陳劍垚

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

SAGD平行井套管內(nèi)磁引導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)

陳劍垚

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

SAGD平行井是稠油開采的重要方法，它對兩井的空間軌跡要求較高。相比較常規(guī)隨鉆儀器，借助于MGT磁定位的磁引導(dǎo)技術(shù)有利于進(jìn)一步提高鉆孔軌跡檢測精度和檢測效率。目前還未見國產(chǎn)同類成熟儀器應(yīng)用的報(bào)道。主要介紹了室外套管地面模擬實(shí)驗(yàn)，研究軌跡精度與套管內(nèi)磁響應(yīng)之間的關(guān)系，為儀器的實(shí)際應(yīng)用提供修正數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。實(shí)驗(yàn)以通電螺線管作為磁發(fā)射源，并置于?139.7 mm套管中，以磁傳感器為接收源，采集數(shù)據(jù)，最后由電腦解析數(shù)據(jù)算出兩者的相對位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)不斷改變傳感器與套管的相對位置，以模擬鉆頭鉆進(jìn)的真實(shí)情況。實(shí)驗(yàn)共采集了18種形態(tài)，共198點(diǎn)位數(shù)據(jù)。在修正前，計(jì)算的總距離平均誤差在7%左右，平面誤差為9.4%左右。修正后誤差為之前的一半。結(jié)果表明，計(jì)算點(diǎn)能夠真實(shí)反映軌跡的實(shí)際方向。

螺線管；SAGD；雙平行井；定位技術(shù)；磁場；導(dǎo)向

0 引言

SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage)蒸汽輔助重力泄油技術(shù)，是稠油油藏開采的重要手段，近年來得到廣泛試驗(yàn)與應(yīng)用，該技術(shù)效果顯著，使稠油成為油田原油生產(chǎn)的又一亮點(diǎn)。有數(shù)據(jù)顯示，超稠油采用SAGD技術(shù)開發(fā)，采收率一般大于50%[1]。與常規(guī)的蒸汽吞吐開采不同，SAGD技術(shù)以雙水平井井組方式開采，即上部一個(gè)注汽井，下部一個(gè)生產(chǎn)井。作業(yè)時(shí)，向上部注汽井內(nèi)注入高溫蒸汽，加熱周圍稠油，稠油在融化后由于自重流入到下部生產(chǎn)井中[2]。為確保SAGD水平井的開采效率，施工時(shí)要求上下兩井水平段在剖面上盡量保持平行，間隔通常為5 m，平面上兩井盡量在一條直線上，誤差不超過±1 m。

常規(guī)SAGD軌跡控制在理論上可保證兩井眼軌跡在方位上的一致性，但在實(shí)際控制過程中，由于測量儀器受到磁場干擾，以及鉆進(jìn)過程地層、鉆具等方面的原因，都不能保證軌跡穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)[3]。為滿足鉆井需要，國外研發(fā)出多種基于電磁原理的空間定位工具，如MGT和RMRS等[4-6]。MGT(Magnetic Guidance Tool)即磁導(dǎo)向工具，是一種用于SAGD雙水平井定向鉆井的導(dǎo)向工具，在國外有95%的雙水平井都采用了MGT進(jìn)行導(dǎo)向[7]。RMRS(Rotating Magnet Ranging System)系統(tǒng)主要用于煤層氣、鹽堿等可溶性礦產(chǎn)對接井施工，也有用于平行井的案例，但數(shù)量較少。近些年，國內(nèi)也研發(fā)出了“慧磁”對接引導(dǎo)系統(tǒng)，并已商用化[8-10]。MGT的發(fā)射源是一種大功率的螺線管，作業(yè)時(shí)放在生產(chǎn)井中，引導(dǎo)上部正鉆井施工。相比于主動(dòng)測量如RMRS、慧磁系統(tǒng)等，MGT具有耐溫高、數(shù)據(jù)傳輸量要求少等優(yōu)點(diǎn)，正鉆井無需磁接頭，馬達(dá)負(fù)擔(dān)較小，不會(huì)影響鉆頭造斜率[11]。國內(nèi)有文獻(xiàn)介紹了類似的技術(shù)[12]，但僅局限于原理公式，沒有相關(guān)實(shí)驗(yàn)。本文重點(diǎn)介紹了室外套管內(nèi)SAGD模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，并對常見案例進(jìn)行了總結(jié)，推測出套管對磁場的扭曲影響和特征。

1 螺線管定位技術(shù)原理

1.1 基本原理

如圖1所示，螺線管在正反向通電時(shí)會(huì)在空間某點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的磁矢量，磁傳感器采集到信號后由電腦根據(jù)磁場分布特性，推算出兩者的相對位置關(guān)系。

圖1 螺線管磁場分布

1.2 數(shù)學(xué)模型

螺線管可看作是多個(gè)線圈的簡單疊加，圖2所示為其中的一個(gè)。

圖2 環(huán)形電流磁場模型

(1)

式中：I——通電電流，A；R——線圈半徑，m；α——OP與X軸的夾角，rad；i、j、k——分別為三個(gè)坐標(biāo)軸的單位矢量。

導(dǎo)線元的坐標(biāo)為(Rcosα，Rsinα，0),導(dǎo)線元在場點(diǎn)P(x0，y0，z0)產(chǎn)生的磁場為[13]：

(2)

式(2)通過數(shù)值方法求得近似解，用傳感器捕獲到磁場的變化值，代入計(jì)算公式，經(jīng)過解析程序推導(dǎo)出兩者的相對坐標(biāo)。

2 模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

主要包括鋁制支架，磁傳感器(封裝在探管內(nèi)，下稱探管)，螺線管和電腦等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用點(diǎn)測量方法，即螺線管位置固定不變，探管按照設(shè)計(jì)軌跡，每前進(jìn)一段距離，螺線管正反向通電各一次，探管在采集兩次磁場信號后繼續(xù)前進(jìn)，模擬鉆頭進(jìn)尺，如此重復(fù)測量。實(shí)驗(yàn)共測量6條軌跡，18種姿態(tài)，覆蓋了鉆井中可能出現(xiàn)的大部分情況。圖3所示為測試平面投影圖，每條軌跡在剖面又分為上傾、水平和下傾3種變化。圖4為測量時(shí)部分波形截圖。

圖3 平面投影軌跡

圖4 部分波形截圖

2.3 注意事項(xiàng)

2.3.1 磁環(huán)境

磁實(shí)驗(yàn)對環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，除了遠(yuǎn)離高壓電線、大規(guī)模建筑群外，也要與大功率電器車輛等保持一定距離。尤其在探管附近及探管與發(fā)射源之間，不能有除實(shí)驗(yàn)外的鐵磁體出現(xiàn)。本次實(shí)驗(yàn)位于一幢一層建筑外，儀器架子使用鋁制材料。為增加結(jié)果的準(zhǔn)確性，螺線管采用12 V直流電源供電，測試半徑控制在2 m之內(nèi)，在此范圍內(nèi)發(fā)射源的信號強(qiáng)，能保持較高的信噪比。此外，還要考慮套管對探管的干擾。在SAGD引導(dǎo)作業(yè)時(shí)，發(fā)射源一般放在生產(chǎn)井中，通常情況下，生產(chǎn)井都已經(jīng)完鉆并下入套管，為模擬真實(shí)情況，本實(shí)驗(yàn)采用?139.7 mm×7.72 mm J55套管。套管會(huì)被地磁場磁化產(chǎn)生一個(gè)干擾場[14]，干擾探管的磁方位。因此在布置套管前，要先測量好軌跡的方位。圖5為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)照片場景。

圖5 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)照片

2.3.2 磁矩值校核

根據(jù)靜磁屏蔽理論，鐵磁體對靜磁場的屏蔽是利用其自身磁阻小從而對磁路進(jìn)行分流來實(shí)現(xiàn)的[15](如圖6所示)。同理當(dāng)磁發(fā)射源位于相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1的套管內(nèi)時(shí)，在外部接收的場強(qiáng)也會(huì)減弱。公式(3)是圓筒屏蔽體徑向磁屏蔽系數(shù)的計(jì)算公式[16]。另外還有衰減問題，衰減系數(shù)的計(jì)算較為復(fù)雜，與材料、使用時(shí)間和環(huán)境等有關(guān)[17]，本文暫不考慮。找到屏蔽規(guī)律，確定合適的磁矩值對于解析結(jié)果有重要意義。

圖6 套管對外磁場的屏蔽

(3)

式中:k——磁屏蔽系數(shù)；a、b——套管的外半徑和內(nèi)半徑,m；μr——套管的相對磁導(dǎo)率，無量綱。

計(jì)算磁矩值最簡單的方法是標(biāo)定校核。標(biāo)定過程與2.2所述測量方法一樣，但探管與螺線管的位置關(guān)系是已知的，通過反推的方法算出磁矩值。圖7所示是磁矩校核曲線圖。

圖7 校核曲線

3 結(jié)果及分析

誤差統(tǒng)計(jì)如表1所示，實(shí)驗(yàn)平均總距離誤差在7%左右，其中平面距離誤差百分比為9.4%。

表1 誤差統(tǒng)計(jì)表(未修正)

注：統(tǒng)計(jì)有效數(shù)據(jù)。

3.1 軌跡1結(jié)果(見表2)

表2 軌跡1部分結(jié)果

注：以螺線管為坐標(biāo)原點(diǎn)，磁北坐標(biāo)系。

從表2中可以看出，當(dāng)測點(diǎn)與螺線管連線垂直于螺線管軸線時(shí)，磁場徑向分量接近于零，計(jì)算結(jié)果誤差較大，此類測點(diǎn)的結(jié)果不可靠，屬于無效數(shù)據(jù)，解析時(shí)應(yīng)注意舍去。

3.2 誤差原因分析

與前期室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相比，本次誤差增大了近一倍。此次實(shí)驗(yàn)的最大特點(diǎn)是引入套管，雖然在實(shí)驗(yàn)初進(jìn)行了磁矩校核，但從結(jié)果來看是不夠的。套管不僅影響了磁場的大小，也改變了方向。

要證實(shí)磁場在經(jīng)過套管后方向發(fā)生了改變，直接的方法是對比磁力線的分布情況。而磁力線本身不可見，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常用鐵粉的方法顯示磁力線分布。在本次實(shí)驗(yàn)中套管也是鐵磁體，考慮到會(huì)影響鐵粉的顯示效果，需要找到另外的方法。

圖8所示為無套管時(shí)螺線管磁力線正常分布示意圖。從圖中可以看出，每條磁力線上，都存在這樣的兩個(gè)點(diǎn)：該點(diǎn)的切線方向與螺線管軸線垂直。如果探管恰好位于此點(diǎn)上，且其Z軸與螺線管軸線平行，則磁力線垂直于Z軸，即在Z軸方向的投影為零，磁強(qiáng)為零。如果將螺線管放入套管后，上述切點(diǎn)發(fā)生偏移，證明磁力線發(fā)生了扭曲。

圖8 螺線管磁力線分布

圖9所示為兩種情況下探管采集到切點(diǎn)連線的對比圖。采集時(shí)探管Z軸與螺線管方向平行，且各點(diǎn)基本處于一個(gè)平面。從圖中可以推論，磁力線在經(jīng)過套管后，發(fā)生“折射”變化，切點(diǎn)向螺線管軸線兩側(cè)偏移，即磁力線經(jīng)過套管后被放大。理論上螺線管兩側(cè)的偏移應(yīng)該相同，本例應(yīng)為兩次采集時(shí)螺線管位置偏差造成的。圖10顯示了套管對磁力線的扭曲變作用。

圖9 磁力線對比

圖10 套管扭曲后的磁力線分布

表3所示為根據(jù)兩根切點(diǎn)連線的距離差，對平面坐標(biāo)進(jìn)行修正后的數(shù)據(jù)。對比表2，平面和總體距離誤差減小了近一倍，尤其是后半部分，誤差減小非常明顯。圖11和圖12分別為修正后軌跡1的水平和剖面投影圖。

3.3 常見軌跡分析

軌跡2路徑是實(shí)際鉆進(jìn)中較常見的情況。其路徑在套管正上方，方位與螺線管相同且在同一條投影線上，但在高程有上傾、水平和下傾3種情況。表4是軌跡2路徑水平時(shí)，即軌跡完全與套管平行時(shí)的計(jì)算結(jié)果。圖13是軌跡2三種路徑下的徑向磁場強(qiáng)度值。

從圖13可以看出，當(dāng)兩者方位相同時(shí)，徑向磁場在發(fā)射源前后各出現(xiàn)一個(gè)波峰，兩個(gè)峰值的大小關(guān)系如下：

表3 軌跡1修正結(jié)果

注：以螺線管為坐標(biāo)原點(diǎn)，磁北坐標(biāo)系。

圖11 軌跡1水平投影

圖12 軌跡1剖面投影

軌跡姿態(tài)實(shí)際/cm北東上計(jì)算/cm北東上誤差百分比/%平面總距離軌跡水平-99.872-5.059107-100.19-2.83107.982.251.68-79.898-4.047107-83.99-3.08111.995.264.89-59.923-3.036107-61.27-13.64107.4917.828.72-39.949-2.024107-43.882.05109.9214.155.57-19.974-1.012107-21.936.70111.7339.798.5000107-2.3458.1395.71N/A55.3919.9741.01210723.31-10.21111.4258.5511.5039.9492.02410743.15-3.38111.8615.706.9559.9233.03610763.19-0.62111.938.185.6779.8984.04710783.232.37115.994.667.2899.8725.059107101.402.51113.972.975.17

注：以螺線管為坐標(biāo)原點(diǎn)，磁北坐標(biāo)系。

圖13 軌跡2徑向磁場強(qiáng)度值

(1)當(dāng)軌跡在垂直剖面與螺線管軸線平行時(shí)，兩個(gè)峰值相當(dāng)；

(2)當(dāng)軌跡在垂直剖面上傾遠(yuǎn)離螺線管時(shí)，前峰值大于后峰值；

(3)當(dāng)軌跡在垂直剖面下傾靠近螺線管時(shí)，前峰值小于后峰值。

軌跡2中探管下傾路徑如圖8所示中AB線段，探管與螺線管方位相同時(shí)，兩者在同一剖面內(nèi)。螺線管磁場以O(shè)C為中心線兩端對稱，當(dāng)AB兩點(diǎn)到OC線段的距離相同，但到螺線管軸線距離不同時(shí)，根據(jù)公式(2)、(3)，徑向磁場大小與總距離的三次方成反比，距離越小者徑向磁強(qiáng)越大。

4 結(jié)論

MGT磁引導(dǎo)系統(tǒng)廣泛用于SAGD稠油開采中，是一種以螺線管為磁信號發(fā)射源的定位系統(tǒng)，目前國內(nèi)還沒有同類成熟儀器的相關(guān)報(bào)道。本文在磁定位理論基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了實(shí)驗(yàn)過程，并用自編程序進(jìn)行解析。通過對誤差的分析，推導(dǎo)出套管對磁場的扭曲效果，再次應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法加以證實(shí)。從整個(gè)實(shí)驗(yàn)中得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)螺線管處于套管內(nèi)部時(shí)，計(jì)算的總距離誤差在7%左右，其中平面距離誤差為9.4%，修正后，誤差可減小到原來的一半，與無套管屏蔽時(shí)誤差基本相當(dāng)[18]；

(2)當(dāng)螺線管與探管方位相同時(shí)，可以從徑向磁場判斷探管在剖面上的變化；

(3)當(dāng)磁發(fā)射源位于套管內(nèi)部時(shí)，磁場經(jīng)過套管時(shí)會(huì)被扭曲，方向和大小都會(huì)發(fā)生變化；

(4)需要深入研究套管對磁場的扭曲作用，找到其中的量化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)中所使用的套管是全新的，沒有任何腐蝕和變形，對磁力線的屏蔽較為規(guī)則。實(shí)際應(yīng)用中，磁發(fā)射源即螺線管的擺放位置十分重要，要注意避開套管接箍或其它厚度不均勻位置，使發(fā)射源經(jīng)過套管扭曲作用后的磁力線保持各向同性。此外，在儀器下井前可在地面使用同類型套管做地面實(shí)驗(yàn)，確定屏蔽系數(shù)，計(jì)算磁矩大小，為井下實(shí)際測量做好準(zhǔn)備。

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SimulationExperimentofGuidingwithaMagneticSourceinsidetheCasingofSAGDTwinWell

CHENJian-yao

(The Institute of Exploration Technology, CAGS, Langfang Hebei 065000, China )

SAGD twin well is an important technology for producing heavy crude oil, which demands a lot controlling about the two wells’ trajectory. It’s good to improve the drilling trajectory measuring accuracy and efficiency with the help of MGT technology instead of MWD. At present, there is no report on the application of similar mature instruments made in China. This article mainly introduces an experiment performed on the ground, which tries to find the relationship between the trajectory accuracy and magnetic source inside a casing to provide data and technical support to the practical application. A solenoid which is put into a 139.7mm casing as a magnetic emitter and a magnetic sensor are placed to simulate real drilling situations of SAGD, the relative positions of the twin well are finally worked out by computer analytic data. In the experiment, the relative position between the sensor and the casing is continuously changed to simulate the actual situation of bit drilling. 18 trajectory patterns are collected with 198 point sites data. Before correction, the average errors of calculated total distance was about 7% and the plane errors are about 9.4%; after correction, the errors are reduced to only half the previous ones. The results show that the calculated points can really reflect the actual direction of the trajectory.

solenoid; steam assisted gravity drainage; twin wells; location technology; magnetic field; guidance

2017-01-16；

2017-08-02

陳劍垚，男，漢族，1982年生，勘查技術(shù)與工程專業(yè)，從事定向鉆進(jìn)和磁導(dǎo)向技術(shù)研究工作，河北省廊坊市金光道77號，chen86813995@163.com。

P634.7；TE243+.1

A

1672-7428(2017)09-0021-05