。井眼轴线上任一点到井口的井眼长度称为该点的井深，也称为该点的测量井深或斜深，单位为米, 常用字母 L 表示；2井斜角：井眼轴线上任一点的井眼方向线（切线，指向前方）与通过该点的重力线间之间的夹角，称为该点处的井斜角，单位为度，常用字母 表示；3方位角：井眼轴线上任一点的正北方向线与该点的井眼方向线在水平面投影线间的夹角，称为该点处方位角，单位为度，常用字母 表示；4井斜变化率：单位长度井段内井斜角的改变图 6-2 井斜角和方位角4值称为井斜变化率。通常以两测点间的井斜角的变化值与两测点间井段长度的比值表示。常用单位为度30 米，用字母 K 表示： )16(ABLK式中： mLmBA测 点 处 测 量 井 深 ，、上 下 （、 测 点 处 井 斜 角 ，、上 下 （、 井 斜 变 化 率 ， )/5方位变化率：单位长度井段内方位角的改变值称为方位变化率。通常以两测点间的方位角的变化值与两测点间井段长度的比值表示。常用单位为单位为度30 米，用字母K 表示： )26(ABL式中： mLmKBA测 点 处 测 量 井 深 ，、上 下 （、 测 点 处 方 位 角 ，、上 下 （、 方 位 变 化 率 ， )/6垂深：井眼轴线上任一点到井口所在水平面的距离称为该点的垂深，单位为米；7水平位移：井眼轴线上任一点到井口所在的铅垂线的距离，称为该点的水平位移，单位为米；其中的井深、井斜角和方位角为定向井井眼轨迹的基本要素，掌握了井眼轴线任一点的这三要素，也就掌握了井眼轴线的球坐标，就能把井眼轴线精确描述出来。当然，对于实际的井眼，由于测量技术和成本的原因，我们只能获得井眼轴线上有限点的三要素，这样，我们对实际井眼轨迹的描述就有一定的近似性。二、井眼曲率井眼曲率是井眼设计和施工中的一个非常重要的参数，它决定着设计的可行性、经济性和安全性。井眼曲率大，可以在较短的弯曲井段获得所需的较大的井斜角，从而节省造斜进尺和施工费用。但是，井眼曲率过大会加剧钻具磨损，甚至造成断钻具事故。过大的井眼曲率也使钻具通过困难并给后期的完井作业和采油工程增加麻烦。井眼的曲率的定义为：单位井段长度内井眼切线倾角的改变。通常以两测点间切线倾角的变化值与两测点间井段长度的比值表示。下面分三种情况来讨论井眼曲率的计算方法：51. 只有井斜角变化的井段：此种井段处于一个垂直平面内，井段两测点间的切线倾角的变化即为井斜角变化，因此该井段井眼曲率等于该井段的井斜变化率： )36(ABLK2. 只有方位角变化的井段：此种情况井段井段两测点间的切线倾角的变化即为方位角变化，因此该井段井眼曲率等于该井段的方位变化率： )46(ABLK3同时有井斜角变化和方位角变化的井段：如图所示，图中的 AB 表示空间井眼轴线段，A 和 B 为 L 上相邻的两个测点。为清楚起见，将 B 点切线移到 A 点（即在A 点作 B 点切线的平行线） ，并延长A、B 两点的切线交水平面 EON 于A/、B /，连接 OA/和 OB/，则 A/OB/为方位角增量，角 A/AB/就是井眼空间井眼曲线在 A、B 两测点间切线倾角的变化值，又称为全角变化或全角，用 表示。OAA /为 A 点井斜角，OAB /为 B 点井斜角。由图可知全角就是 A 点切线矢量和 B 点切线矢量间的夹角。由两矢量间夹角的计算公式有： BABAcos式中： A 点切线的方向余弦（A 点切线分别于 x、y、z 轴方向之间夹A、角的余弦）B 点切线的方向余弦B、有下列关系式成立：图 6-3 全角变化示意图6AcosinBcosin将代入式得到： BABAA cossinsiisinco )co(sincoBB由此解得： )56()s(iss1 ABABA井眼曲率为： )()cos(incoc1ABABAAB LLK 例 测量数据如下表，计算两测点之间的井眼曲率 K，单位为度/30 米：测深（米）井斜角 方位角 2000 4.5 1482100 5.5 145计算： 米度 /309.201)1485cos(.in5.4si.co5.4sco301 K7三、井眼轨迹设计原则1保证实现钻定向井的目的根据不同的定向井钻井目的对定向井井身剖面进行合理设计例如对于裂 缝 性 油 藏 轨迹 设 计 应 横穿裂缝；薄油层油藏应采用大斜度或水平井；低渗块状油层可考虑采用多底井；救援井应根据目标层位、靶区半径的要求设计简单、快速、经济的井眼轨；落 鱼 侧 钻 仅 需要 设 计 轨 迹 避开落鱼、有一定的水平位移；对于整 块 油 藏 应 按开发井网布置要求设计轨迹。2、考虑地面条件限制地面条件限制是确定定向井井位和丛式井平台位置的重要依据、还需考虑交通、采油、油气集输等方面的需要。3、正确选择造斜点、井眼曲率、和最大井斜角上述参数的选择应有利于采油、修井作业和钻井施工。（1）造斜点 造斜点的选择应选在比较稳定、均匀的地层。尽量在软中硬地层造斜，并考虑钻头类型。尽量在方位漂移不大的地层造斜。应考虑垂深、水平位移、与最大井斜。造斜点高则水平位移大、井斜小，低则相反。最大井斜角15则方位不稳，最大井斜角45 则测井、完井施工难度大、扭方位困难、扭矩大、井壁不稳，故一般最大井斜角为 15 45。（2）井眼曲率 井眼曲率不宜过小，以免造斜井段过长，增加轨迹控制工作量。井眼曲率不宜过大，以免造成钻具偏磨、摩阻过大、键槽、其它井下作业（如测井、固井、射孔、采油等）的困难。定向井中应控制其最大值 512100m，最大不超过 16100m。井眼曲率应能保证井下动力钻具顺利通过（动力钻具刚度较大不充许弯曲而保持直线状态） 。井眼曲率应保证套管的安全。4剖面设计应有利于安全、快速钻进，降低钻井成本在满足钻井目的前提下，尽量选用比较简单的剖面类型；尽量利用地层自然造斜规律；尽量利用拥有的造斜工具造斜能力；尽量使井身轨迹短；尽可能保持较长的直井段。8四、井眼轨迹类型的选择1二维定向井井眼轨迹二维定向井井眼轨迹指设计井眼轴线处于设计方位线所在铅垂平面上的定向井井眼轨迹。定向井井眼轨迹有多种多样，常用的有两种，即三段制井眼轨迹和五段制井眼轨迹：（1）直、增、稳三段制井眼轨迹。最常用和最简单的井眼轨迹。造斜点较浅（可减少最大井斜角） ，靶点较浅。水平位移较大时常采用。因造斜段完成后井斜角和方位角变化不大，轨迹控制容易，一般井斜角为 1545 。（2）直、增、稳、降、稳五段制剖面常用于靶点较深，水平位移较小，入靶点有井斜要求的定向井（小水平位移深定向井采用三段制井眼轨迹难控制） 、多目标井等。难度较三段制剖面大，主要原因是有降斜段。降斜段会增大扭矩、摩阻。2三维定向井井眼轨迹三维定向井井眼轨迹指设计的井眼轨迹既有井斜角的变化又有方位角的变化。常用于在地面井口位置与设计目标点之间的铅垂平面内存在井眼难以通过的障碍物（如：已钻的井眼、盐丘等） ，设计井需要绕过障碍钻达目标点。在实钻井眼偏离设计轨迹时要进行的纠偏设计也是三维设计。五、井眼轨迹的设计1内容和步骤（1）掌握原始资料，包括地质要求、地面限制、地质剖面、地层造斜规律、工具能力，钻井技术、故障提示、井口及井底坐标；（2）确定井眼轨迹类型；（3）确定造斜点、造斜率；（4）计算最大井斜角； （5）计算剖面上各井段井斜角、方位角、垂深、水平位移、段长 ；（6）校核曲率。定向井井眼轨迹设计方法有：查图法、作图法、解析法。国内目前普遍采用解析法。下面以五段制井眼轨迹为例，介绍井眼轨迹设计的计算方法2五段制（ S 型）井眼轨迹设计计算已知：9造斜点井深 ；mHZ,总垂深 、总水平位移 ；A,增斜率 、降斜率 ；K10/,mK10/2降斜终点的井斜角 ；,降斜终点到目标点的垂深增量 。HXZ,解析法的关键在于推导出最大井斜角的计算公式。 1108KR22108KR如图 6-4 所示，在直角三角形 中，fg2)(1000 mm atRHAjakjAgfta令 021R则 20mmatgRHAtga此式 经过变换可得1002)(2(020 AatgHtgARmm0Ratm在定向井的具体条件下，上式根号前的符号应取负号，舍去正号，于是得（6-7）00202ARHtgm式中的 按下式计算：00A和、（6-8）“sin2zXz（6-9）)co1(0Rz（6-10）21R若给定条件 则，zXH“tgAzXz对于公式（216） ，可作如下讨论：图 6-4 推导最大井斜角示意图11当 时，表示剖面有稳斜段存在。0202AH当 时， （216）式为虚根，说明这种剖面是不存在的，就是用作图法也作不出来。这时应该修改设计条件，或改变增斜率和降斜率，或调整目标点坐标，或改变造斜点深度。总之，不能出现 的情况。0202AH当 时，说明该剖面没有稳斜段。0202AH对于没有稳斜段的剖面，即 时，公式可以大大简化，可选择下020述四公式中的任一个。 02tgm0ARHt0sinm0coR计算出最大井斜角以后，就可以进行井身计算，井身计算的内容是算出各段的垂深增量（垂增 ） 、水平位移增量（平增 ）和段长 。HAL增斜段： 180)cos(in1mRL第一稳斜段： 02022sincoARHLAm降斜段：12)(180cos)in(i233mRLAH第二稳斜段： 22XZZXZHAtg总井深： XZZLL321设计例 1：某定向井设计全井垂深 H=2500m，总水平位移 A1380m，要求垂深在1500m（ ）处，水平位移 =860890m，LH1LA5“井口坐标：X：4286107 Y：20548829.9井底坐标：X：4286220 Y：20549630试设计成“S 型”井眼。 选定造斜点 ，增斜率 降斜率 ，mz450mK10/7mK10/42。mHzx30 求设计方位角 。 '5814286079.520931 tg 求最大井斜角 。mmKR51.018139.42210.7m 15sin.5oH131348.2m )15cos(39.142500tgARo.423.1890.25423.189.507210tgm计算当 时，垂深 1500m 处的位移 ：'354 1LAmtgRHRA mZLL753.81 tg54.3)sin.8.5-40(15)cos.-( )sin1 符合设计垂深 1500m 处位移 860890m 的条件，故 是可取的。'324m 各井段计算。增斜段： H6.53.4sin1.81mA62.3 )co(RL085.79 18053.4.81ax1稳斜段： m3.4 423.9.2543.122 mLH1.875.cos7.95 ax2A403in342降斜段： m93.75 )15sin.(si1314mA523. )53.4cos1(9143L4.98 80).(3 稳斜段： mHXZ30mtgtgA385.013015LXZ8.总井深： m4.302 583.104.937.5795整理计算结果得下表，井眼曲率校核略。例题井身剖面计算结果表 设计方位角： 851井段段长（米）井深（米）井斜角（度）垂增（米）垂深（米）平增（米）位移（米）直井段 450 450 0 450 450 0 0增斜段 779.085 1229.085 054.53 666.666 1116.66 343.62 343.62稳斜段 495.377 1724.46 54.53 287.414 1404.074 403.475 747.092降斜段 988.4 2712.861 54.5315 795.93 2200 552.523 1299.615稳斜段 310.583 3023.44 15 300 2500 80.385 1380目标点 1 470.69 1699.775 54.53 383.339 1500 538.136 881.753目标点 2 310.583 3023.44 15 2500 138015设计例 2。三段制井眼轨迹设计此种情况下第二稳斜段长度为 0（可视为H xz=0； Axz=0） ，第二增斜段长度为 0（可视为 R2=0） ，将这些条件代入式（6-7）（6-10 ） ，即可求出三段制轨迹的设计最大井斜角，其他参数可根据最大井斜角求出。设计例 3。水平井井眼轨迹设计见上图，此轨迹图与前述“S”型井眼类似，差别仅在于 R2 用于增斜，此时仅需在式（6-7） （6-10）中将 R2 用负值代入即可。第三节、井眼轨迹测量计算一、井眼轨迹测量为了能知道实钻井眼是否和设计的井眼相一致，为了判断是否能钻达钻井目标，必须测定地下井眼的位置。而实际地下井眼的位置和实钻井眼轨迹是通过测量不同井深处的井斜角和方位角并利用下面将要介绍的计算方法来一一确定的。另外，为了给造斜器、射流钻头上的大喷嘴、偏心稳定器、弯接头或弯外壳在井下确定方向（简称定向） ，还需要测量工具面角。因此，实钻井眼轨迹的测量需要使用能够在井身不同深度测量井斜角、方位角及工具面角的测量仪器。井眼相对于地面井口的位置可以根据累积的测量结果计算出来。井眼轨迹测量的目的如下：1随钻监测实钻井眼轨迹以保证钻达既定目标。2当需用造斜工具定向钻进时，将造斜工具按要求的方向定向。3确保正钻进的井没有与附近已钻成的井相交的危险。4确定钻遇的各地层的真垂深、以绘制出准确的地质剖面图。165为了监测油层特性及钻进救险井要确定准确的井底位置。6沿井身计算出井眼曲率以评价井身质量。7为完井工程提供井眼轨迹数据。早在 20 年代，当发现许多所谓的直井实际上井眼偏斜达 30O 时，就开始进行油井测斜了。这些大斜度是造成某些早期油田钻遇许多干井的原因。最早的测斜仪器是氢氟酸瓶。它的测斜原理是：仪器内容器是玻璃圆筒，内装有氢氟酸。如果仪器在倾斜位置停留一段时间，则酸将与玻璃起反应并在圆筒面上留下指示水平的刻痕，据此刻痕可计算出井斜角。由于定向钻井的日益普遍，对测斜提出了更多、更高的要求。需要在不同井深测量井斜及方位并据此计算并绘制井口至井底的轨迹。后来出现了采用井下机械照相和电子照相装置进行测斜。60 年代以后已具备了很好的测斜仪器及测斜方法。海上油田的开发由于钻井费用极高，而海上平台钻一口定向井测斜要占总钻井时间的 10。因此下入单点测斜仪测斜和造斜工具定向非常昂贵。这就对采用更加复杂的测斜仪器和方法如有线测斜及更为先进的无线测斜起到了刺激的作用。测斜技术的改进可以对井眼轨迹更好的了解。连续监测为定向钻井人员提供了可随时改变钻井参数以影响井眼方位角及井斜角的可能。1井斜和方位测量如前所述，实钻井眼轨迹的测量实质上是井下井斜和方位的测量。根据不同的测量原理又有多种井斜方位测量仪。在实际的测斜仪器中，井斜和方位测量仪器是整套装在一个壳体里面，由电池、井下发电机或地面供电。测量工具用光滑的钢绳下入井内或在下钻时装在钻铤里面下入，也可从地面投入。某些陀螺测斜工具装在电缆上入井，这样可以在地面记录测量结果，并用电缆为仪器提供电能。干电池驱动的陀螺测斜工具装在细钢丝绳上入井。如果测量工具装在靠近钻头的井底钻具里，并在钻进过程中进行测量，则称这种测量工具为随钻测量（MWD）工具。（1） 罗盘重垂式井斜方位测量该种测斜仪测量井斜角基本技术原理是采用地球重力场、表面水平和悬垂原理，测量方位角是采用测量大地磁场水平分力方向的罗盘测量原理。图 6-7 是利用该原理的一种测斜仪的原理图：测角装置由一个装在充满透明液体的圆筒里的罗盘和测角装置构成。0 20 测角装置（图 6-7）包括一个摆动极为灵敏的测锤（1） 、井斜角刻度盘 （2）和罗盘（3） ，井斜角刻度盘是一块刻有很多同心圆的光学玻璃片。测量时仪器轴线与井身轴线相重合，但测锤轴线永远为铅垂线。井斜角刻度盘上各同心圆刻度读数代表井斜角的大小。图 6-5 020 测角装置1测锤；2井斜角刻度盘；3罗盘图 6-6 冲洗出的单点测斜仪像片实例。10角装置 50角装置井斜角：5.5 井斜角：30方位角：N43E 方位角：N38W17所以当带有十字丝的测锤投影到井斜角刻度盘上时，十字丝在同心圆刻度线上的读数就是井斜角。因为刻度盘是透明的玻璃，所以测锤还能投影到刻度盘下面的罗盘上，从而同时记录了井眼的方位角。根据所期望的井眼井斜角可选用刻度为 010 O、020 O 或 1590 O的不同大小的测角装置以便于读出测量结果。在地面，将圆形底片从仪表筒内取出进行冲洗和读出结果。图 6-8 所示为冲洗出的单点测斜仪像片的实例。要读出角度，应当自带有刻度圈的玻璃中心至摆的十字线画一条直线。由中心向外至十字线数出圈数来求出井斜角，在圆形像片上环绕圆周的径向线之间插值求出方位角。从磁性测斜仪像片上读出的结果必须进行磁偏角校正。应将全部测量结果用真方位记录下来。磁偏角大小依地理位置而定。还应注意到每个测点所记录的测深即为仪器进行测量的深度。所以为了求出测深必须知道仪器和井底或钻头之间的距离。（2） 加速度计磁力计井斜方位测量利用安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门磁力计（见图 6-7）可测量出 x、y、z 方向地球重力加速度分量，测量出 x、y、z 方向的地磁分量，并可由这些测量值计算出井斜角、方位角以及工具面角。加速度计图 221 为位移式加速度计原理图，摆组件被支承在一对挠性簧片组上，每组由三片按 120°分布的簧片组成。当沿输入轴有加速度输入时，摆组件相对于壳体发生位移，位图 6-7 安装在测斜仪器内的加速度计和磁通门18移经电容式信号输出，再经伺服放大器在力矩器线圈形成恢复力矩。检测力矩器线圈电流的大小即可知加速度大小。磁力计磁通门磁力计（见图 6-9）是基于磁调制原理，即利用被测磁场中铁磁材料磁心在交变磁场的饱和励磁下其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种方法。图 6-8 挠性加速度计示意图图 6-9 双心磁通门示意图19图 6-10 双磁心磁探头的工作原理a)磁心的磁化曲线 b)励磁磁场波形 c)磁感应强度曲线d)磁导率曲线 e)探测线圈输出的电压波形1、2磁心 1 和 2 的波形图 6-10 为双磁心探头的工作原理。磁心 1 和 2 彼此平行，它们处于同磁场强度为 H。的被测磁场中，励磁磁场在两磁心中方向相反。图 610a 和 b 分别为磁心的简化磁化曲线和励磁磁场的波形。当被测的磁场 B0=0 时，磁心的磁感应强度波形上下对称，则由探测线圈感应的谐波互相抵消，使总输出的电压为零。当沿磁心的轴向有被测磁场作用时，每个磁心所产生的交变磁感应强度在正负半周内的饱和程度不一样，它们产生一个不对称的梯形磁感应强度 B1 和 B2，其相位差为 180º，如图 610c 所示。从而，当被测的磁场 B00 时，磁心中总的磁感应强度将有一微变。从这里看到，探测线圈中的感应电动势，来源于探头磁心的视在磁导率随时间的变化。见图 610d。探测线圈中最后合成的输出电压见图 610e。将这个不对称的电压曲线进行谐波分析后，会看到它的二次谐波电压幅值与被测的磁场成正比，并且其相位也随被测的磁场极性而改变。（3） 磁偏角与无磁钻以地磁场为基础测量井眼方位的测量仪器要对真北极和磁北极之间的差进行修正。磁偏角是磁北极和真北极之间的夹角，该角随时间而变化，并取决于地理位置和地球的表面特征（见图 6-11） 。除了对真北极作修正外，使用磁测量工具时必须特别注意防止磁干扰的20影响。这种干扰可能是由于紧靠钢钻铤引起的，也可能是由邻近的套管和具有磁性的地层所至。利用无磁钻铤可以把罗盘和罗盘上下的磁钢和磁场分开，并可防止对地磁场的干扰。所需要的无磁钻铤数量取决于几个因素，包括井眼的方位和井斜角，和按照其纬度测出的井的地理位置。在高北纬区，分磁场强度很小，罗盘读数易受附近其它磁流的影响。因而应当下入较多的无磁钻铤将其它磁源的影响减至最底限度。可以利用图表（见图 6-12）估算出应下入的无磁钻铤数量和钻铤内罗盘的位置。图 6-11 地球水平磁场强度分布图图 6-12 无磁钻铤长度确定1 区18'钻铤曲线 A 下；25'钻铤曲线 B 下；30'钻铤曲线 C 下；串联 18'+25'钻铤曲线 C 上；2 区30'钻铤曲线 A 下；60'钻铤曲线 B 下（加找中器） ；60'钻铤曲线 C 下（近钻头稳定器） ；90'钻铤曲线 C 上；3 区60'钻铤曲线 A 下（加找中器） ；60'钻铤曲线 B 下（近钻头稳定器） ；90'钻铤曲线 C 下。（4） 陀螺方位测量在已下套管的井内使用磁性罗盘时，钢套管的影响会得出错误的测量结果。在附近有下过套管的井的裸眼井内测量时也会如此。丛式井平台上一口定向井初始造斜时，由于紧21靠已下套管的各邻井使用磁性测斜仪是不可靠的。在这种情况下必须用不受磁场影响的陀螺罗盘代替磁罗盘。图 6-13 用自由陀螺仪测方位角1转子；2内环；3外环目前使用的陀螺测斜仪中，方位角的测量是用一个如图 6-13 所示的二自由度万向支架自由陀螺仪，陀螺转子 1 可绕转子轴 I 转动，转子轴 I 通过轴承支撑在内环 2 上，内环 2 可绕内环轴 II 转动，内环轴 II 通过轴承支撑在外环 3 上，外环可绕外环轴 III 转动，外环用轴承支撑在基座上，基座固定在仪器外壳上。当陀螺转子绕转子轴高速旋转时，二自由度陀螺仪的转子轴具有一个重要特性，即定轴性。所谓定轴性，是当作用于陀螺仪的外力矩为零时，陀螺转子轴 I 相对惯性空间具有方向不变的特性。因此可以利用它来作为运动物体的惯性基准。这是陀螺测斜仪在钻井测量中，利用二自由度万向支架自由陀螺仪确定方位的主要依据。在下入陀螺测斜仪前，必须将陀螺与已知的标准方向对准，这个方向通常是真北。也可以使用望远镜准确地描准一个基准点来定向。因随后的全部测量均是以这个方向为准，所以地面的任何方向偏差都会导致测量结果的系统误差。将陀螺方向定好再将仪器装进测斜仪内并用钢丝自钻柱内下入进行测量。当读取测量结果时，方位参考真北来定而无需用磁偏角校正。而在仪器入井测量过程中，由于常规陀螺中的转子是采用滚珠轴承支承，不可避免地存在摩擦力矩，造成陀螺漂移和测量误差。在要求测量精度高的情况下，正采用新一代的陀螺测斜仪。这种陀螺仪基于速率陀螺罗盘测斜原理而通常称作速率陀螺仪。这22种仪器的优点是不需要将它们在地面对准真北。速率陀螺仪能在每个测点独立地指向真北，因而不会受到普通陀螺仪漂移累加的影响。这种寻北的能力消除了许多普通陀螺测量的内在误差。2单多点井眼轨迹测量仪（1） 单点井眼轨迹测量仪单点测斜装置用于监测一口定向井或井斜控制井的钻进过程，并帮助改变轨迹的工具确定工具面方向。根据采用的测斜原理和方法的不同称为磁性单点、电子单点和陀螺单点测斜仪。单点测斜仪的正常测量过程是在钻头离开井底接单根时进行。通常的使用步骤是：组装好仪器（若为照相式测斜仪需在仪器里装上胶片） ，触发定时器，然后用钢丝将测斜仪下入钻柱内（或从钻杆中投下） ，在井斜角较大（如 60°70°）情况下需将仪器泵送下入。在仪器下入过程中应上下活动钻杆以防遇卡。当仪器接近测斜座时应减慢下放速度。在仪器进行测量的时间内不应活动钻杆。除用运动定时器外，定时器被触发时，要使地面 上的秒表开始走动，它将告 诉你仪器何时正在进行测量。 之后将测斜工具由井下起出。 收回仪表筒后若为照相式测 斜仪需取出圆形底片浸入显 影液中显影，然后由测量员 读出像片中角度；若为电子 式测斜仪需接入计算机读取 测量数据。用单点测斜仪为工具定向需要用 一个斜口管鞋心轴和井底定向接头。 图 6-14 示出了斜口管鞋定向装置。斜口管鞋定向 套放在斜口管鞋定向接头中与弯接头或弯外壳同心 或与冲射的钻头大喷嘴或造斜器的尖劈成直线关系。单点工具底部有一斜口管鞋心轴，其形状使它只有在工具面的方位上才能进入定向套。在仪器内部，对应工具底部斜口管鞋心轴键槽中心若为照相式测斜装置则有一指针，照相后可在底片上读出其与工具高边或与磁北方向的夹角（工具面角，见图 6-15） ，若为电子式测斜装置其加速度传感器的一个分量安装时与此重合，以保证测量后可计算出工具面角。在下套管的井或靠近其它已下过套管的井除非使用陀螺单点，否则不能得出准确的测图 6-14 斜口管鞋、定向接头与弯接头图 6-15 底片读数井斜：5º方位：北 45º 东工具面：北 20º 西23量结果。单点测斜仪的其它主要缺点是费时，下入和取出仪器根据井深不同可能需要0.51.5 小时。如果钻柱在定向井内保持静止，则存在压差卡钻的危险。为预防卡钻，下入仪器前应循环井眼调整泥浆，除了测斜仪确实到达井底并进行测量外，不能让钻柱保持静止状态。（2） 多点井眼轨迹测量仪多点测斜仪工作原理与单点测斜仪相同（同样有磁性多点、电子多点和陀螺多点） ，但能在预定井段内测量并存储多组数据。在起钻前将多点测斜仪投入钻柱内，即可在起钻过程中测量全井井斜及方位。起钻过程中，约 30m（个立柱长度）测量一次。但是，如想得到比较密的测点可在想测的点停止起钻等候测量。当仪器在地面组装并开动定时器时，秒表也要同时开动，秒表与定时器同步以使操作人员准确地知道何时测量和测量的次数。当起出每柱钻杆时，测量员必须纪录每次测量的测量深度。和单点测斜仪一样，除陀螺多电测斜仪外，多点测斜仪也必须在无磁钻铤内进行测量。每次卸立根时，钻杆应静止足够的时间而可以测量两次。这两次测量结果应当是相同的。在两次卸立根之间，钻杆正在活动时所进行的测量将忽略不计。在地面从钻柱内回收仪器后测量结果的读取除了没有工具面角读数外，方位和井斜的读数与单点仪相同。多点测斜一般在某一特定井段钻完后，下套管前进行。由于多点仪测点比单点仪更密集，且由同一仪器，同一趟钻内完成。因此，多点测斜结果比一系列的单点测斜结果更能代表井眼的轨迹。3随钻井眼轨迹测量仪（1） 有线随钻井眼轨迹测量仪当使用带有弯接头或弯外壳的泥浆马达时，有时下入有线随钻测斜仪是明智而又经济的。图 6-16 是利用有线随钻测斜仪的典型施工示意图。仪器的探头由电缆下入井内并坐入斜口管鞋定向套内。电线能穿过装在钻秆上的循环头，如果每钻 30m 井眼下入一次，有线随钻测斜仪应收回放入最上面的立柱。这个立柱打完以后再加上另一个。接上这个带有有线随钻测斜仪的立柱后，将有线随钻测斜仪的仪器下入到定向接头并复位。为了避免每 30m 拉出一次仪器，在图 6-16 有线随钻测斜仪施工示意图24入井后的最后一节钻杆上加上一个侧入接头(见图 6-17)。在接头的侧面装有防止泥浆泄漏的密封套结构。有线随钻测斜仪按常规下入，座放到定向套内。电线在侧入接头内被卡紧，从侧边出来， (如图 6-17 所示)。随着连续钻进，按常规操作，新的钻杆立根不断地用方钻秆接上。随着越来越多的钻杆被加到钻柱上，电缆被钳紧在钻杆侧面，注意，用这种方法可钻进上百米而无需把仪器提到地面。有线随钻测斜仪用加速度计和磁通门磁力计测量井斜和方位。井下的井斜、方位测量数据经电缆传至地面计算机处理后进行记录和显示。多数有线随钻测斜仪可在钻井过程中不断地检测井斜，方位和工具面角。这些数据能由装在司钻旁的显示器实时显示。因此，有线随钻测斜仪能为定向钻井者提供更多、更及时的信息，以帮助操作者调整工具面角、控制泥浆马达。由于有连续稳定的工具面角读数，使操作人员无需再对预定的反扭矩修正工具面角。（2） 无线随钻井眼轨迹测量仪有线随钻测斜仪使用的优越性已如前所述，但连接探头与地面仪器之间的电缆却影响了正常的钻井施工，特别是不能采用有效的转盘旋转钻进。已研究了替代电缆的各种传输图 6-17 侧入接头25数据的方法：如电磁波法、声波法、压力脉冲法，压力脉冲调制法和钻杆法。而目前已经进入商业系统的传输方法只有压力脉冲法和压力脉冲调制法。压力脉冲系统可进一步再分为正压力脉冲和负压力脉冲系统。图 6-18 是一种典型的随钻测量系统，它的井下部分包括加速度计和磁通门磁力计传感部件，由传感器转换到信号的部件，脉冲发生器部件和动力部件。在地面由压力传惑器接收信号并传输到计算机进行处理。把这些信息转换成井斜角，方位角和工具面角的数据。这些信息被传输到终端打印，并传输到钻台显示，类似于有线随钻测斜工具那样显示井斜角，方位角和工具面角。图 6-19 是负压脉冲发生器，负脉冲发生器通过一个激励器进行工作，激励器开和闭个小阀门把少量的钻井液排入环空，钻井液在钻杆中造成一瞬时微小的压力降而产生负压脉冲。压力脉冲的持续时间与阀门开关的快慢程度有关。因为必须考虑阀门的磨损和动力消耗，所以要用复杂的系统编译传感器信息，并以最短的时间内用最少的脉冲传输信息。为了传输一组信息( 包括接通程序的时间、井斜角，方位角和工具面角数据传输时间和校对时间) 通常需要 3 到5 分钟。带有阀门激励器的正脉冲发生器（见图 6-20）是通过限制钻井液在钻柱中的向下运动而产生正压脉冲。正压脉冲能比负压脉冲大，且较容易检测。用正压脉冲系统传输一组数据所需要的时间大约与负压系统所需的时间相同。图 6-18 典型随钻测量系统图 6-19 负脉冲系统图 6-20 正脉冲系统26连续波发生器（见图 6-21）以泥浆驱动的涡轮机为基础，涡轮机带动驱动马达的发电机，马达的转速在 200300 转秒之间。马达驱动涡轮机转子，同定子相连产生载波，该载波由涡轮机转子速度的快慢去进行调制。在地面检测相移，并解释为逻辑 o 或 1。所有商业化的随钻测量系统，或由电池为动力或由泥浆驱动涡轮机为动力。锂电池的极限使用时间低于 300 小时。电池组件可以在换钻头时更换。电池驱动的随钻测量系统比涡轮驱动的随钻测量系统优越一些，前者能保证几乎足流量的钻井液流经钻头而不引起明显的压力损失。二、实钻井眼轨迹计算与作图测斜仪在井身的各个深度可测出井眼的井深、方位角和井斜角。在对测量结果进行了所有必要的校正（如磁偏角，陀螺漂移）后必须根据此资料来计算井眼在那个测点相对于地面井位的实际位置。为达此目的，必须计算相继测点之间的垂深增量 V，东坐标增量 E和北坐标增量 N。这样，在已知上测点坐标情况下，通过加法可求出下测点坐标。每个测点的测斜数据为通过该点与井眼轨迹相切的切线矢量的井斜角和方位角。而两测点之间唯一可得到的一项资料是测点之间的井身长度。为了能通过上下测点处的井斜角、方位角以及两测点间井身长度计算出三个坐标的增量，需要假设上下测点间的井段为某种理想的井眼轨迹。使用不同的理想井眼轨迹假设就可得到不同的实际井眼轨迹计算方法。假定的井眼轨迹可以只是一条连接两个测点的直线或者可能是由各端点确定的某种曲线。最终坐标计算的准确性将取决于假设的理想井眼轨迹与井眼的实际轨迹的近似程度。钻进中的关键井段，如在老井附近造斜、丛式井的造斜点附近、钻救援井、在薄油层中钻进时，必须精确地知道井眼的位置。通常一口井采取一种计算井眼位置的方法，将此法应用于整口井的井身测量计算中。在一个平台上为了减少相对计算误差，所钻的井都采用同一种井眼轨迹计算方法。如上所述，计算方法的多样性，来自测段形状的不确定性。不同的井段形状假设就有图 6-21 连续波系统27不同的计算方法。在已有计算方法的基础上进行一些简化或近似处理，又会形成新的计算方法。这些就是计算方法多样性的原因。常用的井段形状假设归纳起来有三种：测段为直线、测段是园柱螺线（螺线的两端点分别与上、下二测点的方向相切）以及测段为某个平面上的一段园弧（园弧的两个端点分别与上、下二测点的方向相切） 。下面将叙述这些已经较为普遍采用的计算方法。在本节中将使用以下符号。井斜角和方位角分别用 和表示，其脚注 1 代表上测点和脚注 2 代表下测点。两点之间的井身长度L 等于测深差。符号 H，N ，E 是下测点对上测点在垂深、北坐标和东坐标方向的位移增量。符号 S 是下测点对上测点水平投影长度增量。在每种方法中都要将井身长度 L 分解到垂直和水平投影图上。1平均角法该法假定只有一条和上下测点都相交的直线。该直线的方向为上、下测点处井眼的“平均方向” 。从图 6-22 可得出：ccccLENSHsinois2,211这是一种非常普通的方法，因为它得出了准确的结果并且可借助计算器求解，使用相当简单。在测点相距不甚远的情况下在井场常使用该法。2平衡正切法。此法假定两测点间的井段为两段各等于测段长度一半的等长直线构成的折线，它们的方向分别与上下测点处的井眼方向一致，即上段直线是由 1 和 1 确定的，而下为直线是由2 和 2 确定的。从图 6-23 可以得出：图 6-10 平均角法图 6-22 平均角法28)sinsin(21coco)sin(i21co2121LENSLH图 6-23 平衡正切法293曲率半径法曲率半径法假设井眼轨迹在垂直和水平投影图上看都不是一条直线而是一段园弧。这段园弧在每个测点处与该测点的井眼方向相切。因此可以将井眼轨迹看成在园柱面上的一段弧（见图 6-24） 。 )cos)(cos(180ini)cos(180ini 2121221112LENLSH该法在井眼轨迹更接近园弧的井段（例如在造斜过程中）比平均角法结果更佳。但是，它的半径不变的假设在较长的井段中是不真实的。在井斜、方位不变的井段由于是被零除而需在计算上特殊处理。图 6-24 曲率半径法304最小曲率法最小曲率法假设假设两测点间的井段是空间某平面上的一段圆弧，圆弧在两端点处与上下测点处的井眼方向线相切。在上、下测点处的井眼方向一定的情况下，把测段看成圆弧曲线是所有曲线中曲率最下的曲线，所以这种方法被定名为最小曲率法。最小曲率法公式推导的思路如下（见图 6-25）：（1） 先计算测段的狗腿角 和井眼曲率 ；K（2） 由 求出测段的曲率半径;R（3） 根据 和求出弧外的切线长度 和 ；M1（4） 由二切线的长度及其与重力线的夹角，计算测段的 ，并分H别计算二切线在水平面上的投影长度 和 ；M12（5） 根据 和 的长度及其与正北方向的夹角，求得测段的 和 。12 NE具体测段计算公式如下： )cos(inscosc 12121 2)sinsin(2coco)(221tgLENtgH最小曲率法由于其测点间井段的假设更符合实际，是定向测量计算最常采用的方法之一。该法由于涉及到较复杂的数学计算，而更适于计算机计算。由于计算机的普及，该法已在井场普遍使用。图 6-25 最小曲率法