MWD獨(dú)立誤差源的確定分析

王 銳，崔朋波，劉培軍

(中油冀東油田公司，河北 唐山 063000)

MWD獨(dú)立誤差源的確定分析

王 銳，崔朋波，劉培軍

(中油冀東油田公司，河北 唐山 063000)

為分析隨鉆測(cè)量?jī)xMWD在實(shí)際測(cè)量中的獨(dú)立誤差源，根據(jù)大地坐標(biāo)系到儀器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換對(duì)MWD的測(cè)量原理進(jìn)行了系統(tǒng)推導(dǎo)，得出測(cè)量井眼軌跡的基本參數(shù)，進(jìn)而結(jié)合典型測(cè)量?jī)x器的4項(xiàng)獨(dú)立誤差源及MWD進(jìn)行井眼軌跡測(cè)量的特點(diǎn)，在性質(zhì)和量度方面詳細(xì)分析了MWD的各項(xiàng)獨(dú)立誤差源，并通過(guò)對(duì)獨(dú)立誤差源進(jìn)行分析修正，得出MWD現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:MWD;測(cè)量誤差;獨(dú)立誤差源

引 言

MWD是在鉆井過(guò)程中進(jìn)行井下信息實(shí)時(shí)測(cè)量和上傳的儀器系統(tǒng)，目前已成為石油鉆井施工中必不可少的隨鉆測(cè)量工具。MWD系統(tǒng)可在鉆頭附近測(cè)得定向數(shù)據(jù)、地層數(shù)據(jù)和鉆井參數(shù)等信息，不需中斷正常鉆進(jìn)操作而將信息傳送到地面，為下一步施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)［1－5］。MWD系統(tǒng)已成為連續(xù)監(jiān)測(cè)鉆井軌跡和及時(shí)糾斜必不可少的工具，但同時(shí)由MWD的測(cè)量誤差引起的井眼軌跡位置不確定性，對(duì)需要精確定位的鉆井作業(yè)產(chǎn)生了重要的影響［6］。因此，對(duì)引起MWD測(cè)量誤差的獨(dú)立誤差源進(jìn)行定性和定量的系統(tǒng)分析至關(guān)重要。

1 MWD測(cè)量原理

1.1 坐標(biāo)系的建立

建立鉆具 XYZ 坐標(biāo)系［7］(圖1)，其中，Z 軸與儀器軸線(xiàn)重合并指向儀器下部，X軸與Y軸都在儀器橫截面上，Y軸與造斜鉆頭的造斜方向一致，而X軸與Y軸垂直，且其正方向和Y軸、Z軸一起遵循右手法則，三軸兩兩正交。α為井斜角，φ為井斜方位角，ω為重力工具面角。

MWD由裝在無(wú)磁鉆鋌中的信號(hào)發(fā)射器和探管組成，探管內(nèi)有兩兩相互垂直的三軸重力加速度計(jì)和三軸磁通門(mén)傳感器，分別測(cè)量3個(gè)方向上的重力分量和磁力分量，分別以 GX、GY、GZ和 BX、BY、BZ表示。Z軸方向即為探管的軸向，即鉆具和井眼方向?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中所需要的儀器參考數(shù)據(jù)和井眼幾何參數(shù)均由這6個(gè)分量計(jì)算得到。

圖1 大地坐標(biāo)系與儀器坐標(biāo)系

1.2 坐標(biāo)系的3次旋轉(zhuǎn)

圖2為歐拉旋轉(zhuǎn)變換。

圖2 歐拉旋轉(zhuǎn)變換

(1)第1次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。繞D軸旋轉(zhuǎn)φ角，成為Z1X1D坐標(biāo)系。

(2)第2次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。繞X1軸旋轉(zhuǎn)π/2－α角，成為ZX1Y1坐標(biāo)系，即:

(3)第3次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。繞Z軸旋轉(zhuǎn)ω角，成為ZXY2坐標(biāo)系，即:

1.3 確定井斜角和重力工具面角

1.4 確定井斜方位角

在地磁場(chǎng)中，東方向分量為零，可得:

式中:G=(G2X+G2Y+G2Z)。

2 獨(dú)立誤差源定義及分類(lèi)

2.1 獨(dú)立誤差源定義

誤差源是一種物理現(xiàn)象，它使儀器在測(cè)量過(guò)程中對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生誤差。理論上，誤差產(chǎn)生獨(dú)立誤差源由要建立的誤差模型的復(fù)雜性和獲得量化誤差項(xiàng)所需數(shù)據(jù)的可能性確定。測(cè)量工具、測(cè)量環(huán)境、測(cè)量方法和建模技術(shù)的不同均會(huì)帶來(lái)不同的獨(dú)立誤差源［8］。

1個(gè)獨(dú)立誤差源通常由幾個(gè)誤差項(xiàng)組成。1個(gè)誤差項(xiàng)描述了所屬誤差源對(duì)1組特定的儀器測(cè)量值起的作用。誤差項(xiàng)可以通過(guò)以下參數(shù)唯一確定:名稱(chēng)、均值μ、幅值σ。通常作為1倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差值來(lái)應(yīng)用。傳播模式包括:隨機(jī)性(R)、系統(tǒng)性(S)、單井性(W)以及全局性(G)。

2.2 獨(dú)立誤差源分類(lèi)

理論上說(shuō)，各誤差源產(chǎn)生的原因有很多，主要包括比例系數(shù)、線(xiàn)性度、同軸度、溫度、溫度曲線(xiàn)擬合以及數(shù)值量化等。此處對(duì)獨(dú)立誤差源的分類(lèi)是以實(shí)用為基礎(chǔ)，可將誤差源對(duì)儀器測(cè)量誤差的作用進(jìn)行建模，并可用此模型對(duì)各誤差的實(shí)際數(shù)值進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)普通測(cè)量?jī)x器而言，通用的獨(dú)立誤差源主要有傳感器誤差、深度測(cè)量誤差、磁偏角基準(zhǔn)誤差、陀螺基準(zhǔn)誤差、鉆柱磁化、外部磁場(chǎng)干擾、測(cè)量間距計(jì)算方法、井眼軌跡計(jì)算方法、重力場(chǎng)不穩(wěn)定以及過(guò)失誤差等。

3 MWD獨(dú)立誤差源分析確定

現(xiàn)結(jié)合普通測(cè)量?jī)x器通用誤差源，根據(jù)MWD結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理，對(duì)MWD典型獨(dú)立誤差源進(jìn)行定性和定量的分析。

3.1 傳感器誤差

MWD探管由三軸重力加速度計(jì)和磁通門(mén)傳感器組成，對(duì)井斜角和井斜方位角進(jìn)行測(cè)量時(shí)，傳感器系統(tǒng)誤差和儀器校正誤差將使測(cè)量產(chǎn)生誤差。最終可形成4個(gè)誤差項(xiàng):加速度計(jì)偏移誤差、加速度計(jì)刻度誤差、磁力計(jì)偏移誤差以及磁力計(jì)刻度誤差。其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 傳感器誤差

3.2 深度測(cè)量誤差

在使用MWD進(jìn)行測(cè)量時(shí)，深度測(cè)量誤差是由鉆柱拉伸和熱膨脹等因素引起的。與其他誤差的區(qū)別:對(duì)于每個(gè)新的誤差源，深度測(cè)量誤差需要從地面開(kāi)始對(duì)整個(gè)井眼進(jìn)行全新的測(cè)量，新的測(cè)量與前測(cè)點(diǎn)無(wú)關(guān)，與除地面數(shù)據(jù)外的先前對(duì)該點(diǎn)的測(cè)量也無(wú)關(guān)。針對(duì)地面鉆機(jī)和浮式鉆機(jī)，可以將MWD深度測(cè)量誤差歸為4個(gè)獨(dú)立誤差項(xiàng)，即隨機(jī)參考誤差、系統(tǒng)參考誤差、刻度誤差和拉伸誤差，并為其建立模型。其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 深度測(cè)量誤差

3.3 磁偏角參考誤差

外殼異常是磁偏角參考誤差的主要來(lái)源，特別是在高緯度、巖漿巖近地面的地區(qū)。對(duì)于MWD，只有磁偏角的假設(shè)基準(zhǔn)值會(huì)影響計(jì)算的方位角值，而軸向磁干擾估算中任何的誤差都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的方位角值誤差。

對(duì)磁偏角的確定會(huì)隨著磁場(chǎng)水平分量的減小而變得越來(lái)越困難。為了確保Shetland Lerwick(BH=15 000 nT)的總磁偏角誤差與英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局預(yù)測(cè)的相符，建立1個(gè)模型，使其常數(shù)和與磁場(chǎng)水平投影BH成反比例，并對(duì)其進(jìn)行模擬(表3)。

表3 模擬結(jié)果

3.4 鉆柱磁化

接近磁力計(jì)的磁性鉆具組合可通過(guò)剩磁和感應(yīng)磁化對(duì)方位的測(cè)量產(chǎn)生影響。MWD鉆具組合磁干擾可分為軸向和徑向2部分。

軸向磁干擾的剩磁沒(méi)有統(tǒng)一的極性，而感應(yīng)磁化的極性相同。用鉆具組合端部磁極對(duì)感應(yīng)磁化進(jìn)行擬合，進(jìn)而對(duì)其誤差進(jìn)行校正;將剩磁作為獨(dú)立誤差源進(jìn)行處理。剩磁方位角誤差直接取決于井眼方向，并與sinαsinφm成比例。徑向磁干擾值較小，一般不會(huì)對(duì)總的MWD誤差產(chǎn)生較大影響，不必將其考慮在誤差模型之內(nèi)(表4)。

表4 擬合結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)對(duì)MWD獨(dú)立誤差源分析確定，可以更好發(fā)揮其在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果［9－11］。

(1)在現(xiàn)場(chǎng)施工中，根據(jù)工程的要求可以對(duì)儀器傳輸數(shù)據(jù)的速度、探管的工作方式及測(cè)量方式進(jìn)行選擇，給鉆井作業(yè)帶來(lái)了很大的靈活性。

(2)MWD靠鉆柱內(nèi)泥漿壓力的波動(dòng)傳送脈沖信號(hào)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用有線(xiàn)隨鉆施工所必須的地面準(zhǔn)備、井口作業(yè)、電纜起下及泵沖儀器等繁瑣工序。

(3)用MWD施工時(shí)根據(jù)需要可以合理調(diào)配鉆具，使測(cè)點(diǎn)盡可能接近井底，以便為工程技術(shù)人員預(yù)測(cè)并控制井深軌跡提供精確可靠的數(shù)據(jù)。

(4)使用MWD提高了施工的安全可靠性，同時(shí)配合導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)提高了機(jī)械鉆速。

5 結(jié)論

(1)利用坐標(biāo)系的建立、旋轉(zhuǎn)，根據(jù)三軸加速度計(jì)和磁通門(mén)傳感器的測(cè)值，推導(dǎo)出井斜角、重力工具面角和井斜方位角的工作原理。

(2)結(jié)合普通測(cè)量?jī)x器通用誤差源，根據(jù)MWD測(cè)量原理，對(duì)MWD測(cè)量典型獨(dú)立誤差源進(jìn)行定性和定量的分析。

［1］ Hugh S，Williamson．Accuracy prediction for directional MWD［C］.SPE56702，1999:12.

［2］Andrew G Brooks，Harry Wilson．An improved method for computing wellbore position uncertainty and its application to collision and target intersection probability analysis［C］．SPE36863，1996:415.

［3］蘇義腦，竇修榮.隨鉆測(cè)量、隨鉆測(cè)井與錄井工具［J］.石油鉆采工藝，2005，27(1):74 －78．

［4］劉修善．井眼軌道幾何學(xué)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2006:68．

［5］匡立新，李濤，張艷梅，等.負(fù)脈沖MWD的原理及其在可泡沫鉆井液中的應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30(1):362 －363，366.

［6］劉樹(shù)坤，汪勤學(xué)，梁占良，等.國(guó)內(nèi)外隨鉆測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介及發(fā)展前景展望［J］.錄井工程，2008，19(4):32－37，41.

［7］《數(shù)學(xué)手冊(cè)》編寫(xiě)組．?dāng)?shù)學(xué)手冊(cè)［M］.北京:人民教育出版社，1979:134．

［8］陳煒卿，管志穿.修正的系統(tǒng)誤差分析方法在隨鉆測(cè)斜中的應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2005，27(S2):355－357.

［9］何成柱，張宏阜，俞努.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中的MWD配套應(yīng)用技術(shù)［J］. 西部探礦工程，2004，16(11):48.

［10］董本京，高德利.現(xiàn)代井眼軌跡測(cè)量誤差分析理論探索［J］.鉆采工藝，1999，22(3):1－6.

［11］董本京，高德利，柳貢慧.井眼軌跡不確定性分析方法的探討［J］.天然氣工業(yè)，1999，19(4):59－63.

Determinative analysis of MWD independent error sources

WANG Rui，CUI Peng－bo，LIU Pei－jun
(Jidong Oilfield Company，PetroChina，Tangshan，Hebei063000，China)

MWD independent error sources are analyzed by converting from earth coordinates to instrument coordinates and inferring MWD measurement principle．The basic parameters of measuring points are derived．Each independent error source of MWD has been analyzed in terms of nature and magnitude by taking account of the four error sources of typical measuring instrument．The advantages of MWD can be brought into full play in field application by modifying independent error sources．

MWD;measurement error;independent error source

TE241

A

1006－6535(2011)05－0120－04

20110321;改回日期20110610

國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工程化技術(shù)研究”(2007AA090801－04)

王銳(1983－)，男，助理工程師，2005年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事油氣田工程技術(shù)研究與管理工作。

編輯 王 昱