CN108894774A - 组合式随钻测量工具和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气等钻探领域的钻井辅助工具，是一种组合式随钻测量工具和测量方法。技术问题：怎样直接测量钻头附近位置钻具姿态信息和最新井眼轨迹的变化情况。技术特征：包括，随钻测量工具A，随钻测量工具B，无磁钻铤；随钻测量工具B基于磁传感器和加速度计获得测量数据，安装在无磁钻铤中；随钻测量工具A包括陀螺仪。随钻测量工具A设置在随钻测量工具B前方，随钻测量工具A连接钻头。有益效果：通过测量得到钻头邻近位置钻具姿态信息和最新井眼轨迹的变化情况，避免了定向井工程师的推算及其所导致的误差。

Description

组合式随钻测量工具和测量方法

技术领域

本发明涉及石油、天然气等钻探领域的钻井辅助工具，是一种组合式随钻测量工具和测量方法。

背景技术

随钻测量的价值在于，基本“实时”的获得井底钻具姿态信息和最新井眼轨迹的变化情况，如倾斜角、方位角、工具面角等，为研究井眼轨迹与地层的空间关系、下一步井眼轨迹的调整提供了不可缺少的基础资料，是保障超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井实施的技术基础。

随钻测量点距离钻头越近，使用价值越大。现有技术中，通常采用基于磁传感器和加速度计的随钻测量系统，其需要安装在9米长的无磁钻铤中间来尽量隔离上下钻杆的磁干扰；然而，紧邻钻头的钻柱空间非常非常有限，所以，随钻钻具组合通常依次是钻头，造斜工具，随钻测井工具例如随钻伽马，随钻测量工具，最终导致随钻测量工具的测点零长在十米以上，甚至二十多米。所以，现场的作法是，定向井工程师以随钻测量数据为基础，根据个人经验预测井底钻具姿态信息和最新井眼轨迹的变化情况以消除测点零长；定向井工程师的预测存在误差，如倾斜角和/或方位角的误差通常在1度左右，在大多数井段，定向井工程师可以通过调整后面井眼轨迹弥补这种误差造成的影响；然而在一些特定井段例如防碰井段、水平井着陆段、水平井出层段等，1度的误差可以造成严重的后果例如被迫填眼重钻、水平井硬着陆或无法着陆，这是定向井工程师无法通过调整后面井眼轨迹可弥补的，这也是超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井主要风险之一。

另外，陀螺技术已应用于定向井完钻后的有线测量系统中。陀螺技术的优势是不受磁干扰影响，且体积小；劣势是陀螺仪的输出随着测量时间的增加，存在累积误差，陀螺仪易受振动冲击影响。以现有技术，陀螺仪在打钻前启动，确定基值，然后在打钻期间在多点测量以获得测量数据，时间增加导致的累积误差、打钻的振动冲击将明显影响陀螺仪的测量结果，所以，陀螺技术不适应现有技术下的随钻测量。

发明一种随钻测量工具，可以在特定井段例如防碰井段、水平井着陆段、水平井出层段等直接测量钻头附近位置钻具姿态信息和最新井眼轨迹的变化情况，无需定向井工程师的预测，是时之所需。

发明内容

本发明针对的技术问题是：怎样直接测量钻头附近位置钻具姿态信息和最新井眼轨迹的变化情况及现有技术的不足。

本发明采用的技术方案是：组合应用基于磁传感器和加速度计的随钻测量工具和基于陀螺仪的随钻测量工具，直接测量钻头附近位置钻具姿态信息和最新井眼轨迹的变化情况。

本发明包括的技术特征有：一种组合式随钻测量工具，包括：随钻测量工具A，随钻测量工具B，无磁钻铤；随钻测量工具A、随钻测量工具B设置在钻柱中；随钻测量工具B基于磁传感器和加速度计获得测量数据，随钻测量工具B安装在无磁钻铤中间；随钻测量工具A包括陀螺仪,用于得测量钻具姿态信息数据。

随钻测量工具A设置在随钻测量工具B前方，随钻测量工具A连接钻头；以减少随钻测量工具A的测点零长。随钻测量工具A基于陀螺仪，体积小长度短，不受磁干扰，不会明显影响后方工具的测点零长。

本申请中，所述前方是指靠近钻头的一方；所述后方，与前方对应，是指远离钻头的一方。

进一步，陀螺仪设置在钻柱的轴线上；以减少因为钻柱的转动对陀螺仪测量值的影响。

进一步，陀螺仪可拆卸的设置在随钻测量工具A内。用于方便维护陀螺仪。

进一步，随钻测量工具A包括一个空腔，陀螺仪通过两个或者以上柔性支承装置可拆卸的固定在空腔内；以减少钻柱震动对陀螺仪的不利影响。

进一步，空腔内充满粘稠液体；以减少钻柱震动对陀螺仪的不利影响。

进一步，随钻测量工具A还包括温度计，用于测量温度，以修正陀螺仪在不同温度下的测量值。

进一步，随钻测量工具B还包括温度计，用于测量温度，以修正随钻测量工具B在不同温度下的测量值。

进一步，随钻测量工具B、随钻测量工具A共用电源，电源设置在随钻测量工具B后方钻柱内。

本发明还提供一种钻具组合，包含所述组合式随钻测量工具，钻具的组合顺序依次是钻头，随钻测量工具A，造斜工具，随钻测井工具，无磁钻铤，随钻测量工具B（安装在无磁钻铤的中间）；及其它必要工具。

本发明还提供一种组合式随钻测量工具的测量方法，包括以下步骤。

步骤一：准备阶段：停钻，启动随钻测量工具A，启动随钻测量工具B，准备测量。

步骤二：随钻测量工具A测量所在井筒位置E点的钻具姿态数据，随钻测量工具B测量所在井筒位置 F点的钻具姿态数据。

步骤三：上提钻柱，使随钻测量工具A达到F点，随钻测量工具A测量F点的钻具姿态数据。

步骤四：基于，随钻测量工具A所测E点钻具姿态数据减去随钻测量工具A所测F点钻具姿态数据，加上随钻测量工具B所测F点钻具姿态数据，解算出E点最终钻具姿态数据，进而将E点最终钻具姿态数据解算成E点的倾斜角和方位角。

需要说明的是，因为陀螺仪的特征，随钻测量工具A所测E点的钻具姿态数据，和随钻测量工具A所测F点的钻具姿态数据，都是没有基值的相对数据，这两者之差表征的是E点与F点之间钻具姿态的变化量；而，随钻测量工具B基于磁传感器和加速度计，所测的F点钻具姿态数据是有基值的绝对数据，可以直接解算成F点的倾斜角、方位角，F点的倾斜角、方位角加上E点与F点之间钻具姿态的变化量，就可以解算出E点的倾斜角、方位角。

本方案中，每一次陀螺仪使用都是在停钻后，在短时间内测量E、F两点井筒数据，且只测量两点间钻具姿态相对变化量，这不同现有技术中陀螺仪使用需要时间累积、需要经过打钻振动冲击，所以，避免了现有技术中陀螺仪使用的劣势。另外，现有技术中，每钻一段距离（通常是一根钻杆）都需要停钻测量钻具姿态，对应于本方案中随钻测量工具B测量所在井筒位置 F点的钻具姿态数据，而本方案正是在这个停钻期间，增加使用了随钻测量工具A，这不会明显增加钻井时间，同时，通过测量得到钻头邻近位置钻具姿态信息和最新井眼轨迹的变化情况，避免了定向井工程师的预测及其所导致的误差，带来的有益效果明显大于几分钟的钻井时间价值。

本发明中，根据本领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。例如在钻柱上设置控制系统，在必要处设置密封件；钻井液通过钻柱、钻头输送至井底。

本发明包括的有益效果是：1）通过测量得到钻头邻近位置钻具姿态信息和最新井眼轨迹的变化情况，避免了定向井工程师的预测及其所导致的误差；2）随钻测量工具B在钻具组合中排序没有提前，随钻测量工具A体积小长度短，甚至可以嵌入到造斜工具之中，所以，本方案不会导致其它工具明显远离钻头。

附图说明

图1 所述组合式随钻测量工具结构示意图。

图2 随钻测量工具A结构示意图。

图中，1钻头，2随钻测量工具A，3 造斜工具，4随钻测井工具，5 无磁钻铤， 6 随钻测量工具B，10 钻柱，12井筒，14地层，22陀螺仪，24空腔，26支承装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

下面结合图1至图2，对本发明的优选实施例作进一步详细说明。

如图1所示，描述了在地层14中，钻柱10位于井筒12内，钻柱10上的钻具组合，包含组合式随钻测量工具；钻具的组合顺序依次是钻头1，随钻测量工具A2，造斜工具3，随钻测井工具4，无磁钻铤5，随钻测量工具B6（安装在无磁钻铤5的中间）。

所述组合式随钻测量工具，包括：随钻测量工具A2，随钻测量工具B6，无磁钻铤5；随钻测量工具A2、随钻测量工具B6设置在钻柱10中；随钻测量工具B6基于磁传感器和加速度计获得测量数据，安装在无磁钻铤5中，随钻测量工具B6可以是这样的，包括三个正交的加速度计和三个正交的磁传感器，加速度计测量结果用于计算倾斜角和工具面角，而方位角利用倾斜角、工具面角和地磁场数据获得；随钻测量工具A2包括陀螺仪22。

随钻测量工具A2设置在随钻测量工具B6前方，随钻测量工具A2连接钻头1；以减少随钻测量工具A2的测点零长。随钻测量工具A2基于陀螺仪22，体积小长度短，不受磁干扰，不会明显影响后方工具的测点零长。

如图2所示，陀螺仪22设置在钻柱10的轴线上；以减少因为钻柱10的转动对陀螺仪22测量值的影响。

陀螺仪22可拆卸的设置在随钻测量工具A2内。用于方便维护陀螺仪22。

随钻测量工具A2包括一个空腔24，陀螺仪22通过两个或者以上柔性支承装置26例如有弹性的橡胶可拆卸的固定在空腔24内；以减少钻柱10震动对陀螺仪22的不利影响。

空腔24内充满装有粘稠液体例如沥青；以减少钻柱10震动对陀螺仪22的不利影响。

另外，随钻测量工具A2还包括温度计，用于测量温度，以修正陀螺仪22在不同温度下的测量值。

随钻测量工具B6还包括温度计，用于测量温度，以修正随钻测量工具B6在不同温度下的测量值。

随钻测量工具B6、随钻测量工具A2共用电源，电源设置在随钻测量工具B6后方钻柱10内。

本发明还提供一种组合式随钻测量工具的测量方法，包括以下步骤。

步骤一：准备阶段：停钻，启动随钻测量工具A2，启动随钻测量工具B6，准备测量。

步骤二：随钻测量工具A2测量所在井筒12位置E点的钻具姿态数据，随钻测量工具B6测量所在井筒12位置 F点的钻具姿态数据。

步骤三：上提钻柱10，使随钻测量工具A2达到F点，随钻测量工具A2测量F点的钻具姿态数据。

步骤四：基于，随钻测量工具A2所测E点钻具姿态数据减去随钻测量工具A2所测F点钻具姿态数据，加上随钻测量工具B6所测F点钻具姿态数据，解算出E点最终钻具姿态数据，进而将E点最终钻具姿态数据解算成E点的倾斜角和方位角。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，但可以理解的是，本发明并不局限于所公开的实施方式和构件，相反，旨在涵盖包括在所附的权利要求书的主旨和范围之内的各种改型、特征结合、等效的装置以及等效的构件。此外，出现在附图中的各构件的特征的尺寸并不是限制性的，其中各构件的尺寸可以与描绘在附图中的构件的尺寸不同。因此，本发明用于覆盖对本发明的改型和变形，只要它们均在所附的权利要求书和它们的等效方案的范围之内即可。

Claims (10)

1.一种组合式随钻测量工具，包括：随钻测量工具A(2)，随钻测量工具B(6)，无磁钻铤(5)；随钻测量工具B(6)基于磁传感器和加速度计获得测量数据，随钻测量工具B(6)安装在无磁钻铤(5)中间；随钻测量工具A(2)包括陀螺仪(22)；

其特征在于：随钻测量工具A(2)设置在随钻测量工具B(6)前方，随钻测量工具A(2)连接钻头(1)。

2.根据权利要求1所述的组合式随钻测量工具，其特征在于：陀螺仪(22)设置在钻柱(10)的轴线上。

3.根据权利要求1或2所述的组合式随钻测量工具，其特征在于：陀螺仪(22)可拆卸的设置在随钻测量工具A(2)内。

4.根据权利要求3所述的组合式随钻测量工具，其特征在于：随钻测量工具A(2)包括一个空腔(24)，陀螺仪(22)通过两个或者以上柔性支承装置(26)可拆卸的固定在空腔(24)内。

5.根据权利要求4所述的组合式随钻测量工具，其特征在于：空腔(24)内充满粘稠液体。

6.根据权利要求1、2、4、5任一项所述的组合式随钻测量工具，其特征在于：随钻测量工具A(2)包括温度计。

7.根据权利要求6所述的组合式随钻测量工具，其特征在于：随钻测量工具B(6)包括温度计。

8.根据权利要求1、2、4、5、7任一项所述的组合式随钻测量工具，其特征在于：随钻测量工具B(6)、随钻测量工具A(2)共用电源，电源设置在随钻测量工具B(6)后方钻柱(10)内。

9.一种钻具组合，其特征在于：包含如权利要求1-8任一项所述的组合式随钻测量工具，钻具的组合顺序依次是钻头(1)，随钻测量工具A(2)，造斜工具(3)，随钻测井工具(4)，无磁钻铤(5)，随钻测量工具B(6)。

10.一种组合式随钻测量工具的测量方法，包括以下四个步骤：

步骤一：准备阶段，停钻，启动随钻测量工具A(2)，启动随钻测量工具B(6)，准备测量；

步骤二：随钻测量工具A(2)测量所在井筒(12)位置E点的钻具姿态数据，随钻测量工具B(6)测量所在井筒(12)位置 F点的钻具姿态数据；

步骤三：上提钻柱(10)，使随钻测量工具A(2)达到F点，随钻测量工具A(2)测量F点的钻具姿态数据；

步骤四：基于，随钻测量工具A(2)所测E点钻具姿态数据减去随钻测量工具A(2)所测F点钻具姿态数据，加上随钻测量工具B(6)所测F点钻具姿态数据，解算出E点最终钻具姿态数据，进而将E点最终钻具姿态数据解算成E点的倾斜角和方位角。