電磁探測定位系統及其在救援井設計中的應用

李峰飛　葉吉華　陽文學（.中海油研究總院，北京 0008；.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　58067）

電磁探測定位系統及其在救援井設計中的應用

李峰飛1葉吉華2陽文學2
（1.中海油研究總院，北京 100028；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

由于井眼軌跡不確定性的存在，要實現救援井與事故井的連通必須借助相應的探測定位工具，因此電磁探測定位系統的研究對于救援井方案設計及作業具有重要意義。研究分析了電磁探測定位系統的基本原理，分析了電磁探測定位系統事故井套管匯集電流計算方法及其流動分布特征；研究了救援井與事故井之間相對距離及相對方位的計算方法；結合電磁探測定位系統的實際應用，研究分析了事故井套管參數、切入角、井斜角、地層等參數對電磁探測定位系統測量效果及應用的影響；以電磁探測定位系統研究分析為基礎，完成了南海某超深水井救援井設計中測距及連通相關工作?？梢詾榫仍姶盘綔y定位系統研制提供相應的理論基礎，并為救援井電磁探測定位系統在救援井設計、作業中的應用提供參考。

救援井；電磁探測定位；距離；方位

救援井技術經歷了從最原始的打減壓井泄壓，到目前直接連通事故井實施動態壓井的快速發展。軌跡測量技術及軌跡計算方法誤差的存在，導致井眼軌跡存在相應的不確定性，給救援井直接連通事故井帶來較大困難，必須依賴專門的探測定位系統實現事故井的定位［1-3］。

2010年美國墨西哥灣漏油事件后，國內外一般要求深水鉆井設計具備救援井設計方案以控制嚴重事故發生。2013年中海油南海某超深水井水深達2 454.4 m，要求設計完善的救援井方案。因未針對救援井探測定位工具進行過專門研究，在進行救援井方案設計過程中面臨測距工具選型、測距作業方案設計等多項難題。針對該井救援井方案設計中相關問題，結合國家重大專項26中救援井電磁探測定位工具研制課題，筆者對救援井電磁探測定位系統進行了深入研究和分析，分析了電磁探測系統的基本原理，研究了救援井和事故井相對距離、方位的計算方法，研究了切入角、井斜角等鉆井參數對于電磁探測定位系統的影響，并將部分研究成果用于指導該井救援井方案設計。通過本文的研究可以解決深水救援井方案設計中測距相關技術問題，并為我國自主研發救援井電磁探測定位系統提供理論和應用支撐。

1　救援井電磁探測定位系統研究

國外一般使用Wellspot系列工具進行救援井和事故井的探測定位，引導救援井連通事故井實施壓井并最終控制事故井。2010年美國墨西哥灣漏油事故救援井作業即采用了該工具。Wellspot系列工具包含標準工具、電磁場梯度測量工具RGR和近鉆頭測距短節WSAB，其中標準工具和RGR工具可以通過裸眼下入救援井進行測量，也可以通過鉆柱內下入救援井進行測量。RGR、WSAB基于標準Wellspot工具研制，均具有梯度測量模式和標準工作模式，其中梯度測量模式主要用于近距離高精度測量。工具性能參數及應用模式見表1所示［4-11］。

表1　電磁探測定位系統

1.1救援井電磁探測定位系統基本原理

救援井電磁探測定位系統主要由地面系統、發射電極、測量單元、電纜4部分組成。通過井下發射電極向地層注入低頻大電流交流電，該電流將以球狀對稱向外發射并最終流向布置在井口附近的接收電極，形成回路。由于事故井中套管（鉆桿、落魚）導電率遠遠高于地層的導電率，注入地層的部分電流將在套管上匯集，形成沿事故井套管向上或向下流動的匯集電流。該電流產生以事故井套管為中心的環形交變電磁場，電磁場的方向及大小分別遵循安培定則和畢奧-薩伐爾定律。救援井中的測量單元檢測該電磁場通過電纜傳輸至地面，進行計算分析后即可獲得救援井和事故井之間相對的距離和方位，引導救援井連通事故井［10-11］。

1.2事故井套管匯聚電流計算模型

對該模型做出如下假設：（1）地層均勻且導電性均勻；（2）套管直徑不變，導電性均勻，無限長；（3）套管半徑遠小于救援井至事故井的距離R；（4）發射電極距離較遠可以忽略不計。

假設無套管存在時，在距離發射電極R處，電流密度j0，電勢φ0，電場E0有如下關系

對于有套管的情況，設σf、σc、σcy分別為地層、套管、等效套管電導率，r0、t分別為套管半徑及壁厚，re為事故井套管等效地層半徑，Rcy為套管等效圓柱體半徑，且Rcy= r0，則有

以O點為坐標原點，以事故井套管軸線為Z軸構建坐標系。結合電場相關計算理論，在距離O點下方距離z處源電勢U（z）有如下關系［12-15］

式（6）、（7），I（0λRcy）、K（0λRcy）分別表示零階第1類和第2類變形貝塞爾函數，I（1λRcy）、K（1λRcy）分別表示零階第1類和第2類變形貝塞爾函數的導數，λ為沿Z軸方向的波數。對于事故井套管沿軸線z處的電場E（z）有

則對于事故井套管沿軸線z處的電流I（z）有

在實際測距作業過程中，Rcy≤R，λε有如下近似計算

設x=λR，將式（11）帶入式（8），結合式（5）、（10）進行化簡后則

設σc=10（7Ω·m）–1，σf=5（Ω·m）–1。以?244.47 mm套管為例，取r0=122 mm，t=12 mm。取I0=20 A時，R分別為20 m、40 m、60 m、80 m；取R=50 m時，I0分別為1 A、5 A、10 A、20 A。兩種情況下，對式（12）進行積分后繪制匯集電流沿事故井套管軸線分布（圖1、圖2）。

圖1　距離對匯集電流的影響

圖2　發射電流對匯集電流的影響

由圖1、2可知，事故井匯集電流沿O點分別向上向下流動，在套管兩端趨于0，對稱分布；R越大匯集電流越??；I0越大匯集電流約大，呈線性關系。以R=50 m，I0=20 A為例，套管匯集電流最大約在O點下方100 m處，最大匯集電流約550 mA。

1.3救援井與事故井相對距離及方位計算

救援井及事故井空間位置關系如圖3所示，對測量單元建立XYZ空間坐標系，X、Y軸位于測量單元法平面上，Z軸沿測量單元軸線。測量單元包含1個三軸加速度傳感器和1個三軸磁通門傳感器，傳感器分別沿X、Y、Z三軸布置。

圖3　救援井與事故井空間位置關系計算模型

由畢奧-薩法爾定律，沿事故井套管軸線Z流動的匯集電流I（z）在測量單元處產生相應的電磁場H（z）如式（13）所示，μ為真空磁導率

圖3中，n1、n2=分別表示測量單元及事故井軸線方向的單位矢量；H為事故井套管上感應電流I在測量單位軸線處所產生的電磁場，矢量r為電磁場H?的法向矢量，Hp為H在測量單元法平面上的分量；G?為重力矢量，Gp為重力矢量在測量單元法平面上的分量；a為由測量單元指向事故井軸線的矢量，其方向可用于表示救援井和事故井之間的相對方位關系。對各矢量進行矢量運算，則

結合式（14），考慮空間矢量分解關系，救援井和事故井之間相對位置矢量r有

由式（12）計算獲得理論匯集電流大小，然后結合式（14）~（20），對各矢量進行分解合成，即可計算獲得救援井與事故井之間的相對距離|r|。

結合各矢量空間位置關系，H⊥n1，H⊥r，H⊥a，Hd⊥a，由上述關系，則：a⊥Hp。繪制各矢量在測量單元法平面上的關系如圖4所示。

Hx、Hy、Gx、Gy分別為磁通門傳感器和加速度傳感器測得的磁場分矢量?Hp和重力分矢量Gp在X軸和Y軸上的分量

圖4　測量單元法平面

圖中θ1、θ2有如下關系

聯合式（21）~（26），求θ1、θ2

由式（27）、（28）計算獲得θ1和θ2后：首先，由θ1確定測量單元的空間位置；然后，根據θ2確定Hp 的方向，并按照右手螺旋法則順時針旋轉90°即可計算獲得救援井與事故井的相對方位。

2　電磁探測定位系統應用分析

由式（27）、（28）可知救援井和事故井相對方位可通過磁通門傳感器及加速度傳感器測量數據計算獲得。在現有傳感器精度下，一般可以獲得±3°的相對方位誤差，滿足救援井作業需要。

由式（20）可知，電磁探測定位系統受匯集電流大小及磁通門傳感器測量精度影響，在一定距離之外磁通門傳感器將無法準確測量電磁信號。在實際測距作業中，越遠探測到事故井將越有利于后期的定向及連通作業。為優化救援井測距作業，需要對救援井電測探測定位系統實際應用中可能的影響因素進行分析。

2.1切入角及井斜角的影響

2.1.1切入角的影響取σc=107（Ω·m）–1，σf=5（Ω·m）–1，r0=122 mm，t=12 mm，I0=20 A，R=30 m，L=30 m，取切入角α為0°、30°、60°、90°。研究切入角對匯集電流和最大探測距離的影響。隨著切入角α的增加，在保持測量單元與事故井距離位置不變的情況下發射電極將遠離事故井，所能引起的匯集電流將逐漸減小。隨切入角α增加，電磁場H在測量單元法平面產生的磁場分量Hp將逐漸減小，當α=90°時，由于電磁場在測量單元法平面無分量將導致其測距距離為0。隨切入角增加電磁測距系統最大探測距離將逐漸減小，在救援井測距作業過程中一般要求救援井以較小的切入角靠近事故井并最終實現連通，一般要求不超過45°。

2.1.2井斜角的影響電磁探測定位工具通過電纜下入救援井，當救援井井斜超過一定角度后無法將工具下至井底進行探測定位作業。因此，救援井鉆井作業一般要求井斜不超過60°以滿足測距工具下入要求。

2.2目標套管的影響

取σc=107（Ω·m）–1，σf=5 （Ω·m）–1，t=12 mm，I0=20A，R=30 m，L=30 m，α=0°，分析?177.8 mm、?244.47 mm、?339.7 mm 等3種規格套管上匯集電流沿軸線Z的分布如圖5所示。以?244.47 mm套管為例，其他條件不變，分析壁厚t=10、12、13 mm時匯集電流沿軸線Z的分布如圖6所示。

圖5　套管尺寸對匯集電流的影響

圖6　套管壁厚對匯集電流的影響

由圖5及圖6可知，目標套管半徑越到，壁厚越大所能匯集的電流也越大，越利于探測。如救援井作業條件允許一般以更大的套管段作為探測目標。

2.3其他參數的影響

2.3.1測量點距目標根部長度的影響在實際測距作業中，事故井套管長度有限，其根部在發射電極下方長度不可能無限長，這將對電流的匯集產生相應的影響。以最大探測距離50 m為例，繪制隨著根部長度變化最大探測距離變化如圖7所示。由圖可知，為保證良好的測量效果，初始測量點宜選擇在目標根部以上400 m。在實際救援井設計及作業時，應盡量保證事故井套管在測距段有足夠的長度。

圖7　端部距離對最大探測距離的影響

2.3.2地層特性的影響地層電導率在正常范圍對探測距離影響不大。但是，當鉆遇不均勻或含有磁鐵礦地層時，會導致匯集電流計算不準確和電磁場測量異常，最大探測距離及測量精度都將大大降低。因此，在救援井設計及作業時測距段應盡量避開類似地層。

2.3.3鉆井液類型的影響由于油基鉆井液導電性較差，導致發射電極注入地層電流減小，將減小工具的最大測量距離約一半左右。為保證良好的探測效果，救援井測距作業段宜選用水基鉆井液。

3　在南海某超深水井救援井方案設計中的應用

南海某超深水井水深2 454.4 m，設計井深4 000 m，?339.7 mm套管設計下深3 840 m。設計無落魚情況下以?339.7 mm套管為探測目標的救援井設計方案。結合前文研究內容，完成了該超深水井備用救援井方案測距及連通方案設計。

3.1連通點分析

對于電磁探測定位工具必須以連續的套管、落魚作為探測目標。如圖8，連通點位置主要有2種選擇：當有全井段目標時，設計連通點在噴層頂部附近；當無全井段目標時，設計連通點在事故井最后一層套管鞋或落魚根部。該超深水井備用救援井方案無落魚，以?339.7 mm套管作為電磁測距工具的探測目標。因此，設計連通點為?339.7 mm套管鞋。

3.2測距作業方案設計

3.2.1測距工具選擇結合選擇連通點，設計救援井軌跡以5°左右的切入角接近事故井，滿足電磁探測定位工具對切入角及井斜角的要求?？紤]救援井連通成功率，選擇RGRⅡ和WSAB工具完成測距作業。由表1，RGRⅡ因探測距離遠負責前期遠距離尋找。接近事故井套管后，選擇RGRⅡ配合WSAB使用，提高探測精度，引導救援井連通事故。

3.2.2測距方案設計將測距作業分為2個階段：前期遠距離測距和近距離測距。前期遠距離測距階段選用RGRⅡ工具，主要負責在相對距離較遠時尋找事故井套管，并引導救援井接近事故井至9 m左右。近距離測距階段選用RGRⅡ和WSAB配合使用，主要負責引導救援井連通事故井，此時可以直接將RGRⅡ通過鉆柱內部下入配合WSAB近鉆頭短節實現近鉆頭和鉆柱內測距，避免將整個鉆柱起出簡化測距流程，同時使用WSAB短節提高測量精度。

結合測距工具的基本原理，設計前期遠距離測距間隔30 m左右，近距離測距間隔10 m左右。因單純的RGRII測距需要將鉆具全部提出井底，所需時間較長，因此設計RGRII工具測距作業不超過5次。WSAB模式下，無需提出全部鉆具，較RGRII模式可以節省大量的測距時間，同時為避免提前連通可視現場工況適當增加測距次數。

圖8　連通點選擇

根據上述思路，結合該超深水井與備用救援井井眼軌跡設計，在救援井3 350 m處兩井相對井距約50 m，設計此處為初始測距點。共設計進行測距作業15次，其中RGRII測距作業5次， WSAB配合RGRII測距作業10次，根據現場實際作業情況可適當增加或減小測距作業次數。

3.3連通方案選擇

實現救援井與事故井之間的連通主要的方案有：直接連通（進裸眼、鉆穿套管）、射孔連通、壓裂連通、定向射孔+壓裂連通。結合救援井測距作業，設計不同工況下連通方案設計選擇圖板如表2所示。

以該超深水井救援井設計為例，設計以?339.7mm套管鞋為連通目標，屬于套管段連通，易選擇直接或射孔連通。針對該救援井方案選擇了救援井電磁探測定位工具實現事故井的定位，同時設計了非常完善的測距作業方案，因此選擇直接連通方式作為該超深水井的首先連通方案。

表2　救援井連通方案選擇

4　結論

（1）救援井與傳統定向井本質上的不同主要是增加了測距作業、連通作業和壓井作業，其中測距作業是救援井作業的核心，直接關系到救援井成功與否。目前常用的測距工具為電磁和靜磁探測定位工具，電磁探測定位系統以其大的測量距離和測量精度在實際的救援井作業中得到更為廣泛的應用。

（2） 針對救援井電磁測距工具的基本原理和應用分析進行了詳細研究，推導了電磁探測定位工具距離測量和方位計算的方法，分析了切入角、地層、套管、鉆井液類型等參數對于電磁探測定位工具應用的影響。并結合實際工況分析了，從電磁探測定位作業角度考慮在救援井設計和作業中的注意事。

（3）結合所研究的救援井電磁測距工具，分析了救援井軌跡、連通點選擇、測距工具選擇、測距作業流程設計等，所研究內容在南海超深水井備用救援井方案設計中獲得成功應用。

［1］BP. Deepwater horizon accident investigation report［R］. 2010-09.

［2］羅伯特 D 格雷斯，著. 井噴與井控手冊［M］.高振果，譯.北京：石油工業出版社， 2006-07.

［3］楊興幕，于國華. 應用LWD/MWD逼近測量技術加快救援井鉆井作業進度［J］.國外測井技術，2003，18（3）：33-36.

［4］中國海洋石油公司質量健康安全環保部.墨西哥灣事故案例分析——BP公司對“4.20”深水地平線號事故調查報告［R］. 2010.

［5］WRIGHT J W. Advancements in technology and application engineering make the relief well a more practical blowout control option ［J/OL］. http://www. jwrco.com.

［6］WRIGHT J W. Emergency management tools such as prior remedial contingency planning and a designated task force help those responsible for emergencies perform critical tasks confidently, effectively and efficiently ［J/ OL］. http://www.jwrco.com.

［7］WILLIAM L, Towle J N. LWD/MWD Proximity techniques for relief well projects［J/OL］. http://www. scientificdrilling.com.

［8］JOULES Burn. BP’s deepwater oil spill-making the connection – also hurricane effects – and open thread ［J/ OL］. http://www.theoiddrum.com, 2010-06.

［9］Scientific Drilling. Case study MagTraC intercept –reliefwell-blowout-middle east ［EB/OL］. http://www. scientificdrilling.com, 2011.

［10］Vector Magnetics . Vector Magnetics Brochure ［EB/ OL］. http://www.vectormagnetics.com.

［11］Halliburton-Sperry Drilling. A Comparison of Active and Passive Magnetic Ranging Techniques in a Relief Well Application ［EB/OL］. http://www.halliburton.com.

［12］吳瑤，毛劍琳，李峰飛，等.深水油氣勘探救援井精確探測技術研究［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：26-29.

［13］李翠，高德利，刁斌斌，等.基于三電極系救援井與事故井連通探測系統［J］.石油學報，2013，34（6）：1181-1187.

［14］KUCKES A F, LAUTZENHISER T, NEKUT A G, et al. An electromagnetic survey method for directionally drilling a relief well into a blown out oil or gas well［R］. SPE 10946, 1983.

［15］TARR B A, KUCKES A F, AC M V. Use of new ranging tool to position a vertical well adjacent to a horizontal well［R］. SPE 20446, 1992.

〔編輯付麗霞〕

Application of electromagnetic detection and location system in the design of relief well

LI Fengfei1, YE Jihua2, YANG Wenxue2
（Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

Due to uncertainties of wellbore track, appropriate detection and location tools must be used to connect the relief well and the accident well. Thus, the research of electromagnetic detection and location system is important to the design and operation of relief wells. This paper studies the basic principle of electromagnetic detection and location system (EDLS) and analyzes the calculation method of casing collection current in accident wells using the EDLS and its distribution characteristics; the paper also investigates the calculation methods of relative distance and relative direction between the relief well and the accident well; in combination with the practical applications of the EDLS, the effects of casing parameters, cutting angle, hole drift angle, and formation and other parameters in the accident well on the measurement effects and applications of the EDLS are analyzed; building on the analysis of the EDLS, the distance measurement and connection in the design of a super deepwater relief well in the South China Sea is finished. This paper can provide a theoretical basis for the development of EDLS for relief wells and offer a reference for the application of EDLS in the design and operations of relief wells.

relief well; electromagnetic detection and location; distance; direction

TE53

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0154 – 06

10.13639/j.odpt.2015.01.040

“十二五”國家科技重大專項“深水鉆完井技術”（編號：2011ZX05026-001）。

李峰飛，1983年生。2010年畢業于中國地質大學（武漢）鉆井工程專業，現從事鉆完井相關研究工作，高級工程師。電話：010-84525497。E-mail：liff2@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：李峰飛，葉吉華，陽文學. 電磁探測定位系統及其在救援井設計中的應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：154-159.