基于套管節(jié)箍自動跟蹤識別技術(shù)的射孔深度控制方法

叢顏

(中石化中原石油工程有限公司 井下特種作業(yè)公司，河南 濮陽 457162)

射孔對油田開發(fā)具有至關(guān)重要的作用，射孔施工的深度控制既是有效進行射孔完井的前提也是油田開發(fā)的關(guān)鍵[1]。射孔能夠在打通套管和油氣層后使油氣流出，由于薄油層的射孔施工具有更大的難度，因此也給射孔施工帶來了新的難題，當需要進行多個油層的鉆取施工時，若射孔深度在地層的射開過程較為完善，能夠準確地在油氣層的上下界面完成射孔，則可以有效提高油井產(chǎn)能，但是由于目前的射孔作業(yè)技術(shù)在進行實際射孔深度控制中存在著較大的困難，傳統(tǒng)依靠人工進行射孔施工的施工精度較低，使射孔深度存在著較大的誤差，成為油田開發(fā)與施工人員重點關(guān)注并亟待解決的問題[2-3]。射孔定位施工若精度不高，則會使油氣層得不到充分的開發(fā)，若存在較大誤差則會突破油氣層的上下界面，誤開底水和氣頂，直接影響著該地區(qū)油田開發(fā)的前景，造成油井的破壞，影響油井開采的年限，因此需要深入分析射孔施工中存在的問題，進行射孔深度控制，盡可能地提高射孔施工的精度[4]。在傳統(tǒng)的油田射孔作業(yè)中，需要識別節(jié)箍信號，在這些信號中會存在著一些干擾噪聲信號，需要對信號壓噪去噪，但對于開采時間在四五十年前的油井而言，往往會出現(xiàn)套管節(jié)箍破損等問題，若直接識別幅度會嚴重影響射孔施工的精度，因此，本文將自動跟蹤技術(shù)應用于射孔施工中，對套管節(jié)箍跟蹤識別，控制射孔深度，對射孔施工提供了參考依據(jù)，對提高射孔施工水平，保證施工精度和質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

1 套管節(jié)箍自動跟蹤識別

1.1 節(jié)箍信號特點

在油田作業(yè)中，第一個油層下的節(jié)箍往往是射孔作業(yè)定位與識別射孔深度的參照，對節(jié)箍信號的識別、對射孔深度的定位與控制具有重要的影響，若未能有效地識別節(jié)箍信號，則會引入更多的錯誤信號，導致射孔深度的探測精度難以滿足射孔作業(yè)的要求，影響射孔作業(yè)的質(zhì)量[5]。因此，在射孔作業(yè)深度控制中，不僅要及時校正射孔深度，還應正確識別節(jié)箍信號。本文基于自動跟蹤識別技術(shù)，采集節(jié)箍信號，分析節(jié)箍信號的特征，并通過濾波技術(shù)處理節(jié)箍信號，從幅度和深度角度出發(fā)，在控制干擾信號的同時識別節(jié)箍位置。本文所用的節(jié)箍信號測量儀器為磁定位器，其測量過程是監(jiān)測探頭在套管中移動，監(jiān)測探頭在套管周圍產(chǎn)生了一定磁場，當磁定位器經(jīng)過節(jié)箍時，會引起周圍的磁場變化，進而使磁力線發(fā)生變化，磁定位器中的探頭根據(jù)鐵磁物質(zhì)的改變進行線圈切割磁力線，從而形成感應電勢，形成節(jié)箍信號具體如圖1所示。

由圖1可知，節(jié)箍信號波形會受檢測速度的影響，產(chǎn)生不規(guī)律的波形，但總體上來說，節(jié)箍信號又存在相同特點，其波形都具有主尖峰和副尖峰，主尖峰在節(jié)箍中間位置，副尖峰位于信號波形的兩側(cè)[6]。主尖峰為單峰信號，對于磁定位器的檢測來說，主尖峰比副尖峰的幅度突出，更利于幅度檢測，因此，在節(jié)箍信號的檢測中，能夠控制干擾，完成節(jié)箍信號的識別，準確定位節(jié)箍深度。在非節(jié)箍處不存在尖峰信號，為了減少干擾信號對檢測的影響，在非節(jié)箍處應關(guān)閉檢測。

1.2 節(jié)箍信號濾波處理與識別

在節(jié)箍信號的識別中，若能夠正確識別出主尖峰信號，就能夠得到套管節(jié)箍的深度，定位射孔深度。為了保證射孔作業(yè)的施工達到深度精度要求，避免出現(xiàn)誤射孔現(xiàn)象，需要結(jié)合自動跟蹤識別技術(shù)的優(yōu)勢，自動跟蹤信號的幅度和深度，在磁定位器探頭進入射孔井段后，采用信號窗口鑒別方法，結(jié)合自動獲取的信號數(shù)據(jù)，調(diào)整門限電平，動態(tài)調(diào)整識別窗口，從而判斷該節(jié)箍信號是否存在異?，F(xiàn)象[7]。由于節(jié)箍信號的大小與磁定位器的運行速度密切關(guān)聯(lián)，速度應控制在0.3～2 km/h，小于0.3 km/h速度過慢，大于2 km/h速度過快。因此在射孔作業(yè)中應適時地調(diào)整測速，信號波形隨磁定位器測速的變化如圖2所示。

由圖2可知，在正常測量條件下，節(jié)箍信號的波形是較為規(guī)律的；在較快的測量速度下的信號，由于不具有足夠的反應時間，因此會產(chǎn)生信號的變形，無法實現(xiàn)正常檢測；在較慢的測量條件下，波形會在主尖峰處出現(xiàn)畸變，不能保證節(jié)箍信號檢測的準確性，為了保證節(jié)箍信號的有效識別，本文通過速度濾波處理信號。其中，磁定位器的測量速度通過平滑濾波迭代，得到平均速度的累加值，計算公式如式(1)所示：

圖2 不同測速狀態(tài)下節(jié)箍信號波形變化示意

(1)

式中：vi，vi-1——當前速度和上一點處理的平均速度的累加值；N——采樣點數(shù)量；v——磁定位器在檢測時的運行速度，從而獲取速度濾波系數(shù)。

經(jīng)過在節(jié)箍信號的平滑處理完成后，對節(jié)箍信號中存在的畸變以及基底的干擾信號都實現(xiàn)了一定的消除，經(jīng)濾波處理后，本文節(jié)箍信號變化規(guī)律，波形曲線呈現(xiàn)出均勻平滑的特點[8]。在節(jié)箍信號識別過程中，先設置門限電平，隨后以信號幅度的變化為依據(jù)，調(diào)整門限電平，并通過深度計數(shù)器不斷更新修改后的計算值。獲取在信號采集期間累加信號的最大幅度值來實現(xiàn)，再比較主尖峰信號幅度值，以信號最大值作為節(jié)箍深度。在已知測井深度的前提下，利用磁定位器繼續(xù)沿井下方向運動，確定下一節(jié)箍位置所在的深度，將該節(jié)箍位置的上下50 cm設置為信號窗口的識別范圍，其他部分的信號將作為干擾信號，不納入識別范圍，在識別窗口進行多次識別后取跟蹤誤差，最后的節(jié)箍深度選擇在誤差值最小的位置，并根據(jù)深度序列繼續(xù)深度跟蹤，將測井中包括深度等一系列參數(shù)的變化數(shù)據(jù)存儲，并以上一點的跟蹤數(shù)據(jù)作為當前數(shù)據(jù)，完成換向跟蹤后跟蹤識別測井深度，在套管節(jié)箍識別后可以進行射孔作業(yè)。

1.3 射孔深度控制

本文基于射孔深度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)校正射孔深度，并設計射孔施工作業(yè)流程。在該系統(tǒng)運行時，施工作業(yè)人員可以并行操作自己的業(yè)務，并從遠程服務器上加載分井信息，進行深度校正的操作，完成射孔施工設計，在標圖完成后審核標圖，校深取值，處理疑難井，進而繼續(xù)校深取值，在射孔施工設計完成后，對其進行復核，并判斷校深取值和標圖審核是否完成，最后審批審核報表和全套資料，審核已經(jīng)提交的審核節(jié)點，具體工作流程如圖3所示。

圖3 射孔深度數(shù)據(jù)處理流程示意

由圖3可知射孔深度數(shù)據(jù)處理情況，為了縮小射孔深度誤差的范圍，需要在射孔作業(yè)中進行以下控制，在測井施工作業(yè)期間維修保養(yǎng)油井的深度系統(tǒng)，若在定期檢查中發(fā)現(xiàn)磨損量較大，且具有風險隱患的則應及時更換，校正深度系統(tǒng)和電纜記號，使測井深度數(shù)據(jù)更加準確[9]。校正各井段的射孔作業(yè)，細化校正井段及校正值，為了減小相鄰井段的校正值差異，各段校正值應盡量在15 cm以內(nèi)。測量儀器檢測的記錄點位置可能會在長時間施工及運行期間出現(xiàn)偏差，需要定期測量，并及時更新連接頭和射孔槍之間的長度變化。在射孔作業(yè)中重點注意在長井段排炮過程中的長度計算，在測試聯(lián)作施工階段，為了進一步把握測量精度，將施工作業(yè)讀圖的讀數(shù)精度精確到0.1 cm，縮短較深定位短接和第一槍射孔距離[10]。為了便于對管柱的調(diào)整，準備好不同規(guī)格的短油管，在加壓引爆射孔槍之前，通過上提的方式調(diào)整管柱，在安全條件下做好管柱定位。由于加壓引爆射孔槍時會產(chǎn)生向下的誤差，因此要適當將管柱在偏上的位置進行定位，不斷修正管柱深度，并在后續(xù)施工中，以射后曲線檢驗結(jié)果為依據(jù)，進行相應的調(diào)整。對于具有定位難度的短節(jié)深度的尖峰，在讀圖較深中通過分別讀取方式實現(xiàn)，保持射孔施工時的測量速度接近于滯后值的測速。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準備

本文利用聯(lián)作測試，在射孔完井后根據(jù)測試的要求，準備地面設備，測井儀，磁定位器等專用工具，測試中所需要的工具和設備，需要進行室內(nèi)性能測試和水壓密封試驗，在檢驗合格后進入井場。井場及周圍應保障無障礙物，且具有完備的照明系統(tǒng)和電路，規(guī)定與套管尺寸相符的標準通井，下入深度應超過本次射孔井底以下30 m。為了控制射孔深度，在試驗射孔作業(yè)中，電纜輸送射孔是將電纜連接射孔槍與校深儀器，一同下放到井筒中，通過測量套管節(jié)箍的深度和長度，結(jié)合測井資料實現(xiàn)射孔深度的控制，將射孔槍對準目標層，在準確定位射孔深度后加壓起爆射孔槍，形成地層到井筒的泄流通道。在油管輸送射孔時將射孔槍連同起爆裝置一同下放，通過一次校深完成深度校正與控制，通過井口調(diào)整管柱，再重復上述射孔方式，運用測井儀測量底層油管節(jié)箍深度，綜合測井資料控制和校正射孔深度，實現(xiàn)施工作業(yè)。本文的射孔深度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于Windows2010平臺開發(fā)，該系統(tǒng)具備排炮、曲線自動化錄入、平差計算等功能，回收現(xiàn)場實測曲線和資料驗收曲線，實現(xiàn)磁盤傳遞數(shù)據(jù)。具體射孔深度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的資料處理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 射孔資料處理結(jié)構(gòu)示意

由圖4可知，利用掃描儀將綜合測井圖中的伽瑪曲線以圖像方式輸入到計算機中，進行曲線的數(shù)字化處理，再將測井曲線進行數(shù)據(jù)文件格式的轉(zhuǎn)化后存儲，便于在射孔施工現(xiàn)場對圖使用，在資料處理中，利用自動化技術(shù)實現(xiàn)自動標圖和校深，得到漸變的校深表曲線，自動計算射孔排炮單，并進行存儲作為現(xiàn)場射孔施工的資料依據(jù)，在射孔施工結(jié)束后，將磁盤連同實測射孔深度數(shù)據(jù)交給校深工作人員，在完成現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)的回收后，反映出現(xiàn)場射孔施工的真實情況，檢查射孔質(zhì)量。

2.2 實驗結(jié)果與結(jié)論

首先驗證本文的節(jié)箍信號濾波處理效果，對特征信號最為明顯的頻段進行噪聲干擾處理，將信號數(shù)據(jù)分段，為了保證實驗效果的準確性，對節(jié)箍測點數(shù)據(jù)進行濾波處理，并分析濾波前后的數(shù)據(jù)誤差，整理得到濾波前后相對誤差對比表，本文選取第2次實驗中的測點1～4的濾波處理前后的測點位置誤差進行分析，具體見表1所列。

表1 第2次實驗濾波前后平均相對誤差對比 %

由表1可知，在經(jīng)過濾波處理后，測點位置數(shù)據(jù)的相對誤差明顯減小，其結(jié)果與實際數(shù)據(jù)更加接近，由此可見，經(jīng)過濾波處理后能夠提高測量數(shù)據(jù)的準確性。定位校深是實現(xiàn)油氣井精確射孔完井的重要條件，為驗證本文方法對射孔深度校正的有效性，預先在本文使用的射孔深度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中導入A井和B井的短節(jié)箍深度，分別為2 219.23～2 220.98 m和2 869.34～2 876.53 m，射孔井段分別為2 310.45～2 325.78 m和3 084.63～3 097.20 m，射孔厚度分別為8.4 m和4.2 m的基本數(shù)據(jù)，并將A井和B井校正前后的數(shù)據(jù)進行對比，具體對比見表2所列。

表2 A井和B井射孔深度校正前后對比 m

由表2可知，經(jīng)過本文方法對射孔深度的校正，最終A井和B井射孔深度校正為2 219.20～2 220.95 m和2 869.35～2 876.54 m，原本誤差值在-4.13～5.83 m，經(jīng)過本文方法校正后，誤差值分別為0.03 m和0.01 m，證明本文方法有效地提供了射孔深度的準確性。根據(jù)本文多射孔作業(yè)環(huán)境下的施工要求，在節(jié)箍信號數(shù)據(jù)識別與采集過程中，設置射孔深度數(shù)據(jù)采集密度為25點/m，定位射孔作業(yè)深度，實現(xiàn)射孔實測，其測試結(jié)果見表3所列。

表3 普通射孔磁定位器信號和標準節(jié)箍信號對比 Hz

由表3可知，本文方法在射孔深度實測中，能夠正常識別節(jié)箍信號，確定射孔深度，且本文射孔實測結(jié)果與施工設計標準結(jié)果的最大誤差為0.13 Hz，其實測信號曲線與標準節(jié)箍信號曲線較為一致，通過本文方法在研究區(qū)域內(nèi)油田的現(xiàn)場應用，通過自動化跟蹤識別技術(shù)增強了射孔作業(yè)的實時性，有效控制了射孔作業(yè)精度。

3 結(jié)束語

本文通過分析節(jié)箍信號特點，濾波處理與識別節(jié)箍信號，控制射孔深度，完成了本文研究，取得了一定的研究成果。由于時間和條件的限制，本文研究還存在著諸多不足，有待于在今后的研究中深入探討，如沒有涉及對伽馬曲線的自動對圖處理，在射孔施工的中間環(huán)節(jié)的研究中，還有許多環(huán)節(jié)需要進行全面分析，盡可能地在各個環(huán)節(jié)減少施工誤差，進而有效保證射孔作業(yè)的質(zhì)量，為更好地進行油氣層的開發(fā)做好準備，未來還將不斷拓寬磁定位曲線的應用領(lǐng)域，利用更加先進的技術(shù)進行準確的校深讀圖，從而更好地控制射孔深度，使油氣層開發(fā)更加完善，保證油井產(chǎn)能和油田開采的年限。