李 翠， 高麗萍， 李 佳， 高德利， 侯煜琨

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000；2.中國石化人力資源共享服務中心東營分中心， 山東東營257000；3.石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京 102249)

隨著油氣資源勘探難度的增大，復雜結(jié)構(gòu)井鉆井技術(shù)成為高效開發(fā)低滲透油藏、非常規(guī)油藏及海洋油氣等復雜油氣藏的關鍵技術(shù)，其中利用水平井、加密井和叢式井開發(fā)低滲透、頁巖油氣等低品位油氣資源取得了良好的開發(fā)效果。但是，加密井和叢式井在鉆井過程中為防止與鄰井發(fā)生碰撞，要求精確測量鄰井距離，僅僅依靠傳統(tǒng)的測斜工具與鄰井掃描軟件難以滿足實際的測控精度要求[1-4]。目前，國外已經(jīng)形成了一系列相對成熟的主動磁探測工具，如MGT電磁引導工具、RMRS旋轉(zhuǎn)磁場測距導向系統(tǒng)和SWG單電纜引導工具等[4-8]，雖然部分電磁探測工具可以用于精確測量鄰井距離，但這些工具均需要在鄰井中下入磁源或探管等設備，既影響已鉆井的正常生產(chǎn)，也增加了鉆井成本[9-15]。

為了降低與鄰井相碰的風險，筆者對鄰井隨鉆電磁防碰測距導向算法進行了深入研究[4]，設計加工了一種無需在鄰井放入磁源或傳感器、能同時監(jiān)測周邊多口已鉆井的鄰井隨鉆電磁測距防碰工具原理樣機，基于鄰井隨鉆電磁防碰測距導向算法編制了地面數(shù)據(jù)采集和分析軟件，并進行了地面模擬試驗。

1 鄰井隨鉆電磁測距防碰工具工作原理

鄰井隨鉆電磁測距防碰工具的工作原理如圖1所示。在正鉆井的井下動力鉆具后面安裝鄰井隨鉆電磁測距防碰工具的探管，探管中間放置磁場傳感器，兩端各有一個磁源，磁源相對于磁場傳感器對稱放置，兩個磁源軸向平行，但磁極方向相反[4]。當探管周圍有套管存在時，套管被磁化后產(chǎn)生一個沿套管軸向的磁場，套管被磁化后的磁感應強度與套管和探管之間的距離有關，利用探管探測到的磁感應強度，結(jié)合探管自身姿態(tài)等數(shù)據(jù)，基于鄰井隨鉆電磁防碰測距導向算法[4]，即可計算得到正鉆井與鄰井的相對距離。

圖1 鄰井隨鉆電磁測距防碰工具工作原理示意Fig.1 Working principle of electromagnetic while-drilling anti-collision tools with an adjacent well

2 模擬試驗設備與方法

現(xiàn)實環(huán)境中充斥著各種磁場，會在一定程度上影響電磁探測工具的探測精度[8]。為了盡量減少周圍環(huán)境磁場對電磁探測工具測量結(jié)果的影響，選擇某未開發(fā)的空曠場地作為試驗場地。該場地遠離各種建筑設置，如公路、高壓電塔和低壓電線等，地下無金屬電纜和管道通過，環(huán)境磁場相對穩(wěn)定，干擾信號很少，適宜作為鄰井隨鉆電磁測距防碰工具的試驗場地。

2.1 試驗設備

地面模擬試驗設備主要包括套管、試驗探管、接口箱和計算機。試驗時，將3根內(nèi)徑為108.6 mm的套管連接在一起，總長度為28.47 m。試驗探管的主體采用無磁鋁合金加工而成，兩端各裝有一個直徑25.0 mm、長度80.0 mm的釹鐵硼永磁鐵，表面磁場強度為5 000 Gs。試驗探管中裝有三軸磁通門傳感器和三軸加速度傳感器[9-10]。試驗探管的兩端通過同步輪和同步帶與驅(qū)動桿相連，手動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動桿，可帶動試驗探管圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)，來模擬鉆柱的旋轉(zhuǎn)。由于模擬試驗在地面完成，無需使用鉆井液脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此可以直接用電纜將試驗探管采集到的交變磁場信號和直流分量數(shù)據(jù)通過接口箱轉(zhuǎn)換為USB接口信號后發(fā)送至計算機，數(shù)據(jù)傳輸速度可達20 kb/s，然后利用地面數(shù)據(jù)采集和分析軟件采集和分析數(shù)據(jù)[15]。

2.2 試驗方法

模擬試驗的主要目的是驗證鄰井隨鉆電磁測距防碰工具工作原理的可行性，驗證鄰井隨鉆電磁防碰測距導向算法的準確性，并對計算結(jié)果可信度進行評價。在套管上選取測點1、測點2和測點3共3個測點，其中測點3為2根套管的接箍位置(見圖2)。

圖2 試驗選取的測點位置Fig.2 Positions of test points in relevant experiments

試驗步驟如下：

1) 將試驗探管距離套管20.00 m以上，模擬正鉆井周圍不存在已鉆井的工況，手動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動桿帶動探管轉(zhuǎn)動，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件測量和保存數(shù)據(jù)；

2) 將試驗探管與套管平行放置，模擬正鉆井周圍存在已鉆井的工況，設置二者間距分別為21.00和2.00 m，手動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動桿帶動探管轉(zhuǎn)動，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件測量和保存數(shù)據(jù)；

3) 將試驗探管與套管平行放置，試驗探管對準套管上的測點1，設置二者間距分別為0.50，1.00，2.00，3.00，4.00和5.00 m，手動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動桿帶動探管轉(zhuǎn)動，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件測量和保存數(shù)據(jù)；

4) 將試驗探管與套管平行放置，試驗探管對準套管上的測點2，重復步驟3)；

5) 將試驗探管與套管平行放置，試驗探管對準套管上的測點3，重復步驟3)；

6) 將試驗探管與套管呈一定夾角放置，試驗探管中間位置與套管上測點1的間距為1.00 m，將試驗探管與套管的夾角分別設置為10°,20°,30°,40°,50°,60°,70°,80°和90°，手動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動桿帶動探管轉(zhuǎn)動，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件測量和保存數(shù)據(jù)；

7) 將試驗探管中間位置與套管上測點1的間距設置為2.00 m，重復步驟6)；

8) 利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件分析處理試驗數(shù)據(jù)。

3 模擬試驗及結(jié)果分析

3.1 測距原理可行性驗證

如圖3所示，套管距離地面0.35 m，試驗探管軸線距離地面0.25 m，初始時刻探管兩端的磁源軸線垂直于地面。

圖3 試驗探管與套管位置關系示意Fig.3 Position relationship between the sensor and the casing

試驗探管距離套管分別為21.00 m和2.00 m時，數(shù)據(jù)采集和分析軟件獲取的測量數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可知：手動旋轉(zhuǎn)探管模擬鉆柱轉(zhuǎn)動，當試驗探管距離套管21.00 m時，在探管旋轉(zhuǎn)一周的過程中采集到的磁場強度信號變化很小，沒有明顯的波峰和波谷出現(xiàn)；當探管距離套管2.00 m時，磁場強度信號毛刺較多，但出現(xiàn)了明顯的波峰和波谷。根據(jù)鄰井隨鉆電磁防碰測距導向算法可知，當探管與套管相距2 m、探管分別旋轉(zhuǎn)96°和276°時，磁源的軸線剛好穿過套管，理論上此時應該出現(xiàn)波峰或波谷；模擬試驗結(jié)果的波峰和波谷恰好出現(xiàn)在96°和276°對應的位置，證明了鄰井隨鉆電磁測距防碰工具工作原理的可行性。

圖4 試驗探管與套管不同距離時的磁場強度Fig.4 Strength of the magnetic field at different distances between the sensor and the casing

3.2 測距算法精度驗證

3.2.1 探管與套管平行放置

將試驗探管與套管平行放置，試驗探管對準套管上測點的位置，間距分別為0.50，1.00，2.00，3.00，4.00和5.00 m，分別記錄3個測點在不同間距下磁場強度信號的波峰、波谷處的磁場強度及對應的角度，利用數(shù)據(jù)采集和分析軟件進行計算，結(jié)果如表1—表3所示。

表1 測點1計算結(jié)果Table 1 Calculation result of test point 1

表2 測點2計算結(jié)果Table 2 Calculation result of test point 2

表3 測點3計算結(jié)果

由表1可知：探管與套管距離不大于3.00 m時，距離誤差與角度誤差均小于10%；當探管與套管間距大于3.00 m時，誤差變大，信號也變得雜亂。分析認為，目前該工具僅采用2個磁源，探管與套管距離較遠時測得的磁場強度信號偏弱，同時受探管內(nèi)電路板本底噪聲的影響，信噪比較低，噪聲信號影響了磁場強度信號的峰值數(shù)據(jù)，導致計算結(jié)果誤差變大。

對比表1—表3可知，由于數(shù)據(jù)采集和分析軟件采用的是交變磁場信號，屏蔽了地磁場和套管自身剩磁的影響，因此不同的探測位置對探管的磁場強度測量結(jié)果的影響相對較??；但在套管接箍位置，由于接箍和套管直徑不同存在臺階，造成計算結(jié)果偏差較大。因此，實際測量時應充分考慮套管接箍位置對磁場強度測量精度的影響。

3.2.2 探管與套管呈夾角放置

將試驗探管與套管呈夾角放置，試驗探管中間位置與套管上測點1的間距為1.00 m，試驗探管與套管夾角分別設置為10°，20°,30°,40°,50°,60°,70°,80°和90°，分別記錄探管與套管不同夾角下測點1的磁場強度峰值和谷值及對應的角度，并采用數(shù)據(jù)采集和分析軟件進行計算，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗探管與套管距離1.00 m時不同夾角的計算結(jié)果Table 4 Calculation result of different angles at the distance between the sensor and the casing of 1.00 m

將試驗探管與套管呈夾角放置，試驗探管中間位置與套管上測點1的間距為2.00 m，試驗探管與套管夾角分別設置為10°～90°，分別記錄探管與套管不同夾角下測點1的磁場強度的峰值和谷值及對應的角度，并采用數(shù)據(jù)采集和分析軟件進行計算，結(jié)果如表5所示。

表5 試驗探管與套管距離2.00 m時不同夾角的計算結(jié)果

由表4和表5可知，當探管與套管之間的夾角不大于50°時，計算結(jié)果較準確，距離誤差與角度誤差均在10%以內(nèi)；當探管與套管之間的夾角大于50°時，由于2個磁源在探管上產(chǎn)生的磁化磁場分布會發(fā)生變化，導致誤差相對較大。因此該工具主要適用于兩井夾角不大于50°的井段，當探管與套管之間的夾角大于50°時，最好換用其他類型的防碰工具進行測距導向。

4 結(jié) 論

1) 鄰井隨鉆電磁測距防碰工具地面模擬試驗驗證了鄰井隨鉆電磁防碰測距導向算法的準確性，為進一步完善鄰井隨鉆電磁防碰系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。

2) 探管與套管平行放置且探管與套管距離為0.50～3.00 m時，可以較準確地計算出鄰井距離和方位信息；但探管與套管距離超過3.00 m時，計算結(jié)果誤差相對較大。因此需要進一步優(yōu)化改進試驗探管，以提高防碰工具的探測精度和有效探測距離。

3) 試驗結(jié)果表明，套管接箍會對磁場強度測量精度產(chǎn)生一定的影響，造成計算結(jié)果偏差較大，因此需要進一步優(yōu)化鄰井隨鉆電磁防碰測距導向算法，以減小套管接箍位置對磁場強度信號的影響。

4) 探管與套管之間的夾角大于50°時，鄰井隨鉆電磁測距防碰工具的測距誤差和方位誤差相對較大，說明該防碰工具有一定的應用局限性，在實際應用中針對該種工況盡量換用其他類型的防碰工具進行測量。

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