楊 玲， 黨 博， 劉 容， 陳嘉輝

(西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院 光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引 言

目前，鉆救援井是解決井噴事故[1]的有效方法，但如何提高救援井中電磁傳感器的探測(cè)性能[2]，使其能更精確地探測(cè)定位事故井以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)連通，是實(shí)施救援的首要問(wèn)題之一。由于事故井井口一般無(wú)法靠近，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)距導(dǎo)向系統(tǒng)的探測(cè)工具無(wú)法置入事故井中，為了解決這一問(wèn)題，國(guó)外通常在救援井中采用Wellspot導(dǎo)向工具直接探測(cè)其與事故井的相對(duì)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)救援井與事故井的鉆進(jìn)連通。但此技術(shù)屬核心保密技術(shù)，我國(guó)在這方面缺乏深入研究。文獻(xiàn)[3]采用井地電流注入法，構(gòu)建了基于點(diǎn)源的事故井套管的匯聚電流模型，并對(duì)影響匯聚電流密度的因素進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4,5]提出了一種基于三電極系的救援井與事故井連通方法，通過(guò)分析低頻交變電流在地層及事故井套管中的傳播與衰減規(guī)律，利用探管所探測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算救援井與事故井的間距和方位。

本文在已有工作基礎(chǔ)上，將瞬變電磁法應(yīng)用于救援井與事故井的方位探測(cè)中，利用瞬變電磁傳感器在救援井中發(fā)射瞬變電磁激勵(lì)信號(hào)，探測(cè)地層中隨介質(zhì)電阻率變化的二次渦流場(chǎng)，通過(guò)二次場(chǎng)信息反演事故井套管的距離和方位，并利用Comsol Multiphysics 仿真軟件對(duì)瞬變電磁傳感器探測(cè)性能的影響因素進(jìn)行了分析，可為事故井的精確探測(cè)提供理論依據(jù)。

1 救援井瞬變電磁探測(cè)模型

救援井瞬變電磁探測(cè)模型如圖1所示，采用收發(fā)一體的瞬變電磁探頭收發(fā)裝置，介質(zhì)由內(nèi)到外分別為鐵芯、空氣、地層和事故井套管(或鉆桿)，對(duì)應(yīng)的電參量分別為(μj,εj,σj)，半徑分別為rj。

根據(jù)麥克斯韋方程組，引入無(wú)源區(qū)矢量A，可得發(fā)射線圈在空間中產(chǎn)生的一次場(chǎng)矢量勢(shì)滿足

(1)

將發(fā)射線圈等效成電流環(huán)，利用修正貝塞爾函數(shù)的加法公式以及三角函數(shù)的正交性求解，可得各層介質(zhì)中二次場(chǎng)產(chǎn)生的矢量位Aφ大小為[6]

(2)

(3)

(4)

式中M和Kn分別為G-S方法的階數(shù)和濾波系數(shù)。

2 救援井瞬變電磁傳感器探測(cè)定位方法

通過(guò)對(duì)電磁探頭的發(fā)射線圈施加雙極性階躍或斜階躍激勵(lì)信號(hào)，產(chǎn)生與介質(zhì)電阻率相關(guān)且呈指數(shù)規(guī)律衰減的二次渦流場(chǎng)[8]。由于事故井金屬套管(或鉆桿)與地層之間電導(dǎo)率差異極大，二次渦流場(chǎng)主要受到事故井的影響，因此,通過(guò)判斷接收線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U(t)就可以反演出救援井與事故井套管之間的距離r3，則事故井套管位于以救援井中儀器探頭為中心，r3為半徑的圓周上。圖2(a)為救援井與事故井套管的探測(cè)示意圖。儀器下井過(guò)程中，如果接收線圈晚期感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值逐漸增大，則說(shuō)明瞬變電磁傳感器與事故井套管之間的距離越來(lái)越小，儀器正不斷靠近事故井，如圖2(b)所示。

圖2 事故井套管空間幾何定位方法

當(dāng)測(cè)井儀器位于救援井中A位置時(shí)，由接收線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反演的事故井與救援井的距離為rA，將儀器下放距離L至N位置，由接收線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反演的事故井與救援井之間的距離為rN。以A′為原點(diǎn)，A′B′為x軸，A′D′為y軸，A′A為z軸，建立直角坐標(biāo)系。由先驗(yàn)信息可知救援井井斜角為α，且rA和rN在面A′B′C′D′的投影分別為rA和rN，L在面A′B′C′D′的投影為A′O，則事故井套管與救援井的方位角為A′D′和OD之間的夾角β[9]。

由幾何關(guān)系可知，當(dāng)瞬變電磁傳感器位于救援井中A,N位置處時(shí)，事故井套管與救援井的位置關(guān)系在△A′D′C′中滿足勾股定理，其方位角為

(5)

在救援井中逐漸下放測(cè)井儀器，采用上述定位方法，直至實(shí)現(xiàn)救援井與事故井套管的鉆進(jìn)連通。當(dāng)由接收線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反演的事故井套管的距離多次不變時(shí)，則表示救援井與事故井平行，則只需根據(jù)方位信息來(lái)估計(jì)事故井套管相對(duì)救援井的位置即可。

3 瞬變電磁法救援井探測(cè)性能影響因素分析

采用Comsol Multiphysics 仿真軟件，建立救援井瞬變電磁探測(cè)的等效模型如圖3所示。設(shè)定鐵芯半徑30 mm，長(zhǎng)度為600 mm；發(fā)射線圈匝數(shù)為600匝，發(fā)射電流為5 A；接收線圈匝數(shù)為1 200匝；事故井套管的壁厚為9.19 mm，電導(dǎo)率為1×106；地層電導(dǎo)率為0.02 S/m。

圖3 救援井瞬變電磁探測(cè)等效模型

3.1 發(fā)射電流對(duì)事故井電磁探測(cè)性能的影響

發(fā)射電流的大小直接影響救援井中瞬變電磁傳感器的探測(cè)能力,令救援井與事故井套管的間距為30 m，其他參數(shù)不變，僅改變發(fā)射電流的大小，設(shè)定發(fā)射電流分別為1，10，20 A，根據(jù)事故井套管上的渦流場(chǎng)對(duì)傳感器探測(cè)性能進(jìn)行分析。仿真結(jié)果如圖4所示。可知，事故井套管上的二次渦流場(chǎng)與發(fā)射電流大小成正比，電流越大，瞬變電磁傳感器探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度越大。因此，為了提高救援井中電磁探頭的探測(cè)能力，改善瞬變電磁傳感器的探測(cè)信噪比，在功率允許范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能地增大發(fā)射電流。

圖4 發(fā)射電流對(duì)電磁傳感器探測(cè)性能的影響

3.2 發(fā)射線圈匝數(shù)對(duì)事故井電磁探測(cè)性能的影響

在不改變救援井中瞬變電磁傳感器發(fā)射電流的前提下，將發(fā)射線圈的匝數(shù)分別設(shè)置為300，900，1 200匝，觀察事故井套管上的二次渦流場(chǎng)分布，由此分析發(fā)射線圈匝數(shù)對(duì)瞬變電磁傳感器探測(cè)性能的影響。事故井套管上的二次渦流場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 發(fā)射線圈匝數(shù)對(duì)電磁傳感器探測(cè)性能的影響

可以看出，事故井套管上的二次渦流場(chǎng)強(qiáng)度隨著發(fā)射線圈匝數(shù)的增大而增大。發(fā)射線圈匝數(shù)越多，接收線圈接收到的二次場(chǎng)信號(hào)就越強(qiáng)，瞬變電磁傳感器的探測(cè)性能就越好。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡可能地增大發(fā)射線圈匝數(shù)，以提高瞬變電磁探測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)事故井套管的精確定位。

3.3 救援井與事故井間距對(duì)電磁探測(cè)性能的影響

保持發(fā)射電流和發(fā)射線圈匝數(shù)不變，將救援井與事故井套管間距分別設(shè)置為20，30，40 m，并對(duì)事故井套管上的二次渦流場(chǎng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 救援井與事故井間距對(duì)電磁傳感器探測(cè)性能的影響

由圖6可知，救援井與事故井套管間距越大，接收線圈接收到的二次場(chǎng)信號(hào)越小，電磁傳感器對(duì)事故井套管的探測(cè)定位能力越弱；救援井與事故井套管之間距離越小，事故井套管上的二次渦流場(chǎng)信號(hào)越強(qiáng)。換言之，在激勵(lì)電流和發(fā)射線圈匝數(shù)一定的情況下，同一個(gè)接收線圈接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值越大，則表示救援井與事故井之間的間距越小。因此，利用這一性質(zhì)，通過(guò)檢測(cè)接收線圈上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值就可以反演出事故井與救援井之間的相對(duì)距離。以此為基礎(chǔ)，利用前述定位方法即可確定事故井相對(duì)于救援井中瞬變電磁傳感器的方位角，從而實(shí)現(xiàn)事故井的定位。

4 結(jié) 論

1)在功率允許的情況下，發(fā)射電流越大，發(fā)射線圈匝數(shù)越多，事故井套管上的二次渦流場(chǎng)信號(hào)越大，救援井中電磁探頭的探測(cè)性能越好；

2)瞬變電磁傳感器與事故井套管之間的距離越小，接收線圈接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值越大，救援井瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能越好，對(duì)事故井套管的探測(cè)定位越準(zhǔn)確。