有线控向技术在定向钻穿越施工中的应用

收稿日期:2007205209

作者简介:汪　澜(19712),女,辽宁盖县人,工程师,主要从事科技管理工作,E 2mail :wanglan855@https://www.wendangku.net/doc/3e7489332.html, 。

文章编号:100123482(2007)1220065204

有线控向技术在定向钻穿越施工中的应用

汪　澜1,苑学松2,李　明1

(1.辽河石油勘探局油田建设工程一公司,辽宁盘锦124120;2.中国石油海洋工程有限公司辽河事业部,辽宁盘锦124010)

摘要:有线控向系统控制精度高,适用于在大、中型定向钻机上进行深、长管道穿越。介绍了定向钻

穿越有线控向的工作原理和操作步骤,给出了定向钻穿越相关参数的计算式,为提高定向钻穿越过程中的控向操作及操作过程中的偏差计算提供了理论及实践依据。关键词:有线控向;穿越施工;应用中图分类号:TE922 文献标识码:B

Application of Wired Directional Control T echnology in Directional Drilling Crossing

WAN G Lan 1,YUAN Xue 2song 2,L I Ming 1

(1.N o.1Const rution Com pany ,L iaohe Pet roleum Ex ploration B ureau ,Panj in 124120,China;

2.L iaohe Division ,China Pet roleum O f f shore Engineer Co.,L t d.Panj in 124010,China )

Abstract :Directional drilling is cho sen firstly in crossing const ruction such as cro ssing t hrough rivers or roads along wit h t he strengt hening of modern civilization and environmental conscious 2ness.In recent years ,t he technology of directional drilling develop s quickly ,wit h it s positioning 2directional cont rol system becomes more accurate ,cheaper and it s scope becomes wider and wi 2der.Now t he wired directional control system is often used in engineering for it s more accurate cont rolling ,which applies to big directional rigs when cro ssing deeper and longer.This article in 2t roduces t he p rinciple and operational process of wired directional technology ,which provides t he basis of t heory and practice for directional operation.K ey w ords :wired directional cont rol ;crossing ;application

20世纪80年代中期,国内引进了第1台定向钻机,引起了“非开挖”技术的一场革命,至今,国内已有大小定向钻机上百台。其发展之快,主要是定向钻穿越具有工期短、质量高、对周围环境影响小等特点。定向钻穿越定位系统的应用大大提高了导向铺管的质量。现在应用的定位系统主要有地面手提探测器、有线控向系统、无线控向系统3种。因地面手提探测器和无线控向系统有其局限性,目前,有线控向系统的使用较为广泛。有线控向操作受外界地面设施、动物体、地层金属矿物质等所发射的电磁波影响较大,很难人为进行定性、定量分析。本文只介

绍在外界电磁波干扰较小的情况下的一种有线控向

操作方法[1]。

1　有线控向系统特点及原理

1.1　系统组成

有线控向系统由探测器、中心控制单元及安装导向程序的计算机、打印机、司钻表组成。探测器与中心控制单元通过水平定向钻机由1根2芯电缆线连接,计算机与中心控制单元由1根串口线连接,司钻表与中心控制单元由1根4芯电缆线连接。连接示意图如图1。

　2007年第36卷 石油矿场机械　第12期第65页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2007,36(12):65～68　

图1　有线控向系统连接示意

1.2　工作原理

探测器中传感器测得的当前地磁场和重力场信息发送到中心控制单元,中心控制单元对采集到的

数据进行处理,然后发送给计算机。计算机将收到的数据进一步处理后显示并存储,其中一部分数据返回中心控制单元由其发送至司钻表[2]。

2　操作步骤

有线控向系统流程如图2所示

。

图2　有线控向流程

2.1　测量放线

a)　测量放线涉及到的穿越点、加密点、线圈角

的坐标(x 、y 、z )应该使用全站仪进行测量;若长度在300m 以内,穿越轴线范围内可通视。周围电磁

波干扰小或无干扰的情况下,根据实际情况也可以不用布置线圈,不复测长度,不测穿越点高程,用经

纬仪即可满足施工。

b)　根据设计交桩和设计图纸进行穿越长度的复测,若设计交桩长度与设计图纸长度不符,及时确认长度。

c)　测量穿越点的自然标高。d)　在穿越中心线上设置加密桩,一般穿越轴线可通视情况下,在入土端一侧设置3～5个桩,出土端设置2～3个桩,木桩上要钉小铁钉。

e)　填写测量结果表,并发给施工负责人及班组负责人。2.2　参数测量

a)　在穿越中心线上选3～5处周围设施较少的地方进行方位角和Dip 的测量,记录测量值。根据测量记录,选择变化值较小的的数据计算方位角和Dip 的平均值,作为输入的初始参数。

b)　若条件允许,可以将探棒放入无磁钻铤内进行方位角和Dip 的测量,无磁钻铤可以屏蔽少量的外界磁场干扰,使测量值更准确。

c)　测量钻机就位后的入土角度,由于无磁钻

铤较沉且表层厚度3m 以内土质较松软,最初进尺井斜角度增长幅度较小或者不增长,因此,一般钻机就位角度要小于设计入土角015°～115°。

d)　设置工作面前,要确认无磁钻铤与马达之间的连接是否牢固,然后用角度尺或水平尺进行工作面的测量,并回零。2.3　控向系统的连接

a)　有线控向系统包括探棒、探棒加长杆、控向线、控向控制台、司钻控制台、电脑、打印机。

b)　探棒和探棒加长杆连接时,要缠绕生胶带,

避免脱扣。

c)　探棒输出与控向线连接时要牢固,连接线要保持干爽。2.4　绘制导向孔曲线

a)　根据设计图纸绘制导向孔施工曲线,用网

格纸或坐标纸进行绘制,横、纵比例最好为1∶100。

b)　绘制内容包括自然地面曲线、导向孔曲线、特殊地层层位线。

c)　导向孔曲线要与设计曲线一致,导向孔曲线由10m 的线段组成,每根线段变化的角度要小于016°。

d)　导向孔曲线一般可分为入土井斜段、水平段和出土井斜段3部分,绘制曲线时要进行体现。

e)　导向孔曲线横纵坐标可以用埋深、水平长度或标高、里程等方法,根据操作者的习惯选择使用

?66?石油矿场机械 2007年12月　

方法。2.5　导向孔的施工(如图3

)

图3　导向孔施工示意

a)　按要求输入初始参数,初始参照点输入方法有多种,按照操作者的习惯进行输入。

方法一(如图4)　设定大钳的位置①为参照点,探棒位置的倾角近似等于大钳处的钻杆的倾角,因此可以假定大钳位置为探棒中心点,误差很小,可以近似为零。要量取大钳钳口的高度Elev 0、钳口距钻头的斜边长度CL ′、旋转接头到钳口的斜边长度CL 1。初始标高输入Elev 0+地面自然标高,穿越总长度相当于CL ′+穿越实长。第1根钻进后,输入长度为CL 1。由于使用泥浆马达,数据滞后长度为CL ′,可根据前3根的趋势推算泥浆马达的近似角度,进而折算出钻头的位置。

方法二(如图4)　设定入土点②为参照点,将第1根钻进后,探棒的位置距地面斜边长5m 左右,探棒角度与地面位置钻杆角度近似,初始标高输入地面自然标高。第1根钻进后,不输入长度,将初始角度改为当前角度,第2根钻进后开始输入钻杆长度。由于使用泥浆马达,数据滞后,滞后长度为

CL 1,可根据前3根的趋势推算泥浆马达的近似角

度,进而折算出钻头的位置

。

图4　钻机摆放初测示意

b)　施工时根据地层条件,应与司钻很好地配

合,控制好钻进速度和泥浆排量,保证钻孔方向沿设计曲线或接近设计曲线进行。

c)　理想曲线是单根钻杆角度变化<016°,事

实上,操作时很难保证单根角度变化<016°,根据以往施工经验,偶尔出现>016°、<1°且不连续的情况,也可以接受。

d)　一般入土井斜段位于相对软地层中,较难

控制,经常出现角度变化快、超深等现象,发现角度变化快或有此趋势时,要及时进行纠正。一般入土井斜段推进或钻进要放慢速度,停机观察频率要相对高,最好2～3m 观察1次。控制好推进尺和转进尺长度,采用多推少转和不连续转的方法,发现变化趋势应及时采取相应对策。

e)　水平段穿越难易程度因地层条件而异。一

般软地层相对难控制,施工时尽量减少软地层穿越长度,穿越水平段时,尽量不钻进,可以40°～60°的工作角度缓慢推进几米,然后调整到300°～320°缓慢推进当量长度,钻进时经常停机以观察角度变化趋势。

f)　出土井斜段相对好控制,为了避免出现软地层不抬头情况,可采取±30°～70°工作角度的推进方法来抬高角度,出土段井斜段穿越过程中尽量不使用钻进的方法。

g)　尽量避免用180°工作角度钻进。

h)　钻至出土井斜段,出土侧需要进行观察,发

现有冒浆的地方,及时与控向或现场负责人进行联系,便于验证控向操作数据信息。2.6　出土后测量偏差

钻头出土后测量出土位置的横向和纵向偏差,根据设计和标准规范判定出土位置是否满足要求,不满足要求需要进行导向孔纠偏。2.7　纠偏

纠偏时首先要计算理论纠偏点,然后对照施工记录,看该点是否适合纠偏,若不适合则向后逐根对照,直到找到适合纠偏的位置。通常情况下,原始孔为推进且有角度变化的位置、土质硬度变化小的位置及软地层适合纠偏。2.8　控向系统拆卸

钻头出土位置符合要求后,需要进行控向系统的拆卸。

?

76?　第36卷　第12期 汪　澜,等:有线控向技术在定向钻穿越施工中的应用

3　控向操作系统中的相关计算

控向系统最主要的是探棒中的传感器,传感器

通过导线将探棒所在位置的相关数据传到控向控制台,并输出到可视的DOS 或Windows 系统。输出的数据主要有磁场强度、方位、井斜角、工作面、重力场强度等[324]。

a)　磁场强度反映的是探棒所在位置的磁场强

度,若该位置磁场强度与之前各点数据变化不大或

无变化,可以认为反映出的方位是准确或近似准确的数据。

b)　方位反映的是探棒所在无磁钻铤的水平角度。

c)　井斜角反映的是探棒所在无磁钻铤的井斜

角度,即与垂直向下方向之间的夹角。

d)　工作面反映的是钻头或螺杆马达弯头的指向。

e)　重力场强度由于对操作软件的理解有限,操作时可暂不考虑该参数的影响。

操作软件上反映的数据还有CL (该站进尺长度)、M D (累计进尺实长)、A w ay (累计进尺水平长度)、DL (狗腿脚)、Ri g ht (累计右偏差)、Elev (累计垂深)等。这些数据均为输入或者通过计算反映出的数据,其中CL 为输入值。软件的计算方法很简单,通过三角函数可进行计算。但由于角度设定的方法有2种,即平均值法和正切值法,因此三角函数的计算方法也相应有2种。

导向孔剖面、平面图如图5～6,其中,④～⑤点为钻机上的钻杆,①点为钻头,探棒在②～③钻杆中。上一站数据中,导向孔实长为M D ;水平长度为A w ay ;右偏差为Ri g ht ;累计垂深为Elev 。本站数据中,H s =0;In c =γ;A z =σ;磁场强度稳定;重力场强度均匀变化;进尺长度为CL 5。列出当前站的计算式(实长、水平长度、垂深、右偏差)

。

图5　导向孔剖面图

用平均角度法列出当前站的一组计算式为

a)　当前站导向孔实长=M D +CL 5

b)　累计水平长度=A w ay +CL 5×sin (γ+β

)×cos (σ+τ)≌A w ay +CL 5×sin

γ

图6　导向孔平面图

c)　累计垂深=Elev +CL 5×cos (γ+β

)×cos (σ+τ)≌Elev +CL 5×co s γ

d)　累计右偏差=Ri g ht +CL 5×sin (

σ+τ)×sin (γ+β

)≌Ri g ht +CL 5×sin σ用正切值法列出当前站的组计算式为

a)　当前站导向孔实长=M D +CL 5

b)　累计水平长度=A w ay +CL 5×sin γ×

cos σ≌A w ay +CL 5×sin γ

c)　累计垂深=Elev +CL 5×cos γ×cos σ≌

Elev +CL 5×cos γ

d)　累计右偏差=Ri ght +CL 5×sin σ×sin γ≌

Ri g ht +CL 5×sin σ

4　结束语

现阶段有线控向技术仍然是定向钻穿越施工中运用最广泛的一种手段。随着定向钻穿越技术的日

益成熟,对导向孔的施工质量要求也越来越高,而通过有线控向技术的应用可以将出土的偏差控制在1m 范围内。本文提供了定向钻穿越相关参数的计算式,为操作过程中的偏差计算提供了理论和实践依据。

参考文献:

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汉:中国地质大学出版社,2004.

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油工程建设,1999,25(3):35238.

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[J ].石油矿场机械,2005,34(3):65268.

?86?石油矿场机械 2007年12月