救援井電磁探測系統(tǒng)井下電極裝置的設(shè)計(jì)研究*

□ 張 勇 □ 韓昊辰 □ 黃 哲 □ 孫 琦

1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 北京 102249

2.中國石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院 北京 102206

3.北京石油機(jī)械廠 北京 100083

救援井電磁探測系統(tǒng)井下電極裝置的設(shè)計(jì)研究*

□ 張 勇1，3□ 韓昊辰2，3□ 黃 哲1，2□ 孫 琦2，3

1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 北京 102249

2.中國石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院 北京 102206

3.北京石油機(jī)械廠 北京 100083

救援井是解決井噴、漏油等事故的有效方法，而借助必要的電磁探測系統(tǒng)和定位工具進(jìn)行救援井與事故井相對(duì)距離和方位的精確探測，是救援井技術(shù)成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種用于救援井電磁探測系統(tǒng)井下電極裝置。對(duì)電極裝置結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了闡述，并通過建立井下電極的發(fā)射電流產(chǎn)生交變磁場的分布模型，分析救援井與事故井相對(duì)距離和方位的確定方法以及磁場強(qiáng)度的影響參數(shù)。該井下電極裝置能夠有效、穩(wěn)定地將發(fā)射電流注入地層，其彈性扶正機(jī)構(gòu)的彈性變徑以適應(yīng)井下復(fù)雜情況，避免電極裝置在井下出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，提高救援井電磁探測系統(tǒng)在井下作業(yè)的穩(wěn)定性。

電磁探測 電極裝置 距離和方位 交變磁場 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

救援井技術(shù)仍是解決漏油或井下事故等問題的可靠方法，在國內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注。其基本原理是在事故井附近的安全區(qū)域打一口定向井，使其井眼軌跡與事故井的軌跡在地層的某個(gè)層位匯合，將高密度的鉆井液或水泥通過救援井注入事故井，以達(dá)到油（氣）井滅火或控制井噴，避免造成嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難和損失。但隨著井眼條件越來越復(fù)雜、井斜角的增大、水平段長度的增長以及井眼軌跡的不確定性等，救援井與事故井井間相對(duì)距離和方位的精確探測是救援井技術(shù)成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

為了精確探測救援井與事故井的相對(duì)位置，采用特殊的救援井電磁探測定位技術(shù)，測試計(jì)算兩口井的相對(duì)距離和方位來指導(dǎo)作業(yè)，保證救援井與事故井的連通。目前國外研制的Wellspot工具已基本滿足救援井與事故井精確連通的工程需求，并在國外的救援井與事故井的連通中得以應(yīng)用［1-3］。但由于Wellspot導(dǎo)向工具的核心技術(shù)仍被保密和壟斷，而我國在這方面深入的研究較少，國內(nèi)自主研發(fā)能夠克服或適應(yīng)井眼復(fù)雜條件的救援井電磁探測系統(tǒng)及配套工具，是推動(dòng)我國救援井探測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)。為此，在分析和研究Wellspot導(dǎo)向工具以及救援井探測技術(shù)工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種救援井電磁探測系統(tǒng)井下電極裝置，使電磁探測系統(tǒng)在井下作業(yè)過程中能夠適應(yīng)井下復(fù)雜情況，避免電極裝置在井下出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，從而提高作業(yè)的穩(wěn)定性。

1 救援井電磁探測系統(tǒng)工作原理

救援井與事故井連通探測系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，主要由信號(hào)發(fā)射源電極和信號(hào)接收探管組成。其基本原理是：地面交流電源為井下電極提供高幅、低頻交流電，通過井下電極將電流注入地層，并以球形對(duì)稱的形式往地層中發(fā)散；根據(jù)安培定律，事故井中套管及周圍產(chǎn)生相應(yīng)電流并在周圍產(chǎn)生交變磁場，使救援井中的探管可以檢測到事故井周圍的低頻交變磁場，以及地磁場和重力場，然后發(fā)送至地面分析軟件。地面分析軟件利用接收到的井下數(shù)據(jù)，確定救援井與事故井的相對(duì)距離和方位及探管自身的方位，利用地面顯示系統(tǒng)反饋給鉆井工程師，指導(dǎo)救援井的進(jìn)一步施工。

▲圖1 救援井與事故井連通探測系統(tǒng)的工作原理

▲圖2 井下電極裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 井下電極裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，救援井電磁探測系統(tǒng)井下電極裝置由上馬龍頭、電極傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)、電極支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、彈性扶正機(jī)構(gòu)、下馬龍頭、地面供電設(shè)備組成。上馬龍頭、下馬龍頭分別連接在裝置上、下兩端，與地面連通的鎧裝電纜通過上馬龍頭的中心圓形通孔為井下電極裝置供電；電極支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制和調(diào)節(jié)電極傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)的開合，彈性扶正機(jī)構(gòu)起扶正作用，保證電極裝置在井內(nèi)居中，通過彈性作用以適應(yīng)井下管徑的變化。

地面供電設(shè)備包括由220 V交流電源為井下電極裝置提供低頻交流電流，并分別與隔離變壓器輸入端和低壓變壓器輸入端相連；隔離變壓器用于防止220 V交流電源在井下電極供電時(shí)發(fā)生短路，隔離變壓器輸出端與高壓整流濾波電路相連，進(jìn)而將電流轉(zhuǎn)變成300 V直流電，再連接DC/AC變換電路，電流變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)、頻率為2 Hz的交流電源后，與電極導(dǎo)輪連通；而220 V交流電經(jīng)低壓變壓器及低壓整流濾波電路的變換之后，連接支撐電機(jī)，進(jìn)而控制支撐電機(jī)工作。

2.1 電極傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電極傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)由四組夾角為90°均布的電極傳導(dǎo)單元構(gòu)成，每組單元包括電極臂和電極導(dǎo)輪；電極導(dǎo)輪安裝在電極臂末端，并絕緣隔開，通過電極臂內(nèi)部的走線孔，電纜與電極導(dǎo)輪連接，將電流導(dǎo)入井壁和地層。

2.2 電極支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電極支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過控制支撐電機(jī)工作帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母軸向滑移，推動(dòng)頂桿、調(diào)節(jié)彈簧、滑動(dòng)推桿軸向移動(dòng)，將支撐臂撐開；支撐臂的兩端分別通過連接銷釘與電極臂和限位滑塊連接，通過支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制支撐臂和電極臂的開合，以及調(diào)節(jié)彈簧的緩沖作用，提高井下電極裝置的井眼適應(yīng)能力。

2.3 彈性扶正機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

彈性扶正機(jī)構(gòu)的上連接接頭與支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連接，內(nèi)孔螺紋與連接中軸連接，同時(shí)壓緊壓縮彈簧和滑動(dòng)軸承；連接中軸兩端連接上連接接頭和下支撐連接接頭，起連接支撐作用；滑環(huán)限位筒起保護(hù)壓縮彈簧和限定滑環(huán)軸向滑動(dòng)的作用；壓縮彈簧采用矩形彈簧，兩端分別與上連接接頭、滑環(huán)連接；上支撐滑套的內(nèi)孔與滑動(dòng)軸承配合，下端夾角為90°的4個(gè)方向分別通過活動(dòng)銷與上支撐臂連接，上支撐滑套可以在壓縮彈簧作用下沿軸向滑動(dòng)，調(diào)節(jié)上支撐臂的開合；上支撐臂兩端通過活動(dòng)銷分別與上支撐滑套、下支撐臂連接，下支撐臂兩端同樣通過活動(dòng)銷分別與上支撐臂、下支撐連接接頭連接；滾輪安裝在上支撐臂與下支撐臂的末端，并且絕緣隔開，在井下沿井壁滾動(dòng)；彈性扶正機(jī)構(gòu)能夠在壓縮彈簧的作用下，調(diào)節(jié)上支撐臂的開合度，從而適應(yīng)井下管徑的變化。

3 井下電極裝置的工作過程及技術(shù)優(yōu)勢

3.1 工作過程

救援井電磁探測系統(tǒng)井下電極裝置的工作過程如下。

（1）初始狀態(tài)：電極裝置的電極臂處于閉合狀態(tài)，彈性扶正機(jī)構(gòu)的上支撐臂、下支撐臂均張開，滾輪與井壁貼合，靠裝置的自重下入井內(nèi)目標(biāo)段。

（2）通過低壓整流濾波電路輸出的直流電壓控制支撐電機(jī)工作，帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母軸向滑移，推動(dòng)頂桿、調(diào)節(jié)彈簧、滑動(dòng)推桿軸向移動(dòng)，將支撐臂撐開，直到電極導(dǎo)輪與井壁貼合，即：支撐電機(jī)→滾珠絲杠→絲杠螺母→頂桿→推靠接頭→推靠彈簧→滑動(dòng)推桿→支撐臂。

（3）將高壓整流濾波電路和DC/AC交換電路輸出的300 V、2 Hz的直流可調(diào)電壓接通到電極導(dǎo)輪上，將穩(wěn)定的電流導(dǎo)入井壁和地層中。

（4）控制支撐電機(jī)反轉(zhuǎn)，拉桿軸向移動(dòng)來帶動(dòng)滑動(dòng)推桿向下滑移，將支撐臂和電極臂收回閉合。

（5）井下電極裝置在井內(nèi)沿井眼下方一定位置，重復(fù)（1）～（4）的步驟，進(jìn)行下一個(gè)測量過程。待井下探測作業(yè)完畢，關(guān)閉地面供電設(shè)備，將井下電極裝置從井內(nèi)取出。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢

該井下電極裝置通過四組夾角成90°均布的電極傳導(dǎo)單元將低頻交變電流有效、穩(wěn)定地導(dǎo)入地層，通過電極支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制和調(diào)節(jié)電極傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)的開合，使電極導(dǎo)輪在井內(nèi)更好地貼合井壁；彈性扶正機(jī)構(gòu)能夠保證電極裝置在井內(nèi)居中良好。這些設(shè)計(jì)，使井下電極裝置適應(yīng)井下管徑的變化，避免電極裝置在井下出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，提高了救援井電磁探測系統(tǒng)在井下作業(yè)的穩(wěn)定性，更加適應(yīng)于深井連通定向鉆井工程。

4 間距與方位的確定

救援井與事故井間距和方位的計(jì)算模型如圖3所示。井下探管主要包括一個(gè)三軸加速度傳感器和一個(gè)三軸磁通門傳感器。單位矢量X、Y和Z的方向分別代表三軸磁通門傳感器及三軸加速度傳感器X、Y和Z軸的方向，三軸加速度傳感器用來探測探管處的三軸重力加速度，然后結(jié)合救援井的測斜數(shù)據(jù)確定探管自身的擺放姿態(tài)。三軸磁通門傳感器用于探測井下探管所在位置的三軸電磁場和事故井套管上聚集的低頻交變電流產(chǎn)生的交變磁場，從而確定井下探管和事故井套管的間距和方位［4-7］。

4.1 井間相對(duì)距離的確定

圖3（a）中，單位矢量n1、n2分別為事故井和救援井的軸向，可通過測斜數(shù)據(jù)得到。H為事故井套管內(nèi)電流I（z）在探管處產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，HP為H在三軸磁通門傳感器X軸和Y軸磁場分量所在平面上的投影，Hd為H沿Z軸方向的磁場分量。H和井間距矢量r在同一平面內(nèi)，當(dāng)HP由三軸磁通門傳感器測得后，通過式（1）、式（3）就可確定H和井間距離r的值［4-7］，即：

結(jié)合式（1），由畢奧-薩伐爾定律可得：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率。

4.2 井間相對(duì)方位的確定

在圖3（b）中救援井連通處，G為三軸加速度傳感器所測得的探管處重力矢量，GP為G在三軸加速度傳感器X軸和Y軸重力分量所在平面上的投影，Gd為G沿Z軸方向的重力矢量的分量，GP在X、Y軸方向的分量為G1和G2，事故井套管內(nèi)電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度HP在X、Y軸方向的分量為H1和H2，α為探管處重力矢量分量GP與傳感器X軸之間的夾角，β為探管處磁場強(qiáng)度分量HP與重力矢量分量GP之間的夾角，即救援井與事故井井間相對(duì)方位角，則有：

▲圖3 救援井與事故井間距和方位的計(jì)算模型

由兩向量夾角公式可得：

因此，通過磁通門傳感器和加速度傳感器可以測得H1、H2、G1、G2，代入式（5）中求得夾角β，從而確定救援井與事故井的井間相對(duì)方位。

5 磁場強(qiáng)度的影響參數(shù)分析

救援井中探管所探測事故井周圍交變磁場強(qiáng)度是保障救援井電磁探測系統(tǒng)在井下作業(yè)的關(guān)鍵，而影響磁場強(qiáng)度的因素主要有井下電極裝置上電極的電流I、救援井與事故井的間距r、電極裝置與探管間距d、電極裝置長度L、電極裝置在井下的深度D以及救援井井斜角θ等參數(shù)。

在救援井與事故井間距r不變時(shí)，地面交流電源為井下電極提供的電流I越大，事故井中套管及周圍產(chǎn)生電流以及所產(chǎn)生交變磁場越強(qiáng)，使救援井中的探管檢測到事故井周圍的低頻交變磁場信號(hào)強(qiáng)度就越強(qiáng)。電極裝置與探管間距d越大，探管所檢測到的磁場強(qiáng)度就越小。當(dāng)救援井與事故井間距r不變時(shí)，電極裝置的長度L對(duì)救援井中探管探測到的磁信號(hào)強(qiáng)度基本沒有影響。

當(dāng)電極裝置在井下某一測量位置，而電極與探管間距d一定的情況下，磁場強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度后，地面供電電流大小的變化對(duì)兩井間距的測量誤差影響很小。當(dāng)井下電極與探管間距d一定時(shí)，兩井間距和方位的測量誤差隨著電極裝置在井下的深度D增大而減小，也就是說應(yīng)用該井下探測電極裝置時(shí)需置于井下一定深度，以降低測量誤差。

▲圖4 磁場強(qiáng)度的影響參數(shù)分布圖

6 結(jié)束語

針對(duì)救援井與事故井鄰井相對(duì)距離和方位的精確探測問題，提出了一種救援井電磁探測系統(tǒng)井下電極裝置；對(duì)該電極裝置結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了闡述，并通過建立井下電極的發(fā)射電流產(chǎn)生交變磁場的分布模型，分析救援井與事故井相對(duì)距離和方位的確定方法以及井下電極裝置上電極的電流I、救援井與事故井的間距r、電極裝置與探管間距d、電極裝置長度L、救援井井斜角等參數(shù)對(duì)磁場強(qiáng)度的影響。該設(shè)計(jì)旨在迎合國內(nèi)自主研發(fā)能夠適應(yīng)井眼復(fù)雜條件的救援井電磁探測系統(tǒng)的配套工具，提高救援井電磁探測系統(tǒng)在井下作業(yè)的穩(wěn)定性；推動(dòng)我國救援井電磁探測技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。

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TH136；TE28

A

1000-4998（2015）04-0073-04

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：51221003）

國家重大科技專項(xiàng)（編號(hào)：2011ZX05009-005）

2014年10月