定向井軌跡測(cè)量及方位控制實(shí)驗(yàn)(共7頁)

1、中國石油大學(xué)采油工程實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)日期：2014.11.12 成績： 班級(jí)： 石工110 學(xué)號(hào)： 11021 姓名： 教師： 戰(zhàn)永平 同組者： 定向井軌跡(guj)測(cè)量及方位控制實(shí)驗(yàn)(shyn)目的（1）直觀(zhgun)認(rèn)識(shí)井眼軌跡參數(shù)（井斜角，井斜方位角）及造斜工具姿態(tài)參數(shù)（重力工具面角，磁工具角）。（2）了解常用電磁測(cè)斜儀的基本構(gòu)造和測(cè)量原理，直觀認(rèn)識(shí)磁干擾現(xiàn)象。（3）定向及扭方位操作演示（或井眼軌跡測(cè)量操作演示）。實(shí)驗(yàn)儀器電子單多點(diǎn)測(cè)斜儀（探管）1套：YSS-32電子單多點(diǎn)測(cè)斜儀測(cè)斜儀校準(zhǔn)臺(tái)1臺(tái)定向及測(cè)斜桿件1套（定向桿，抗壓筒，加重桿各1個(gè)）定向接頭計(jì)算機(jī)1臺(tái)：預(yù)先安裝與測(cè)斜儀配套的操

2、作軟件圖1 實(shí)驗(yàn)儀器演示實(shí)驗(yàn)原理以北京海藍(lán)科技公司的YSS-32電子單多點(diǎn)測(cè)斜儀（以下簡稱測(cè)斜儀）為例簡單介紹常用的電磁測(cè)斜儀構(gòu)造及測(cè)量原理。YSS系列電子單多點(diǎn)測(cè)斜儀是類似于國外ESS的測(cè)斜儀器，具有使用方便。準(zhǔn)確，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是較好的油田鉆井測(cè)斜儀器設(shè)備之一。該測(cè)斜儀的技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量精度見表1；工作溫度范圍(fnwi)：+6105；預(yù)熱(y r)時(shí)間：30min；表1 YSS-32電子(dinz)單多點(diǎn)測(cè)斜儀精度 型號(hào)項(xiàng)目YSS系列井斜INC0.2方位AZ2.0工具面TF1（井斜10，重力高邊）2.0工具面TF2（井斜10，磁力高邊）2.03.1 測(cè)斜儀的構(gòu)造測(cè)斜儀主要由探管、接口

3、電源箱、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、連接電纜等組成（見圖2）。另外，抗壓筒、引鞋組件、加長桿等機(jī)械部件也是測(cè)斜儀井下不可缺少的重要組件之一。探管是測(cè)斜儀的核心部件，由測(cè)量頭、電子柱和電池筒組成。其中，測(cè)量頭有引入工具面基準(zhǔn)的T形槽頭和安裝傳感器的臺(tái)體。臺(tái)體上安裝3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)磁通門，可以測(cè)量出重力場和地磁場在探管坐標(biāo)系上的分量。測(cè)斜儀無論處于哪種狀態(tài)，都可以通過各種傳感器的測(cè)量值計(jì)算出井眼參數(shù)。圖2 YSS-32電子單多點(diǎn)測(cè)斜儀加速度計(jì)加速度計(jì)是用來將輸入速度變成與之對(duì)應(yīng)的電壓（或電流）或脈沖頻率的傳感器。其中，磁懸浮加速度計(jì)抗沖擊能力較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、精度適中的，在鉆井測(cè)斜儀上被廣泛采用。磁懸浮加速度

4、計(jì)由敏感頭和伺服電路組成，見圖3。敏感頭的結(jié)構(gòu)是在灌滿磁性液的圓柱體內(nèi)放置圓柱頭永久磁鐵（磁鋼），在圓柱體的外部繞有2個(gè)繞組，圓柱體的兩端用端蓋密封。磁鋼的兩端吸附一些磁性液體中的磁性小顆粒，在磁鋼兩端形成的支撐，把磁鋼懸浮起來，使磁鋼在圓柱體內(nèi)作軸向自由移動(dòng)，且摩擦力很小，起到提高靈敏度和保證阻尼參數(shù)作用。當(dāng)圓柱體軸向（稱之為加速度計(jì)的輸入軸）輸入加速度時(shí)，磁鋼受慣性力的作用偏離零位。磁鋼的偏移引起2個(gè)繞組的電感值變化（一側(cè)變大，另一側(cè)變?。?，導(dǎo)致磁激電壓在兩繞組的分布發(fā)生差異，即其壓降不相同，這一差異就是由2個(gè)繞組和磁鋼構(gòu)成的位移傳感器上的輸出電壓。該電壓經(jīng)伺服電路的前置放大、相敏解調(diào)、積

5、分功放后，通過采樣電阻將反饋電流加到量繞組的中點(diǎn)上，流過繞組的電流在圓柱體內(nèi)產(chǎn)生電磁場，這一磁場作用于磁鋼上，產(chǎn)生反向推力。所產(chǎn)生的推力大小剛好與作用于磁鋼上的慣性力相平衡，完成了輸入加速度轉(zhuǎn)換成電流的功能，在采樣電阻上可獲得電壓。這一電壓在一定的條件下，就正比于輸入加速度，即： U0=RsKFma （1）式中，U0輸出(shch)電壓；Rs采樣(ci yn)電阻；KF力發(fā)生器傳遞(chund)系數(shù)；m擺質(zhì)量；a輸入加速度。設(shè)計(jì)時(shí)保證KF和m不變，改變Rs阻值來改變加速度計(jì)的比例系數(shù)。磁通門磁通門又稱磁通計(jì)，是將輸入磁通轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)電壓的傳感器。如圖4所示，磁通門由一對(duì)帶骨架的繞組和外殼所組

6、成。在骨架內(nèi)孔放置導(dǎo)磁率高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度小、磁滯回線窄的磁性材料磁芯。完全相同的一對(duì)磁組合件平行地裝入不導(dǎo)磁的外殼內(nèi)，用密封材料密封。兩個(gè)繞組的始端分別接在兩個(gè)引線端子上，兩個(gè)末端接在第三個(gè)引線端子上。通過兩個(gè)始端加入交流激磁電壓，使磁芯內(nèi)的磁通變化相同，其正負(fù)脈沖幅度相同。當(dāng)外磁場不為零時(shí)，一對(duì)磁芯中的磁通量均增大，由于激磁電壓是反接的，因此一個(gè)磁芯加深飽和狀態(tài)，另一個(gè)磁芯退出飽和區(qū)，由此所產(chǎn)生的正負(fù)脈沖的幅度是不相同的，其差異隨外磁場的增大而變大。脈沖經(jīng)前置放大、解調(diào)、積分功放后通過采樣電阻加到兩繞組的末端上，所流過的電流產(chǎn)生磁場，其大小幾乎等于外磁場，但方向相反，電流的大小和方向取決于

7、外界磁場。從采樣電阻可獲得與外界磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓輸出，即 U0=Rt+RLKBB （2）式中，U0磁通門輸出電壓；Rt采樣電阻；RL繞組電阻；KB磁發(fā)生器傳遞系數(shù)；B輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁通門磁組合件和伺服電路一起測(cè)量出磁芯方向（輸入軸）上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。靈敏度高的磁通門可敏感0.005T左右，我國地磁一般為60T左右。3.2測(cè)量數(shù)據(jù)處理 3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)磁通門的輸入軸分別平行于臺(tái)體直角坐標(biāo)系。設(shè)3個(gè)加速度計(jì)上的重力場分別分量為gx，gy，gz；3個(gè)磁通門上的分量分別為Hx，Hy，Hz。井斜角如圖5所示。在垂直面內(nèi)的直三角形中，井斜角(xi jio)是從垂直線到Z軸（加速度計(jì)軸）的夾角(

8、ji jio)，井斜角可由下式求出： =arctangx2+gy2gz （3）工具(gngj)面角工具面角分重力工具面和磁性工具面。重力工具面角GTF是沿井眼向下看時(shí)，由重力矢量所確定的高邊和y軸（加速度計(jì)軸，工具面基準(zhǔn)）之間的夾角。如圖6，重力工具面角GTF可由下式求得：重力工具面角：GTF=arctangxgy （4）磁工具面角MTF是磁北極與y軸的夾角。當(dāng)井斜角小于一定值時(shí)，重力工具面角無法準(zhǔn)確測(cè)出，即使測(cè)出也極不準(zhǔn)確，此時(shí)采用磁工具面角，即tan=V2方向分量值V1方向分量值 =arctangHxgy-HygxHzgx2+gy2+gzHygy+Hxgx （6）圖7 井斜方位角有井斜方位

9、角計(jì)算公式可以看出：井斜、重力高邊工具面角與加速度計(jì)輸出有關(guān)；磁方位、地磁傾角等參數(shù)涉及到6個(gè)傳感器的輸出。校準(zhǔn)測(cè)斜儀時(shí)，若井斜、工具面角超差，應(yīng)注意檢查、校準(zhǔn)校準(zhǔn)加速度計(jì)的有關(guān)部位。在校準(zhǔn)精度時(shí)，首先校好加速度計(jì)，再校其他的才是合理的。操作演示內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)?zāi)康南鄬?duì)應(yīng)，操作演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有以下4個(gè)方面。4.1認(rèn)識(shí)井眼軌跡參數(shù)(cnsh)及造斜工具姿態(tài)參數(shù) （1）井斜角(xi jio)：在井眼軸線上某測(cè)點(diǎn)作井眼軸線的切線，該切線向井眼前進(jìn)方向延伸的方向?yàn)榫鄯较蚓€。井眼方向線與重力線之間的夾角就是井斜角。（2）井斜方位角：某測(cè)點(diǎn)處的井眼方向線投影到水平面上，稱為(chn wi)井眼方位線，或井斜方位

10、線；以正北方位線為始邊，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)過的角度，即井斜方位角，簡稱方位角。（3）裝置角（重力工具面角，GTF）：以高邊方向線為始邊，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到裝置方向線上所轉(zhuǎn)過的角度，稱為造斜工具的裝置角。（4）裝置方位角（磁工具面角，MTF）：裝置角與井斜方位角之和。4.2認(rèn)識(shí)磁干擾現(xiàn)象 將金屬物件，比如鑰匙、磁鐵、鐵棒等物體接近探管接頭，然后看計(jì)算機(jī)上相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，可以直觀感受磁干擾現(xiàn)象。4.3定向及扭方位操作演示定向（或扭方位）方法主要有以下三種方法：單點(diǎn)定向法、有線隨鉆定向法、無線隨鉆定向法。定向（或扭方位）就是設(shè)法將實(shí)測(cè)的裝置方位線轉(zhuǎn)到校正方位線上（定向），或設(shè)定的裝置方位線上

11、（扭方位）的過程，鉆井現(xiàn)場通常稱之為擺工具面。單點(diǎn)定向方法具體流程a下入造斜點(diǎn)鉆具至造斜點(diǎn)位置。b單點(diǎn)測(cè)斜，測(cè)量造斜位置的井斜角、方位角和工具面。c在測(cè)斜的同時(shí)，對(duì)井口鉆桿，方鉆桿，地面鉆桿進(jìn)行打印，并把井口鉆桿的印痕投到轉(zhuǎn)盤的外緣上，作為基準(zhǔn)點(diǎn)。d調(diào)整安置角（設(shè)計(jì)方位角+反扭角），鎖住轉(zhuǎn)盤，開泵鉆進(jìn)。e定向鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)1-2根進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)斜，根據(jù)測(cè)量的井斜角和方位角及時(shí)修正反扭角，并調(diào)整造斜工具的安置角。f定向造斜至井斜角8左右、方位合適，起鉆更換轉(zhuǎn)盤增斜鉆進(jìn)。圖8井斜角(xi jio)3時(shí)按鈕方位對(duì)待。定向角2=裝置角+反扭角+動(dòng)力鉆具角差-高邊工具面（GTF）測(cè)斜結(jié)束之后、扭方位鉆進(jìn)之前，

12、如果將鉆桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至某個(gè)角度（定向角），此時(shí)的裝置方位線就旋轉(zhuǎn)至設(shè)定的裝置方位線上。b井斜角5以后要求使用重力高邊工具面（GTF）。隨鉆定向方法圖10 隨鉆定向（或扭方位）示意圖井斜角3時(shí)：按鈕方位角對(duì)待a加壓前：磁工具面（MTF）=測(cè)量方位+反扭角+磁偏角+裝置角b加壓后：磁工具面（MTF）=測(cè)量方位+磁偏角+裝置角c加壓前：高邊（GTF）=反扭角+裝置角d加壓后：高邊（GTF）=裝置(zhungzh)角注意(zh y)：隨鉆定向(dn xin)或扭方位時(shí)，動(dòng)力鉆具角差和方位修正角（磁偏角）要在工作前確認(rèn)準(zhǔn)確無誤后輸入計(jì)算機(jī)。思考與討論扭方位有哪幾種模式，各種模式有什么特點(diǎn)？磁干擾的來源有哪些？如何排除磁干擾？扭方位的具體操作流程是怎么樣的？實(shí)驗(yàn)總