[发明专利]一种近钻头方位动态测量装置与测量方法

说明书

本发明提供了一种近钻头方位动态测量装置与测量方法，通过加速度计测量重力加速度沿钻具轴向的分量，磁力计测量地磁场沿钻具径向的分量，根据当地的地磁场强度、磁倾角和重力场总强度数据，从而计算动态方位角。与传统随钻测量系统（MWD）相比，该方法不测量沿钻具轴向的地磁场分量和径向的重力场分量，避免了钻具磁化产生的轴向磁干扰对轴向地磁场分量测量的影响，以及旋转产生的离心加速度和径向振动对径向重力场分量测量的影响，可实现钻进过程中方位角的动态测量。本发明提供的方位动态测量装置，使用的传感器数量由6支减少为3支，节省了安装空间，降低了传感器部分的功耗，特别适合于近钻头测量对安装尺寸和功耗要求敏感的应用场合。

技术领域

本发明提供一种用于石油、天然气、地热等地下资源勘探开发中的钻孔方位测量方法，特别涉及一种在钻进过程中实现近钻头方位动态测量的装置与方法。

背景技术

随着油气勘探开发的不断深入，水平井、大位移井、分支井等高难度定向井越来越多,定向钻井技术为扩大勘探领域，高效开发油气资源提供了新的技术手段。定向钻井是指按照预先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻达目的层的钻井工艺方法，预先设计的井眼轨迹往往是一条直线或是一条平滑曲线，但受地层各向异性、定向钻井工具的机械性能、司钻经验等因素的影响，实际井眼轨迹往往不能严格沿设计的轨迹前进。为了准确钻达目标点，必须随时了解井斜角和方位角随井身的变化情况，以便监视和调整井眼轨迹使其尽可能沿设计的轨迹钻进。另外，通过对井斜和方位随井身变化情况的监测，可以计算井眼曲率，控制狗腿严重度，从而防止井下钻具事故的发生。

现有技术主要利用随钻测量系统(Measurement While Drilling，简称MWD)进行井斜角和井斜方位角测量，MWD系统测量井眼轨迹使用加速度计、磁力计、陀螺仪等姿态测量传感器，井斜通过三轴加速度计测量地球的重力场获得，方位角通过三轴加速度计和三轴磁力计组合测量地球重力场和地磁场获得。为了避免钻具磁化对地磁场测量的影响，所有的传感器和测量电路被安装在一段无磁钻铤中，以此来隔离钻具产生的磁干扰，测量的井斜角和方位角编码后通过泥浆脉冲或电磁波传输方式发送到地面。

在整个井底钻具组合(Bottom Hole Assembly，BHA)中，随钻测量系统安装在造斜工具(螺杆钻具或旋转导向工具)之后，距离井底钻头8-20米。随着造斜工具性能的提升，可以钻出曲率半径更小的井眼轨迹，加上井下钻具弯曲和扭曲等因素的影响，MWD系统在距离钻头8-20米处测量的井斜角和方位角往往与钻头附近的井眼姿态不一致。另外，为了避免钻进过程中振动、冲击和旋转的影响，MWD系统需要在停钻后进行静态测量，比如在停钻时钻柱中加入钻杆的过程中进行测量，测量间隔为每次加入钻杆的长度，大约为30米，这样获得沿着井眼轴线的一些离散测点，这些离散的测量结果，通过最小曲率假设方法计算三维井眼轨迹。即假设井眼轨迹从上一个测量点以最小半径沿着平滑曲线向下一个测量点延伸。由于每30米左右才进行一次数据采集，从而增加了井下钻进的不确定性。

虽然静态测量的优势是可以获得足够的井斜角和方位角精度，但是为了获得更及时的钻井方位指示，需要在钻进的过程中实时测量井斜和方位。

当沿用随钻测量系统中广泛采用的三轴加速度计和三轴磁力计进行动态井斜和方位测量时，存在如下两个问题：

1、进行地磁场测量时，轴向的磁力计受钻具磁化产生的磁干扰影响最大，这些磁干扰来自磁力计上下的钻柱，包括钻头、泥浆马达、造斜工具等，尤其不适合近钻头的安装场合。

2、井斜角和方位角计算需要使用径向加速度计测量结果，但径向加速度计测量数据受径向振动、离心加速度的影响较大，这些影响来源于钻柱自身振动、粘滑、旋转以及钻柱与井壁的作用。