邻井随钻电磁测距防碰工具模拟试验研究
李翠1, 高丽萍1, 李佳2, 高德利3, 侯煜琨1     
1. 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院, 山东东营 257000;
2. 中国石化人力资源共享服务中心东营分中心, 山东东营 257000;
3. 石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京)), 北京 102249
摘要: 利用水平井、加密井和丛式井开发低渗透、页岩油气等低品位油气资源时,为了防止钻井过程中相邻井发生碰撞,研制了能够精确测量邻井距离的随钻电磁测距防碰工具。在对邻井随钻电磁防碰测距导向算法研究的基础上,设计加工了邻井随钻电磁测距防碰工具原理样机,并进行了地面模拟试验,分析了探管与套管不同位置关系对邻井距离和方位测量精度的影响。模拟试验结果表明:由于磁源磁场强度较弱,探管与套管平行放置且相距0.50~3.00 m时,该工具可以较准确地计算出邻井距离和方位信息;距离大于3.00 m时,计算结果误差变大;套管接箍位置会造成计算结果偏差较大,因此实际测量时应充分考虑套管接箍对测量结果的影响;探管与套管的夹角不大于50°时系统计算结果较准确,夹角大于50°时需换用其他类型的防碰工具进行测量。研究结果验证了邻井随钻电磁防碰工具原理的准确性,为进一步完善邻井随钻电磁防碰系统理论及工具改进提供了理论依据。
关键词: 复杂结构井     电磁探测     邻井距离     防碰     交变磁场    
Experiment Research on an Electromagnetic Anti-Collision Detection Tool while Drilling Adjacent Wells
LI Cui1, GAO Liping1, LI Jia2, GAO Deli3, HOU Yukun1     
1. Drilling Technology Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation, Dongying, Shandong, 257000, China;
2. Dongying Sub-center, Sinopec Human Resources Shared Services Center, Dongying, Shandong, 257000, China;
3. MOE Key Laboratory for Petroleum Engineering(China University of Petroleum(Beijing)), Beijing, 102249, China
Abstract: To use horizontal wells, infill wells and cluster wells to exploit low-permeability oilfields, shale gas reservoirs and other low-quality hydrocarbon resources, it is necessary to eliminate the possibility of collisions with adjacent wells.Accordingly, while-drilling electromagnetic anti-collision tools have been developed to measure distances from adjacent wells accurately.In addition to perform researches related to algorithms for distance measuring and direction guiding, prototypes of the while-drilling electromagnetic anti-collision tools were designed and manufactured.Furthermore, simulation tests were conducted on the ground to analyze impacts of relative positions of the sensor and casing on accuracies in measuring of distances and azimuth of adjacent wells.Simulation test results showed the tool could accurately identify distances and azimuths of adjacent wells in cases with sensor and casing placed in parallel at distances of 0.50-3.00 m due to low strengths of magnetic fields.In cases with distances over 3.00 m, calculation results displayed significant deviations.Care should be taken during field applications to consider the impacts of casing joints on measurement results.In cases with included angles between the sensor and the casing are less than 50°, the calculation results of the tool were very accurate.In cases with included angles over 50°, anti-collision tools of other types should be deployed instead.Relevant research results validated the accuracy of the principle of the while-drilling electromagnetic anti-collision tool and provided reliable theoretical supports for the development of this electromagnetic detection tool.
Key words: well with complicated structure     electromagnetic detection     adjacent well distance     anti-collision     alternating magnetic field    

随着油气资源勘探难度的增大,复杂结构井钻井技术成为高效开发低渗透油藏、非常规油藏及海洋油气等复杂油气藏的关键技术,其中利用水平井、加密井和丛式井开发低渗透、页岩油气等低品位油气资源取得了良好的开发效果。但是,加密井和丛式井在钻井过程中为防止与邻井发生碰撞,要求精确测量邻井距离,仅仅依靠传统的测斜工具与邻井扫描软件难以满足实际的测控精度要求[1-4]。目前,国外已经形成了一系列相对成熟的主动磁探测工具,如MGT电磁引导工具、RMRS旋转磁场测距导向系统和SWG单电缆引导工具等[4-8],虽然部分电磁探测工具可以用于精确测量邻井距离,但这些工具均需要在邻井中下入磁源或探管等设备,既影响已钻井的正常生产,也增加了钻井成本[9-15]

为了降低与邻井相碰的风险,笔者对邻井随钻电磁防碰测距导向算法进行了深入研究[4],设计加工了一种无需在邻井放入磁源或传感器、能同时监测周边多口已钻井的邻井随钻电磁测距防碰工具原理样机,基于邻井随钻电磁防碰测距导向算法编制了地面数据采集和分析软件,并进行了地面模拟试验。

1 邻井随钻电磁测距防碰工具工作原理

邻井随钻电磁测距防碰工具的工作原理如图 1所示。在正钻井的井下动力钻具后面安装邻井随钻电磁测距防碰工具的探管,探管中间放置磁场传感器,两端各有一个磁源,磁源相对于磁场传感器对称放置,两个磁源轴向平行,但磁极方向相反[4]。当探管周围有套管存在时,套管被磁化后产生一个沿套管轴向的磁场,套管被磁化后的磁感应强度与套管和探管之间的距离有关,利用探管探测到的磁感应强度,结合探管自身姿态等数据,基于邻井随钻电磁防碰测距导向算法[4],即可计算得到正钻井与邻井的相对距离。

图 1 邻井随钻电磁测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 模拟试验设备与方法

现实环境中充斥着各种磁场,会在一定程度上影响电磁探测工具的探测精度[8]。为了尽量减少周围环境磁场对电磁探测工具测量结果的影响,选择某未开发的空旷场地作为试验场地。该场地远离各种建筑设置,如公路、高压电塔和低压电线等,地下无金属电缆和管道通过,环境磁场相对稳定,干扰信号很少,适宜作为邻井随钻电磁测距防碰工具的试验场地。

2.1 试验设备

地面模拟试验设备主要包括套管、试验探管、接口箱和计算机。试验时,将3根内径为108.6 mm的套管连接在一起,总长度为28.47 m。试验探管的主体采用无磁铝合金加工而成,两端各装有一个直径25.0 mm、长度80.0 mm的钕铁硼永磁铁,表面磁场强度为5 000 Gs。试验探管中装有三轴磁通门传感器和三轴加速度传感器[9-10]。试验探管的两端通过同步轮和同步带与驱动杆相连,手动旋转驱动杆,可带动试验探管围绕其轴线旋转,来模拟钻柱的旋转。由于模拟试验在地面完成,无需使用钻井液脉冲传输数据,因此可以直接用电缆将试验探管采集到的交变磁场信号和直流分量数据通过接口箱转换为USB接口信号后发送至计算机,数据传输速度可达20 kb/s,然后利用地面数据采集和分析软件采集和分析数据[15]

2.2 试验方法

模拟试验的主要目的是验证邻井随钻电磁测距防碰工具工作原理的可行性,验证邻井随钻电磁防碰测距导向算法的准确性,并对计算结果可信度进行评价。在套管上选取测点1、测点2和测点3共3个测点,其中测点3为2根套管的接箍位置(见图 2)。

图 2 试验选取的测点位置 Fig.2 Positions of test points in relevant experiments

试验步骤如下:

1) 将试验探管距离套管20.00 m以上,模拟正钻井周围不存在已钻井的工况,手动旋转驱动杆带动探管转动,利用数据采集和分析软件测量和保存数据;

2) 将试验探管与套管平行放置,模拟正钻井周围存在已钻井的工况,设置二者间距分别为21.00和2.00 m,手动旋转驱动杆带动探管转动,利用数据采集和分析软件测量和保存数据;

3) 将试验探管与套管平行放置,试验探管对准套管上的测点1,设置二者间距分别为0.50,1.00,2.00,3.00,4.00和5.00 m,手动旋转驱动杆带动探管转动,利用数据采集和分析软件测量和保存数据;

4) 将试验探管与套管平行放置,试验探管对准套管上的测点2,重复步骤3);

5) 将试验探管与套管平行放置,试验探管对准套管上的测点3,重复步骤3);

6) 将试验探管与套管呈一定夹角放置,试验探管中间位置与套管上测点1的间距为1.00 m,将试验探管与套管的夹角分别设置为10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°和90°,手动旋转驱动杆带动探管转动,利用数据采集和分析软件测量和保存数据;

7) 将试验探管中间位置与套管上测点1的间距设置为2.00 m,重复步骤6);

8) 利用数据采集和分析软件分析处理试验数据。

3 模拟试验及结果分析 3.1 测距原理可行性验证

图 3所示,套管距离地面0.35 m,试验探管轴线距离地面0.25 m,初始时刻探管两端的磁源轴线垂直于地面。

图 3 试验探管与套管位置关系示意 Fig.3 Position relationship between the sensor and the casing

试验探管距离套管分别为21.00 m和2.00 m时,数据采集和分析软件获取的测量数据如图 4所示。由图 4可知:手动旋转探管模拟钻柱转动,当试验探管距离套管21.00 m时,在探管旋转一周的过程中采集到的磁场强度信号变化很小,没有明显的波峰和波谷出现;当探管距离套管2.00 m时,磁场强度信号毛刺较多,但出现了明显的波峰和波谷。根据邻井随钻电磁防碰测距导向算法可知,当探管与套管相距2 m、探管分别旋转96°和276°时,磁源的轴线刚好穿过套管,理论上此时应该出现波峰或波谷;模拟试验结果的波峰和波谷恰好出现在96°和276°对应的位置,证明了邻井随钻电磁测距防碰工具工作原理的可行性。

图 4 试验探管与套管不同距离时的磁场强度 Fig.4 Strength of the magnetic field at different distances between the sensor and the casing
3.2 测距算法精度验证 3.2.1 探管与套管平行放置

将试验探管与套管平行放置,试验探管对准套管上测点的位置,间距分别为0.50,1.00,2.00,3.00,4.00和5.00 m,分别记录3个测点在不同间距下磁场强度信号的波峰、波谷处的磁场强度及对应的角度,利用数据采集和分析软件进行计算,结果如表 1表 3所示。

表 1 测点1计算结果 Table 1 Calculation result of test point 1
理论距离/m 理论角度/(°) 磁场强度峰值/nT 峰值角度/(°) 磁场强度谷值/nT 谷值角度/(°) 计算距离/m 计算角度/(°) 距离误差,% 角度误差,%
0.50 101 5 809.1 103.0 -6 278.8 281.5 0.515 102.4 3.0 1.3
1.00 95 1 224.1 99.7 -2 386.5 281.2 0.955 99.1 4.5 4.3
2.00 92 121.5 98.2 -138.2 269.7 1.899 97.5 5.1 6.0
3.00 92 32.4 98.8 -63.7 265.8 3.215 94.1 7.2 2.3
4.00 91 19.8 105.1 -17.2 270.2 4.522 96.5 13.1 6.0
5.00 91 21.2 68.5 -24.9 225.4 4.441 76.7 11.2 15.7
表 2 测点2计算结果 Table 2 Calculation result of test point 2
理论距离/m 理论角度/ (°) 磁场强度峰值/nT 峰值角度/ (°) 磁场强度谷值/nT 谷值角度/ (°) 计算距离/m 计算角度/ (°) 距离误差,% 角度误差,%
0.50 101 5 912.7 101.5 -5 834.1 231.7 0.522 102.7 4.4 1.7
1.00 95 1 357.0 95.6 -1 510.5 275.7 0.927 97.2 7.3 2.3
2.00 92 151.2 96.4 -148.3 271.2 1.928 96.1 3.6 4.5
3.00 92 30.1 90.8 -58.2 282.7 3.102 91.3 3.4 0.8
4.00 91 20.4 88.2 -21.1 270.1 4.587 88.9 14.7 2.3
5.00 91 27.1 82.9 -16.3 216.9 4.219 82.1 15.6 9.8
表 3 测点3计算结果 Table 3 Calculation result of test point 3
理论距离/m 理论角度/(°) 磁场强度峰值/nT 峰值角度/(°) 磁场强度波值/nT 谷值角度/ (°) 计算距离/m 计算角度/(°) 距离误差, % 角度误差, %
0.50 101 4 988.1 102.3 -4 837.2 266.2 0.511 103.7 2.2 2.7
1.00 95 824.4 102.5 -1 131.7 261.8 0.755 102.1 2.5 7.5
2.00 92 84.5 102.0 -117.4 270.2 1.541 101.5 23.0 10.3
3.00 92 39.4 90.4 -39.6 268.7 2.724 90.1 9.2 2.1
4.00 91 12.8 85.1 -12.2 271.9 4.310 85.9 7.8 5.6
5.00 91 17.9 45.7 -15.1 180.5 4.401 48.1 12.0 47.1

表 1可知:探管与套管距离不大于3.00 m时,距离误差与角度误差均小于10%;当探管与套管间距大于3.00 m时,误差变大,信号也变得杂乱。分析认为,目前该工具仅采用2个磁源,探管与套管距离较远时测得的磁场强度信号偏弱,同时受探管内电路板本底噪声的影响,信噪比较低,噪声信号影响了磁场强度信号的峰值数据,导致计算结果误差变大。

对比表 1表 3可知,由于数据采集和分析软件采用的是交变磁场信号,屏蔽了地磁场和套管自身剩磁的影响,因此不同的探测位置对探管的磁场强度测量结果的影响相对较小;但在套管接箍位置,由于接箍和套管直径不同存在台阶,造成计算结果偏差较大。因此,实际测量时应充分考虑套管接箍位置对磁场强度测量精度的影响。

3.2.2 探管与套管呈夹角放置

将试验探管与套管呈夹角放置,试验探管中间位置与套管上测点1的间距为1.00 m,试验探管与套管夹角分别设置为10°,20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°和90°,分别记录探管与套管不同夹角下测点1的磁场强度峰值和谷值及对应的角度,并采用数据采集和分析软件进行计算,结果如表 4所示。

表 4 试验探管与套管距离1.00 m时不同夹角的计算结果 Table 4 Calculation result of different angles at the distance between the sensor and the casing of 1.00 m
夹角/(°) 理论角度/(°) 磁场强度峰值/ nT 峰值角度/(°) 磁场强度谷值/ nT 谷值角度/(°) 计算距离/m 计算角度/(°) 距离误差,% 角度误差,%
10 95 1 292.1 97.3 -1 033.4 271.2 0.920 97.5 8.0 2.6
20 95 1 000.5 103.5 -1 102.0 262.0 1.062 102.7 6.2 8.1
30 95 1 025.2 103.7 -988.2 268.4 1.048 103.5 4.8 8.9
40 95 1 005.4 104.8 -1 010.2 270.5 0.958 103.2 4.2 8.6
50 95 998.0 104.2 -792.2 268.4 0.931 104.3 6.9 9.8
60 95 805.4 92.8 -810.1 273.9 0.822 92.9 17.8 2.2
70 95 538.2 110.4 -508.4 270.5 0.795 109.8 20.5 15.6
80 95 263.4 112.5 -336.2 281.3 0.788 110.2 21.2 16.0
90 95 383.5 134.2 -321.3 287.8 0.811 108.2 18.9 13.9

将试验探管与套管呈夹角放置,试验探管中间位置与套管上测点1的间距为2.00 m,试验探管与套管夹角分别设置为10°~90°,分别记录探管与套管不同夹角下测点1的磁场强度的峰值和谷值及对应的角度,并采用数据采集和分析软件进行计算,结果如表 5所示。

表 5 试验探管与套管距离2.00 m时不同夹角的计算结果 Table 5 Calculation result of different angles at the distance between the sensor and the casing of 2.00 m
夹角/(°) 理论角度/(°) 磁场强度峰值/ nT 峰值角度/ (°) 磁场强度谷值/ nT 谷值角度/ (°) 计算距离/m 计算角度/ (°) 距离误差,% 角度误差,%
10 92 150.1 98.2 -146.8 268.1 2.151 98.8 7.6 7.4
20 92 120.5 101.4 -142.4 265.7 1.834 101.1 8.3 9.9
30 92 108.9 100.2 -108.7 264.2 1.910 99.5 4.5 8.2
40 92 101.5 99.6 -105.4 262.7 1.935 97.7 3.3 6.2
50 92 100.1 101.7 -78.9 269.1 1.822 101.2 8.9 10.0
60 92 72.7 85.7 -86.4 264.8 1.954 84.8 2.3 7.8
70 92 52.7 103.5 -50.1 271.3 1.809 102.8 9.6 11.7
80 92 48.9 105.8 -61.1 258.5 2.371 112.5 18.6 22.3
90 92 50.4 112.1 -55.6 281.0 1.929 111.2 3.6 20.9

表 4表 5可知,当探管与套管之间的夹角不大于50°时,计算结果较准确,距离误差与角度误差均在10%以内;当探管与套管之间的夹角大于50°时,由于2个磁源在探管上产生的磁化磁场分布会发生变化,导致误差相对较大。因此该工具主要适用于两井夹角不大于50°的井段,当探管与套管之间的夹角大于50°时,最好换用其他类型的防碰工具进行测距导向。

4 结论

1) 邻井随钻电磁测距防碰工具地面模拟试验验证了邻井随钻电磁防碰测距导向算法的准确性,为进一步完善邻井随钻电磁防碰系统提供了理论依据。

2) 探管与套管平行放置且探管与套管距离为0.50~3.00 m时,可以较准确地计算出邻井距离和方位信息;但探管与套管距离超过3.00 m时,计算结果误差相对较大。因此需要进一步优化改进试验探管,以提高防碰工具的探测精度和有效探测距离。

3) 试验结果表明,套管接箍会对磁场强度测量精度产生一定的影响,造成计算结果偏差较大,因此需要进一步优化邻井随钻电磁防碰测距导向算法,以减小套管接箍位置对磁场强度信号的影响。

4) 探管与套管之间的夹角大于50°时,邻井随钻电磁测距防碰工具的测距误差和方位误差相对较大,说明该防碰工具有一定的应用局限性,在实际应用中针对该种工况尽量换用其他类型的防碰工具进行测量。

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文章信息

李翠, 高丽萍, 李佳, 高德利, 侯煜琨
LI Cui, GAO Liping, LI Jia, GAO Deli, HOU Yukun
邻井随钻电磁测距防碰工具模拟试验研究
Experiment Research on an Electromagnetic Anti-Collision Detection Tool while Drilling Adjacent Wells
石油钻探技术, 2017, 45(6): 110-115.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(6): 110-115.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201706020

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收稿日期: 2017-07-14
改回日期: 2017-11-07

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