鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具模擬試驗(yàn)研究

李 翠， 高麗萍， 李 佳， 高德利， 侯煜琨

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石化人力資源共享服務(wù)中心東營(yíng)分中心， 山東東營(yíng)257000；3.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)石油大學(xué)(北京))，北京 102249)

隨著油氣資源勘探難度的增大，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井技術(shù)成為高效開發(fā)低滲透油藏、非常規(guī)油藏及海洋油氣等復(fù)雜油氣藏的關(guān)鍵技術(shù)，其中利用水平井、加密井和叢式井開發(fā)低滲透、頁(yè)巖油氣等低品位油氣資源取得了良好的開發(fā)效果。但是，加密井和叢式井在鉆井過(guò)程中為防止與鄰井發(fā)生碰撞，要求精確測(cè)量鄰井距離，僅僅依靠傳統(tǒng)的測(cè)斜工具與鄰井掃描軟件難以滿足實(shí)際的測(cè)控精度要求[1-4]。目前，國(guó)外已經(jīng)形成了一系列相對(duì)成熟的主動(dòng)磁探測(cè)工具，如MGT電磁引導(dǎo)工具、RMRS旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)和SWG單電纜引導(dǎo)工具等[4-8]，雖然部分電磁探測(cè)工具可以用于精確測(cè)量鄰井距離，但這些工具均需要在鄰井中下入磁源或探管等設(shè)備，既影響已鉆井的正常生產(chǎn)，也增加了鉆井成本[9-15]。

為了降低與鄰井相碰的風(fēng)險(xiǎn)，筆者對(duì)鄰井隨鉆電磁防碰測(cè)距導(dǎo)向算法進(jìn)行了深入研究[4]，設(shè)計(jì)加工了一種無(wú)需在鄰井放入磁源或傳感器、能同時(shí)監(jiān)測(cè)周邊多口已鉆井的鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具原理樣機(jī)，基于鄰井隨鉆電磁防碰測(cè)距導(dǎo)向算法編制了地面數(shù)據(jù)采集和分析軟件，并進(jìn)行了地面模擬試驗(yàn)。

1 鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具工作原理

鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具的工作原理如圖1所示。在正鉆井的井下動(dòng)力鉆具后面安裝鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具的探管，探管中間放置磁場(chǎng)傳感器，兩端各有一個(gè)磁源，磁源相對(duì)于磁場(chǎng)傳感器對(duì)稱放置，兩個(gè)磁源軸向平行，但磁極方向相反[4]。當(dāng)探管周圍有套管存在時(shí)，套管被磁化后產(chǎn)生一個(gè)沿套管軸向的磁場(chǎng)，套管被磁化后的磁感應(yīng)強(qiáng)度與套管和探管之間的距離有關(guān)，利用探管探測(cè)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)合探管自身姿態(tài)等數(shù)據(jù)，基于鄰井隨鉆電磁防碰測(cè)距導(dǎo)向算法[4]，即可計(jì)算得到正鉆井與鄰井的相對(duì)距離。

圖1 鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具工作原理示意Fig.1 Working principle of electromagnetic while-drilling anti-collision tools with an adjacent well

2 模擬試驗(yàn)設(shè)備與方法

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中充斥著各種磁場(chǎng)，會(huì)在一定程度上影響電磁探測(cè)工具的探測(cè)精度[8]。為了盡量減少周圍環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)電磁探測(cè)工具測(cè)量結(jié)果的影響，選擇某未開發(fā)的空曠場(chǎng)地作為試驗(yàn)場(chǎng)地。該場(chǎng)地遠(yuǎn)離各種建筑設(shè)置，如公路、高壓電塔和低壓電線等，地下無(wú)金屬電纜和管道通過(guò)，環(huán)境磁場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，干擾信號(hào)很少，適宜作為鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具的試驗(yàn)場(chǎng)地。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

地面模擬試驗(yàn)設(shè)備主要包括套管、試驗(yàn)探管、接口箱和計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)時(shí)，將3根內(nèi)徑為108.6 mm的套管連接在一起，總長(zhǎng)度為28.47 m。試驗(yàn)探管的主體采用無(wú)磁鋁合金加工而成，兩端各裝有一個(gè)直徑25.0 mm、長(zhǎng)度80.0 mm的釹鐵硼永磁鐵，表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為5 000 Gs。試驗(yàn)探管中裝有三軸磁通門傳感器和三軸加速度傳感器[9-10]。試驗(yàn)探管的兩端通過(guò)同步輪和同步帶與驅(qū)動(dòng)桿相連，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)桿，可帶動(dòng)試驗(yàn)探管圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)，來(lái)模擬鉆柱的旋轉(zhuǎn)。由于模擬試驗(yàn)在地面完成，無(wú)需使用鉆井液脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此可以直接用電纜將試驗(yàn)探管采集到的交變磁場(chǎng)信號(hào)和直流分量數(shù)據(jù)通過(guò)接口箱轉(zhuǎn)換為USB接口信號(hào)后發(fā)送至計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)20 kb/s，然后利用地面數(shù)據(jù)采集和分析軟件采集和分析數(shù)據(jù)[15]。

2.2 試驗(yàn)方法

模擬試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具工作原理的可行性，驗(yàn)證鄰井隨鉆電磁防碰測(cè)距導(dǎo)向算法的準(zhǔn)確性，并對(duì)計(jì)算結(jié)果可信度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在套管上選取測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3共3個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)3為2根套管的接箍位置(見圖2)。

圖2 試驗(yàn)選取的測(cè)點(diǎn)位置Fig.2 Positions of test points in relevant experiments

試驗(yàn)步驟如下：

1) 將試驗(yàn)探管距離套管20.00 m以上，模擬正鉆井周圍不存在已鉆井的工況，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)探管轉(zhuǎn)動(dòng)，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件測(cè)量和保存數(shù)據(jù)；

2) 將試驗(yàn)探管與套管平行放置，模擬正鉆井周圍存在已鉆井的工況，設(shè)置二者間距分別為21.00和2.00 m，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)探管轉(zhuǎn)動(dòng)，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件測(cè)量和保存數(shù)據(jù)；

3) 將試驗(yàn)探管與套管平行放置，試驗(yàn)探管對(duì)準(zhǔn)套管上的測(cè)點(diǎn)1，設(shè)置二者間距分別為0.50，1.00，2.00，3.00，4.00和5.00 m，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)探管轉(zhuǎn)動(dòng)，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件測(cè)量和保存數(shù)據(jù)；

4) 將試驗(yàn)探管與套管平行放置，試驗(yàn)探管對(duì)準(zhǔn)套管上的測(cè)點(diǎn)2，重復(fù)步驟3)；

5) 將試驗(yàn)探管與套管平行放置，試驗(yàn)探管對(duì)準(zhǔn)套管上的測(cè)點(diǎn)3，重復(fù)步驟3)；

6) 將試驗(yàn)探管與套管呈一定夾角放置，試驗(yàn)探管中間位置與套管上測(cè)點(diǎn)1的間距為1.00 m，將試驗(yàn)探管與套管的夾角分別設(shè)置為10°,20°,30°,40°,50°,60°,70°,80°和90°，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)探管轉(zhuǎn)動(dòng)，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件測(cè)量和保存數(shù)據(jù)；

7) 將試驗(yàn)探管中間位置與套管上測(cè)點(diǎn)1的間距設(shè)置為2.00 m，重復(fù)步驟6)；

8) 利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 測(cè)距原理可行性驗(yàn)證

如圖3所示，套管距離地面0.35 m，試驗(yàn)探管軸線距離地面0.25 m，初始時(shí)刻探管兩端的磁源軸線垂直于地面。

圖3 試驗(yàn)探管與套管位置關(guān)系示意Fig.3 Position relationship between the sensor and the casing

試驗(yàn)探管距離套管分別為21.00 m和2.00 m時(shí)，數(shù)據(jù)采集和分析軟件獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可知：手動(dòng)旋轉(zhuǎn)探管模擬鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)試驗(yàn)探管距離套管21.00 m時(shí)，在探管旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中采集到的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)變化很小，沒有明顯的波峰和波谷出現(xiàn)；當(dāng)探管距離套管2.00 m時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)毛刺較多，但出現(xiàn)了明顯的波峰和波谷。根據(jù)鄰井隨鉆電磁防碰測(cè)距導(dǎo)向算法可知，當(dāng)探管與套管相距2 m、探管分別旋轉(zhuǎn)96°和276°時(shí)，磁源的軸線剛好穿過(guò)套管，理論上此時(shí)應(yīng)該出現(xiàn)波峰或波谷；模擬試驗(yàn)結(jié)果的波峰和波谷恰好出現(xiàn)在96°和276°對(duì)應(yīng)的位置，證明了鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具工作原理的可行性。

圖4 試驗(yàn)探管與套管不同距離時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Fig.4 Strength of the magnetic field at different distances between the sensor and the casing

3.2 測(cè)距算法精度驗(yàn)證

3.2.1 探管與套管平行放置

將試驗(yàn)探管與套管平行放置，試驗(yàn)探管對(duì)準(zhǔn)套管上測(cè)點(diǎn)的位置，間距分別為0.50，1.00，2.00，3.00，4.00和5.00 m，分別記錄3個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同間距下磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)的波峰、波谷處的磁場(chǎng)強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的角度，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1—表3所示。

表1 測(cè)點(diǎn)1計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation result of test point 1

表2 測(cè)點(diǎn)2計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation result of test point 2

表3 測(cè)點(diǎn)3計(jì)算結(jié)果

由表1可知：探管與套管距離不大于3.00 m時(shí)，距離誤差與角度誤差均小于10%；當(dāng)探管與套管間距大于3.00 m時(shí)，誤差變大，信號(hào)也變得雜亂。分析認(rèn)為，目前該工具僅采用2個(gè)磁源，探管與套管距離較遠(yuǎn)時(shí)測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)偏弱，同時(shí)受探管內(nèi)電路板本底噪聲的影響，信噪比較低，噪聲信號(hào)影響了磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)的峰值數(shù)據(jù)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差變大。

對(duì)比表1—表3可知，由于數(shù)據(jù)采集和分析軟件采用的是交變磁場(chǎng)信號(hào)，屏蔽了地磁場(chǎng)和套管自身剩磁的影響，因此不同的探測(cè)位置對(duì)探管的磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果的影響相對(duì)較小；但在套管接箍位置，由于接箍和套管直徑不同存在臺(tái)階，造成計(jì)算結(jié)果偏差較大。因此，實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)充分考慮套管接箍位置對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量精度的影響。

3.2.2 探管與套管呈夾角放置

將試驗(yàn)探管與套管呈夾角放置，試驗(yàn)探管中間位置與套管上測(cè)點(diǎn)1的間距為1.00 m，試驗(yàn)探管與套管夾角分別設(shè)置為10°，20°,30°,40°,50°,60°,70°,80°和90°，分別記錄探管與套管不同夾角下測(cè)點(diǎn)1的磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值和谷值及對(duì)應(yīng)的角度，并采用數(shù)據(jù)采集和分析軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)探管與套管距離1.00 m時(shí)不同夾角的計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation result of different angles at the distance between the sensor and the casing of 1.00 m

將試驗(yàn)探管與套管呈夾角放置，試驗(yàn)探管中間位置與套管上測(cè)點(diǎn)1的間距為2.00 m，試驗(yàn)探管與套管夾角分別設(shè)置為10°～90°，分別記錄探管與套管不同夾角下測(cè)點(diǎn)1的磁場(chǎng)強(qiáng)度的峰值和谷值及對(duì)應(yīng)的角度，并采用數(shù)據(jù)采集和分析軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)探管與套管距離2.00 m時(shí)不同夾角的計(jì)算結(jié)果

由表4和表5可知，當(dāng)探管與套管之間的夾角不大于50°時(shí)，計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，距離誤差與角度誤差均在10%以內(nèi)；當(dāng)探管與套管之間的夾角大于50°時(shí)，由于2個(gè)磁源在探管上產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致誤差相對(duì)較大。因此該工具主要適用于兩井夾角不大于50°的井段，當(dāng)探管與套管之間的夾角大于50°時(shí)，最好換用其他類型的防碰工具進(jìn)行測(cè)距導(dǎo)向。

4 結(jié) 論

1) 鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具地面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了鄰井隨鉆電磁防碰測(cè)距導(dǎo)向算法的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步完善鄰井隨鉆電磁防碰系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。

2) 探管與套管平行放置且探管與套管距離為0.50～3.00 m時(shí)，可以較準(zhǔn)確地計(jì)算出鄰井距離和方位信息；但探管與套管距離超過(guò)3.00 m時(shí)，計(jì)算結(jié)果誤差相對(duì)較大。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)試驗(yàn)探管，以提高防碰工具的探測(cè)精度和有效探測(cè)距離。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，套管接箍會(huì)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量精度產(chǎn)生一定的影響，造成計(jì)算結(jié)果偏差較大，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化鄰井隨鉆電磁防碰測(cè)距導(dǎo)向算法，以減小套管接箍位置對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)的影響。

4) 探管與套管之間的夾角大于50°時(shí)，鄰井隨鉆電磁測(cè)距防碰工具的測(cè)距誤差和方位誤差相對(duì)較大，說(shuō)明該防碰工具有一定的應(yīng)用局限性，在實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)該種工況盡量換用其他類型的防碰工具進(jìn)行測(cè)量。

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