钻井工程10测斜与计算ppt课件

《钻井工程10测斜与计算ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钻井工程10测斜与计算ppt课件（67页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、轨迹测量与计算,钻井工程,1,第1节 井眼轨迹的基本概念 目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。 一、轨迹的基本参数： 测量方法：非连续测量、间断测量。“测段”、“测点”。 井深、井斜角和井斜方位角轨迹的三个基本参数 （1）井深（或称为斜深、侧深） 井口（通常以转盘面为基准）至测点的井眼长度。 以字母 表示 ，单位为米（m）。 井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之 差。以 表示。,2,3,4,（2） 井斜角 （ ）： 指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为 （ ）,井眼方向线： 过井眼轴线上某测点作井眼 轴线的切线，该切线向井眼前进 方向延伸的部分称为井眼方向线。 井斜角增量（）

2、： 下测点井斜角与上测点井斜 角之差。,5,（）井斜方位角（井眼方位角、方位角）： 在水平投影图上，以正北方 位线为始边，顺时针方向旋转 到井眼方位线上所转过的角度。 井眼方位线（井斜方位线）： 某测点处的井眼方向 线在水平面上的投影。 井斜方位角增量：上下测点的井斜方位角之差。 井斜方位角的变化范围：,6,（）井斜方位角 井斜方位角的另一种表示方式： 象限角：指井斜方位线与正北方 位线或与正南方位线之间的夹角。 象限角的变化范围： 之间。 磁偏角： 磁北方位与正北方位之间的夹角。 磁偏角校正： 真方位角= 磁方位角 + 东磁偏角 真方位角= 磁方位角 - 西磁偏角,7,二、轨迹的计算参数 由

3、基本参数计算得到的参数。 （1）垂直深度 D （垂深）：轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深增量称为垂增 （ ）。 （2）水平投影长度 Lp （水平长度、平长）： 井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，即井深在水平面上的投影长度。 水平长度的增量称为平增 （ ）,8,（3）水平位移 S （平移）：轨迹上某点至井口所在的铅垂线的距离，（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的距离）。 平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连线。国外将水平位移称作闭合距 我国将完钻时的水平位移称为闭合距 （4）平移方位角 ： 平移方位线所在的方位角。 国外：将平移方位角称作闭合方位角。 国内：指完钻

4、时的平移方位角为闭合方位角。,9,10,（5）N坐标和E坐标：南北坐标轴，以正北方向为正 东西坐标轴，以东北方向为正 （6）视平移 V： 水平移在设计 方位线上的投影长度。,11,（7）井眼曲率K （”狗腿严重度”、“全角变化率”）,井眼曲率定义:K= /L,A,B,12,（7）井眼曲率K （”狗腿严重度”、“全角变化率”） 指井眼轨迹曲线的曲率。平均曲率 “狗腿角”或“全角变化” 上下二测点的两条方向线之间的夹角（空间夹角）。 狗腿角的计算： Lubinski公式：,13,该测段的狗腿角，（ ）； 该测段的平均井眼曲率，（ ）/30m ; 该测段的平均井斜角， （ ）,钻井行业标准计算公式：

5、,14,1.三维坐标法 坐标系：0-D-N-E,借助辅助面，能形象直观地反映出井眼的形状和走向。但不能反映出真实的井身参数，且作图难度大。,第2节 井眼轨迹的图示法,15,2. 投影图示法 垂直投影图 + 水平投影图,缺点：垂直投影图不能真实地反映井深L 和井斜角等轨迹参数。,16,3. 柱面展开图示法（二图法） 垂直剖面图 + 水平投影图,过轨迹上的每一点作铅垂线，所有铅垂线便构成一个曲面，称为柱面。将此柱面展开就形成垂直剖面图。 原 点：井口 纵坐标：垂深 D 横坐标：,优 点 （1）容易想象轨迹形状 （2）能真实反映井身参数 （3）作图简便,平长 LP,17,1、水平投影图 投影面：水平

6、面 坐标系：以井口为原点，N坐标轴、E坐标轴 表达的参数：N坐标值、E坐标值、水平位移 S 水平长度Lp 、闭合距、井斜方位角 平移方位角 、闭合方位角。 2、垂直投影图 投影面：过设计方位线的铅垂面，即井口和目标点所在的 铅锤面。 坐标系：原点（井口）、横坐标（视平移）、纵坐标 （垂深） 表达的参数：垂深 D ，视平移 V ，井斜的增减趋势,18,3、垂直剖面图 垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成柱面展开图。 坐标系：原点（井口）、横坐标（水平长度）、 纵坐标（垂深） 表达的参数：垂深 D, 水平长度Lp ,井深 ,井斜角 a .,19,第3节 测斜原理,测斜仪器分类； 测斜原理； MWD信

7、号传输原理；,此节来自：韩志勇教授的“测斜仪器及其测斜原理”,20,测斜仪器分类,21,测斜原理液面原理,1. 液面是水平的。井眼轴显示倾斜的。液面与井眼轴线的法面的交角，即为井眼井斜角。 2. 氟氢酸测斜仪就是这个原理。 3. 虹吸测斜仪也是应用此原理。,22,测斜原理液面原理,HF液面原理测斜定向： 齿刀上的齿尖所指方位，标志着造斜工具的工具面方位。 测量时仪器最下面的铅模压在定向齿刀上，留下齿刀的印痕，于是可知道造斜工具的工具面方位； 同时，氟氢酸液瓶的液面倾斜方位代表着井斜方位。于是知道了工具面方位与井斜方位的关系。 需在下钻前在裸眼内测得井斜方位；,23,测斜原理重力原理1.重锤罗盘

8、照相,井斜角的定义就是：重力方向与井眼方向之间的夹角。所以可以利用重力原理测量井斜角。 悬挂的重锤，总是指向重力方向； 罗盘面上刻有许多同心圆，代表不同的角度。 对着罗盘照相，“十”字标记投影到罗盘面上，可以读到井斜角值。 重锤悬挂长度越长，测量范围就越小； 巧妙设计，可测900甚至1200井斜角。,24,井斜方位角的测量 摆锤所在铅垂线与仪器轴线(井 眼方向线)构成井斜铅垂面，该井 斜铅垂面与水平面的交线就是井斜 方位线。摆锤在罗盘面上的投影位 置所在的放射线与罗盘N极之间的 夹角即为 井斜方位角 。(注意：在 井下，罗盘标志方位与实际地理方 位相反。) 井深测量： 根据电缆长度或钻柱长度。

9、,25,测斜原理重力原理重锤打孔测井斜,重锤带尖； 时钟控制； 到时间后，由时钟控制驱动弹簧，推动打孔纸板撞向重锤的尖部，从而打孔。 由孔眼位置可读井斜角。,26,测斜原理重力原理3.重力加速度计,原理： 重力元在重力作用下要发生位移，引起电容传感器的电容发生变化，此变化信号通过放大以后，使线圈产生一定的电流，该电流产生磁力使重力元复位。 重力元位移大小，反映在线圈给出的电压大小。 重力元的位移大小与重力元在空间的状态有关。,27,测斜原理重力原理3.重力加速度计,重力元的空间状态： 水平状态，重力方向与位移方向一致，位移最大； 垂直状态，重力方向与位移方向垂直，位移为零； 倾斜状态，重力方向

10、与位移方向有一定夹角，位移与角度sin成正比。,28,测斜原理重力原理3.重力加速度计,重力加速度计的布置 在测斜仪器中，在X，Y，Z三个方向上，各装一个重力加速度计，则三个重力加速度计的测值是不同的。通过计算，可以算出重力方向与仪器轴线的夹角即井斜角的大小。,29,测斜原理重力原理3.重力加速度计井斜角的计算,Z轴与重力方向g的夹角，即为所测点的井斜角。 X、Y、Z三轴的测值，分别为：GX、GY、GZ，则：,30,测方位原理磁北原理磁北原理,地球有个磁场，地球上任一点都受到磁场的作用，该点的磁力线方向（即磁北方向）在一段时间内基本上是不变的。测的磁力线方向与井眼方位线的夹角，即是井斜方位角。

11、,31,测方位原理重力原理1.磁罗盘,磁罗盘是中华民族的伟大发明。 磁罗盘始终处于水平位置，并可自由转动，罗盘始终指出磁北极的方向。 与重锤罗盘和为一体，在测得井斜角的同时，也测出井斜方位角。,32,测方位原理磁北原理1.磁罗盘,如果罗盘盘面上的方位标志，与地理方位相同，则“十”字标记落在低边方位线上。而井斜角是高边方位线与正北方位线的夹角。所以罗盘面上的读值与实际井斜方位相差1800。 为了丛罗盘盘面上直接读出井斜方位，需要将N和S位置互换，E和W位置互换。,罗盘面方位与地理方位相反的情况,33,测方位原理磁北原理2.磁通门,磁通门结构： 铁心上绕着两级线圈。 初级线圈，先正向缠绕，然后又反

12、向缠绕。线圈内通交流电，不管电流大小和变化如何，线圈感应的磁场互相抵消为零。 次级线圈，仅一个方向缠绕，且不通电。在没有地球磁场情况下，也不会感应电流。 在地球磁场影响下，会感应出电流来。感应的电压大小与该点处地球磁场强度大小有关，与通过磁通门的磁通量多少有关。,34,测方位原理磁北原理2.磁通门,磁通门状态 磁通门与磁力线方向的关系状态不同，通过的磁通量多少就不同。 磁通门的布置 磁通门在仪器中的三个坐标方向布置，根据三个磁通门测得的磁通量的值，可以算出磁北方向与井眼方位的夹角，即井斜方位角。,35,测方位原理磁北原理2.磁通门井斜方位角计算,将X、Y、Z各轴和井斜方向线都投影到水平面上；这

13、时，Z轴和高边方位、井斜方位，都在同一条线和同一方位上。 选择V1和V2两个坐标轴： V1轴与Z轴同向； V2轴与V1轴互相垂直且自V2正方向顺时针90度到达V1正方向；,36,测方位原理磁北原理2.磁通门井斜方位角计算,X、Y、Z三个方向上的三个磁通门的测值，分别为：HX、HY、HZ 。 X、Y、Z三个方向上的三个重力加速度计的测值，分别为：GX、GY、GZ 。 将HX、HY、HZ 测值分别分解到V1和V2两个轴上。,37,测方位原理磁北原理2.磁通门井斜方位角计算,这是水平面上的投影图。 显然，井斜方位角可用下式计算：,当V10时，用下式计算：,当V10时，用下式计算：,38,测方位原理磁

14、北原理2.磁通门井斜方位角计算,39,测方位原理陀螺原理,陀螺仪结构及原理： 高速旋转的陀螺仪具有定向性(定轴性)。加上内外框架，构成“万向机架”。只要陀螺轴的方向不变，与外框架构成一体的罗盘的方向也就不变。 在陀螺仪启动时，人为地使陀螺轴指向地理正北(不是磁北)，就可保证罗盘的N极始终指向地理正北。 如此即可以陀螺罗盘的正北作为参照方向，测量井斜方位。,40,测方位原理陀螺原理,陀螺轴的转速非常高，一般为41500rpm，还有更高转速的。 制造要求整个仪器的内外框架的重心(包括罗盘重量在内) ，必须与陀螺的重心完全重合。否则陀螺将会出现“进动”。 进动(Precesion)：由于陀螺质量偏心

15、，使陀螺受到一个外力A的作用。在力A的作用下，内框架并不转动，而是外框架转动一个角度，这就会使罗盘的N极偏离地理正北方位，从而影响陀螺仪的精度。 进动，表现在罗盘的N极偏离正北，称为“漂移(Dift)”,即使陀螺仪的重心只有10微米(0.01毫米)的偏差，也会使外框架的“进动”即陀螺的“漂移”达到每小时几度。,41,测方位原理真北原理,真北原理就是在测量过程中，仪器自动寻找地理北极，并以地理北极为准测量井斜方位。 质量为m的物体，绕oo轴转动，线速度为v，旋转半径为r，则该物体具有角动量 。角动量是一矢量，其标量为： 具有转动惯量I的物体，绕ZZ轴以角速度转动，则该物体具有角动量 。其标量为：

16、,42,测方位原理真北原理,陀螺仪的转子在绕自身轴线转动时，将具有角动量 。 其方向与陀螺轴线一致。 角动量的大小与转动角速度和转动惯量I 有关。 陀螺仪又是地球上的一个物体，将随地球一起绕地轴转动。所以陀螺仪还具有角动量 。 其方向总与地轴正北方向一致。 此角动量大小与陀螺仪质量m，绕地轴转动的速度v和距地轴的距离r有关。而v和r显然与陀螺仪所在地点的纬度有关。,43,测方位原理真北原理,反映了陀螺轴线方向； 反映了地轴正北方向； 一般来说，二方向不一致。,陀螺仪具有的总的角动量为： 当 和 方向一致时， 当 和 方向不一致时，要用矢量合成求得,44,测方位原理真北原理,现在我们强迫改变陀螺

17、轴的方向，即改变 的方向，使其方向与 相一致。 这样作，需要给陀螺轴一个外力距 此外力矩的大小，反映了 和 的差别。,45,测方位原理真北原理,实际测量前，在地面上将 与 的水平分量 调为一致。 以此时需要的外力距 作为零点。仪器在井下测斜过程中，陀螺轴线随着井眼方向的变化而不断变化。这种变化时强迫性的。使之强迫变化的外力距 也在不断变化。 显然， 就反映了井眼轴线的方向与正北方向的差别，于是可以计算出井眼方位角来。,46,惯性导航原理,导弹、卫星、航天器等的导航，潜水艇和大海航行的导航，在没有参照系可循的情况下，使用惯性导航。 在惯性导航仪器中的N、E、H三个方向，装有三个加速度计，和三个方

18、向的陀螺仪。三个方向的陀螺仪，保证三个方向的加速度计指向始终与N、E、H三个方向一致。 从仪器下井开始，不断地记录三个加速度计的测值。不断地根据三个加速度计测的三个轴向的加速度对时间的积分，算出仪器在三个轴向的运行速度，再根据速度对时间的积分，不断地算出仪器在三个轴向N、E、H的位移增量。 每隔10秒钟，给出一组测点的N、E、H坐标值。 如果想计算每个测点的井斜角、井斜方位角以及井眼曲率等参数，可以采用反算法。,47,各种方法精度对比,48,MWD原理简介组成,MWD(随钻测量系统) 开始出现随钻测斜SWD(Survey While Drilling)； 后来出现随钻测量MWD(Measure

19、ment While Drilling)； 可测内容：井斜参数(井斜角、井斜方位角)；定向参数(工具面角)；地层参数(电阻、伽码等)；工艺参数(钻压、转速等)；泥浆参数(井温、压力等)； MWD三大组成部分： 井下测量部分：各种参数的传感器、输出测量信号等； 信号传输部分：编码器、传送部分、动力部分； 地面接收部分：译码器、计算、显示、存储、打印等； 三部分中，难度最大的时传输部分。,49,MWD原理简介电缆传输法,电缆传输法的优点： 信息传输效率高，速度快，信息量大，可进行实时传输； 不需要井下电源，地面电源通过电缆传导井下； 可以双向通信，形成闭环控制； 不存在信息衰减问题，没有井深限制；

20、 1. 电缆钻杆： 特制的钻杆，电缆埋在钻杆壁里。特殊接头，不仅可连接钻杆，还可连接电缆。 缺点：电缆钻杆制作太复杂； 2. 有线随钻： 仪器和电缆从测入接头进入钻杆水眼，并下入到井下。缺点： 下入后不能接单跟； 无法进行旋转钻进； 电缆容易磨损；等等,50,MWD原理简介电磁波及声波传输法,电磁波传输法： 电磁波可以传输电视、广播、电报等等，原理上可以传输井下测量信号，实际上困难很大； 主要问题是：传播介质是井内泥浆和地层岩石，信号衰减太厉害； 至今未见应用；,声波传输法： 地面制造地震波，传导井下后在反射回到地面，接受后可以得到地层信息，原理上也可以将井下测量信息传导地面上。 但是实际上困

21、难很大，主要问题也是信号衰减严重，受到的干扰太多。 现在还在研究中。,51,MWD原理简介泥浆压力脉冲传输法,钻柱内外都有泥浆，泥浆有压力，在井下制造一个压力脉冲，通过钻柱内的泥浆传导地面上。在立管上可以接受到此压力波。传播速度14001500米/秒。 正脉冲：平时凡尔打开，立管压力正常，凡尔被堵时压力突然增高，发出一个脉冲信号。压力增高代表“1”；压力不增高代表“0”。 负脉冲：平时凡尔堵住，立管压力正常，凡尔打开时将井内与环空连通，相当于循环短路，压力突然降低，发出一个负脉冲信号。 主要缺点：传输速度慢。一个脉冲5秒钟，传一个参数需要12分钟。,52,MWD原理简介连续波传输法,两个大小形

22、状完全相同的盘子，开着同样的槽口。一个是静盘，一个动盘。马达带动动盘连续旋转，槽口连续“被堵”和“开通”，造成连续波形。 动盘转速不同，得到的连续波形就不一样。 只要有两种波形就够了，一种代表“1”，一种代表“0”。 每秒钟可发出三个波形，传输一个参数，只需要9秒钟。,53,对测斜计算数据的规定,1测点编号：测斜自下而上，测点编号则自上而下。第一个井斜 角不等于零的测点作为第1测点。 2测段编号：自上而下编号。第i-1 测点与第i 测点之间所夹的测段为第i测段。 3第测点：第测点的井深大于25m 时，第测点的井深比第测点的井深小25m，且井斜角规定为零。第测点的井深小于或等于25m时，规定第测

23、点的井深和井斜角均为零。 4若i= 0，对第i测段取：i=i-1；对第i+1测段取：i=i+1 。 5在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超过180。 i-i-1180时， i=i-i-1-360 c=(i+i-1)/2-180 i-i-1-180时，i=i-i-1+360 c=(i+i-1)/2+180,54,1、计算顺序：计算的目的是算出每个测点的坐标值； 从第1 个测段开始，逐段向下进行 算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。 第0 测点的坐标值，,第4节 轨迹计算方法,55,2、计算内容： 测点：五个直角坐标值（ ） 两个极坐标值（ ） 测段：四个坐标增量（ ） 井眼曲率

24、3、计算方法的多样性： 要计算测段的四个坐标增量，就必须知道测段的几何形状。而测斜只能测上下两点的参数，测段形状未知，计算时只能假设测段形状，假设不同，计算方法不同。,56,4、计算方法： （1）平均角法：假设测段是一条直线；该直线的方向是 上下两测点处井眼方向的“和方向”（矢量和）。,测段计算公式：,57,（2）圆柱螺线法 假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线；其两端与上下两测点处井眼方向相切。在水平投影图上是圆弧，在垂直剖面图上也是圆弧。 测段计算公式：,注意：公式中 和 单位，求三角函数时用度，其他情况用弧度。,58,59,（3）曲率半径法 美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数

25、计算方法，称之为曲率半径法，其计算结果与圆柱螺旋法相同，只是计算公式的表达式不同。 曲率半径法测段计算公式：,注意：圆柱螺旋线法与曲率半径法的公式，在分母位置上都有 和 （单位为弧度）。这两个增量中的任意一个或同时为零，都需要另选公式计算，为解决这一问题，提出了校正平均角法。,60,（4）校正平均角法 我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法）。 测段计算公式：,其中：,注意：以上二式中 和 的单位为弧度。 测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法的公式基础上乘上校正系数 和 ，因而称之为校正平均角法。,61,关于校正平均角法的推导： 在曲率半径的基础上，进行三角变换：,将三角

26、函数用幂级数表示： 取：,62,将以上几式代入曲率半径法公式，即可得到校正平均角法计算表达式：,63,5 定向井轨迹常规绘图,利用测斜计算结果可以绘出垂直剖面图(H, S)、水平投影图（N, E）、垂直投影图（H, V） 垂直剖面图上井斜是真实的，垂直投影图上方位是真实的,H,H,64,6、定向井轨迹质量评价1). 中靶计算,已知条件：目标点坐标（Dt，Nt，Et） 和 实钻井眼轨迹数据。 (1) 计算中靶点p点的水平坐标： (2) 靶心矩的计算： (3) 中靶精度计算,当DJ0时，为脱靶； 当DJ=00.6时，为合格井； 当DJ=0.60.85时，为良好井； 当DJ0.85时，为优质井；,65,2). 轨迹符合率计算,已知条件：设计轨道数据 和 实钻井眼轨迹数据。 (1) 计算每个测点到设计轨道水平距离：,66,2. 轨迹符合率计算,(2) 计算水平距离的加权平均值JJ： (3) 轨迹符合率的计算：,67,