刁斌斌 谷 浩 高德利 趙繼斌 張 森 張文楷

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)油氣消費(fèi)快速增長(zhǎng)、油氣供需矛盾日益加劇。為了緩解我國(guó)油氣供需矛盾，保障我國(guó)油氣供給，必須加大非常規(guī)、低滲透以及海洋等油氣資源的開(kāi)發(fā)力度，同時(shí)進(jìn)一步挖掘老油田開(kāi)發(fā)潛力。這些油氣資源的高效開(kāi)發(fā)對(duì)叢式井工程不斷提出新的重大需求。例如，川渝山區(qū)頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)，客觀上要求盡可能增加每個(gè)井臺(tái)布置的水平井?dāng)?shù)，以便大幅度減少井臺(tái)的個(gè)數(shù)[1]。同時(shí)，為了保障各老油田增儲(chǔ)上產(chǎn)，使得各油田調(diào)整井、滾動(dòng)開(kāi)發(fā)井、叢式井，鉆探各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井逐步增多，井網(wǎng)變密，井與井之間的距離縮小，直井段、斜井段發(fā)生兩井相碰的現(xiàn)象有所增加，報(bào)廢進(jìn)尺，重復(fù)施工現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[2-8]。

在發(fā)明鄰井防碰工具之前，國(guó)內(nèi)外專家主要是通過(guò)分析井眼位置的不確定性[9-11]和計(jì)算鄰井分離系數(shù)[12-13]來(lái)評(píng)估鄰井的交碰風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái),雖然評(píng)估鄰井交碰風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算方法取得了較大發(fā)展，但是由于無(wú)法避免井眼軌跡累積誤差的產(chǎn)生，傳統(tǒng)的井眼軌跡測(cè)斜工具仍然無(wú)法滿足密集叢式井鉆井工程需求。近些年，SWG(Single Wire Guidance Tool)工具[9]、RMRS(Rotating Magnet Ranging System)工具[15-16]和MagTraC工具[17-19]的發(fā)明，使鄰井防碰技術(shù)取得了跨越式發(fā)展。這些工具的顯著特點(diǎn)是可以在井下直接探測(cè)鄰井距離和相對(duì)方位的鄰井防碰工具。

國(guó)內(nèi)對(duì)鄰井防碰工具的研究起步較晚。筆者在對(duì)井下管柱周圍空間磁場(chǎng)分布規(guī)律和測(cè)距計(jì)算模型進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，研制了隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)樣機(jī)，并進(jìn)行了地面和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 隨鉆磁測(cè)距方法

相比水平連通井和SAGD(Steam-Assisted Gravity Drainage)雙水平井定向鉆井工程，井眼防碰作業(yè)對(duì)鄰井距離測(cè)量精度要求較低，但是要求不影響已鉆井的生產(chǎn)作業(yè)。而且，井眼防碰測(cè)量最好能夠隨鉆測(cè)量，以縮短鉆井周期，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約鉆井成本。因此，相比需要在已鉆井中下入磁信標(biāo)或弱磁檢測(cè)探管的主動(dòng)磁測(cè)距技術(shù)，井眼防碰作業(yè)宜采用隨鉆測(cè)量鄰井管柱自身磁場(chǎng)的被動(dòng)磁測(cè)距方法。

套管上剩余磁場(chǎng)有多種來(lái)源，其主要來(lái)源是套管機(jī)械加工制造(特別是套管接箍螺紋的機(jī)械加工)過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)和套管磁探傷過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)?？梢园岩桓坠芸醋饕粋€(gè)磁偶極子，套管的一端代表N極，另一端代表S極。由于測(cè)點(diǎn)到套管的距離不會(huì)遠(yuǎn)大于套管的長(zhǎng)度，所以套管周圍空間的磁場(chǎng)分布相當(dāng)于磁偶極子近場(chǎng)的磁場(chǎng)分布。磁偶極子近場(chǎng)磁場(chǎng)計(jì)算模型如圖1所示。套管周圍空間的磁場(chǎng)分布可表示為[19]：

(1)

(2)

式中：Q為磁荷的大小，Bz、Br為P點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度在z軸和r軸方向上的分量,l為套管長(zhǎng)度的；r為套管到探管的徑向間距。

圖1 磁偶極子近場(chǎng)磁場(chǎng)計(jì)算模型Fig.1 Calculation model for near-field magnetic field of magnetic dipole

已鉆井中多根套管連接在一起，相當(dāng)于多個(gè)磁偶極子沿井眼延伸方向排列在一起，其中一個(gè)磁偶極子的N極可能與另一個(gè)磁偶極子的S極相連，也可能與另一個(gè)磁偶極子的N極相連。已鉆井周圍空間某點(diǎn)測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度是這些磁偶極子磁場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和，也是套管到探管的徑向間距r的函數(shù)。因此，可以通過(guò)測(cè)量已鉆井周圍空間的磁場(chǎng)分布，反演計(jì)算在鉆井到已鉆井的距離。

在鉆井到已鉆井方向計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 在鉆井到已鉆井方向計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of direction from well being drilled to well drilled

已鉆井井眼高邊h與r之間的夾角Ahr可表示為：

Ahr=Ahx+Axr

(3)

其中:

(4)

(5)

Bcx=Bx-Be(cosΘsinAcosα+

cosΘcosAcosIsinα-sinΘsinIsinα)

(6)

Bcy=By-Be(cosΘcosAcosIcosα+

sinΘsinIcosα-cosΘsinAsinα)

(7)

式中：Gx和Gy分別代表探管內(nèi)部X軸和Y軸重力加速度傳感器測(cè)得的重力場(chǎng)分量；Bcx和Bcy分別代表所述相鄰已鉆井套管剩磁的X軸和Y軸分量；Bx和By分別代表探管內(nèi)部X軸和Y軸磁通門(mén)測(cè)得的磁場(chǎng)分量；Be代表當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度；I代表探管的傾角；A代表探管擺放的方位角；α代表探管X軸擺放的橫滾角；Θ代表當(dāng)?shù)氐拇艃A角。

2 樣機(jī)研制

隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of magnetic ranging anti-collision while drilling system

隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)兼具測(cè)距和測(cè)斜2種模式，主要由高精度磁測(cè)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(duì)位置計(jì)算軟件，以及配套的鉆井液脈沖器、立管壓力傳感器、司鉆顯示器等部件組成。測(cè)斜模式下，該系統(tǒng)相當(dāng)于MWD(Measurement While Drilling)工具。測(cè)距模式下，高精度磁測(cè)量探管隨鉆檢測(cè)由相鄰已鉆井套管和地磁場(chǎng)產(chǎn)生的三軸磁感應(yīng)強(qiáng)度，并將相隔一定距離的兩組三軸磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)通過(guò)整流編碼驅(qū)動(dòng)短節(jié)和鉆井液脈沖器轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫π盘?hào)，上傳到井口；再由立管壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集處理器檢測(cè)解碼后，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，作為鄰井相對(duì)位置計(jì)算軟件的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)而解算在鉆井到已鉆井的距離和方向。

2.1 高精度磁測(cè)量探管

信號(hào)采集處理整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信號(hào)采集處理總體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of signal acquisition and processing

高精度磁測(cè)量探管內(nèi)部主要包括2個(gè)高靈敏度三軸磁通門(mén)傳感器、3個(gè)加速度傳感器、1個(gè)溫度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、高精度采集電路、電源穩(wěn)壓模塊、數(shù)據(jù)處理電路和無(wú)磁骨架。在測(cè)距模式下，高精度磁測(cè)量探管的主要功能是檢測(cè)相隔一定間距兩點(diǎn)位置的三軸磁感應(yīng)強(qiáng)度分量和三軸重力加速度分量，并將采集數(shù)據(jù)傳輸給整流編碼驅(qū)動(dòng)短節(jié)。在測(cè)斜模式下，高精度磁測(cè)量探管的功能與MWD探管的功能一致，都是測(cè)量井斜角、方位角、工具面角和溫度等信息。

為了實(shí)現(xiàn)井下管柱磁信號(hào)的高精度測(cè)量，筆者從系統(tǒng)供電、板間電氣隔離與板內(nèi)電路降噪等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的采集精度及抗干擾性能。主要措施包括：①采用采集板和通信板的供電電源隔離方式，采集板與通信板的連接采用帶隔離芯片的RS串口TTL電平接口，抑制板間串?dāng)_；②選用超低噪聲的斬波運(yùn)放作為輸入級(jí)放大器，消除1/f噪聲,并優(yōu)化了濾波放大電路中阻容元件的參數(shù)，從而減小電路的自身噪聲；③選用31位高精度ADC采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)靜磁信號(hào)大幅度情況下的高精度測(cè)量；④將原來(lái)的開(kāi)關(guān)電源器件換成低噪聲線性電源器件，減小電源紋波，抑制高頻噪聲；⑤對(duì)高溫器件的選擇進(jìn)行了嚴(yán)格的選型把控，滿足井下高溫環(huán)境的需求。

2.2 整流編碼驅(qū)動(dòng)短節(jié)

整流編碼驅(qū)動(dòng)短節(jié)的功能包括：將渦輪發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電通過(guò)整流電路變換為直流電，同時(shí)通過(guò)DC/DC變換為各個(gè)電路模塊提供電源；主控CPU通過(guò)串口接收測(cè)量短節(jié)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，應(yīng)用CPU內(nèi)嵌的編碼方法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,并將編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送至脈沖驅(qū)動(dòng)模塊，脈沖驅(qū)動(dòng)模塊完成對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率放大，驅(qū)動(dòng)脈沖器工作；主控CPU根據(jù)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)電路發(fā)送的狀態(tài)信號(hào)判斷儀器是否處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，根據(jù)是否處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)設(shè)置儀器的工作模式，同時(shí)通過(guò)狀態(tài)信號(hào)來(lái)進(jìn)行儀器工作模式的切換。

整流編碼驅(qū)動(dòng)短節(jié)電路總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 整流編碼驅(qū)動(dòng)短節(jié)電路總體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of rectifier-encoded drive pup circuit

整流電源控制板接收渦輪發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電，整流并經(jīng)過(guò)DC/DC變換后為主控板及旋轉(zhuǎn)測(cè)量板提供5 V電源，為靜磁隨鉆防碰探管提供20 V電源；主控板通過(guò)串口與靜磁隨鉆防碰探管進(jìn)行通信，接收靜磁隨鉆防碰探管發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行編碼后，將編碼后的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)線發(fā)送至整流電源控制板；旋轉(zhuǎn)測(cè)量電路通過(guò)速率陀螺檢測(cè)系統(tǒng)是否處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，將檢測(cè)到的結(jié)果通過(guò)信號(hào)線發(fā)送至主控板；整流電源控制板接收主控板發(fā)送的編碼輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大，通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)線輸出至脈沖器，驅(qū)動(dòng)脈沖器工作。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 地面模擬試驗(yàn)

為模擬鉆井過(guò)程中探管與相鄰已鉆井的相對(duì)位置關(guān)系，建立了地面模擬試驗(yàn)裝置。該裝置包括高精度磁測(cè)量探管、數(shù)據(jù)采集處理器、安裝測(cè)距計(jì)算軟件的筆記本電腦、?172 mm套管、可移動(dòng)支架、無(wú)磁軌道和移動(dòng)電源等。

試驗(yàn)方案：固定5根相連的套管代表已鉆井，在距套管不同距離處設(shè)置無(wú)磁軌道，將固定在可移動(dòng)支架上的高精度磁測(cè)量探管放置在無(wú)磁軌道上，探管移動(dòng)的軌跡代表在鉆井軌跡；在無(wú)磁軌道上，探管每移動(dòng)1 m進(jìn)行一次測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)作為測(cè)距計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

當(dāng)探管到套管的水平距離為9.90 m，垂直距離為0.56 m時(shí)，隨探管的移動(dòng)，探管測(cè)到磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)如圖6所示。當(dāng)探管到套管的水平距離為不同值時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。由表1和表2可知，在試驗(yàn)范圍15.31 m以內(nèi)，探管到套管徑向距離的計(jì)算誤差小于±4%，方向計(jì)算誤差小于±4°。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)樣機(jī)在地面模擬試驗(yàn)中的測(cè)距準(zhǔn)確可靠。

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨探管移動(dòng)的變化曲線Fig.6 Variation of magnetic induction intensity with probe motion

水平距離/m垂直距離/mr測(cè)量值/mr計(jì)算值/m相對(duì)誤差/%5.300.565.335.431.899.900.569.9210.313.9815.300.5615.3115.813.26

表2 Ahr的計(jì)算值與計(jì)算誤差Table 2 Calculated value and calculation error of Ahr

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

雖然常規(guī)井眼軌跡的測(cè)量結(jié)果存在累積誤差，但是當(dāng)井深較淺時(shí)，井眼軌跡的測(cè)量誤差較小。因此，選擇在某個(gè)叢式水平井平臺(tái)的淺層井段開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這時(shí)在鉆井與相鄰已鉆井的距離掃描計(jì)算結(jié)果的誤差較小，可以利用鄰井距離掃描計(jì)算結(jié)果與研制的隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所研制的隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)在實(shí)際鉆井工程中測(cè)距結(jié)果的可靠性。

試驗(yàn)時(shí)，在鉆井已鉆至866 m，這時(shí)在鉆井已鉆井段和相鄰已鉆井的井身結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 在鉆井已鉆井段和相鄰已鉆井的井身結(jié)構(gòu)Fig.7 Well profiles of drilled interval of well being drilled and adjacent well drilled

綜合考慮在鉆井一開(kāi)井深和井壁的穩(wěn)定性，選擇井深為479～534 m的井段作為試驗(yàn)井段。試驗(yàn)中，隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)的井下分系統(tǒng)(見(jiàn)圖8)隨鉆具下放至試驗(yàn)井段，首先在系統(tǒng)的測(cè)斜模式下進(jìn)行一次測(cè)斜，并驗(yàn)證測(cè)斜結(jié)果的可靠性；然后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆柱開(kāi)啟系統(tǒng)的測(cè)距模式，進(jìn)入測(cè)距模式后，在鉆柱不旋轉(zhuǎn)的條件下，每下放鉆具2 m，測(cè)量鄰井管柱磁場(chǎng)一次；最后，基于測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)距計(jì)算。測(cè)距計(jì)算結(jié)果與鄰井距離掃描計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)井段，隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)的測(cè)距計(jì)算結(jié)果接近鄰井距離計(jì)算結(jié)果。因此，隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)的測(cè)距計(jì)算結(jié)果可靠，能夠用于叢式井防碰作業(yè)。

圖8 隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)井下分系統(tǒng)Fig.8 Downhole subsystem of magnetic ranging anti-collision while drilling system

表3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of test results

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)叢式井、加密井等定向鉆井工程對(duì)高精度井眼防碰技術(shù)的迫切需求，研制了兼具隨鉆測(cè)距和測(cè)斜2種功能的隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)樣機(jī)。該樣機(jī)由高精度磁測(cè)距探管、整流編碼驅(qū)動(dòng)短節(jié)、數(shù)據(jù)采集處理器和鄰井空間相對(duì)位置計(jì)算軟件等組成。

(2)地面模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，鄰井間距小于等于15.31 m時(shí)，探管到套管徑向距離的計(jì)算誤差小于±4%，方向計(jì)算誤差小于±4°；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)井段，隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)的測(cè)距計(jì)算結(jié)果與鄰井距離計(jì)算結(jié)果接近，隨鉆磁測(cè)距防碰系統(tǒng)能夠用于叢式井防碰作業(yè)。

(3)在地面和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，探管軸向與鄰井管柱軸向都近似平行。為了更好地滿足叢式井定向鉆井工程的需求，針對(duì)非平行井段的測(cè)距防碰問(wèn)題還需要進(jìn)一步深入研究。