張巍巍
(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院鉆井工藝研究所,黑龍江大慶163000)
現(xiàn)代定向鉆井技術(shù)隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)展已經(jīng)發(fā)展成橫跨多個(gè)學(xué)科并將其有序結(jié)合運(yùn)用的高級(jí)技術(shù)。隨著近幾十年電子技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展,隨鉆測井技術(shù)也開始大規(guī)模運(yùn)用電子技術(shù),但在我國大部分的鉆井工作還是直井,與國際上的先進(jìn)鉆井區(qū)塊所完成的鉆井作業(yè)水平差距巨大?,F(xiàn)今,國際上大力發(fā)展的鉆井技術(shù)是隨鉆地層參數(shù)評(píng)價(jià)(FEWD技術(shù))以及井眼導(dǎo)向技術(shù)(旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)),這是各國主要攻關(guān)突破的技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),井眼軌跡測量以及定向過程中,必不可少的是井下隨鉆定斜測量儀器。定向鉆井測斜儀測量井斜角、方位角和工具面角等,這些參數(shù)是控制井眼軌跡必不可少的參數(shù)。定向鉆井測斜儀的測量誤差可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩大類[1]。無論是室內(nèi)檢測,還是在井場實(shí)際測量中,定向鉆井測斜儀的直線度是影響系統(tǒng)誤差的主要因素之一。
(1)通過重力場及加速度計(jì)標(biāo)定架對(duì)定向探管進(jìn)行標(biāo)定,使定向探管的井斜測量精準(zhǔn)度得到了提高。
(2)通過地磁場及三腳架對(duì)定向探管進(jìn)行標(biāo)定,使定向探管的方位測量精準(zhǔn)度得到了提高。
2.2.1 加速度計(jì)標(biāo)定方法的計(jì)算
三軸加速度計(jì)的矢量理論值應(yīng)是相互垂直,同時(shí)Z軸方向與探管軸向相同[2]。由此進(jìn)行數(shù)學(xué)建模:
式中:C——儀器的真實(shí)值;
A——三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣,主對(duì)角線元素均為1;
R——儀器的測量值;
K——R的比例因子(標(biāo)度因數(shù)),是對(duì)角陣;
B——R的零偏誤差;
R′——中間變量,代表R經(jīng)比例因子和零偏修正的數(shù)據(jù)。
由于A、K、B均為模塊的固有參數(shù),所以在儀器姿態(tài)改變時(shí)不會(huì)改變。取2組數(shù)據(jù)(C1,R1)和(C2,R2),帶入上式,得到:
在式(2)中:
由此,所需數(shù)據(jù)都可使用MATLAB計(jì)算得出。
2.2.2 磁通門標(biāo)定方法的改進(jìn)
由本地地磁場數(shù)據(jù)可得出:
總地磁場強(qiáng)度為:55930.2nT;
磁傾角為:64.165°;
地磁場垂直分量為:50340.0nT;
地磁場水平分量為:24373.7nT。
將此數(shù)據(jù)代入磁通門計(jì)算模型中,計(jì)算模型與方法和加速度計(jì)校準(zhǔn)模型及計(jì)算方法相同[3]。
定向測斜儀的同軸度是一項(xiàng)重要指標(biāo),旋轉(zhuǎn)測試可以測量其同軸度。其方法是將測斜儀以中軸線為中心,自轉(zhuǎn)一周旋轉(zhuǎn)的同時(shí)取9個(gè)采樣點(diǎn)。一周360°,分成8份,每個(gè)采樣點(diǎn)之間間隔45°,第一個(gè)采樣點(diǎn)和最后一個(gè)重合。測斜儀的直線度如果不夠精準(zhǔn),則會(huì)繞著中軸線進(jìn)行擺動(dòng),如圖1中(a)所示。圖1中(b)為俯視圖中觀測到測斜儀直線度不好時(shí),整根測斜儀的擺動(dòng)情況,只有當(dāng)測斜儀始終位于0位置時(shí),直線度才滿足要求。
圖1 儀器直線度不好時(shí)旋轉(zhuǎn)測試情況
為了排除掉系統(tǒng)誤差,通過分析可知,Δx、Δy誤差大小變化規(guī)律為1,0,1,0,1。在這里,取的是量化后的值。從Z軸正方向往負(fù)方向看,所取值的變化規(guī)律為:0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°,360°。這個(gè)值正好滿足余弦的變化規(guī)律。
旋轉(zhuǎn)曲面為一個(gè)近似圓,設(shè)它的半徑為r,工具面角為ψ,由此可以得到圓的方程為:
在實(shí)際測試中,將測斜儀放在三角形測量標(biāo)定架上進(jìn)行標(biāo)定測試,標(biāo)定架傾角為45°。在標(biāo)定架上完成的是直線度旋轉(zhuǎn)測試。其旋轉(zhuǎn)曲面為近似的圓形或者橢圓或者為不規(guī)則的圓形,計(jì)算時(shí)都將其作為標(biāo)準(zhǔn)的圓形處理。當(dāng)旋轉(zhuǎn)曲面截面圓心坐標(biāo)變?yōu)門時(shí),如圖2所示,y軸定位工具面角,旋轉(zhuǎn)曲面截面曲線上任意一點(diǎn)為P,根據(jù)前面分析可得到校正后傾角Inc的計(jì)算公式:
圖2 儀器在45°標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)架上旋轉(zhuǎn)測試的空間立體圖
其中,GTF為工具面角。在實(shí)際情況中,測斜儀的外筒會(huì)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,從而導(dǎo)致直線度出現(xiàn)問題,同時(shí)往往也會(huì)伴隨扭曲現(xiàn)象,所以公式可以變?yōu)椋?/p>
上式中,偏移工具面的度數(shù)角為θ。
同理,得到方位角Az的計(jì)算公式[3]:
因?yàn)閮x器的彎曲程度和變形程度估算麻煩,所以各個(gè)估算值r、PO以及FO需要通過特殊的近似方法求得,通過反復(fù)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)arcsin取值是測量參數(shù)的最大值減最小值的差的二分之一。arcsin取值與arcsin方法一樣。通過將測斜儀在標(biāo)定架上擺出不同的姿態(tài)角度,測量出多個(gè)θ值。將測量得到的θ取平均數(shù),所得的角度就是工具面角GTF的度數(shù)。
通過加速度計(jì)的正交校正,定向測斜儀的井斜測量精度可以達(dá)到±0.2°,姿態(tài)方位角測量精度達(dá)到±1°,達(dá)到鉆井時(shí)井眼軌跡控制的要求。
[1]蔣煥文,孫續(xù).電子測量[M].北京:中國計(jì)量出版社,1988.
[2]三軸加速度計(jì)CXL10TG3手冊(cè)[E].
[3]三軸捷聯(lián)磁場計(jì)HMR2300手冊(cè)[E].