0 引言
定向钻井过程中，井眼轨迹的精确控制可降低钻井风险，实现安全钻井。目前，磁性MWD和陀螺测斜仪是最常用的测斜工具。在大斜度套管开窗井中导斜器定向、海洋平台丛式井或加密井防碰绕障和救援井施工中由于磁干扰造成磁性MWD无法使用，必须使用不受磁干扰的陀螺测斜仪才能有效解决测斜问题。而在向东或向西的大斜度井眼中钻进时，应用磁性MWD和某些类型的陀螺测斜仪会出现较大的方位测量误差。陀螺测斜仪按信号的传输方式可分为有线陀螺测斜仪和无线随钻陀螺测斜仪(GWD)。有线陀螺测斜仪在全世界范围内得到了广泛应用，国内对GWD的研究正处于测试阶段，国外主要以美国陀螺数据公司为主，其在对航空航天工业的转子陀螺进行优化设计的基础上，研发了20°GWD、40°GWD和70°GWD，这3种GWD的最大作业井斜分别为20°、40°和70°，不适合于大斜度井甚至水平井眼，尤其是在向东或向西的大斜度井甚至水平井眼中，方位误差很大。
全姿态随钻陀螺测斜技术克服了传统MWD/GWD技术的局限性，可有效减少井眼轨迹控制的不确定性，降低钻井施工风险，非常适合大斜度套管开窗井导斜器定向、丛式井或加密井防碰绕障、救援井及提高向东或向西大斜度井的测量精度。因此，开展全姿态随钻陀螺测斜技术研究具有重要的现实意义。
1 传统MWD/GWD技术众所周知，在大斜度套管开窗井中导斜器定向、海洋平台丛式井或加密井防碰绕障和救援井施工中，由于磁干扰造成磁性MWD无法使用，必须使用不受磁干扰的陀螺测斜仪才能有效解决测斜问题。而在向东或向西的大斜度井眼中钻进时，应用磁性MWD和某些类型的陀螺测斜仪会出现较大的方位测量误差。计算方位角时，磁性MWD以地球磁场为基准，但地球磁场不太稳定，相比之下，磁性MWD传感器误差微乎其微。因此，磁性MWD定位不确定性在很大程度上源于地球磁场自然波动和附近磁性材料干扰，磁力计测量缺陷不会造成较大误差。钻柱磁干扰易导致方位误差，而且井眼方向越接近于向东或向西水平方向，方位误差越大。另外，标准的测斜数据质量控制系统可靠性差，通常检测不到沿着井眼或轴向钻柱方向的磁干扰，在这种情形下，当计算的方位角基本上位于误差之内时，数据可以接受[1]。
陀螺测斜仪可感应地球自转角速度，不受磁干扰，在强磁环境和油套管或钻杆中准确测量井斜和方位，磁重力高边得到迅速的推广与应用。陀螺测斜仪自动寻北，无需校北，测量数据为井眼轨迹的真实数据，无需校正就可直接使用。陀螺测斜仪按信号的传输方式可分为有线陀螺测斜仪和GWD。目前我国使用的主要是有线陀螺测斜仪，GWD在国外海洋钻井中已经得到应用，并且因为其精度高、安全性好、节约钻时和成本等优点而备受青睐[2-3]。
近30年来，高精度有线陀螺测斜仪的发展一直离不开转子陀螺技术的进步。虽然也可使用激光陀螺、光纤陀螺或微机电系统陀螺，但这些仪器在恶劣的井下环境下不能精确地测量地球自转角速度。陀螺测斜仪的测量精度与陀螺的性能密切相关。陀螺零偏是诸多物理陀螺误差源的综合效应，它随时间和温度的变化而变化。甚至在作业数分钟之后，零偏变化通常还会掩盖地球自转角速度信号，因此，必须对陀螺零偏进行实时确定和补偿。航空航天行业设计的转子陀螺采用先进的温度校准、实时零偏修正和重力驱动误差源监测与修正等针对性误差补偿方案，显著提高了测量精度，适合于井下寻北方位角测量。
与有线陀螺测斜仪相比，GWD可显著节约测斜时间，确保人员安全，优化定向操作，降低卡钻风险。在大约15年前，美国陀螺数据公司率先进行了GWD研发，提出了基于一个xy陀螺的首个GWD设计准则。然而测斜经验及理论研究证实，对于只包含1个xy陀螺的测斜仪，在大斜度井眼中，即使是很小的残余零偏误差和一些重力驱动的陀螺误差都会导致较大的定位误差，也就是说残余零偏误差和质量不平衡引起的偏移都与井斜角的大小密切相关。
为了克服顶部井眼(近似垂直，井斜最大为20°)由于邻井套管产生的磁干扰问题，替代有线陀螺测斜仪，美国陀螺数据公司研发了第1个GWD，适合在纬度不超过60°的地区使用，最大作业井斜为20°，方位误差小于1°。20°GWD于2002年开始商业化应用，随后，为了满足市场需求，通过引入先进的实时质量不平衡学习算法及明确的作业程序，研发了40°GWD。20°GWD、40°GWD和70°GWD方位误差见图1。从图可以看出，井斜角为0°时，40°GWD和20°GWD的方位精度几乎没有差别，但随着井斜角的增大，相对方位精度逐步增加。
|
| 图 1 20°GWD、40°GWD和70°GWD方位误差 Fig.1 Azimuth error of 20°，40°and 70°GWD |
20°GWD和40°GWD中用的是专为航空航天工业开发的转子陀螺，为适应井下钻井环境，对该陀螺进行了优化。2011年，为了克服航空航天陀螺传感器的局限性，适应更大井斜井眼中的应用，专门设计研发了新型陀螺，替换了20°GWD和40°GWD中的老式陀螺，并经过一些作业程序优化，研发了70°GWD。从图1可以看出，在直井段和更大井斜的井段中，与20°GWD和40°GWD相比，70°GWD的方位精度得到了明显提高，但最大作业井斜角为70°，仍不适合于大斜度井甚至水平井眼，尤其是在向东或向西的大斜度井甚至水平井眼中，方位误差更大[4-10]。
2 全姿态GWD为提高钻头全姿态角下的轨迹测量精度，美国陀螺数据公司对全姿态随钻陀螺测斜技术进行了研究，研发了全姿态GWD，可实现全井斜范围的轨迹测量。
2.1 仪器描述全姿态GWD的主要结构特征是在70°GWD的基础上，引入了为适应井下苛刻环境而专门研发的新型陀螺(见图2)，即全姿态GWD包含3个单轴线性加速度计和2个双轴速率陀螺(见图3)，可提供陀螺方位、井斜、高边工具面和陀螺工具面，结合井深数据，可计算井眼轨迹控制数据。3个线性加速度计灵敏轴相互垂直，分别与工具的x、y、z轴方向一致，可提供沿各自输入轴的重力分量测量，测量值用来计算井斜和高边工具面角。角速度传感器为双轴动力调谐陀螺，自旋轴相互垂直，xy陀螺可提供关于x轴和y轴的角速度测量，自旋轴与井眼z轴重合，而z陀螺可提供关于z轴的角速度测量，自旋轴位于xy平面内，其他冗余输入轴与xy平面平行。关于x轴、y轴和z轴的角速度测量可用来计算真方位角，而冗余测量用于质量控制[9]。
|
| 图 2 新型陀螺 Fig.2 New Gyro |
|
| 图 3 传感器在工具中的布置示意图 Fig.3 Layout of sensor in the tool |
2.2 性能及技术参数
全姿态GWD在制造过程中的标定及定期再校准之后，与陀螺和加速度计相关的大多数误差项对方位误差的影响变得微不足道，但仍存在某些质量不平衡效应，即质量不平衡为主要误差项，理论研究结果见图4和图5。
|
| 图 4 陀螺质量不平衡引起的方位误差与井斜和方位的关系 Fig.4 Azimuth error caused by gyroscope mass-unbalance as a function of inclination and azimuth |
|
| 图 5 不同井斜角时，单xy陀螺测斜仪和xyz陀螺测斜仪方位误差与纬度和方位的关系对比 Fig.5 The xy and xyz gyroscope azimuth error as a function of latitude and azimuth under different inclination |
图4为陀螺质量不平衡引起的方位误差与井斜和方位的关系。由图4可以看出，对于单xy陀螺测斜仪，方位误差随井斜的增加不断增大，而对于xyz陀螺测斜仪，由于质量不平衡效应，开始时方位误差随井斜的增加而增大，井斜角为45°时方位误差达到最大值，随后又逐渐减小。
图5显示了井斜角分别为15°、45°和75°时方位误差与纬度和方位的函数关系。由图可以看出，xyz陀螺测斜仪预期使用的纬度范围为0°～70°。井斜较小时，单xy陀螺测斜仪和xyz陀螺测斜仪的性能极为相近，但随着井斜的增大，单xy陀螺测斜仪的性能逐渐降低，而xyz陀螺测斜仪的性能逐渐降低后又呈增大趋势[9]。
全姿态GWD技术参数：测量精度为井斜角0.1°、方位角1.0°、工具面角1.0°，外径47.6 mm，探管长5.48 m，耐温150 ℃，耐压138 MPa，质量79.38 kg[11]。
2.3 测量要点 2.3.1 仪器操作入井时全姿态GWD位于BHA的钻铤内，顶部和底部之间为电气连接，因此可位于BHA的任何位置，可以利用钻井液脉冲、电磁波或智能钻杆传输测量数据。
存在邻井磁干扰或地层磁干扰时，无法使用常规磁性MWD测量，采用全姿态GWD更合适，测量更快、更安全，测量数据更精确。
在磁性MWD不受磁干扰的区域内，全姿态GWD与磁性MWD组合使用可降低测量误差，为精确控制井眼轨迹和安全钻井提供保障。可使用马达或旋转导向系统，也可连接LWD。
全姿态GWD提供了附加设备，在钻至总深度后起至地面的过程中可进行多点测量。在该模式下，仪器通过电池供电，内置存储器，起钻过程中可存储全部测量数据。3轴陀螺测量仪是在地面拆卸钻柱仪器静止的情况下进行测量的，仪器起至地面后可下载所有多点测量数据。
2.3.2 质量控制井眼轨迹测量的一个重要方面是检查并确认测量数据是否存在总误差，及测量精度是否位于仪器性能/误差模型定义的公差范围内。全姿态GWD测量程序应充分考虑质量控制过程，其中最重要的是地理参考检查。仅仅基于来自每一个单个传感器包的数据进行地理参考检查，可避免许多不同的潜在总误差，提高测量可靠性。地理参考检查包括重力测试、总地球自转角速度测试和纬度测试。
2.3.3 误差监测和校正装运和操作过程中，全姿态GWD如果受到冲击会导致陀螺误差，必须对这些误差进行检测和校正，这可以进一步利用传感器测量值导出的和用于质量控制的地球自转角速度和纬度估值。
应用专门开发的统计过滤方法，通过监测地球自转角速度和纬度真值与估值之间的差，及2个陀螺仪中误差如何传播可估算出这些误差的大小。
2.3.4 验证测量检查地理参考检查不能检测诸如BHA下垂、直线度误差和磁性测量中的磁偏角误差等一些关键源中的总误差。因此，必须进行额外独立的验证测量，并进行数据对比，对地理参考检查进行补充，以确保最优的测量可靠性。
磁性MWD与全姿态GWD组合使用可产生2组相互独立的定向测量数据，在每个测量点可对2组数据进行对比，相互验证。
钻至总深度后，起钻过程中在电池模式下进行多点测量。利用多点测量数据可对定向测量数据进行进一步校验，并为下套管前确定井眼轨迹提供帮助。也可在完钻后下入电缆输送连续陀螺仪进行连续测量校验[1, 9-13]。
3 全姿态GWD的应用全姿态随钻陀螺测斜技术克服了传统MWD/GWD技术的局限性，可有效减少井眼轨迹控制的不确定性，降低钻井施工风险，非常适合于大斜度套管开窗井导斜器定向、丛式井或加密井防碰绕障、救援井及提高向东或向西的大斜度井测量精度。自2013年以来，该技术已在美国得到了成功应用。现以美国得克萨斯州Lake Worth某油田的3口水平井为例，介绍其应用效果[1]。
3口水平井均设计为向东方向，水平段长约3 048.0 m，相邻新井或新井与先前已钻井水平段之间间隔为152.4 m。为精确控制井眼轨迹，达到防碰目的，实现安全钻井，施工中使用了全姿态GWD和磁性MWD组合钻进水平段。全姿态GWD位于与马达直接相连的无磁钻铤内，允许定向传感器尽可能靠近钻头。
1#井(6H)为应用全姿态GWD钻进的第1口井，施工中首先使用磁性MWD钻进直井段和斜井段至井深2 065.6 m，井斜角81.3°，方位角95.4°，随后下入全姿态GWD和磁性MWD组合，为确保一定的无磁间隔距离，BHA包含了3根无磁钻铤。钻进剩余斜井段及水平段至井深4 785.4 m的过程中，虽然全姿态GWD和磁性MWD测量都通过了质量控制检查，但检测发现全姿态GWD和磁性MWD之间方位差异较大，平均偏差达4.15°(见图6)。为了验证全姿态GWD数据，起钻并提前下入连续陀螺测斜仪至井深2 733.1 m，数据与全姿态GWD数据吻合，证实磁性MWD数据受到了总误差的影响，为无效数据。
|
| 图 6 1#井方位图——第1趟钻 Fig.6 Azimuth of Well 1#，the first spud |
继续钻进至井深4 888.4 m，由于机械钻速降低，起钻更换了马达和磁性MWD，并延长无磁间隔9.2 m(1根无磁钻铤)。对起出的磁性MWD进行了测试，没有发现任何问题，因此认为与全姿态GWD相比较大的方位偏差是无磁间隔过短，钻柱磁干扰造成的。钻进至总深度4 918.9 m后的方位角、井斜角分别见图7和图8。
|
| 图 7 1#井方位图 Fig.7 Azimuth of Well 1# |
|
| 图 8 1#井井斜图 Fig.8 Inclination of Well 1# |
2#井(1H)使用磁性MWD钻进至斜井段顶部，井深为1 828.8 m，然后下入连续陀螺测斜仪测斜，为磁性MWD钻进斜井段提供数据链接。磁性MWD钻进斜井段至2 084.8 m，井斜角81.1°，方位角95.2°，随后下入全姿态GWD和磁性MWD组合。根据1#井的经验，为减少钻柱磁干扰，BHA包含了4根无磁钻铤。钻进至总深度4 313.2 m的过程中，全姿态GWD和磁性MWD测量都通过了质量控制检查。最后下入连续陀螺测斜仪测斜，与全姿态GWD对比表明，方位平均偏差为0.42°。无磁间隔的延长提高了磁性MWD测量精度，与连续陀螺测斜仪相比，方位平均偏差为0.43°，与全姿态GWD相比，方位平均偏差为0.83°。方位图和井斜图分别见图9和图10。
|
| 图 9 2#井方位图 Fig.9 Azimuth of Well 2# |
|
| 图 10 2#井井斜图 Fig.10 Inclination of Well 2# |
3#井(4H)使用磁性MWD钻完斜井段，井深为2 051.9 m，井斜角85.2°，方位角91.2°，随后下入连续陀螺测斜仪测斜，为全姿态GWD和磁性MWD组合钻进水平段提供数据链接。为减少钻柱磁干扰，BHA与1H井相同，也包含了4根无磁钻铤。在水平段钻进的初始阶段，全姿态GWD和磁性MWD之间方位差异较大，在井深2 115.9 m处，方位差值达3.51°。全姿态GWD测量通过了质量控制检查，而磁性MWD磁倾角有0.5°的误差，仍处于可接受的范围之内。由于1#井和2#井全姿态GWD数据与连续陀螺测斜仪数据吻合，所以认为全姿态GWD数据可信度高。在钻至总深度5 069.1 m的过程中，将全姿态GWD数据作为主要测量数据，没有再下入连续陀螺测斜仪测斜。方位图和井斜图分别见图11和图12。
|
| 图 11 3#井方位图 Fig.11 Azimuth of Well 3# |
|
| 图 12 3#井井斜图 Fig.12 Inclination of Well 3# |
4 结论及建议
(1) 全姿态GWD的2个双轴速率陀螺结构克服了传统GWD单xy陀螺结构的局限性，可有效减少井眼轨迹控制的不确定性，非常适合大斜度套管开窗井导斜器定向、丛式井或加密井防碰绕障、救援井及提高向东或向西的大斜度井测量精度。
(2) 建议加大随钻陀螺测斜技术的研发力度，以提升我国的定向钻井技术水平，为复杂井定向施工提供先进的技术支持。
| [1] | BEATTIE K,SHOUP R,WESTON J.All-attitude gyro while drilling technology provides accurate surveys in high angle east/west directional wellbores delivering reduced costs and increasing the length of the producing zone[R].SPE 173081,2015. |
| [2] | 廖晨宇. 陀螺测斜仪的研究与应用进展[J]. 辽宁化工, 2013, 42 (9) : 1150–1152 . |
| [3] | 吕伟, 孙成志, 刘宝生, 等. 光纤随钻陀螺仪在丛式井网防碰中的应用[J]. 钻采工艺, 2014, 37 (4) : 23–25 . |
| [4] | EKSETH R,TORKILDSEN T,BROOK A G,et al. High-integrity wellbore surveying[R].SPE 133417, 2010. |
| [5] | EKSETH R,TORKILDSEN T,BROOK A G,et al. High integrity wellbore surveys:Methods for eliminating gross errors[R].SPE 105558,2007. |
| [6] | EKSETH R,TORKILDSEN T,BROOK A G,et al. The reliability problem related to directional survey data[R].SPE 103734,2006. |
| [7] | EKSETH R,WESTON J L,LEDROZ A G,et al. Improving the quality of ellipse of uncertainty calculati- ons in gyro surveys to reduce the risk of hazardous events like blowouts or missing potential production through incorrect wellbore placement[R].SPE 140192,2011. |
| [8] | TORKILDSEN T,HAVARDSTEIN S T,WESTON J L, et al.Prediction of wellbore position accuracy when surveyed with gyroscopic tools[R].SPE 90408,2008. |
| [9] | WESTON J L,LEDROZ A G,EKSETH R.New gyro while drilling technology delivers accurate azimuth and real-time quality control for all well trajectories[R].SPE 168052,2014. |
| [10] | DUCK C H,BEATTIE K,LOWDON R.Combining MWD ranging technology and gyro while drilling (GWD) in high inclination wellbores deliver reduced drilling costs and complexity without compromising safety[R].SPE 168051,2014. |
| [11] | GYRODATA.Gyro-guide GWD[EB/OL].[2015-11-18].http://www.gyrodata.com/services/drilling-services/gyro-guide-gwd/. |
| [12] | 郑伟. HKTL-38型动调式陀螺常见故障解析及处理方法[J]. 钻采工艺, 2015, 38 (3) : 121–122 . |
| [13] | 吕伟, 孙成志, 刘宝生, 等. 光纤随钻陀螺仪在丛式井网防碰中的应用[J]. 钻采工艺, 2014, 37 (4) : 23–25 . |