0 引 言

近年来，海上钻井平台原油泄漏事故的频繁发生造成了严重的生态灾难和极坏的社会影响。在墨西哥湾MC252#1井发生井喷事故之后，救援井技术在国内外再次受到广泛关注。救援井仍是彻底解决漏油问题的最可靠方法，其中救援井与事故井空间相对位置的精确探测是关键技术之一^{[1, 2, 3]}。目前，国外一般采用Wellspot导向工具来实现救援井与事故井的精确连通。BP公司成功应用Wellspot工具完成了救援井DDIII与事故井MC252#1的连通^[4]。

由于事故井井口附近无法靠近，传统的邻井距离电磁测距导向系统(如RMRS电磁测距导向系统和螺线管随钻测距导向系统)的探测工具不能放入事故井中^{[5, 6]}，而Wellspot导向工具的所有测量设备均置于救援井中，可以在救援井中直接探测救援井与事故井的间距和方位。Wellspot工具是一种引导救援井与事故井连通的高效工具，但是国外所设计的Wellspot导向工具的核心技术仍被保密和垄断，我国在这方面仍缺少深入研究。笔者通过探讨基于单电极和基于三电极系救援井与事故井连通探测工具确定2井间距和方位的计算方法，设计加工了基于单电极和基于三电极系的救援井与事故井连通探测工具样机并进行了矿场模拟试验，分析了这2种探测工具的测量误差及测量优势。研究结果为救援井与事故井的精确连通提供了一种有效的探测与控制手段，对我国自主研发救援井连通探测工具具有重要的指导意义。

救援井与事故井连通探测工具主要由地面交流电源、地表电极、探管、电流信号发射源(包括单电极和三电极系)和地面计算软件组成^{[7, 8, 9, 10]},其工作原理如图 1所示。

图 1 救援井与事故井连通探测工具工作原理示意图 Fig.1 Operational principle of detection tool for connection between the relief well and the blowout well

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地面交流电源为井下电极系提供低频交变电流，井下电极系把该低频交变电流注入地层，由于井下电极系的形式不同，其注入地层电流的发散形式亦不同。单电极注入地层的电流会如图 1a中所示以球形对称形式向地层中发散，而三电极系注入地层的电流会如图 1b中红色阴影部分所示的盘状层流形状流入救援井周围地层中。由于事故井中套管和钻杆的导电性要远远大于地层，基于趋附效应注入到地层里的电流将在事故井套管上聚集，形成沿套管和钻杆向上、向下流动的低频交变电流。根据安培定律，该电流将在周围地层中产生低频交变磁场。利用探管探测该低频交变磁场和探管处的重力场，则可确定探管与事故井套管的相对位置和探管自身的摆放姿态^{[11, 12, 13, 14]}。

对于基于单电极救援井与事故井连通探测工具，由单电极流出的电流有一部分会沿救援井井轴方向流动，事故井套管上不能聚集相对更多的电流^{[11, 12, 13]}。笔者首次将三电极系电流信号源应用到救援井与事故井连通探测工具中^{[13, 14]}，其能有效增加电流信号发射源注入地层电流的大小，进一步增加事故井套管上聚集的低频交变电流，从而使救援井中的探管可以检测到由事故井套管上聚集的电流产生的相对更大的低频交变磁场，易于增加救援井与事故井连通探测工具的测距范围，为救援井连通探测工具大电流信号发射源的设计提供了新的思路。

事故井套管对井下电极系各注入地层电流的响应如图 2所示。

图 2 事故井套管对井下电极系注入地层电流的响应 Fig.2 Response of blowout well casing to the current injected by down-hole electrode array

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图 2中，A点为井下电极系所在位置，B点为探管所在位置，A点与B点位于同一铅垂平面内，A、B点的间距为d。以井下电极系到事故井套管的镜像位置为坐标原点，以事故井套管轴线为z轴建立柱坐标系。R为距井下电极系任意距离处的等位面的半径，r为事故井轴线与救援井中探管的间距。I_ρ为距离电极系R处事故井套管上聚集的电流，I(z)为沿事故井套管z处的电流。已知A、B点的井深，井斜角分别为D_A、D_B、α_A、α_B，测段的平均井斜角为α_c=(α_A+α_B)/2。

对于基于单电极救援井与事故井连通探测工具，探管处由事故井套管上聚集的向下流动电流产生的磁场强度可表示为^{[11, 12, 13]}：

对于基于三电极系救援井与事故井连通探测工具，已知三电极系全长为2L₀，探管处事故井由上向下流动电流产生的磁场强度为^{[13, 14]}:

由式(1)和式(2)可知，在测得探管处由事故井套管上的交变电流产生的磁场强度后，即可得到事故井套管和救援井探管之间的距离r。

救援井与事故井连通探测系统试验方案设计如图 3所示。救援井与事故井连通探测工具样机试验设备主要包括地面供电设备、井下电极系(可同时实现单电极和三电极系的功能)、地表电极、井下探管以及地面信号采集设备^{[11, 12, 13, 14]}。

图 3 救援井与事故井连通探测系统试验方案设计示意图 Fig.3 Schematic design for detection tool based on singe electrode

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地面供电设备主要由隔离变压器、高压整流滤波电路、DC/AC变换电路、电位差检测电路、低压变压器和低压整流滤波电路构成。隔离变压器用于将220 V电源与井下电极电源隔离，防止发生短路；高压整流滤波电路用于将220 V交流电变成300 V的直流电，供后续DC/AC变换电路用；DC/AC变换电路用于将300 V直流电源变为电压可调、频率2 Hz左右的交流电源，给井下电极提供电流；电位差检测电路用于检测主电极和屏蔽电极的电位差，由此来控制2组DC/AC变换电路的输出电压，进而控制主电极和屏蔽电极的电流，使电位差为0；低压变压器用于将220 V电压变换为供电动推杆使用的24 V电压；低压整流滤波电路用于将24 V交流电压变换为直流电压，进而控制电动推杆的动作。

地面信号采集设备包括电源电路、电缆接口电路和电缆信号解码电路；电源电路用于给电缆接口电路和电缆信号解码电路提供电源；电缆接口电路与测井电缆相连，将测井电缆上传输的高压数据信号转换成低压信号，然后传送给电缆信号解码电路，由电缆信号解码电路将井下探管发送的数据解析出来，通过USB接口传输到地面救援井与事故井连通探测计算系统。

地面供电设备为井下电极系通电，两者由铠装电缆相连。井下电极系将电缆电流输送到地层中，要求接触良好，利用电极接触片使其与井壁紧密接触，接触电阻小于1 mΩ。井下探管所检测到的数据用于确定井下探管与事故井套管的间距和方位以及井下探管自身的摆放姿态。井下电极系与探管之间利用绝缘绳相连且间距可调。

救援井与事故井连通探测系统样机中所设计的井下电极系可以利用通电设备控制电极臂的开合，同时具有井下单电极和井下三电极系的信号发射功能。将井下电极系下入救援井井内后，利用地面供电设备给电极系通电，使其电极臂张开，与井壁紧密接触，同时电极臂还起到扶正电极系的作用。

模拟井组设计如图 4所示。图中，3口模拟井均近似为直井。A井为模拟救援井，井深为50 m；B井为模拟事故井，井深为50 m，事故井内下入直径为127 mm的套管。由于试验条件受到限制，A井与B井井口间距为5 m，A井与C井井口间距为10 m。试验时地面供电设备同时为井下电极系、地表电极和地面信号采集设备供电，地表电极的位置可根据具体试验内容进行选择，本次试验地表电极均位于B井内。电极系与探管之间用绝缘绳连接，探管接口与地面信号采集设备相连。将井下电极系和探管下入救援井中，分别改变井下电极系与探管间距d₁、救援井井口与井下电极系间距d₂，由探管检测到三轴磁场强度，根据救援井与事故井连通测距导向算法，可以计算出救援井与事故井测量间距r。

图 4 模拟井组设计示意图 Fig.4 Design for simulated wells

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对于基于单电极救援井与事故井连通探测工具，利用地面供电设备给井下电极系中间的一对电极臂通电并使其张开与井壁紧密接触，使其实现单电极的功能，接地电极置于B井中。此时所测得的试验数据及计算结果如表 1所示。表中，I₀为电流，U₀为电压，B_x、B_y、B_z、B_t为探管测量值，δ为误差。d₁、d₂对基于单电极连通探测工具救援井与事故井间距的影响如图 5所示。

图 5 d1、d2对基于单电极连通探测工具救援井与事故井间距的影响 Fig.5 Impacts of d1 and d2 on the distance between the relief well and the

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对于基于三电极系救援井与事故井连通探测工具，利用地面供电设备给井下电极系通电，使其3对电极臂均张开，从而实现三电极系的功能。此时所测得的试验数据及计算结果如表 2所示。d₁、d₂对基于三电极系连通探测工具救援井与事故井间距的影响如图 6所示。

图 6 d1、d2对基于三电极系连通探测工具救援井与事故井间距的影响 Fig.6 Impacts of d1 and d2 on the distance between the relief well and the blowout well determined by detection tools based on three-electrode array

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对比基于单电极和基于三电极系救援井与事故井连通探测工具的试验结果，可得出以下结论：

(1)当井下电极系与探管间距d₁一定时，井下电极系与救援井井口间距d₂越大，2井间距的测量误差越小，也就是说，应用救援井与事故井连通探测工具时井下电极系需置于井下一定深度。

(2)井下电极系与救援井井口间距d₂一定时，电极系与探管间距d₁在有效范围内取值越大，电极系处电流产生的磁场对探管的检测信号的影响越小，利用探测工具所测得的2井间距的测量误差越小。由于事故井套管上聚集的向上流动电流产生的磁场对探管检测的信号有抵消作用，为了避免向上流动电流的影响，要求井下电极和探管至少相距10 m。

(3)在井下电极系与探管间距d₁、救援井井口与井下电极系间距d₂取值相同、地表电极所处位置相同时，与基于单电极救援井与事故井连通探测工具相比，基于三电极系救援井与事故井连通探测工具所测得的磁场信号强度更大，同时利用探测工具所测得的2井间距的测量误差更小。因此，基于三电极系救援井与事故井连通探测工具更适用于救援井与事故井的连通导向工况。

(1)探讨了基于单电极和基于三电极系救援井与事故井连通探测工具的工作原理，利用探管所探测的磁场强度计算救援井与事故井间距，得到了基于单电极和基于三电极系救援井与事故井连通探测工具确定2井间距的计算方法。

(2)基于单电极和基于三电极系救援井与事故井连通探测工具可直接探测救援井井底到事故井的距离和方位，避免了传统随钻测量系统随井深产生累积误差的缺陷。探测工具最大测距范围30 m，可满足在深井中工作。

(3)利用基于单电极和基于三电极系救援井与事故井连通探测系统样机进行矿场模拟试验，试验结果表明，井下电极系与探管间距取值越大，救援井中探管检测到的磁场强度信号越小，计算所得的2井间距的测量误差越小，但在实际应用中需要根据2井间距优化设计电极与探管的间距。应用笔者提出的确定2井空间相对位置的计算方法，救援井与事故井连通探测工具基本可以满足救援井导向钻井工程需求，可以用来引导救援井与事故井成功连通。

(4)通过对比单电极和三电极系的救援井与事故井连通探测工具，后者提高了电流信号发射源的强度，增强了探管探测磁场强度信号的能力，增加了探测系统的测距范围，对探管灵敏度的要求也明显低于前者，因此基于三电极系的连通探测工具更有利于在实际工况中应用。