主動磁測距技術在T1井封井工程的應用*

車陽 喬磊 袁光杰 林盛杰 鄭磊 杜衛(wèi)強 劉天恩

(中國石油集團工程技術研究院有限公司)

0 引 言

主動磁測距技術主要用于解決救援井與事故井的有效連通難題。主動磁測距技術在國外相對成熟。C.L.WEST及A.F.KUCKES等[1-2]研發(fā)了主動磁測距工具，成功用于多口井噴失控井的救援連通[3-4]，如2010年墨西哥灣井噴泄油事故的救援。國內(nèi)學者也在主動磁測距的方法和方案中開展了相關研究，李翠等[5]研究了主動磁測距的算法，提出了硬件設計方案。郭建軍等[6]開展了主動磁測距工具的地面測試。李峰飛等[7]分析了主動磁測距的工具，提出了提高探測范圍和探測精度的方法。張生林[8]研究了瞬變電磁法救援井井下探測與定位系統(tǒng)并開展了地面試驗。

國內(nèi)主動磁測距技術研究處于起步階段，下井工具的研制和應用方面尚屬空白，為解決這一問題，筆者自主研制了國內(nèi)首套CPET(CNPC Engineering Technology R & D Company Limited)主動磁測距系統(tǒng)，形成主動磁測距數(shù)據(jù)解釋方法和封井方案。該技術配套井眼定向控制關鍵技術并成功應用于T1井封井工程，打破了國外在該領域的壟斷。

1 主動磁測距技術

1.1 系統(tǒng)結(jié)構

CPET主動磁測距系統(tǒng)總體結(jié)構主要分為地面采集單元、激勵電源、絞車及電纜、電極、遙傳及測量探管幾部分，如圖1所示。

圖1 CPET主動磁測距系統(tǒng)結(jié)構示意圖

工具的主要性能參數(shù)如下：激勵電源的工作電壓為220 V；絞車及電纜最大提升力為20 kN；下井工具的外徑最大為120 mm，總長30 m，耐溫125 ℃，耐壓150 MPa；遙傳的速率為19 200 bit/s；探管中的磁傳感器測量精度為0.05 nT。

1.2 工作原理

主動磁測距系統(tǒng)工作時，電極向救援井周圍地層注入電磁波，電極注入地層的電磁波呈球形對稱分布，如果電極附近地層中存在套管或鉆桿，由于金屬材質(zhì)的電導率要遠大于地層，所以電磁波大部分將在套管或鉆桿處聚集，形成如圖2所示的沿套管向上和向下流動的電流[9]。根據(jù)安培定律，該電流將在套管和鉆桿的周圍地層中產(chǎn)生低頻交變磁場。利用救援井中探管內(nèi)的磁傳感器檢測套管或鉆桿內(nèi)向下流動的電流產(chǎn)生的低頻交變磁場的磁場強度。該磁場信號的強度與事故井套管上的電流成正比，與探管和事故井的間距成反比[10]。

圖2 CPET主動磁測距方法

上述物理過程為有源電磁場，用麥克斯韋方程組表示為：

(1)

式中：?·表示散度；?×表示旋度；He(r,t)表示施加電性激勵源的磁場強度，T；Ee(r,t)表示施加電性激勵源的電場強度，V/m；Je(r,t)表示施加電性激勵源的電流密度，A/m2；ρe(r,t)表示電性激勵源的電荷密度，C/m；σ表示電導率,S/m；μ表示磁導率，H/m；ε表示介電常數(shù)，F(xiàn)/m。

同時，探管也會檢測到救援井周圍地層的地磁場(磁北)和重力場(高邊)，用于確定探管的自身方位和擺放姿態(tài)。利用這些數(shù)據(jù)計算井下探管與事故井套管的間距和方位，從而確定救援井與事故井在水平面和井底圓平面的相對位置關系，如圖3所示。

圖3 救援井與事故井的相對位置

1.3 封井方案

要對目的層位進行有效封堵，找到老裸眼井眼是關鍵。現(xiàn)場施工中，在定向鉆具組合中接入MWD(Measure While Drilling)或隨鉆陀螺等測斜儀器，提離井底一定高度測斜，根據(jù)測斜數(shù)據(jù)預測當前井底位置的姿態(tài)(井斜和方位)。鉆至指定井深后，起鉆更換CPET主動磁測距工具測量救援井井底和事故井的相對位置。根據(jù)姿態(tài)和相對位置的測量，再起鉆更換為定向鉆具組合控制救援井軌跡向前鉆進，如此反復直到連通老井。

按連通點的不同，連通方案分為套管開窗重入、套管鞋重入以及裸眼落魚平行逼近重入，如圖4所示。現(xiàn)場實施時應根據(jù)具體特點選擇不同的主動磁測距封井方案。

圖4 主動磁測距封井方案

1.3.1 套管開窗重入

如圖4a所示，連通點為上部套管。主要優(yōu)點是鉆進周期短，一旦碰套管可以判定順利重入；缺點是套管外部開窗的難度大，若開窗的窗口小，重入后鉆具上提時卡鉆的風險高。

1.3.2 套管鞋重入

如圖4b所示，連通點為套管鞋。主要優(yōu)點是重入后風險低；缺點是鉆進周期長，主動磁測距在套管鞋以下失去目標，若沒有明顯顯示將無法判定是否順利重入。

1.3.3 裸眼落魚平行逼近重入

如圖4c所示，連通點為目的層，優(yōu)缺點同套管鞋重入方式，只適用于老井井眼軌跡尤其是裸眼段確定性強的情況。

2 井況及難點

2.1 T1井井況

T1井是一口垂直探井，完鉆井深2 430.5 m，油層套管僅下至1 287.4 m，以下1 143.0 m為裸眼段。由于其鉆穿了儲氣層，2019年6月3日開始實施T1井封堵作業(yè)，在射孔層位封堵過程中水泥返吐造成426.0 m的油管固管，套銑打撈處理于245.9～253.8 m有鐵屑返出，下公錐撈獲?88.9 mm(3in)油管一根；繼續(xù)套銑作業(yè)，255.4 m處有巖屑返出，下鉛印證實套管在253.0 m處開窗(鉛印為半圓形痕跡)、魚頂丟失。

2019年11月30日，重新上修井機進行找魚頭作業(yè)，利用?195.0 mm銑鞋和自制扶正器(?194.0 mm)反循環(huán)套銑，在253.0～254.0 m處未碰到魚頂，套銑至254.5 m地層有巖屑返出，進行井下可視測井，判斷套管在253.0 m處開窗，終止施工，修井施工后井身結(jié)構如圖5所示。

圖5 T1井井身結(jié)構圖

2.2 軌跡實施難點

同常規(guī)事故井相比，T1井的完鉆時間久遠。金屬套管易受腐蝕，造成電磁信號衰減迅速，無法確保主動磁測距的精度，也給軌跡設計和控制帶來難點。另外，上部地層為軟泥巖，存在塌、斜、卡風險，實施難點如下。

2.2.1 目標井軌跡偏差大

T1井完鉆時間久遠，全井采用單點測斜方法，數(shù)據(jù)點間距為50 m，資料顯示老井井斜最大1.5°，最小0°。當時不具備隨鉆定向能力，受地層、人為因素影響較大。另外，雙坨子氣田位于松遼盆地東緣地震帶，據(jù)資料記載，此處多次發(fā)生5級以上的強地震，受地震影響，地層變化頻繁，致使T1井的原始井眼軌跡發(fā)生改變。因此由原始測斜數(shù)據(jù)計算的井眼軌跡可參考性不強，與實際井眼偏差大。

2.2.2 目標井軌跡預測難

主動磁測距測量點少，能夠測量的是同一垂深條件下救援井和目標井的相對距離方位[11]。此外，受地層性質(zhì)差異和信號衰減的影響，兩井距離較遠時磁測距測量的誤差扇形區(qū)域較大。因此根據(jù)已測數(shù)據(jù)準確計算當前目標井軌跡，特別是預測目標井下步軌跡十分困難。

2.2.3 兩井平行軌跡控制難

一是目標井在鉆進時使用了不同的鉆頭類型。井深556.2 m前使用刮刀鉆頭，余下全部使用牙輪鉆頭，經(jīng)過多次擴眼和打撈作業(yè)，井眼復雜。而救援井前期使用PDC鉆頭鉆進，PDC鉆頭和牙輪鉆頭鉆進主要方式分別為切削和研磨，鉆頭與地層接觸方式不同導致其井眼軌跡自然走向有區(qū)別。二是井底井斜方位的測量存在空間延遲，誤差在米級。三是在接近套管時，MWD受磁干擾無法使用。四是隨鉆陀螺定向時，受到鉆井液、鉆具和地層等的振動，穩(wěn)定測量有挑戰(zhàn)[12]。綜上，實現(xiàn)救援井平行于目標井鉆進十分困難。

2.2.4 重入目標井軌跡難

一是目標井全井軌跡近似為直井，套管外徑為219.1 mm，對測量和控制的精度要求在厘米級別。二是若井斜較小，救援井定向的方位難以準確測量；若井斜較大，則碰套管時錯過目標井套管的概率大。三是鉆至目標井套管鞋附近時，套管上的電流急速衰減，失去了目標信號。因此，重入目標井裸眼段十分困難。

3 現(xiàn)場應用

3.1 井眼軌跡優(yōu)化

常見的救援井軌跡連通通常有3種方式：精確點連通、平行漸近連通和纏繞漸近連通[13]，如圖6所示。由圖6a可知，精確點連通是救援井點對點連通目標井，軌跡調(diào)整少，但測距誤差難以校正，交匯概率低；由圖6b可知，平行漸近連通是救援井以平行軌跡接近目標井，軌跡調(diào)整少，測距誤差部分校正，交匯概率較高；由圖6c可知，纏繞漸近連通是救援井以螺旋軌跡纏繞目標井，測距誤差多次校正，交匯概率高，但軌跡調(diào)整頻繁。基于井眼連通方式，按照設計和施工兩個階段制定井眼軌跡優(yōu)化措施。

圖6 井眼連通方式

在概念設計階段，參考原始測斜數(shù)據(jù)，為便于現(xiàn)場施工，采用“增-穩(wěn)”五段制交替軌跡剖面設計，如表1所示。造斜率設計在每30 m井段造斜3°左右，保證井眼軌跡平滑，減少造斜段摩阻，降低定向難度系數(shù)。

表1 軌跡概念設計剖面

在施工設計階段，根據(jù)主動磁測距測得兩井相對位置和救援井井底姿態(tài)“邊鉆邊調(diào)整”。在接近時救援井的井斜比目標井稍大，維持兩井的接近趨勢，同時預留方位調(diào)整的空間[14]。設計碰套管軌跡施工過程中狗腿度不猛增猛降，接近連通點時穩(wěn)斜鉆進。軌跡施工設計剖面如表2所示。

表2 軌跡施工設計剖面

3.2 逐步加密測距

救援井首次鉆至850 m時，測量間隔平均100～150 m，導致未能及時跟蹤T1井軌跡。經(jīng)過回填后，進行加密測量增加對老井走向的把握，降低后期軌跡調(diào)整的難度，主動磁測距全井測量過程如圖7所示。

圖7 T1井主動磁測距過程

測距間隔d與兩井距離r呈正相關。當相對距離大于5 m時，每100 m進行一次磁測距；當相對距離小于5 m時，每50 m進行一次磁測距；當相對距離小于3 m時，每20 m進行一次磁測距，并開始采用陀螺隨鉆定向；相對距離小于1 m時，每10 m進行一次磁測距，如圖8所示。

圖8 加密測距示意圖

3.3 軌跡精細控制

救援井的軌跡控制要求精細，既要求位移達標，又要求井底姿態(tài)，否則無法在預計井深接近目標井，也不利于軌跡調(diào)整。一開階段，密切監(jiān)測井斜，發(fā)現(xiàn)地層出現(xiàn)增斜趨勢時，及時吊打防斜，控制最大井斜小于0.6°，滿足井斜小于1.0°的設計要求；二開階段，采用主動磁測距配合MWD定向，按定向作業(yè)指令鉆至井深850 m時，根據(jù)測距結(jié)果救援井在780 m處與老井空間交叉。對比設計與實鉆軌跡，測深700 m以上，實鉆軌跡呈欠方位狀態(tài)；測深800 m以上，實鉆軌跡呈過井斜狀態(tài)，如表3所示。

表3 施工設計與實鉆軌跡對比

導致軌跡控制參數(shù)出現(xiàn)偏差的原因有兩個：①與老井距離近，MWD可能受到老井套管干擾，應提前使用隨鉆陀螺進行軌跡控制；②目標井的軌跡變化較大，定向間隔過長，監(jiān)控不到位。

若繼續(xù)采用降斜扭方位的軌跡控制方法，尚需鉆進120 m左右，不確定性大。回填側(cè)鉆后進行下一次嘗試時，采用下列措施精細控制軌跡：①密切檢測磁干擾，有磁干擾立即換隨鉆陀螺，定向控制更精確；②更換牙輪鉆頭，定向工具面更穩(wěn)定；③更換1.25°短螺桿鉆具，縮短零長，以減少測控誤差；④適當加密磁測距作業(yè)頻率，密切監(jiān)控目標井走向[15-16]。

回填后鉆進至673.95 m觀察到磁干擾，如表4所示。MWD顯示地磁傾角和地磁總量有異常，方位角畸變，說明已進入3 m內(nèi)的“磁干擾區(qū)”，此時磁測距得到兩井相對距離為2.8 m，對比可知測距的誤差在10%以內(nèi)。發(fā)現(xiàn)磁干擾后，使用隨鉆陀螺代替MWD定向。

表4 MWD和主動磁測距數(shù)據(jù)對比

3.4 目標軌跡校正

目標軌跡校正對于指導裸眼段沖探具有重要意義。根據(jù)磁測距數(shù)據(jù)，以救援井實測井眼軌跡為基準，可以反演計算得到目標井的空間位置。具體方法如下：

(1)獲取救援井某深度下的磁導向數(shù)據(jù)，并通過解算得到對應深度兩井的相對距離l和磁北方位Φ。

(2)如圖9所示，將救援井的實測軌跡投影到NE水平面上，某一測點的可以表示為K1(E1，N1，T1)，同一井深條件下對應目標井k1(e1，n1，t1)，由幾何關系可知：

圖9 目標井空間位置反演

(2)

式中：KB和kb分別代表救援井和目標井的補心高，m。

將反演的目標井空間位置與井史軌跡數(shù)據(jù)進行軌跡校正，如圖10所示。由圖10可知：700 m以上井段誤差距離較大，第一個校正點498 m處距離誤差為5.21 m，600 m左右距離誤差為1.86 m，說明上部井段與井史數(shù)據(jù)擬合較差；700 m以下井段誤差距離在-1～1 m之間，與井史數(shù)據(jù)擬合較好，說明該段井段井史軌跡數(shù)據(jù)具有一定可靠性；1 306 m井段有放空現(xiàn)象，將救援井及目標井眼該點校正至同一點，對比新井測量軌跡與原井眼井史數(shù)據(jù)，可以看出1 350 m處與老井眼距離誤差為1.42 m，后續(xù)根據(jù)裸眼沖探情況不停校正軌跡，判斷軌跡誤差。

圖10 目標井軌跡校正

3.5 技術應用實效

累計開展主動磁測距28次，救援井在705.2 m碰套管，充分驗證了技術的可靠性，在1 306.0 m重入目標T1井，后續(xù)根據(jù)目標井軌跡校正沖探至2 006.0 m，圓滿完成此次封井工程。同類井應用效果如表5所示。由表5可知，同國內(nèi)同類井相比[17]，T1井運用CPET主動磁測距系統(tǒng)實現(xiàn)了一次性重入老井眼，效果良好。

表5 同類井應用效果

4 結(jié)論與認識

(1)CPET主動磁測距技術包含系統(tǒng)結(jié)構、測距方法和封井方案等技術內(nèi)涵，可以滿足儲氣庫老井重入的需求，具有較高的推廣價值。

(2)主動磁測距技術現(xiàn)場應用過程中通過井眼軌跡優(yōu)化和精細軌跡控制等手段，再配套隨鉆陀螺定向工具，實現(xiàn)最終的T1井裸眼重入目標，為封井工程的成功奠定了堅實的基礎。

(3)主動磁測距技術是一項系統(tǒng)工程， 需在實踐中不斷發(fā)展、完善，以提高儲氣庫老井封堵的理論和學科水平。