影響連續(xù)測斜儀測量精度的因素分析

馬宸 晉永路

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南省新鄉(xiāng)市 453000）

連續(xù)測斜儀的精度越高，測量成果可用性越強(qiáng)。但在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，連續(xù)測斜儀的測量精度會(huì)受到多方面因素的影響，所以有效規(guī)避外力干擾，保障連續(xù)測斜儀測量數(shù)據(jù)的精確性是儀器應(yīng)用人員的工作重點(diǎn)。在實(shí)踐作業(yè)環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注影響連續(xù)測斜儀測量精度的各項(xiàng)因素。

1 連續(xù)測斜儀概述

連續(xù)測斜儀是一種專用測量儀器，該儀器主要應(yīng)用在油氣井鉆探和測量領(lǐng)域。在石油鉆探過程中對(duì)井眼軌跡進(jìn)行精確測量，從而獲得石油鉆、測井的方位角和傾斜角數(shù)據(jù)。這種測量儀器內(nèi)部包括高精密度的傳感器，如磁力計(jì)、重力計(jì)等。在連續(xù)測斜儀的使用過程中，將基于微機(jī)處理，連續(xù)獲得方位-傾角數(shù)據(jù)集；此類型儀器還會(huì)利用單片機(jī)采集傳感器數(shù)據(jù)，從而為有效計(jì)算傾斜角和方位角提供輔助。在連續(xù)測斜儀出現(xiàn)前，油田開發(fā)人員大多使用單點(diǎn)測斜儀進(jìn)行鉆、測井測量，雖然能滿足靈活、方便的測量需求，但卻無法提高數(shù)據(jù)采集和測量質(zhì)效。而連續(xù)測斜儀的出現(xiàn)，則彌補(bǔ)了這一缺陷，讓鉆、測井測量的精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性和連續(xù)性都大幅提升。此外，基于連續(xù)測斜儀，能更為準(zhǔn)確而全面地確定地層層面的傾斜角和方位角，還能確定油氣層厚度，更能讓相關(guān)工作人員準(zhǔn)確了解高密度開發(fā)井的井深軌跡，基于探井鉆頭位置，將會(huì)使井斜資料的可利用性得到增強(qiáng)[1]。

2 連續(xù)測斜儀的測量原理

3 連續(xù)測斜儀的測量精度影響因素和優(yōu)化措施

連續(xù)測斜儀是開展定向井與水平井井眼軌跡鉆探的專業(yè)儀器，可發(fā)揮極為重要的作用。而隨著鉆井深度的加深，石油鉆探難度不斷加大，測量儀器所承受的環(huán)境壓力和外部影響力也不斷提升。在此情況之下，提高測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性，強(qiáng)化連續(xù)測斜儀的連續(xù)工作能力與測量精確性成為了工作重點(diǎn)。為此，本文對(duì)影響連續(xù)測斜儀測量精度的各項(xiàng)因素進(jìn)行了簡要分析，并且針對(duì)各因素提出了針對(duì)性優(yōu)化措施。

3.1 井斜下井儀器的校驗(yàn)臺(tái)精度

石油鉆、測井工作區(qū)域的施工條件十分復(fù)雜，當(dāng)儀器被頻繁應(yīng)用時(shí)容易出現(xiàn)性能變化。比如，使用壽命、下井使用頻次的增多，都會(huì)對(duì)儀器儀表以及電子電路的性能產(chǎn)生影響，性能老化或故障的出現(xiàn)幾率極高。為了保證儀器應(yīng)用質(zhì)效，相關(guān)工作人員需要基于規(guī)定時(shí)間完成儀器校驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集整理工作，并全面檢查儀器的性能。

3.1.1 影響因素分析

對(duì)于井斜下井儀器來說，基于已知的校驗(yàn)臺(tái)傾斜角和方位角，開展探管相應(yīng)量調(diào)校是最為常見的校驗(yàn)方式；而且，校驗(yàn)臺(tái)的精度將會(huì)對(duì)連續(xù)測斜儀的調(diào)校精度和測量精度產(chǎn)生直接影響。傳統(tǒng)的校驗(yàn)臺(tái)精度調(diào)校工作需借助于水平儀和羅盤來開展，這兩種儀器的數(shù)據(jù)都會(huì)以指針和刻度來顯示，在數(shù)據(jù)讀取過程中十分容易出現(xiàn)讀取差異，所以難以保證井斜校驗(yàn)臺(tái)的精度。為此，調(diào)校人員應(yīng)該選用其他方法與傳統(tǒng)校驗(yàn)臺(tái)精度調(diào)校法搭配使用。比如，基于傳統(tǒng)方法完成校驗(yàn)臺(tái)初步調(diào)校后，再使用工作正常的下井儀探管重力計(jì)和磁力計(jì)，對(duì)校驗(yàn)臺(tái)的精度進(jìn)行二次調(diào)校和驗(yàn)證。

（1）在實(shí)際操作環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員應(yīng)該保證地面儀與校驗(yàn)臺(tái)上處于正常工作狀態(tài)的探管正確連接，然后用儀器的重力傳感器輸出值調(diào)校校驗(yàn)臺(tái)。當(dāng)探管傾斜角為某一固定角度時(shí)，觀察AX或AY的值，將方位盤旋轉(zhuǎn)一圈后，觀察AX或AY在校驗(yàn)臺(tái)各支架位置的量化值，并基于這三個(gè)數(shù)據(jù)分別對(duì)校驗(yàn)臺(tái)各支架的高度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)校驗(yàn)臺(tái)三個(gè)支架方向上的AX或AY量化值相等時(shí)，意味著校驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)調(diào)整至水平位置，其水平精度已符合要求。

（2）確保校驗(yàn)臺(tái)水平后，相關(guān)工作人員還應(yīng)該對(duì)其方位進(jìn)行確定。此時(shí)，應(yīng)基于探管傾角處于直角（90°）的狀態(tài)，讀取方向盤為0°時(shí)的讀數(shù)（MZ1）和方向盤為180°的讀數(shù)（MZ2），并利用這兩個(gè)方位的MZ值進(jìn)行計(jì)算MY值。此時(shí)，應(yīng)基于公式MZ1+MZ2=2MY確定MY值；此時(shí)方位刻度上的0 所指方向，就是0°或180°方位的精確定位。

（3）經(jīng)過以上調(diào)校后，相關(guān)工作人員還應(yīng)該對(duì)井斜校驗(yàn)臺(tái)的鉛垂線進(jìn)行精確調(diào)校。此時(shí)，需要在探管傾角為直角（90°）狀態(tài)下讀取不同方位的AZ 值，其中方向盤為0°時(shí)讀數(shù)為AZ1，方向盤為180°時(shí)讀數(shù)為AZ2，準(zhǔn)確讀數(shù)后應(yīng)比較不同方位的AZ 值，若二者完全相等則表示探管的傾角刻度線完全重合于校驗(yàn)臺(tái)鉛垂線，這樣一來鉛錘線調(diào)校工作也將順利完成。

⑤對(duì)探孔時(shí)發(fā)現(xiàn)涌滲水量大的情況，壓力注漿結(jié)束達(dá)到初凝狀態(tài)后，可在涌滲水量大的孔位附近布設(shè)一個(gè)或多個(gè)效果檢測孔，確定防治水效果達(dá)到預(yù)期效果后，再進(jìn)行掘進(jìn)施工，否則，應(yīng)增加壓力注漿孔數(shù)量。

3.1.2 優(yōu)化方式

若要提高連續(xù)測斜儀的檢測精度，就應(yīng)該對(duì)校驗(yàn)臺(tái)調(diào)校精度這一關(guān)鍵性影響因素加以重視。在實(shí)踐中，選用科學(xué)的調(diào)校方法，調(diào)高校驗(yàn)臺(tái)校驗(yàn)或驗(yàn)證精度，將成為降低連續(xù)測斜儀測量誤差的有效方法。為此，相關(guān)工作人員不僅需要合理利用傳統(tǒng)方法高效完成校驗(yàn)臺(tái)的初次調(diào)校，更需要嚴(yán)謹(jǐn)而規(guī)范地開展后續(xù)調(diào)校。相關(guān)工作人員應(yīng)該根據(jù)上述流程，利用重力計(jì)與磁力計(jì)做好二次調(diào)校工作，更可以借助于工作正常的傳感器完成深入調(diào)校。當(dāng)然，在開展校驗(yàn)工作時(shí)，相關(guān)工作人員還需保證校驗(yàn)臺(tái)底座水平。

3.2 探管自轉(zhuǎn)誤差

3.2.1 影響因素分析

連續(xù)測斜儀在使用時(shí)，需以儀器調(diào)試說明為依據(jù)，利用高級(jí)精度校驗(yàn)臺(tái)調(diào)試，此時(shí)可發(fā)現(xiàn)當(dāng)探管的自轉(zhuǎn)角不同時(shí)，其輸出的工程值也不同。依據(jù)連續(xù)測斜儀的應(yīng)用原理，可假定基準(zhǔn)狀態(tài)下的連續(xù)測斜儀X 軸與地理坐標(biāo)北重合、Y 軸與地理坐標(biāo)東重合而Z 軸則與地理坐標(biāo)地心重合。但是在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，連續(xù)測斜儀基準(zhǔn)狀態(tài)下的傳感器敏感軸并不能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)正交。因此，重力計(jì)以及磁力計(jì)安裝時(shí)的敏感軸誤差，會(huì)導(dǎo)致探管自轉(zhuǎn)時(shí)，基于差異化自轉(zhuǎn)角輸出差異化工程值。

3.2.2 優(yōu)化措施

既然探管自轉(zhuǎn)的誤差會(huì)對(duì)連續(xù)測斜儀的測量精度造成影響，那么技術(shù)人員就應(yīng)該在工作中有效完成誤差修正工作，進(jìn)而為獲得高度精確的鉆、測井?dāng)?shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。修正探管自轉(zhuǎn)誤差時(shí)，不同的儀器所需要的修正系數(shù)也不盡相同，相關(guān)工作人員需要找到這些修正系數(shù)并且利用地面軟件對(duì)探管自轉(zhuǎn)輸出的工程值加以修正，讓測井?dāng)?shù)據(jù)的精度更高。在此環(huán)節(jié)，應(yīng)該用如下模式進(jìn)行修正：

在公式之中，i=x，y，z；p 的取值范圍為1-3 之間的整數(shù)；q的取值范圍是4-6 之間的整數(shù)。而且，Gi代表傳感器（3 個(gè)磁力計(jì)+3 個(gè)重力計(jì)）的工程值，Gi0 代表傳感器的測量值；Kp和Kq分別表示重力計(jì)與磁力計(jì)的增益系數(shù)；Bp和Bq則分別表示重力計(jì)與磁力計(jì)的修正偏值。應(yīng)用公式時(shí)，還需要根據(jù)B 值計(jì)算公式對(duì)其數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，從而為有效調(diào)整傳感器對(duì)稱性奠定基礎(chǔ)。此時(shí)，

其中，傾斜角10°探管自轉(zhuǎn)間隔90°時(shí)的測量值以GXi、GYi、MXi和MYi（i=1,2，3,4）表示；傾斜角和自轉(zhuǎn)間隔都為90°的測量值以GZi和MZi（i=1,2，3,4）表示。在此環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確計(jì)算B 值的根本目的，是確定傳感器的修正偏值，進(jìn)而合理調(diào)整傳感器使其具備對(duì)稱性。調(diào)校人員還應(yīng)該對(duì)K 值進(jìn)行合理計(jì)算，此時(shí)利用重力傳感器輸出值、磁力傳感器輸出值和傳感器設(shè)計(jì)標(biāo)量最大值來確定K 值。比如，相關(guān)工作人員可基于“傳感器設(shè)計(jì)標(biāo)量最大值/重力傳感器垂直水平面的輸出值”計(jì)算K1、K2、K3；基于“傳感器設(shè)計(jì)標(biāo)量最大值/磁力傳感器水平指向正北方向的輸出值”計(jì)算K4、K5、K6。借助于計(jì)算K 值，可以確定連續(xù)測斜儀的增益系數(shù)，然后通過修正其輸出值將傳感器輸出量調(diào)至最大。

3.3 井眼環(huán)境

3.3.1 影響因素分析

井眼環(huán)境是連續(xù)測斜儀測量精度的重要影響因素，井眼將會(huì)影響傾角和方位。在實(shí)踐中，連續(xù)測斜儀工作于裸井眼當(dāng)中，當(dāng)其軸心與井身的軸心重合時(shí)，可精確地反映出井身軌跡，從而讓測量人員準(zhǔn)確地了解探管的傾斜角和方位角。但由于施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，井眼的直徑大多比連續(xù)測斜儀抗壓管大，致使井身與儀器的軸心無法完全重合，導(dǎo)致測量誤差擴(kuò)大。比如，某型號(hào)的連續(xù)測斜儀抗壓管外徑為9cm，在2.3m 的儀器短節(jié)上下位置各加一個(gè)扶正器（外徑為12.2cm）后，井眼對(duì)其產(chǎn)生的影響仍然非常大。所以，要提高連續(xù)測斜儀測量精度就必須降低井眼環(huán)境的干擾。

3.3.2 優(yōu)化策略

通常來說，要規(guī)避井眼對(duì)連續(xù)測斜儀測量精度的影響，可以使用扶正器。扶正器是一種用于油氣鉆探的導(dǎo)正器，有彈簧式、燈籠狀兩種，具有高強(qiáng)度和高剛度，能保障套管柱位于井筒中心，能為提高井下測量的方位準(zhǔn)確性提供輔助。為此，相關(guān)工作人員可基于實(shí)際情況，有針對(duì)性地加裝扶正器，或加長儀器。

3.4 鐵磁物質(zhì)

3.4.1 影響因素

在連續(xù)測斜儀使用過程中，因鐵磁物而導(dǎo)致的測量誤差也不容忽視。基于連續(xù)測斜儀的磁力計(jì)響應(yīng)敏感狀態(tài)，該儀器的三個(gè)正交地磁場矢量的三個(gè)分量，會(huì)受到鐵磁物質(zhì)的影響。實(shí)際上，受到鐵磁物質(zhì)影響的是地磁場矢量，但由于連續(xù)測斜儀在使用環(huán)節(jié)需要利用地磁場矢量，所以其測量準(zhǔn)確性也會(huì)受到影響；而且，鐵磁物質(zhì)對(duì)測量方位產(chǎn)生的影響與它和探頭的距離有關(guān)。在實(shí)踐中，部分油田使用的連續(xù)測斜儀擁有材質(zhì)為普通鋼的接頭，當(dāng)其被磁化后就會(huì)干擾儀器測量，從而導(dǎo)致測量誤差。

3.4.2 優(yōu)化策略

為避免因鐵磁物質(zhì)而引發(fā)連續(xù)測斜儀使用誤差，相關(guān)工作人員應(yīng)該著力消除該物質(zhì)對(duì)方位的影響。此時(shí)，可從儀器校驗(yàn)和儀器材質(zhì)選用方面著手。使用連續(xù)測斜儀前，需要對(duì)校驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)校，在此過程中應(yīng)避免鐵磁物質(zhì)干擾。比如，嚴(yán)禁校驗(yàn)臺(tái)周邊出現(xiàn)鐵器，校驗(yàn)臺(tái)半徑10m 以內(nèi)均不允許出現(xiàn)；嚴(yán)禁校驗(yàn)臺(tái)周邊存在強(qiáng)磁場，若距離校驗(yàn)臺(tái)半徑20m 以內(nèi)出現(xiàn)了強(qiáng)磁場則需要重新選址調(diào)校。另外，相關(guān)工作人員還需要重視下井儀的接頭材質(zhì)和加長儀器材質(zhì)選用問題。比如，選用無磁材料或加裝防磁隔離短節(jié)（≥1.5m），以免連續(xù)測斜儀測量結(jié)果受到鐵磁物質(zhì)的干擾。

3.5 其他因素

除了上述影響因素，連續(xù)測斜儀的測量精度還會(huì)受校驗(yàn)方式、測井速度等因素的干擾。在實(shí)踐中，下井儀往往會(huì)因校驗(yàn)臺(tái)夾具長度和高度的限制而無法實(shí)現(xiàn)整體校驗(yàn)，所以會(huì)出現(xiàn)校驗(yàn)缺陷。為避免這一問題，應(yīng)保證探管軸線、抗壓管軸心一致，下井儀的整體校驗(yàn)有效。此外，還需在實(shí)踐中保持測井提速均勻。若測速過快，就容易增加地面濾波干擾，從而導(dǎo)致誤差，在勻速測井條件下因地面濾波而引發(fā)的深度誤差將會(huì)大幅降低。

4 結(jié)論

綜上所述，連續(xù)測斜儀的性能比單點(diǎn)測斜儀更為優(yōu)越，能更加切實(shí)地滿足石油鉆、測井工作的測量需求。但在使用連續(xù)測斜儀的過程中井斜校驗(yàn)臺(tái)的精度、探管自轉(zhuǎn)誤差、井眼環(huán)境、鐵磁物質(zhì)和其他干擾因素的存在，都會(huì)對(duì)連續(xù)測斜儀測量精度造成影響，所以測量人員需要根據(jù)影響因素制定針對(duì)性解決方案。