黃明泉　趙國(guó)山

摘? 要：復(fù)雜結(jié)構(gòu)井可實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣儲(chǔ)層的最佳鉆遇與保護(hù)，隨著鉆探連通井和雙水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的數(shù)量逐步增多，使得磁性導(dǎo)向系統(tǒng)被引入復(fù)雜結(jié)構(gòu)井施工中，其中交變磁場(chǎng)磁源是該系統(tǒng)的重要組成部分，依據(jù)電磁學(xué)基本理論建立了交變磁場(chǎng)磁源的性能分析物理模型，通過(guò)有限元法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析驗(yàn)證了該模型的有效性，并對(duì)磁源性能影響因素進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，磁源幾何結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)對(duì)磁源性能均存在影響，其中磁源長(zhǎng)度和相對(duì)磁導(dǎo)率的影響較為規(guī)律，線(xiàn)圈匝數(shù)、層數(shù)和徑向尺寸變化體現(xiàn)出最佳結(jié)構(gòu)匹配特性，同時(shí)磁源外磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著中心距離的增大而減少，磁源外磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的三次方成反比關(guān)系。

關(guān)鍵詞：磁源? 磁場(chǎng)強(qiáng)度? 有限元法? 物性參數(shù)? 結(jié)構(gòu)尺寸? 中心距離

中圖分類(lèi)號(hào)：TE243;TE927 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（a）-0001-04

Abstract： The complex structure wells successfully improved the drilling meeting efficiency and obtained obvious economical， social， and environmental protection benefits. With the quantity gradually increased of complex structure wells， such as interconnecting wells， and dual horizontal wells， etc.， the magnetic guidance system and tools was introduced to meet the increasing accuracy requirements of the well trajectory control. Magnetic source is an important part of this system. Performance analysis model of magnetic source was established based on the electromagnetism theory. Using the finite element method and Experimental test verifies the validity of this model. Performance-influencing factors of magnetic source were analyzed. The results are shown that magnetic source performance mainly depends on the structure dimension and material physical parameters. The length and relative permeability has regularity influence on magnetic source performance. The coil layer number and core diameter has optimal match. The results show that increasing distance lead to decreasing the magnetic field strength. The magnetic field strength is inverse proportion to the cube of distance.

Key Words： Magnetic source; Magnetic field strength;Finite element method; Physical parameters; Structure dimension; Center distance

復(fù)雜結(jié)構(gòu)井是可以大幅度提高油氣井產(chǎn)量和最終采收率的前沿技術(shù)[1]，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)的核心在于井眼軌道的控制與引導(dǎo)[2-3]，目前，已有的幾何導(dǎo)向技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)利用加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀等傳感器測(cè)量井斜角、方位角等軌跡參數(shù)[1]。在鉆井過(guò)程中對(duì)井眼軌跡的控制依據(jù)當(dāng)前鉆進(jìn)方向的測(cè)量，從待鉆井眼與目標(biāo)靶點(diǎn)所形成的系統(tǒng)角度上看，此類(lèi)方法屬于開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有考慮目標(biāo)靶點(diǎn)對(duì)待鉆井眼的引導(dǎo)能力，隨著對(duì)鉆井導(dǎo)向精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)幾何導(dǎo)向定位技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足井眼軌跡的高精度要求。同時(shí)常規(guī)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，影響井眼軌跡參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素（測(cè)斜儀器本身的精度、測(cè)量環(huán)境是否干擾儀器的測(cè)量、測(cè)點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性、測(cè)斜儀器軸線(xiàn)是否與井眼軸向重合等）均存在著一定的誤差，難以避免誤差積累，無(wú)法滿(mǎn)足高精度導(dǎo)向的需求。為了解決現(xiàn)有幾何導(dǎo)向定位技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井時(shí)存在的導(dǎo)向精度低的問(wèn)題，有源磁性導(dǎo)向[4-13]技術(shù)被引入復(fù)雜結(jié)構(gòu)井施工中，主要包括磁導(dǎo)向工具（MGT）和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)距系統(tǒng)（RMRS）等[4-13]。磁導(dǎo)向工具主要設(shè)計(jì)理念是便于操作，對(duì)鉆井工藝相對(duì)影響小，當(dāng)需要測(cè)量時(shí)，磁導(dǎo)向工具放入相應(yīng)的位置，測(cè)量參數(shù)把原始數(shù)據(jù)和測(cè)斜數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)降孛?，其中磁源主要產(chǎn)生有效交變磁場(chǎng)信號(hào)是系統(tǒng)的重要組成部分，因此需要對(duì)磁源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保障其工作性能，該文將針對(duì)交變磁場(chǎng)磁源工作性能進(jìn)行分析研究。

1? 磁源性能分析物理模型

磁源和變頻恒流交流電源組成了交變磁場(chǎng)信號(hào)發(fā)射裝置，其中磁源主要由磁芯、線(xiàn)圈、骨架、外套筒和接頭等組成。其工作原理是變頻電源激勵(lì)磁源產(chǎn)生交變磁場(chǎng)信號(hào)，三軸磁場(chǎng)測(cè)量裝置通過(guò)濾波電路消除井下噪聲干擾和恒定磁場(chǎng)成分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間交變磁場(chǎng)信號(hào)的有效提取，最終通過(guò)反演計(jì)算得到相對(duì)距離和方位。

根據(jù)磁源載流線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，其外場(chǎng)分布采用磁偶極子模型[14]進(jìn)行描述，可得到柱坐標(biāo)系下磁源磁場(chǎng)的分布模型，如公式（1）所示。

2? 磁源性能影響因素有限元分析

依據(jù)磁源工作性能分析模型，對(duì)信標(biāo)性能影響因素進(jìn)行分析，建立磁源有限元分析模型，主要針對(duì)磁源幾何結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)因素對(duì)磁源進(jìn)行分析研究。

2.1 基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

受限于井下應(yīng)用條件，鉆探磁源其結(jié)構(gòu)尺寸受到極大限制，因此初步設(shè)計(jì)以下基本結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1000mm，外徑75mm;磁芯直徑30mm，長(zhǎng)度1000mm，材料為硅鋼;匝數(shù)6000匝，繞線(xiàn)線(xiàn)徑1.8mm。

對(duì)磁源的外部磁場(chǎng)進(jìn)行分析結(jié)果如圖2所示，可知磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增大而減少，磁場(chǎng)變化率逐漸減小，其磁場(chǎng)強(qiáng)度大小與距離的三次方成反比關(guān)系，分析可見(jiàn)理論模型與有限元模型的計(jì)算結(jié)果描述一致。

2.2 相對(duì)磁導(dǎo)率變化

分別選用相對(duì)磁導(dǎo)率為200、500、2000、5000和10000的物性參數(shù)，分析結(jié)果如圖3所示，可知相對(duì)磁導(dǎo)率的變化對(duì)于磁源空間磁場(chǎng)的分布有影響，隨著相對(duì)磁導(dǎo)率的增大，磁源的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，但磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大趨勢(shì)變緩，同時(shí)磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率選擇還需考慮經(jīng)濟(jì)性因素。

2.3 線(xiàn)圈層數(shù)變化

分別選用線(xiàn)圈層數(shù)為1、2、3、5、7、9和10的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析結(jié)果如圖4所示，可知改變線(xiàn)圈層數(shù)則同時(shí)意味著線(xiàn)圈匝數(shù)的改變，線(xiàn)圈層數(shù)的變化對(duì)于磁源空間磁場(chǎng)的分布有影響，隨著線(xiàn)圈層數(shù)的增多，磁源的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，當(dāng)線(xiàn)圈層數(shù)增加至一定范圍，其磁場(chǎng)強(qiáng)度增大幅度突增，因此選擇合理的層數(shù)對(duì)于保證磁源的工作性能較為關(guān)鍵。

2.4 磁芯直徑變化

分別選用磁芯直徑為10mm、20mm、30mm、40mm、50 mm、60mm和70mm的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析結(jié)果如圖5所示，可知磁芯直徑的變化對(duì)于磁源性能有影響，但磁芯直徑對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的影響規(guī)律性不強(qiáng)，因?yàn)橄嚓P(guān)層數(shù)和匝數(shù)等參數(shù)未發(fā)生變化時(shí)，磁芯直徑變化同時(shí)引起磁源直徑的增大，當(dāng)磁芯直徑與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)成較優(yōu)匹配時(shí)，其工作性能較好。

2.5 磁源長(zhǎng)度變化

分別選用磁源長(zhǎng)度為0.2m、0.5m、1m、1.5m和2m的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析結(jié)果如圖6所示，可知磁源長(zhǎng)度的改變意味著磁芯長(zhǎng)度以及線(xiàn)圈匝數(shù)的改變，磁源長(zhǎng)度的變化對(duì)于磁源空間磁場(chǎng)的分布有著較為顯著的影響，磁源長(zhǎng)度對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的影響規(guī)律可看作線(xiàn)性變化，隨著磁源長(zhǎng)度的增大，磁源磁場(chǎng)強(qiáng)度增大。雖然長(zhǎng)度增大對(duì)于磁源的工作性能影響顯著，但磁源長(zhǎng)度也不能無(wú)限長(zhǎng)，其選取范圍既要考慮機(jī)械強(qiáng)度也要考慮經(jīng)濟(jì)性，在保證井下使用的要求下長(zhǎng)度可以盡可能長(zhǎng)。

3? 磁源性能測(cè)試分析

依據(jù)設(shè)計(jì)方案加工磁源，并在電流強(qiáng)度7A和工作頻率1Hz的情況進(jìn)行了測(cè)試分析，布置測(cè)點(diǎn)距離磁源中心位置的中心距離從2～50m范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)間隔1m，測(cè)試所得結(jié)果如圖7所示，可知磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增大而減小，強(qiáng)度大小與距離的三次方成反比關(guān)系，理論模型公式（3）的描述與測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果相符合。

4? 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了磁源基本結(jié)構(gòu)，分析了磁源工作原理，建立了磁源性能分析的物理模型，通過(guò)有限元和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析驗(yàn)證了該模型的有效性。

（2）依托所建立有限元模型，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度有較為顯著影響的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和材料物性參數(shù)等進(jìn)行分析。分析可知相對(duì)磁導(dǎo)率、線(xiàn)圈層數(shù)、磁芯直徑和磁源長(zhǎng)度對(duì)磁源的空間磁場(chǎng)分均存在影響，其中磁源長(zhǎng)度和相對(duì)磁導(dǎo)率的影響較為顯著且規(guī)律，層數(shù)和徑向尺寸變化體現(xiàn)出最佳結(jié)構(gòu)匹配特性，同時(shí)磁源設(shè)計(jì)還需要考慮井下環(huán)境限制、結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性等綜合因素。

（3）依據(jù)設(shè)計(jì)方案加工了測(cè)試用磁源并進(jìn)行了地面測(cè)試，分析可知磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增大而減小，磁場(chǎng)變化率逐漸減小，曲線(xiàn)形式上趨近于強(qiáng)度大小與距離的三次方成反比關(guān)系。

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