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第六章定向井、水平井测量技术

第一节定向井、水平井测量技术概述

一、定向井、水平井测量的性质和特点

（一）钻井过程中测量的方法、媒介和基准

从物理意义上讲，测量井下钻具的工具面角为井下钻具定向，或测量井眼的轨迹均属于空间

姿态的测量。由于石油钻井工程的特殊性使得这一测量过程必须借助专门的工具和仪器，采取间

接测量的方法来完成。

目前，石油钻井过程中的测量需要借助三种媒介，即大地的重力场、大地磁场和天体坐标系，

由此产生了与这三种测量媒介有关的测量仪器。（媒介－测量基准－测量元件－测量参数）

（1）借助于重力场测量井斜角或高边工具面，采用的测量元件为测角器、罗盘重锤或重力

加速度计等。这类仪器的测量基准是测点与地心的连线，即铅垂线。

（2）借助于地磁场测量方位角或磁性工具面，采用的测量元件为罗盘或磁通门等。这类仪

器的测量基准是磁性北极，所以磁性仪器测量的方位角数据必须根据当地的磁偏角修正成真北

极，即地理北极的数据。

（3）借助于天体坐标系测量方位角或磁性工具面，采用的测量元件为陀螺仪。陀螺仪为惯

性测量仪器，不以地球上任何一点为基准。这类仪器下井测量之前必须对陀螺仪的自转轴进行地

理北极的方位标定。

（二）钻井过程中测量的特点

（1）钻井过程中的测量是间接测量，必须借助专用工具和仪器完成。而且根据测量仪器的

数据记录和传输方式的不同，钻井测量分为实时测量和事后测量。

（2）测量仪器的尺寸受到井眼和钻井工具的限制，特别是下井仪器的径向尺寸必须能够下

入套管和钻具内，而且不会因仪器的下入而影响泥浆的流动或产生过大的泥浆压降。

（3）下井仪器受到地层和泥浆的高压，仪器的保护筒和密封件必须能够承受这种高压，而

且还应具备一定的安全系数。

（4）由于地层的温度随着井深变化，下井仪器是在高于地面温度的环境里工作，要求下井

仪器具有良好的抗高温性能，一般称耐温125℃以下的仪器为常温或常规仪器，称耐温182℃以

下的仪器为高温仪器。

（5）某些仪器在使用过程中要承受冲击（如单多点测斜仪的投测）、钻具转动（如转盘钻

具中的MWD仪器）、钻头和钻具在钻进过程中的振动（如MWD和有线随钻测斜仪）等。

（三）测量仪器技术发展情况

定向井、水平井测量技术随着石油钻井技术的发展而逐步地提高，测量仪器技术与新材料、

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新工艺以及微电子等高科技密切相关。随着科学技术的发展，定向井、水平井测量仪器也向着小

型化、多功能、智能化方向发展，以满足钻井技术对提高生产时效、提高测量精度的要求。

国外定向井、水平井测量仪器的发展趋势大致有如下4个方面:

1、提高仪器的可靠性能

钻井工具在井下的工作环境极其恶劣。即承受着高温、高压、振动、冲击等因素的影响，同

样测量仪器也经受这种工作条件的挑战和考验。提高仪器在这种环境下的工作寿命，提高可靠性，

不仅是提高仪器的使用效率，更重要的是尽可能减少仪器占用的钻机作业时间。国外通常将仪器

的无故障工作时间，即MTBF作为仪器可靠性的考核标准，许多公司将下井仪器的无故障工作时

间定为200个小时。随着工艺技术的发展，测量仪器的可靠性标准在逐渐提高，例如SERRY-SUN

公司的DMD随钻测斜仪的无故障工作时间已达到600个小时，加拿大POSITEC公司的POSIPROBE

无线随钻测斜仪的无故障工作时间已达到800个小时，英国GEOLINK公司推出了免维护的

ORIENTEER无线随钻测斜仪系统。

2、测量仪器的小型化和低能耗

从科学意义上讲，仪器设备的小型化有助于降低成本、降低能耗、提高可靠性。随着新材料、

新工艺和微电子技术的应用，测量仪器逐渐向小型化、集成化方向发展。例如：电磁类仪器的

测量传感器采用整体结构的传感器组，使其装配精度和测量精度提高了一个等级。采用二次集成

电路使原来采用分立元器件的下井探管不仅使体积缩小，而且仪器整体的可靠性大大提高。耐高

温的微机芯片和大容量的记忆模块应用在下井探管中，替代了照相式的机械结构和胶片，无论是

测量数据的容量、精度、数据处理的速度以及仪器的可靠性、耗电量都是照相式的机械结构无法

比拟的。

降低测量仪器的能耗，采用新型的电子元器件和电路设计，研制新型电源也是仪器专家们研