旋转磁场测距系统研制及现场试验

旋转磁场测距系统是保障连通井和成对水平井等特殊工艺井顺利实施的重要随钻测量系统。该系统通过测量磁短节旋转产生的低频交变磁场,实现磁短节与测量探管之间的空间定位,然后通过井下动力钻具控制两井的井眼轨迹连通或平行。现场试验初步验证了该系统的可行性、稳定性和可靠性,为系统进一步改进提供了技术支撑。     

邻井随钻电磁测距防碰计算方法研究

为了解决丛式井邻井井眼防碰问题,对邻井随钻电磁测距防碰计算方法进行了初步研究。在了解邻井随钻电磁测距防碰工具结构与工作原理的基础上,将磁源看作磁偶极子,利用磁偶极子法分析了磁源周围磁场的分布规律,建立了邻井套管磁化磁场计算模型和探管处磁感应强度计算模型,确立了丛式井邻井随钻电磁测距防碰计算方法,并利用数值模拟方法分析了探管内磁源间距、磁源磁矩和套管相对磁导率等参数对探管处磁感应强度的影响。探管处磁感应强度与磁源间距、磁源磁矩、套管相对磁导率和直径等参数呈正相关,合理设计工具的关键参数,可以增强探管处的磁感应强度,提高工具测量的准确性。研究结果表明,邻井随钻电磁测距防碰工具应用确立的邻井随钻电磁测距防碰计算方法,实时测量计算正钻井与邻井的间距和方位,基本可以满足丛式井导向钻井工程需求,这对丛式井邻井随钻电磁防碰技术的发展具有非常重要的现实意义。      

旋转磁场测距系统构成及导向定位算法研究

旋转磁场测距系统是一种精确探测邻井距离的新技术,在成对水平井和连通井等钻井工程中正发挥着越来越重要的作用。在旋转磁场测距系统组成及功能介绍的基础上,开展了目标端井下系统和源端强磁短节等井下关键结构的设计。通过旋转磁场导向定位算法的原理分析,基于希尔伯特变换方法的特征磁场强度计算,建立了一种适用于动态交变磁场的高精度导向定位方法。经地面模拟试验,设计的旋转磁场测距系统合理性以及导向定位算法的正确性得到了验证,并且随着源端和目标端距离的缩短,磁性导向技术定位精度增高,可以实现40 m以内的精确测量。研究结果对国产磁性导向仪器的研制以及提高我国磁性导向钻井技术水平具有重要意义。     

非开挖工程磁靶定位系统

为了解决非开挖工程钻井轨迹的高精度测量与控制难题,设计了一种磁靶定位系统。该定位系统的十字交叉磁靶通2 Hz交流电后,会在磁靶周围空间形成特定规律的旋转磁场分布。通过钻头位置的微弱动态磁场检测系统可测量该旋转磁场在3个正交方向磁场的分布,利用旋转磁场的轴对称特性,将近钻头三维旋转磁场转化为二维场,根据测量到的磁场矢量与场源空间位置的关系,实现钻头与微弱动态磁场采集系统之间的精确定位。地面测试结果表明:当电流为5 A时,空间场点与螺线管距离100 m处的磁场幅值可达1.53 nT,距离10～110 m范围测量误差均小于2%;在横向距离±30 m范围内相对方位测量误差小于2%;当相对方位夹角达到29.74°后,方位测量将失真,不能用于现场施工作业。研究结果对于油气管道穿越非开挖工程出土点的精确设计具有指导意义。     

螺线管随钻测距导向系统

螺线管随钻测距导向系统是一种邻井距离随钻探测的前沿技术,可用于精细控制蒸汽辅助重力泄油（SAGD）双水平井的井眼轨迹。螺线管随钻测距导向系统主要包括螺线管短节、传感器组和地面测距计算软件。把通电螺线管短节看作磁偶极子,得到了通电螺线管短节远场磁场分布规律;分别给出了两口水平井平行、会聚/发散和异面时的测距导向算法,这些算法不仅可以用来计算SAGD双水平井的间距和相对方位,而且可以用来确定这两口水平井会聚/发散及异面的程度。对螺线管随钻测距导向系统的测距导向算法进行的算例验证和分析表明,螺线管随钻测距导向系统测距导向算法的计算精度可以满足实际工程的需求,具有直接探测邻井距离的技术优势,避免了累积误差的产生,可以用来引导SAGD双水平井的钻进。     

磁短节旋转磁场模型在水平井连通中的应用

运用Ｍａｔｌａｂ 软件仿真了磁短节旋转磁场模型产生的磁场强度信号,在该模型基础上反演得到了方位角、井斜角的计算公式。设计并制作了可在水平、垂直方向上偏转的机械旋转装置,用于模拟现场钻井时钻头带动磁短节的旋转。利用机械旋转装置在地面上模拟了地下２井连通过程,测量了水平角和方位角。实验结果表明：实际测量的磁场强度信号在经过滤波消除噪声干扰后与磁短节旋转磁场模型一致,证明了该模型的正确性;方位角与井斜角的测量误差在３８ ｍ 内不超过０. ４°,可满足连通时对定位精度的要求。基于磁偶极子的磁短节旋转磁场模型对提高水平井连通的中靶率和煤层气的开发具有重要的应用价值。     

煤层气连通水平井精确控制技术

煤层气连通水平井一般采用旋转磁场测距导向系统（RMRS）实现洞穴井与水平井的连通,通过测量水平井与洞穴井之间的距离与方位达到相交连通的目的。但在连通作业过程中,水平位移过长、测量数据累计误差过大等问题会导致连通精度下降。为此,在现有煤层气连通技术基础上,采用优化连通工艺措施、旋转磁场测距导向系统引导MWD测量系统计算技术、对测量数据的误差评价分析和改进等技术形成一套精确控制连通轨迹的工艺技术。现场应用结果表明,连通成功率提高到100%,可全面用于煤层气连通井施工。     

煤层气连通井导向钻井钻头定位方法

基于低频交变磁场的特性,构建了近钻头磁源的低频交变磁场数学模型。根据随钻测量仪器（MWD）的测量原理, 建立测量坐标系,并推导出磁源坐标系向测量坐标系转换的解算方法,从而形成了测量坐标系下的钻头定位方法。在此基础上设计并制作了精确连通导向仪器和工具,配套了磁导向连通井的钻井工艺,并进行了现场应用,结果表明:在常规导向钻具组合基础上增加近钻头磁短节形成磁导向钻具组合,利用参数优化和轨迹实时测量和轨迹姿态控制,在730 m 水平段实现了连接误差小于1 m,使水平井和直井精确连通,为煤层气的开发提供了技术支撑。     

旋转磁场定向测距随钻测量仪的研制与试验

采用水平对接连通井开发煤层气时,为了确保水平井能够与洞穴井准确连通,需要给司钻人员提供准确的导向信息,即需要精确测量2口井的相对距离和方向。通过研究旋转磁场信号强度与相对位置关系,根据正交磁偶极子模型,提出了一种旋转磁场定向测距方法,研制了旋转磁场定向测距仪样机,进行了样机的地面试验和现场试验。该样机主要包括近钻头强磁短节、井下数据采集系统和地面解算系统3部分。地面试验装置包括转速可调的永磁短节台架、姿态可调的数据采集系统台架和轨道正交的50 m×30 m试验场地。地面试验结果表明,30 m以内的定位误差不超过0.1 m。现场试验结果表明,钻头距离洞穴井80 m时就可以探测到有效信号,偏航角平均误差小于1.5°,能够用于连通井的引导钻进。试验结果说明,利用旋转磁场将钻头与洞穴井靶点耦合为一个闭环系统,进行2口井的相对定位是可行的。      

旋转磁导向系统井下磁源优化设计

为了提高随钻探测过程中永磁体磁源的磁性能,增大磁源信号的使用范围,对旋转磁导向系统井下磁源进行了优化设计研究。根据电磁场理论及所用磁源的特点,建立了圆柱形永磁体电流模型;利用矢量磁位方程推导出圆柱形永磁体截面直径和长度与其空间磁场强度的关系,圆柱形永磁体的截面直径和长度决定了其空间磁场强度;并对不同几何参数的圆柱形永磁体和其所在磁短节的空间磁场强度进行了测量和分析。永磁体长度一定时,直径从10 mm增大到20 mm,其空间磁感应强度增加了近80%;长度从50 mm增大到100 mm,其空间磁感应强度增大了近200%。试验表明,内部并排平行放置永磁体的磁短节空间磁场强度与圆柱形永磁体的直径和长度均呈单调递增关系。等体积永磁体的空间磁场测量结果表明,长度与直径之比越大,永磁体空间磁场越强。因此,合理设计永磁体的几何参数,可以增强磁短节的空间磁感应强度,提高测量的准确性。      

A New Rotating Magnet Ranging Method for Drilling Twin Parallel Horizontal SAGD Wells

A new method for determining the distance and direction from a wellbore being drilled to an existing wellbore is disclosed. A permanent magnetic field source is placed on the end of the bit. Two sensor packages detect the alternating magnetic field generated by the source, and this measurement can determine the distance and direction from a wellbore being drilled to an existing wellbore. The method can be used to drill twin parallel horizontal SAGD wells. In the ranging process, the magnetic sub does not need to pass over the measuring tool, so the method needs less time than existing methods need.     

气体钻井连续循环短节的设计与本体的力学分析

气体钻井是欠平衡钻井技术的重要组成部分,可以提高钻井速度,但接单根工况需要中断循环,容易造成岩屑沉降、井壁垮塌、卡钻等安全隐患。为此,设计了一种在气体钻进中接、卸钻具可保持气体连续循环且便于安装和拆卸的短节,其主要结构包括短节本体、主通阀、旁通阀和旁通接头,重点解决了其核心部件主通阀、旁通阀的结构设计;在对其本体进行静力学分析的基础上,运用ANSYS有限元分析软件,模拟了短节本体在受拉伸、扭转、内压工况下的受力状况。分析结果表明,其应力分布趋势与弹塑性力学分析结果相符,在短节本体两处圆孔附近产生应力集中现象,最大变形量仍然处于材料弹性变形阶段。有限元分析结果与弹塑性力学分析结果相符,能满足本体强度的要求。该成果为解决大位移井、欠平衡井、窄密度窗口井等安全钻井提供了新的方案。     

地磁环境下井内装备的磁化磁场强度及影响

邻井套管受到地磁场磁化产生磁化磁场,影响附近的地磁场,并影响测斜仪的磁测量参数,对钻井施工中井眼轨迹防碰和定向施工造成影响。建立了邻近油井为磁干扰源的磁场模型,分析结果表明:竖直井筒在地磁场作用下受到磁化产生的磁化磁场在一定区域内对地磁场产生了干扰,从井筒外壁到距离井筒轴0.5m为强干扰区域,距离井筒轴0.5～2.0m为少量干扰区域,距离井筒轴2～3m为无干扰区域,设计的井间距应2m。     

套管坐标截面法推算磁干扰轨迹的研究与应用

针对密集丛式井施工中,套管磁干扰情况复杂、防碰施工困难和井间关系难以定位等问题,提出了采用套管坐标截面法对出现套管磁干扰的丛式井直井段进行井眼轨迹定位的方法。通过合理简化套管附近空间磁化模型,建立了套管横截面磁场的数学模型。同时,通过套管磁干扰的模拟实验,获取了套管横截面磁场的分布规律,在此基础上提出了套管坐标截面法,并利用此方法反演测点所处的套管空间位置,绘制正钻井的磁干扰井段井眼轨迹,实现在磁干扰井段准确判断测点与邻井套管的相对空间关系。通过华北油田10口丛式井的现场施工试验,验证了套管坐标截面法的正确性和准确性,实现了丛式井防碰关系的精准定位,解决了密集丛式井施工中的防碰问题。     

二级半布站工艺在托甫台区块的应用

随着科学技术的不断进步,国内油田提出了自动化、数字化、模块化油田建设。自动化、数字化油田探究的主要是地面工艺部分,其中单井油气水流量的测量尤为重要。传统上油田采用功图法量油,该法受各种因素影响较大,流量系数经常变化,使得部分油井气、液流量测量误差大且量油时污染严重,安全隐患大,无法实现真正意义上的自动化、数字化。2006年,塔河油田引进无人值守的橇装式选井阀组进行试用并取得成功。随后,该技术在托甫台区块整体开发中进行推广应用,节约了工程投资和占地,减少了劳动定员,取得良好效益。橇装计量技术的应用,使塔河油田由传统的三级布站模式变为二级半布站,地面集输工艺得到整体优化。     

低渗透油藏不同井网系统注采井距研究

根据渗流理论,推导了水平井注采井网井间压力及压力梯度分布公式,分析了水平井注采井网、混合井网和直井井网不同井网系统沿程压力及压力梯度分布规律,提出了低渗透油藏极限注采井距确定方法,并对其影响因素进行了分析。结果表明,直井井网系统驱替压力梯度在注采井附近较大,而在注采井间较大范围内较小;水平井井网系统的流体在注采井间内为近似线性流动,压力降几乎呈线性变化,压力损失明显低于直井,具有更大的驱替压力梯度,且沿程基本保持不变。因此对于低渗透油藏,水平井注采井网更容易形成有效驱替,其极限注采井距为直井井网的3~4倍,混合井网的2~3倍。     

多边形分区在石油重磁反演中的应用

在石油重磁界面反演中，Parker-Oldenburg法的应用条件是界面连续。我国南方的碳酸盐岩地区，地质条件复杂，界面不连续，通常采取重磁场分区策略来满足ParkerOldenburg法的要求。针对地质单元为不规则多边形这一特征，提出了多边形分区提取重磁数据的方法。方法的基本原理是，通过判定点和射线位置与多边形之间的关系，从原始重磁场中按多边形范围提取各个多边形分区的位场数据。应用该方法，对某碳酸盐岩地区的重磁数据进行了多边形分区提取；然后在每个多边形内应用Parker-Oldenburg法反演出各单元的基底深度；最后通过拼接，获得了整个区域的基底界面。