鄰井隨鉆磁測距防碰系統的研制和應用*

刁斌斌 谷 浩 高德利 趙繼斌 張 森 張文楷

(1.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室 2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司工程技術研究院)

0 引 言

隨著經濟的高速發展，我國油氣消費快速增長、油氣供需矛盾日益加劇。為了緩解我國油氣供需矛盾，保障我國油氣供給，必須加大非常規、低滲透以及海洋等油氣資源的開發力度，同時進一步挖掘老油田開發潛力。這些油氣資源的高效開發對叢式井工程不斷提出新的重大需求。例如，川渝山區頁巖氣的高效開發，客觀上要求盡可能增加每個井臺布置的水平井數，以便大幅度減少井臺的個數[1]。同時，為了保障各老油田增儲上產，使得各油田調整井、滾動開發井、叢式井，鉆探各種復雜結構井逐步增多，井網變密，井與井之間的距離縮小，直井段、斜井段發生兩井相碰的現象有所增加，報廢進尺，重復施工現象時有發生[2-8]。

在發明鄰井防碰工具之前，國內外專家主要是通過分析井眼位置的不確定性[9-11]和計算鄰井分離系數[12-13]來評估鄰井的交碰風險。近年來,雖然評估鄰井交碰風險的計算方法取得了較大發展，但是由于無法避免井眼軌跡累積誤差的產生，傳統的井眼軌跡測斜工具仍然無法滿足密集叢式井鉆井工程需求。近些年，SWG(Single Wire Guidance Tool)工具[9]、RMRS(Rotating Magnet Ranging System)工具[15-16]和MagTraC工具[17-19]的發明，使鄰井防碰技術取得了跨越式發展。這些工具的顯著特點是可以在井下直接探測鄰井距離和相對方位的鄰井防碰工具。

國內對鄰井防碰工具的研究起步較晚。筆者在對井下管柱周圍空間磁場分布規律和測距計算模型進行研究的基礎上，研制了隨鉆磁測距防碰系統樣機，并進行了地面和現場試驗。

1 隨鉆磁測距方法

相比水平連通井和SAGD(Steam-Assisted Gravity Drainage)雙水平井定向鉆井工程，井眼防碰作業對鄰井距離測量精度要求較低，但是要求不影響已鉆井的生產作業。而且，井眼防碰測量最好能夠隨鉆測量，以縮短鉆井周期，降低作業風險，節約鉆井成本。因此，相比需要在已鉆井中下入磁信標或弱磁檢測探管的主動磁測距技術，井眼防碰作業宜采用隨鉆測量鄰井管柱自身磁場的被動磁測距方法。

套管上剩余磁場有多種來源，其主要來源是套管機械加工制造(特別是套管接箍螺紋的機械加工)過程中產生的磁場和套管磁探傷過程中產生的磁場?？梢园岩桓坠芸醋饕粋€磁偶極子，套管的一端代表N極，另一端代表S極。由于測點到套管的距離不會遠大于套管的長度，所以套管周圍空間的磁場分布相當于磁偶極子近場的磁場分布。磁偶極子近場磁場計算模型如圖1所示。套管周圍空間的磁場分布可表示為[19]：

(1)

(2)

式中：Q為磁荷的大小，Bz、Br為P點處磁感應強度在z軸和r軸方向上的分量,l為套管長度的；r為套管到探管的徑向間距。

圖1 磁偶極子近場磁場計算模型Fig.1 Calculation model for near-field magnetic field of magnetic dipole

已鉆井中多根套管連接在一起，相當于多個磁偶極子沿井眼延伸方向排列在一起，其中一個磁偶極子的N極可能與另一個磁偶極子的S極相連，也可能與另一個磁偶極子的N極相連。已鉆井周圍空間某點測得的磁場強度是這些磁偶極子磁場強度的矢量和，也是套管到探管的徑向間距r的函數。因此，可以通過測量已鉆井周圍空間的磁場分布，反演計算在鉆井到已鉆井的距離。

在鉆井到已鉆井方向計算模型如圖2所示。

圖2 在鉆井到已鉆井方向計算模型Fig.2 Calculation model of direction from well being drilled to well drilled

已鉆井井眼高邊h與r之間的夾角Ahr可表示為：

Ahr=Ahx+Axr

(3)

其中:

(4)

(5)

Bcx=Bx-Be(cosΘsinAcosα+

cosΘcosAcosIsinα-sinΘsinIsinα)

(6)

Bcy=By-Be(cosΘcosAcosIcosα+

sinΘsinIcosα-cosΘsinAsinα)

(7)

式中：Gx和Gy分別代表探管內部X軸和Y軸重力加速度傳感器測得的重力場分量；Bcx和Bcy分別代表所述相鄰已鉆井套管剩磁的X軸和Y軸分量；Bx和By分別代表探管內部X軸和Y軸磁通門測得的磁場分量；Be代表當地的地磁場感應強度；I代表探管的傾角；A代表探管擺放的方位角；α代表探管X軸擺放的橫滾角；Θ代表當地的磁傾角。

2 樣機研制

隨鉆磁測距防碰系統如圖3所示。

圖3 隨鉆磁測距防碰系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of magnetic ranging anti-collision while drilling system

隨鉆磁測距防碰系統兼具測距和測斜2種模式，主要由高精度磁測量探管、整流編碼驅動短節、數據采集處理器和鄰井相對位置計算軟件，以及配套的鉆井液脈沖器、立管壓力傳感器、司鉆顯示器等部件組成。測斜模式下，該系統相當于MWD(Measurement While Drilling)工具。測距模式下，高精度磁測量探管隨鉆檢測由相鄰已鉆井套管和地磁場產生的三軸磁感應強度，并將相隔一定距離的兩組三軸磁感應強度信號通過整流編碼驅動短節和鉆井液脈沖器轉變為壓力信號，上傳到井口；再由立管壓力傳感器和數據采集處理器檢測解碼后，傳輸到計算機，作為鄰井相對位置計算軟件的輸入數據，進而解算在鉆井到已鉆井的距離和方向。

2.1 高精度磁測量探管

信號采集處理整體結構如圖4所示。

圖4 信號采集處理總體結構Fig.4 Overall structure of signal acquisition and processing

高精度磁測量探管內部主要包括2個高靈敏度三軸磁通門傳感器、3個加速度傳感器、1個溫度傳感器、驅動電路、高精度采集電路、電源穩壓模塊、數據處理電路和無磁骨架。在測距模式下，高精度磁測量探管的主要功能是檢測相隔一定間距兩點位置的三軸磁感應強度分量和三軸重力加速度分量，并將采集數據傳輸給整流編碼驅動短節。在測斜模式下，高精度磁測量探管的功能與MWD探管的功能一致，都是測量井斜角、方位角、工具面角和溫度等信息。

為了實現井下管柱磁信號的高精度測量，筆者從系統供電、板間電氣隔離與板內電路降噪等方面進行了優化設計，提高了系統的采集精度及抗干擾性能。主要措施包括：①采用采集板和通信板的供電電源隔離方式，采集板與通信板的連接采用帶隔離芯片的RS串口TTL電平接口，抑制板間串擾；②選用超低噪聲的斬波運放作為輸入級放大器，消除1/f噪聲,并優化了濾波放大電路中阻容元件的參數，從而減小電路的自身噪聲；③選用31位高精度ADC采樣數模轉換器，實現靜磁信號大幅度情況下的高精度測量；④將原來的開關電源器件換成低噪聲線性電源器件，減小電源紋波，抑制高頻噪聲；⑤對高溫器件的選擇進行了嚴格的選型把控，滿足井下高溫環境的需求。

2.2 整流編碼驅動短節

整流編碼驅動短節的功能包括：將渦輪發電機輸出的三相交流電通過整流電路變換為直流電，同時通過DC/DC變換為各個電路模塊提供電源；主控CPU通過串口接收測量短節發送的傳感器數據，應用CPU內嵌的編碼方法對傳感器數據進行編碼,并將編碼后的數據發送至脈沖驅動模塊，脈沖驅動模塊完成對驅動信號的功率放大，驅動脈沖器工作；主控CPU根據旋轉振動電路發送的狀態信號判斷儀器是否處于旋轉狀態，根據是否處于旋轉狀態設置儀器的工作模式，同時通過狀態信號來進行儀器工作模式的切換。

整流編碼驅動短節電路總體結構如圖5所示。

圖5 整流編碼驅動短節電路總體結構Fig.5 Overall structure of rectifier-encoded drive pup circuit

整流電源控制板接收渦輪發電機輸出的三相交流電，整流并經過DC/DC變換后為主控板及旋轉測量板提供5 V電源，為靜磁隨鉆防碰探管提供20 V電源；主控板通過串口與靜磁隨鉆防碰探管進行通信，接收靜磁隨鉆防碰探管發送的數據，進行編碼后，將編碼后的數據通過信號線發送至整流電源控制板；旋轉測量電路通過速率陀螺檢測系統是否處于旋轉狀態，將檢測到的結果通過信號線發送至主控板；整流電源控制板接收主控板發送的編碼輸出信號，經過功率放大，通過驅動信號線輸出至脈沖器，驅動脈沖器工作。

3 試驗與結果分析

3.1 地面模擬試驗

為模擬鉆井過程中探管與相鄰已鉆井的相對位置關系，建立了地面模擬試驗裝置。該裝置包括高精度磁測量探管、數據采集處理器、安裝測距計算軟件的筆記本電腦、?172 mm套管、可移動支架、無磁軌道和移動電源等。

試驗方案：固定5根相連的套管代表已鉆井，在距套管不同距離處設置無磁軌道，將固定在可移動支架上的高精度磁測量探管放置在無磁軌道上，探管移動的軌跡代表在鉆井軌跡；在無磁軌道上，探管每移動1 m進行一次測量，將測量數據作為測距計算的基礎數據。

當探管到套管的水平距離為9.90 m，垂直距離為0.56 m時，隨探管的移動，探管測到磁感應強度信號如圖6所示。當探管到套管的水平距離為不同值時，試驗結果如表1和表2所示。由表1和表2可知，在試驗范圍15.31 m以內，探管到套管徑向距離的計算誤差小于±4%，方向計算誤差小于±4°。試驗結果表明，隨鉆磁測距防碰系統樣機在地面模擬試驗中的測距準確可靠。

圖6 磁感應強度隨探管移動的變化曲線Fig.6 Variation of magnetic induction intensity with probe motion

水平距離/m垂直距離/mr測量值/mr計算值/m相對誤差/%5.300.565.335.431.899.900.569.9210.313.9815.300.5615.3115.813.26

表2 Ahr的計算值與計算誤差Table 2 Calculated value and calculation error of Ahr

3.2 現場試驗

雖然常規井眼軌跡的測量結果存在累積誤差，但是當井深較淺時，井眼軌跡的測量誤差較小。因此，選擇在某個叢式水平井平臺的淺層井段開展現場試驗，這時在鉆井與相鄰已鉆井的距離掃描計算結果的誤差較小，可以利用鄰井距離掃描計算結果與研制的隨鉆磁測距防碰系統計算結果進行對比，以驗證所研制的隨鉆磁測距防碰系統在實際鉆井工程中測距結果的可靠性。

試驗時，在鉆井已鉆至866 m，這時在鉆井已鉆井段和相鄰已鉆井的井身結構如圖7所示。

圖7 在鉆井已鉆井段和相鄰已鉆井的井身結構Fig.7 Well profiles of drilled interval of well being drilled and adjacent well drilled

綜合考慮在鉆井一開井深和井壁的穩定性，選擇井深為479～534 m的井段作為試驗井段。試驗中，隨鉆磁測距防碰系統的井下分系統(見圖8)隨鉆具下放至試驗井段，首先在系統的測斜模式下進行一次測斜，并驗證測斜結果的可靠性；然后，通過旋轉鉆柱開啟系統的測距模式，進入測距模式后，在鉆柱不旋轉的條件下，每下放鉆具2 m，測量鄰井管柱磁場一次；最后，基于測量數據進行測距計算。測距計算結果與鄰井距離掃描計算結果的對比如表3所示。試驗結果表明，在試驗井段，隨鉆磁測距防碰系統的測距計算結果接近鄰井距離計算結果。因此，隨鉆磁測距防碰系統的測距計算結果可靠，能夠用于叢式井防碰作業。

圖8 隨鉆磁測距防碰系統井下分系統Fig.8 Downhole subsystem of magnetic ranging anti-collision while drilling system

表3 試驗結果對比Table 3 Comparison of test results

4 結 論

(1)針對叢式井、加密井等定向鉆井工程對高精度井眼防碰技術的迫切需求，研制了兼具隨鉆測距和測斜2種功能的隨鉆磁測距防碰系統樣機。該樣機由高精度磁測距探管、整流編碼驅動短節、數據采集處理器和鄰井空間相對位置計算軟件等組成。

(2)地面模擬試驗結果表明，鄰井間距小于等于15.31 m時，探管到套管徑向距離的計算誤差小于±4%，方向計算誤差小于±4°；現場試驗結果表明，在試驗井段，隨鉆磁測距防碰系統的測距計算結果與鄰井距離計算結果接近，隨鉆磁測距防碰系統能夠用于叢式井防碰作業。

(3)在地面和現場試驗中，探管軸向與鄰井管柱軸向都近似平行。為了更好地滿足叢式井定向鉆井工程的需求，針對非平行井段的測距防碰問題還需要進一步深入研究。