救援井磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究進(jìn)展

高德利, 刁斌斌, 于瑞豐, 張 森

(中國石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

近年來,油氣勘探開發(fā)快速向“深、低、海、非”領(lǐng)域發(fā)展,同時(shí)復(fù)雜井工程面臨高溫、高壓、高含硫等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在復(fù)雜井鉆井過程中,一旦發(fā)生井噴失控事故,必須進(jìn)行緊急救援,以減少事故造成的巨大損失。例如,墨西哥灣發(fā)生的“深水地平線”井噴失控事故,不僅導(dǎo)致11人死亡、17人受傷,而且約有319萬桶原油泄露到墨西哥灣里,導(dǎo)致近1500 km海灘受到原油污染,至少2500 km2的海水被石油覆蓋。此次事故被美國前總統(tǒng)奧巴馬比作環(huán)保界的“911”事件[1]。在1933年以前,如果井噴無法從地面控制,則在事故井周圍鉆多口直井進(jìn)入儲(chǔ)層,并以最大速度生產(chǎn)以釋放壓力,這些釋放儲(chǔ)層壓力的直井都被稱為救援井[2]。之后,為更有效地達(dá)到油氣井滅火或制服井噴的目的,救援井鉆井目的發(fā)生了改變,不再是釋放儲(chǔ)層壓力,而是變成向發(fā)生井噴的事故井中泵送壓井液?！吧钏仄骄€”井噴失控事故就是通過救援井工程實(shí)現(xiàn)了徹底封堵[3]。目前,救援井技術(shù)仍是處理井噴失控油氣井工程事故的最后有效手段,也是有必要儲(chǔ)備的關(guān)鍵核心技術(shù)之一[4]。救援井成功的關(guān)鍵在于精確控制救援井定向鉆井軌跡,使其鉆達(dá)事故井足夠近的靶區(qū),甚至與事故井軌跡幾何相交,這對井眼軌跡測量與控制提出了嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。在磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)出現(xiàn)之前,常常不得不鉆多口救援井,經(jīng)過反復(fù)嘗試才有可能取得成功。直到20世紀(jì)70年代初,殼牌公司開始利用下入救援井中的新型磁力計(jì)測量事故井套管剩余磁場,以判斷救援井到事故井的距離和方向[5]。此后,磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)得到了快速發(fā)展,特別是主動(dòng)磁測距技術(shù)的發(fā)明推動(dòng)了救援井工程技術(shù)的進(jìn)步。目前,結(jié)合磁導(dǎo)向鉆井技術(shù),控制救援井軌跡與事故井軌跡相交的定向鉆井工藝已得到廣泛應(yīng)用。筆者首先介紹救援井軌道特點(diǎn),然后從救援井磁測距工具研發(fā)、與事故井相對位置不確定性分析、探測定位方案設(shè)計(jì)等方面分別介紹相關(guān)研究進(jìn)展及最新研究成果,并對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 救援井軌道

救援井軌道通常分為直接連通(simple intercept)、逐步逼近(parallel track)和“pass-by”(oriented intercept)3種[6]。與其他兩種軌道類型相比,“pass-by”型軌道通常包含一個(gè)額外的“pass-by”井段。在該階段,結(jié)合三角測量方法和主動(dòng)磁測距工具可以將救援井與事故井間距的測量誤差由20%減少至10%[7-9],因此“pass-by”型軌道被廣泛應(yīng)用于救援井工程中。當(dāng)條件允許時(shí),優(yōu)先推薦該井型[10]。如圖1所示,“pass-by”型軌道根據(jù)功能可劃分為靠近(approach phase)、定位(locate phase)、伴行(following phase)和連通(intercepting phase)等4個(gè)階段[11-13](圖1中,d為兩井相對距離)。

圖1 救援井“pass-by”型軌道示意圖

在靠近階段,依靠傳統(tǒng)測斜工具引導(dǎo)救援井靠近事故井,當(dāng)主動(dòng)磁測距工具在初始測距點(diǎn)第一次探測到事故井,標(biāo)志著靠近階段的結(jié)束和定位階段的開始。在定位階段,一方面需要通過磁測距工具定位事故井相對救援井的位置,以消除井眼軌跡測量的累積誤差;另一面需要在不發(fā)生超前碰撞的前提下繼續(xù)減少救援井與事故井的相對距離。通常在該階段實(shí)施“pass-by”鉆井作業(yè)。為確保救援井軌跡有足夠調(diào)整空間,提高與事故井連通的幾率,“pass-by”點(diǎn)(交叉點(diǎn))與連通點(diǎn)間的垂直距離應(yīng)大于300 m[13]?！皃ass-by”結(jié)束標(biāo)志著伴行階段的開始,在該階段救援井與事故井的相對距離進(jìn)一步減小,并逐步調(diào)整救援井軌跡與事故井近似平行以驗(yàn)證事故井的準(zhǔn)確位置。之后,兩口井的相對距離進(jìn)一步減少,直至滿足連通鉆井需求時(shí),救援井進(jìn)入連通階段。救援井與事故井的連通可分為在套管固井段連通和在裸眼段連通。對于裸眼段連通,連通點(diǎn)通常選擇事故井最后一層套管的套管鞋下10 m處[12]。直接連通段應(yīng)為穩(wěn)斜段,當(dāng)事故井為直井時(shí),井斜角應(yīng)小于5°[11]。

2 救援井磁測距工具

雖然在20世紀(jì)70年代初就開始通過測量事故井套管的剩余磁場來判斷救援井到事故井的相對位置,但是那時(shí)候定向井工程師仍然很少控制救援井與事故井的軌跡相交。1980年,West等[14]研發(fā)了ELREC(extended lateral range electrical conductivity)工具,救援井與事故井相交的幾率才得到顯著提高。之后,Kuckes等成立了Vector Magnetics公司,ELREC工具也改稱為Wellspot工具。1992年,又提出利用磁場強(qiáng)度梯度確定救援井與目標(biāo)井的矢量距離,并研發(fā)了Wellspot RGR工具,提高了測距精度[15]。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,Vector Magnetics公司發(fā)明了SWG(single wire guidance)[16]、MGT(magnetic guidance tool)[17-18]和RMRS(rotating magnet ranging system)[19-21]等多種類型的磁測距工具,并在叢式井防碰、雙水平井、水平連通井等導(dǎo)向鉆井工程中都得到了廣泛應(yīng)用。2010年,在處理“深水地平線”鉆井平臺(tái)井噴事故的救援井導(dǎo)向鉆井工程中,應(yīng)用了Wellspot、Wellspot RGR、WSAB(Wellspot at Bit)[22]和被動(dòng)磁測距等工具,實(shí)現(xiàn)了救援井與事故井的高效連通。另外,國外相關(guān)技術(shù)公司也對磁測距技術(shù)開展了大量研究。例如,SDI(scientific drilling international)公司研發(fā)了MagTraC隨鉆測距工具[23-24]。

總之,目前已商業(yè)化應(yīng)用的磁測距工具,可以分為“主動(dòng)磁”和“被動(dòng)磁”兩類測距工具。被動(dòng)磁測距工具以自身具有剩磁的井下管柱(包括套管或鉆柱等)作為磁源,測距過程不影響已鉆井的正常作業(yè),但測量結(jié)果易受到其他鐵磁干擾的影響。需要說明的是,被動(dòng)磁測距工具并非專指Halliburton公司的PMR(passive magnetic ranging),而是包括PMR和MagTraC隨鉆測距等在內(nèi)的這類工具。主動(dòng)磁測距工具的磁源可以是正鉆井中的永磁短節(jié)、通電螺線管或已鉆井眼中帶電管柱等,測距范圍大、測距精度高。但是,以永磁短節(jié)和通電螺線管作為磁源的主動(dòng)磁測距工具,需要在正在鉆進(jìn)的井眼和已鉆井眼中都下入儀器。因此目前適用于救援井導(dǎo)向鉆井的磁測距工具是Wellspot系列工具和被動(dòng)磁測距工具。

2.1 主動(dòng)磁測距工具

不同于國外磁測距工具的發(fā)展歷程,墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺(tái)井噴事故后,救援井主動(dòng)磁測距工具的研究才引起國內(nèi)學(xué)者的重視,特別是筆者團(tuán)隊(duì)開展了大量研究工作:2011年分析了Wellspot工具的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)優(yōu)勢及技術(shù)缺陷[25];2012年分析了井下電極注入地層的低頻交變電流在地層及目標(biāo)井套管中的傳播與衰減規(guī)律,得到了利用救援井磁測距工具確定兩口井間距和相對方位的方法,同時(shí)分析了井下電極注入地層的交變電流大小、井下電極與探管間距等因素對該探測工具測量精度的影響[26-27];同年,還提出了基于三電極系應(yīng)用于救援井重入目標(biāo)井的探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,分析了三電極系注入地層的低頻交變電流在地層及目標(biāo)井套管中的傳播與衰減規(guī)律,建立了目標(biāo)井套管上聚集電流產(chǎn)生的交變磁場空間分布模型,得到了救援井與目標(biāo)井間距和相對方位的計(jì)算方法[28];2018年和2019年研究掌握了基于磁場梯度測量的救援井磁導(dǎo)向測距的工作原理,考慮救援井與事故井的空間位置關(guān)系,建立了救援井與事故井平行和非平行時(shí)的磁測距計(jì)算模型,分析了井距、傳感器間距、探管轉(zhuǎn)角、匯聚/發(fā)散角、異面夾角對磁場梯度測量值的影響[29-30];2020年建立了基于雙層徑向介質(zhì)模型的磁測距算法,考慮了救援井鉆井液對測距結(jié)果的影響,提高了磁測距精度[31]。另外,中海油研究總院、西安石油大學(xué)和中國石油工程技術(shù)研究院有限公司等單位也積極開展了一些相關(guān)技術(shù)研究與實(shí)踐[4,32-33]。

目前,現(xiàn)場應(yīng)用的救援井主動(dòng)磁測距工具原理基本上都類似于Wellspot工具。如圖2所示,這類磁測距工具是通過地面電源供電,經(jīng)井下電極向地層注入低頻交變電流,并在事故井管柱上聚集,從而在事故井周圍產(chǎn)生交變磁場。探管檢測到的磁場強(qiáng)度不僅與兩口井間距、電極和探管間距有關(guān),還會(huì)受到注入電流強(qiáng)度、鉆井液、地層、事故井管柱、固井水泥環(huán)等諸多因素的影響。為了利用檢測到的磁場信號(hào)精確計(jì)算兩口井的相對位置,關(guān)鍵是要建立數(shù)學(xué)模型以準(zhǔn)確計(jì)算探管處的磁場強(qiáng)度。相比Kuckes等人將井下電極周圍介質(zhì)近似為各向同性而言,雙層徑向介質(zhì)模型比較科學(xué),但仍未考慮地層各向異性、固井水泥環(huán)等因素的影響。因此需要結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬、物理實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)等綜合方法,進(jìn)一步開展深入研究以提高磁測距精度。此外,中國勘探開發(fā)的儲(chǔ)層越來越深、井底溫度越來越高。例如,在中國的南海鶯—瓊盆地,已知鉆井最高井底溫度達(dá)到了249 ℃[34]。因此不斷提高井下探管的耐溫性能也是今后研制主動(dòng)磁測距工具的工作重點(diǎn)之一。

圖2 救援井主動(dòng)磁測距原理示意圖

2.2 被動(dòng)磁測距工具

被動(dòng)磁測距工具在救援井導(dǎo)向鉆井工程中的應(yīng)用較早,但是由于測距范圍和精度的限制,目前主要用于救援井追蹤跟隨階段。在該階段,救援井與事故井的間距較小,應(yīng)用被動(dòng)磁測距工具可以實(shí)現(xiàn)隨鉆測距,避免兩口井碰撞或提前連通。在叢式井鉆井工程中,當(dāng)鉆至鄰井附近時(shí),MWD(measurement while drilling)探管檢測到的磁方位角和磁感應(yīng)強(qiáng)度將因鄰井管柱的磁干擾而變得異常。定向井工程師常利用這種現(xiàn)象進(jìn)行鄰井防碰預(yù)警,避免井眼發(fā)生碰撞事故[35-36]。但是這種方法并不可靠,因?yàn)榫鹿苤a(chǎn)生的不是勻強(qiáng)磁場,因此國內(nèi)學(xué)者針對管柱周圍的磁場分布開展了許多研究[37-39]。筆者團(tuán)隊(duì)[40]在下井下管柱周圍磁場分布規(guī)律研究的基礎(chǔ)上,研制了兼具測距和測斜兩種功能的隨鉆磁測距防碰系統(tǒng)樣機(jī),而且兩種功能之間的切換無需起鉆;如圖3所示,該系統(tǒng)主要包括高精度磁測量探管、整流編碼驅(qū)動(dòng)短節(jié)、數(shù)據(jù)采集處理器和鄰井相對位置計(jì)算軟件,以及配套的泥漿脈沖器、立管壓力傳感器、司鉆顯示器等部件;地面模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)都表明,隨鉆磁測距防碰系統(tǒng)測距計(jì)算結(jié)果可靠,可以應(yīng)用于隨鉆井眼防碰作業(yè)。

圖3 隨鉆磁測距防碰系統(tǒng)示意圖

相比Wellspot工具,被動(dòng)磁測距工具可以實(shí)現(xiàn)隨鉆測距,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,由于檢測的是井下管柱自身的剩余磁場,其屬于靜磁場并十分微弱,易受到井下鐵磁物質(zhì)的干擾;即使進(jìn)行管柱周圍無其他鐵磁干擾,管柱的接箍、連接順序、磨損等因素都將影響管柱周圍的磁場分布。因此為適應(yīng)這些復(fù)雜工況的挑戰(zhàn),針對被動(dòng)磁測距工具的算法和軟硬件仍需進(jìn)一步開展大量綜合研究。

2.3 磁測距工具測量誤差分析

國內(nèi)外學(xué)者一般將救援井主動(dòng)磁測距工具測量誤差引起的不確定區(qū)域簡單近似為梯形[41-42],這種方法雖然直觀、簡單,但是不能定量描述被測點(diǎn)落在特定區(qū)域內(nèi)的概率,也無法與井眼軌跡誤差相耦合。筆者團(tuán)隊(duì)[43]將旋轉(zhuǎn)磁場測距導(dǎo)向系統(tǒng)(RMRS)測量參數(shù)視為獨(dú)立誤差源,建立了可以與井眼軌跡相耦合的測量誤差模型;通過協(xié)方差傳播率,建立了主動(dòng)磁測距工具的測量誤差模型,該模型得到的主動(dòng)磁測距工具測量誤差與傳統(tǒng)梯形模型結(jié)果的對比如圖4所示[44]。該模型以協(xié)方差矩陣的形式定量描述磁測距工具的測量誤差,在給定的置信因子下可以獲得唯一確定的誤差橢圓。

圖4 主動(dòng)磁測距工具測量誤差示意圖

3 救援井與事故井相對位置的不確定性

3.1 靠近階段

靠近階段兩口井相對距離通常大于45 m,一般無法使用磁測距工具。在該階段,兩口井的相對距離測量誤差由兩口井的井眼軌跡測量誤差耦合得到。減少兩口井的井眼軌跡測量誤差,有利于降低在鉆至初始測距點(diǎn)之前發(fā)生兩口井碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。考慮到事故井無法進(jìn)行復(fù)測,該階段的重點(diǎn)是降低救援井的井眼軌跡測量誤差。在接近階段,救援井的定向鉆井軌跡通常應(yīng)用MWD進(jìn)行隨鉆測量,并采用高精度陀螺測斜儀進(jìn)行復(fù)測[45]。由于受鉆柱、鉆井液和巖屑的磁化影響,MWD在測量方位角過程中容易失真,造成MWD與高精度陀螺的測量結(jié)果存在一定差異。此時(shí),需要采用多測點(diǎn)分析方法對磁干擾進(jìn)行補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)磁方位角校正。多測點(diǎn)分析方法的實(shí)質(zhì)是基于已知的地磁場信息,通過優(yōu)化算法對磁干擾進(jìn)行最佳估計(jì)和補(bǔ)償[46-48]。研究證明,地磁參考場模型越精確,校正后的井斜方位角與高精度陀螺測量結(jié)果差值越小[48]。筆者團(tuán)隊(duì)基于傳感器誤差模型與協(xié)方差傳播率,建立了考慮磁方位校正的井眼軌跡測量誤差計(jì)算模型,通過數(shù)值模擬方法揭示了地磁參考場精度對校正后井眼軌跡測量誤差的影響規(guī)律[50]。由于采用了MWD與陀螺兩種不同工具對同一段井眼軌跡進(jìn)行測量, Chia等[51]建立了基于聯(lián)合測量的井眼最優(yōu)位置估計(jì)方法。然而,該方法計(jì)算量大且無法與現(xiàn)有的工程軟件整合。因此Ledroz等[52]通過加權(quán)處理誤差源權(quán)函數(shù)對該方法進(jìn)行了簡化,并取得了良好效果。但是,加權(quán)值僅適用于同一類型的井型,并不具有普適性。綜上所述,目前減少井眼軌跡測量誤差的主要措施仍然是隨鉆磁方位校正和高精度陀螺復(fù)測。

3.2 測距階段

由于Wellspot這類主動(dòng)磁測距工具不能進(jìn)行隨鉆測量,無法測得工具面角,因此測距階段是一個(gè)聯(lián)合使用磁測距工具與測斜儀器逐步引導(dǎo)救援井定向鉆進(jìn)的過程。如圖5所示,點(diǎn)(1 ,2, … ,n)、點(diǎn)(1*,2*,…,n*)和點(diǎn)(1**,2**,… ,n**)為一組對應(yīng)的測距點(diǎn)。其中點(diǎn)(1 ,2, … ,n)為測距作業(yè)時(shí)救援井當(dāng)前井底;點(diǎn)(1*,2*,… ,n*)是通過磁測距工具定位得到的事故井位置;點(diǎn)(1**,2**,… ,n**)為使用歷史測斜數(shù)據(jù)預(yù)測得到的事故井位置。由于測斜儀器與磁測距工具均存在不同程度的測量誤差,因此點(diǎn)(1*,2*,… ,n*)和點(diǎn)(1**,2**,… ,n**)一般不會(huì)重合。點(diǎn)T為第n次測距后預(yù)測的連通點(diǎn)位置。每次測距作業(yè)后都需要基于測得的事故井位置對其軌跡進(jìn)行修正,并以修正后的點(diǎn)T為靶點(diǎn)重新進(jìn)行待鉆軌道設(shè)計(jì)[42]。

圖5 磁測距工具引導(dǎo)兩口井連通過程示意圖

經(jīng)過磁測距作業(yè),救援井與事故井的相對位置測量誤差如圖6所示。圖中點(diǎn)(n-1)*為上一次測距作業(yè)測得的事故井位置;點(diǎn)p為救援井當(dāng)前井底;點(diǎn)p**為事故井上與點(diǎn)p對應(yīng)的預(yù)測被測點(diǎn)。測距作業(yè)后,以實(shí)測被測點(diǎn)(n-1)*替代點(diǎn)(n-1)**對事故井軌跡進(jìn)行修正。由圖6可知,預(yù)測被測點(diǎn)p**與點(diǎn)(n-1)的相對位置測量誤差由3部分組成:點(diǎn)(n-1)*相對于點(diǎn)(n-1)的測量誤差、點(diǎn)p**相對點(diǎn)(n-1)*的測量誤差及點(diǎn)p相對于點(diǎn)(n-1)的測量誤差。因此,點(diǎn)p**與點(diǎn)(n-1)相對位置測量誤差的協(xié)方差矩陣[44,53]可表示為

圖6 救援井與事故井相對位置測量誤差示意圖

C=Cj+Cs+Cc.

式中,Cs和Cj分別為點(diǎn)p**相對于點(diǎn)(n-1)*和點(diǎn)p相對于點(diǎn)(n-1)的位置測量誤差協(xié)方差矩陣,m2;Cc為點(diǎn)(n-1)*相對于點(diǎn)(n-1)的位置測量誤差協(xié)方差矩陣表示,m2。協(xié)方差矩陣Cs和Cj都可以由測斜數(shù)據(jù)求得,而協(xié)方差矩陣Cc需要結(jié)合磁測距數(shù)據(jù)方可計(jì)算得到。

3.3 Pass-by階段原理分析

由于磁測距工具不可避地存在測量誤差,為提高主動(dòng)磁測距工具的測量精度,“pass-by”方法被廣泛應(yīng)用于救援井。如圖7所示,救援井“pass-by”階段依次在點(diǎn)1、2和3處進(jìn)行磁測距作業(yè);在該階段兩口井的相對距離先減小后增大,根據(jù)測距結(jié)果可以計(jì)算得到兩口井間距最小點(diǎn)4,在該點(diǎn)處進(jìn)行磁測距達(dá)到的測量精度最高。由于測量誤差的存在,每次測距得到的事故井位置通常并不重合。當(dāng)事故井為直井時(shí),在水平投影圖上可以近似認(rèn)為被測點(diǎn)為同一點(diǎn)。根據(jù)三角測量原理可知,存在救援井位置的最優(yōu)估計(jì)點(diǎn),使得估計(jì)點(diǎn)與近似坐標(biāo)的殘差最小。由于并不存在嚴(yán)格意義上的直井,當(dāng)事故井被測點(diǎn)在水平投影圖上偏移較大時(shí),則被測點(diǎn)無法被視為同一點(diǎn)。筆者團(tuán)隊(duì)考慮井眼軌跡測量誤差,建立了對應(yīng)的“pass-by”幾何模型和計(jì)算模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明,由于同時(shí)考慮了測距數(shù)據(jù)與事故井歷史測量數(shù)據(jù),該模型計(jì)算得到的事故井測距點(diǎn)精度較傳統(tǒng)三角測量方法更高[54]。

圖7 救援井“pass-by”階段作業(yè)過程

值得說明的是,“pass-by”階段提高精度的理論基礎(chǔ)是對事故井同一被測點(diǎn)的重復(fù)測量,通常認(rèn)為救援井在“pass-by”階段需要進(jìn)行扭方位作業(yè)來實(shí)現(xiàn)對事故井的繞行,而該階段僅需要救援井以穩(wěn)斜方式經(jīng)過事故井即可實(shí)現(xiàn)對事故井在不同相對方位和距離的重復(fù)測量,這樣操作可以顯著降低救援井定向鉆井的施工難度。

4 救援井測距定位方案設(shè)計(jì)

4.1 磁測距工具優(yōu)選方法

如前所述,國外救援井磁測距工具已形成體系,而且不同磁測距工具之間的性能指標(biāo)和工藝流程差異很大。若選用的磁測距工具探測范圍過大,雖然容易探測到事故井,但是具有較大探測范圍的磁測距工具測距精度一般較低,不利于兩口井實(shí)現(xiàn)最終連通;若選用的磁測距工具探測范圍過小,很有可能無法一次探測到事故井,起鉆更換磁測距工具會(huì)浪費(fèi)大量作業(yè)時(shí)間并增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此在救援井作業(yè)過程中往往需要根據(jù)兩口井間距選用合適的磁測距工具。給定磁測距工具作業(yè)平面和置信因子,事故井設(shè)計(jì)被測點(diǎn)的誤差橢圓可唯一確定。通過對比兩口井相對位置測量誤差橢圓與主動(dòng)磁測距工具探測范圍的空間關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)磁測距工具的優(yōu)選[44-55]。

4.2 測距點(diǎn)設(shè)計(jì)方法

為避免提前連通影響動(dòng)態(tài)壓井,在連通階段以前應(yīng)以救援井不會(huì)與事故井發(fā)生井眼碰撞為最基本準(zhǔn)則,通常分離系數(shù)取1.2[11]。根據(jù)救援井與事故井的相對位置測量誤差分析可知,在初始測距點(diǎn)處兩口井相對位置的不確定性由兩口井井眼軌跡測量誤差耦合得到。在分離系數(shù)為1.2處,考慮井眼軌跡測量誤差橢圓與主動(dòng)磁測距工作范圍,可能存在兩種情況:測距工具探測范圍可以完全覆蓋事故井誤差橢圓或不能完全覆蓋。當(dāng)工具探測范圍足夠大時(shí),可選取探測范圍恰好覆蓋誤差橢圓的位置為初始測距點(diǎn);當(dāng)工具探測半徑不足時(shí),應(yīng)逐漸降低分離系數(shù)直至探測范圍可以完全覆蓋事故井誤差橢圓,若分離系數(shù)為1時(shí)探測范圍仍無法覆蓋,則只好選擇該處作為初始測距點(diǎn),但是存在難以探測到事故井的風(fēng)險(xiǎn)[11,41]。

根據(jù)測量平差原理可知,三角測量或三角網(wǎng)平差模型成立的前提是方差一致性假設(shè),即“pass-by”前后的單位權(quán)方差估值應(yīng)在一定顯著水平下統(tǒng)計(jì)一致。通常用卡方檢測法來驗(yàn)證模型的正確性[56]。在“pass-by”階段,根據(jù)不同的測距點(diǎn)方案,測距點(diǎn)處兩口井的相對距離不同。由于磁測距工具的測距精度與相對距離有關(guān),因此不同方案對應(yīng)的測量精度也不相同。筆者團(tuán)隊(duì)以“pass-by”模型成立為前提,通過卡方檢驗(yàn)和T檢驗(yàn),建立了設(shè)計(jì)流程如圖8所示的“pass-by”階段測距點(diǎn)設(shè)計(jì)方法[54]。

圖8 救援井“pass-by”階段測距點(diǎn)設(shè)計(jì)方法

5 幾點(diǎn)建議

救援井磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展在國外已經(jīng)形成了較為成熟的相關(guān)理論和技術(shù)體系,在安全高效建井工程和井噴事故處理方面發(fā)揮了重要的關(guān)鍵技術(shù)支撐作用。救援井磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)在國內(nèi)起步較晚,但已經(jīng)取得了一定的研究和實(shí)踐成果。通過對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行綜述分析,筆者認(rèn)為中國今后應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)相關(guān)研究:

(1)加強(qiáng)救援井主動(dòng)磁測距工具研究,形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系。主動(dòng)磁測距工具是救援井導(dǎo)向鉆井的必備工具,中國雖然已取得了一些相關(guān)研究成果,但尚需在深層救援井工程中進(jìn)行檢驗(yàn),并力求形成技術(shù)體系,盡快縮小與國際領(lǐng)先水平的技術(shù)差距。

(2)打破已有測距技術(shù)桎梏,通過理論、方法及軟硬件的創(chuàng)新研究,建立適用于救援井導(dǎo)向鉆井隨鉆磁測距技術(shù)體系。近年來,中國主要是在Wellspot工具基礎(chǔ)上開展救援井主動(dòng)磁測距工具研究,盡管基本上可以滿足救援井導(dǎo)向鉆井工程的相關(guān)需求,但是由于不能進(jìn)行隨鉆測量而顯著增加了鉆井周期與作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。國外WSAB工具雖然可以實(shí)現(xiàn)隨鉆測距,但是測距范圍過小。因此,亟需加強(qiáng)救援井導(dǎo)向鉆井隨鉆磁測距技術(shù)研究。

(3)積極開展高精度陀螺等測斜儀器的研發(fā),通過多種測斜工具聯(lián)合測量以減少井眼軌跡測量誤差,并建立相應(yīng)的誤差計(jì)算模型?，F(xiàn)階段中國的井眼軌跡測量多采用單一測斜工具進(jìn)行測量,而現(xiàn)有的陀螺測斜儀或隨鉆測斜儀器已難以滿足救援井、雙水平井、U形水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井導(dǎo)向鉆井的相關(guān)技術(shù)需求。

(4)結(jié)合磁測距工具性能參數(shù),加強(qiáng)救援井軌道設(shè)計(jì)與糾偏控制方法研究。不同于常規(guī)定向井,救援井的軌道設(shè)計(jì)與糾偏控制,既要考慮軌道長度、施工難度等因素,又要有利于減小兩口井相對位置測量誤差、實(shí)施磁測距、避免提前連通、適時(shí)精準(zhǔn)連通等諸多技術(shù)要求,目前國內(nèi)外仍缺少一套相適應(yīng)的系統(tǒng)理論和方法。