鉆探交變磁場磁源性能影響因素分析

黃明泉　趙國山

摘? 要：復(fù)雜結(jié)構(gòu)井可實現(xiàn)對油氣儲層的最佳鉆遇與保護，隨著鉆探連通井和雙水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的數(shù)量逐步增多，使得磁性導(dǎo)向系統(tǒng)被引入復(fù)雜結(jié)構(gòu)井施工中，其中交變磁場磁源是該系統(tǒng)的重要組成部分，依據(jù)電磁學(xué)基本理論建立了交變磁場磁源的性能分析物理模型，通過有限元法和實驗測試分析驗證了該模型的有效性，并對磁源性能影響因素進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，磁源幾何結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)對磁源性能均存在影響，其中磁源長度和相對磁導(dǎo)率的影響較為規(guī)律，線圈匝數(shù)、層數(shù)和徑向尺寸變化體現(xiàn)出最佳結(jié)構(gòu)匹配特性，同時磁源外磁場強度隨著中心距離的增大而減少，磁源外磁場強度與距離的三次方成反比關(guān)系。

關(guān)鍵詞：磁源? 磁場強度? 有限元法? 物性參數(shù)? 結(jié)構(gòu)尺寸? 中心距離

中圖分類號：TE243;TE927 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（a）-0001-04

Abstract： The complex structure wells successfully improved the drilling meeting efficiency and obtained obvious economical， social， and environmental protection benefits. With the quantity gradually increased of complex structure wells， such as interconnecting wells， and dual horizontal wells， etc.， the magnetic guidance system and tools was introduced to meet the increasing accuracy requirements of the well trajectory control. Magnetic source is an important part of this system. Performance analysis model of magnetic source was established based on the electromagnetism theory. Using the finite element method and Experimental test verifies the validity of this model. Performance-influencing factors of magnetic source were analyzed. The results are shown that magnetic source performance mainly depends on the structure dimension and material physical parameters. The length and relative permeability has regularity influence on magnetic source performance. The coil layer number and core diameter has optimal match. The results show that increasing distance lead to decreasing the magnetic field strength. The magnetic field strength is inverse proportion to the cube of distance.

Key Words： Magnetic source; Magnetic field strength;Finite element method; Physical parameters; Structure dimension; Center distance

復(fù)雜結(jié)構(gòu)井是可以大幅度提高油氣井產(chǎn)量和最終采收率的前沿技術(shù)[1]，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)的核心在于井眼軌道的控制與引導(dǎo)[2-3]，目前，已有的幾何導(dǎo)向技術(shù)已能實現(xiàn)利用加速度計、磁力計、陀螺儀等傳感器測量井斜角、方位角等軌跡參數(shù)[1]。在鉆井過程中對井眼軌跡的控制依據(jù)當(dāng)前鉆進(jìn)方向的測量，從待鉆井眼與目標(biāo)靶點所形成的系統(tǒng)角度上看，此類方法屬于開環(huán)控制，沒有考慮目標(biāo)靶點對待鉆井眼的引導(dǎo)能力，隨著對鉆井導(dǎo)向精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)幾何導(dǎo)向定位技術(shù)已經(jīng)無法滿足井眼軌跡的高精度要求。同時常規(guī)隨鉆測量系統(tǒng)，影響井眼軌跡參數(shù)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素（測斜儀器本身的精度、測量環(huán)境是否干擾儀器的測量、測點位置的準(zhǔn)確性、測斜儀器軸線是否與井眼軸向重合等）均存在著一定的誤差，難以避免誤差積累，無法滿足高精度導(dǎo)向的需求。為了解決現(xiàn)有幾何導(dǎo)向定位技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井時存在的導(dǎo)向精度低的問題，有源磁性導(dǎo)向[4-13]技術(shù)被引入復(fù)雜結(jié)構(gòu)井施工中，主要包括磁導(dǎo)向工具（MGT）和旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)（RMRS）等[4-13]。磁導(dǎo)向工具主要設(shè)計理念是便于操作，對鉆井工藝相對影響小，當(dāng)需要測量時，磁導(dǎo)向工具放入相應(yīng)的位置，測量參數(shù)把原始數(shù)據(jù)和測斜數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)降孛妫渲写旁粗饕a(chǎn)生有效交變磁場信號是系統(tǒng)的重要組成部分，因此需要對磁源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以保障其工作性能，該文將針對交變磁場磁源工作性能進(jìn)行分析研究。

1? 磁源性能分析物理模型

磁源和變頻恒流交流電源組成了交變磁場信號發(fā)射裝置，其中磁源主要由磁芯、線圈、骨架、外套筒和接頭等組成。其工作原理是變頻電源激勵磁源產(chǎn)生交變磁場信號，三軸磁場測量裝置通過濾波電路消除井下噪聲干擾和恒定磁場成分，從而實現(xiàn)對空間交變磁場信號的有效提取，最終通過反演計算得到相對距離和方位。

根據(jù)磁源載流線圈結(jié)構(gòu)，其外場分布采用磁偶極子模型[14]進(jìn)行描述，可得到柱坐標(biāo)系下磁源磁場的分布模型，如公式（1）所示。

2? 磁源性能影響因素有限元分析

依據(jù)磁源工作性能分析模型，對信標(biāo)性能影響因素進(jìn)行分析，建立磁源有限元分析模型，主要針對磁源幾何結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)因素對磁源進(jìn)行分析研究。

2.1 基本設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

受限于井下應(yīng)用條件，鉆探磁源其結(jié)構(gòu)尺寸受到極大限制，因此初步設(shè)計以下基本結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計長度1000mm，外徑75mm;磁芯直徑30mm，長度1000mm，材料為硅鋼;匝數(shù)6000匝，繞線線徑1.8mm。

對磁源的外部磁場進(jìn)行分析結(jié)果如圖2所示，可知磁場強度隨著距離的增大而減少，磁場變化率逐漸減小，其磁場強度大小與距離的三次方成反比關(guān)系，分析可見理論模型與有限元模型的計算結(jié)果描述一致。

2.2 相對磁導(dǎo)率變化

分別選用相對磁導(dǎo)率為200、500、2000、5000和10000的物性參數(shù)，分析結(jié)果如圖3所示，可知相對磁導(dǎo)率的變化對于磁源空間磁場的分布有影響，隨著相對磁導(dǎo)率的增大，磁源的磁場強度增大，但磁場強度的增大趨勢變緩，同時磁性材料的相對磁導(dǎo)率選擇還需考慮經(jīng)濟性因素。

2.3 線圈層數(shù)變化

分別選用線圈層數(shù)為1、2、3、5、7、9和10的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析結(jié)果如圖4所示，可知改變線圈層數(shù)則同時意味著線圈匝數(shù)的改變，線圈層數(shù)的變化對于磁源空間磁場的分布有影響，隨著線圈層數(shù)的增多，磁源的磁場強度增大，當(dāng)線圈層數(shù)增加至一定范圍，其磁場強度增大幅度突增，因此選擇合理的層數(shù)對于保證磁源的工作性能較為關(guān)鍵。

2.4 磁芯直徑變化

分別選用磁芯直徑為10mm、20mm、30mm、40mm、50 mm、60mm和70mm的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析結(jié)果如圖5所示，可知磁芯直徑的變化對于磁源性能有影響，但磁芯直徑對于磁場強度大小的影響規(guī)律性不強，因為相關(guān)層數(shù)和匝數(shù)等參數(shù)未發(fā)生變化時，磁芯直徑變化同時引起磁源直徑的增大，當(dāng)磁芯直徑與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)成較優(yōu)匹配時，其工作性能較好。

2.5 磁源長度變化

分別選用磁源長度為0.2m、0.5m、1m、1.5m和2m的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析結(jié)果如圖6所示，可知磁源長度的改變意味著磁芯長度以及線圈匝數(shù)的改變，磁源長度的變化對于磁源空間磁場的分布有著較為顯著的影響，磁源長度對于磁場強度大小的影響規(guī)律可看作線性變化，隨著磁源長度的增大，磁源磁場強度增大。雖然長度增大對于磁源的工作性能影響顯著，但磁源長度也不能無限長，其選取范圍既要考慮機械強度也要考慮經(jīng)濟性，在保證井下使用的要求下長度可以盡可能長。

3? 磁源性能測試分析

依據(jù)設(shè)計方案加工磁源，并在電流強度7A和工作頻率1Hz的情況進(jìn)行了測試分析，布置測點距離磁源中心位置的中心距離從2～50m范圍內(nèi)，測點間隔1m，測試所得結(jié)果如圖7所示，可知磁場強度隨著距離的增大而減小，強度大小與距離的三次方成反比關(guān)系，理論模型公式（3）的描述與測試實驗分析結(jié)果相符合。

4? 結(jié)論

（1）設(shè)計了磁源基本結(jié)構(gòu)，分析了磁源工作原理，建立了磁源性能分析的物理模型，通過有限元和實驗測試分析驗證了該模型的有效性。

（2）依托所建立有限元模型，對磁場強度有較為顯著影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和材料物性參數(shù)等進(jìn)行分析。分析可知相對磁導(dǎo)率、線圈層數(shù)、磁芯直徑和磁源長度對磁源的空間磁場分均存在影響，其中磁源長度和相對磁導(dǎo)率的影響較為顯著且規(guī)律，層數(shù)和徑向尺寸變化體現(xiàn)出最佳結(jié)構(gòu)匹配特性，同時磁源設(shè)計還需要考慮井下環(huán)境限制、結(jié)構(gòu)機械強度和經(jīng)濟性等綜合因素。

（3）依據(jù)設(shè)計方案加工了測試用磁源并進(jìn)行了地面測試，分析可知磁場強度隨著距離的增大而減小，磁場變化率逐漸減小，曲線形式上趨近于強度大小與距離的三次方成反比關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1] 高德利.復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計與鉆完井控制技術(shù)[M].青島：中國石油大學(xué)出版社，2011.

[2] 梁華慶，耿敏，時東海，等.旋轉(zhuǎn)磁場井間隨鉆測距導(dǎo)向系統(tǒng)中微弱頻變信號的檢測方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，37（4）：83-87.

[3] 張文波，路宗羽，王朝飛，等.SAGD平行水平井和直井連通鉆井技術(shù)[J].石油機械，2011，39（6）：8-11，92.

[4] Vandal B，Grills T，Wilson G.A Comprehensive Comparison between the Magnetic Guidance Tool and the Rotating Magnet Ranging Service， in Canadian international petroleum conference[A].Petroleum Society of Canada： Calgary，Alberta[C].2004.

[5] Tracy L，Grills P.Magnetic ranging technologies for drilling steam assisted gravity drainage well pairs and unique well geometries-a comparison of technologies [Z].SPE79005，2002：1-8.

[6] Kuckes AF，Hay RT，Mcmahon J，et al.New Electromagnetic Surveying/Ranging Method for Drilling Parallel Horizontal Twin Wells[Z].SPE 27466，1994.

[7] Mallary CR， Williamson HS， Pitzer R，et al.Collision avoidance using a single wire magnetic ranging technique at Milne point， Alaska[Z].SPE 39389，1998.

[8] Al-Khodhori S，Al-Riyami H， Holweg P，et al.Connector Conductor Wells Technology in Brunei Shell Petroleum Achieve High Profitability Through Multiwell Bores and Downhole Connections[Z].SPE 111441，2008.

[9] Oskarsen RT，Wright JW，F(xiàn)itterer D，et al.Rotating magnetic ranging service and single wire guidance tool facilitates in efficient downhole well connections[Z]. SPE 119420，2009.

[10] Kennedy TW， Wayne T，Schnell RA，et al.Integrated magnetic ranging tool：US，Patent 7321293[P].2008-01-22.

[11] 王德桂，高德利.管柱形磁源空間磁場矢量引導(dǎo)系統(tǒng)研究[J].石油學(xué)報，2008，29（4）：608-611.

[12] 刁斌斌，高德利.螺線管隨鉆測距導(dǎo)向系統(tǒng)[J].石油學(xué)報，2011，32（6）：1061-1066.

[13] 楊明合，夏宏南，屈勝元，等.磁導(dǎo)向技術(shù)在SAGD雙水平井軌跡精細(xì)控制中的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2010，33（3）：12-14.

[14] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.