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。      

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。     

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。     

煤层气多分支水平井钻井工艺研究

煤层气多分支水平井工艺主要包括充气欠平衡技术、井眼轨迹优化设计与控制技术、水平井与洞穴井对接技术、煤层造洞穴技术等.系统地论述了煤层气多分支水平井钻井工艺的技术要点以及井身结构和轨迹设计原则和方法,并且详细阐述了造洞穴、U型充气欠平衡和两井连通工艺的原理及程序.提出了煤层气多分支水平井的设计方法和理论,为未来煤层气的高效勘探开发提供了技术参考.     

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。     

岚M1-1煤层气多分支水平井充气钻井技术

为开采煤层气提高煤气产量,设计钻探了岚M1-1煤层气多分支水平井,该井煤层气储量大,埋深在900 m处左右。钻进时,先钻一口直井并在煤层段造洞穴,在距200 m处钻一口水平井,水平段连通洞穴,再在水平段上对称侧钻出10个分支井眼。钻进中,采用欠平衡钻井技术,直井眼充气,钻井液与气体在洞穴处混合,形成负压钻井。直井和水平井的上直段采用钟摆钻具组合。水平井的主井眼和分支井眼均采用导向钻具组合、无线测量技术,井壁稳定技术采用高黏度钻井液。造洞穴采用液压伸臂式扩眼器,水平井上直井段500 m处打悬塞,直井洞穴上部悬挂?127 mm割孔尾管进行完井。结果为,总进尺7993 m,生产时效100%,全井组平均机械转速8.69 m/h,锻铣造洞穴成功率100%,水平井与洞穴直井一次连通,悬空侧钻分支一次成功率100%,电测一次成功率100%,完井一次成功率100%。结果表明,岚M1-1多分支水平井工艺技术先进,10个分支数量在国内最多,控制面积在国内最大,为今后国内煤层气井钻进技术提供了宝贵的经验。     

和顺地区煤层气远端水平连通井钻井技术

针对和顺煤层气区块的地质特点及远端水平连通井的施工难点,结合和平1井组的钻井方案,介绍了煤层气远端水平连通井的井眼轨道及井身结构优化设计、利用地质导向进行轨迹控制、采用强磁连通仪实现井眼远端连通、在清水中加入氯化钾对储层和井壁进行有效保护,以及优选水平井裸眼完井+排采井套管完井方式和双凝-双密度水泥浆体系等关键技术。实践表明,这一系列技术能够保障远端水平连通井的顺利实施,形成了较为成熟的煤层气水平连通井钻井工艺模式,并取得了良好的应用效果。      

基于邻井距离测量误差的救援井磁测距工具优选方法

为了确保能在可探测的前提下选用测量精度更高、作业风险更小的磁测距工具探测事故井,进行了救援井与事故井相对距离测量误差计算。由于“梯形”误差模型无法与井眼轨迹误差相耦合,通过协方差传播率,建立了磁测距工具测量误差模型。将磁测距工具测量误差与井眼轨迹误差相耦合,可得到磁测距工具工作平面内的总协方差矩阵,进而给出由总协方差矩阵确定的误差椭圆和救援井磁测距工具的优选方法。实例计算结果显示,救援井当前井底与事故井相距7.41 m时,磁测距工具测量误差椭圆长、短半轴长度分别为1.26 m和0.33 m。测距作业后,救援井继续钻进,当两井相对距离为6.68 m时,推荐使用Wellspot工具;当两井相对距离为5.21 m或2.07 m时,推荐使用RGRⅠ工具。研究结果表明,测距作业后,随着救援井继续钻进,两井相对距离的减小趋势大于两井相对距离测量误差的增大趋势;当磁测距工具探测范围完全包覆两井相对距离测量误差椭圆时,可以选用作业距离更小、但测量精度更高的磁测距工具。      

空间圆弧轨迹的矢量描述技术

为了简化空间圆弧轨迹上任一点井身参数的计算公式,对空间圆弧模型的矢量描述方法进行了研究。以矢量代数为基本的数学工具,从圆弧的基本数学属性和装置角的定义出发,建立了空间圆弧轨迹的矢量描述法。推导出了两套空间圆弧轨迹上任一点的井眼方向矢量、圆弧内法线矢量、矢径等矢量的计算公式,和井斜角、方位角、装置角、定向方位角等参数的计算公式。其中一套公式以圆弧曲率和初始装置角为基本参数,另一套公式以井段两端的井深、井斜角、方位角为基本参数。提出了同时使用装置角的正弦值和余弦值来正确计算装置角的新规则。研究结果表明,提出的新计算公式不仅形式上更加简洁,具有几何直观性,而且可以极大地简化井眼轨迹监控、中靶分析、邻井防碰等计算问题的理论公式推导过程;在软件开发中更易于编程实现,便于代码维护。     

管柱形磁源空间磁场矢量引导系统研究

介绍了国外的各类电磁场/磁场矢量引导系统的结构和应用范围,对磁场矢量引导系统核心部件进行了研究,建立了适合于与钻头相连接的管柱形磁体的三维空间磁场模型.应用磁体空间磁场规律的基本公式,推导了管柱形永磁体的三维空间磁场规律计算公式.根据磁探测系统测量到的磁场分量,利用规律计算公式和相应辅助计算软件,得到管柱形磁体源与磁探测系统之间矢量距离的计算规则,并对矢量距离计算规则进行了验证和分析.     

定向井方位漂移轨道设计问题的数值算法

方位漂移是实际钻井过程中普遍存在的现象,常规的轨道设计方法没有考虑方位漂移的影响,增加了钻井施工过程中的井眼轨迹控制的难度。考虑方位漂移影响的轨道设计方法采用井段的自然曲线模型,能够较好地反映地层自然造斜和方位漂移规律。所产生的约束方程组为三元非线性方程组,通常使用的数值迭代方法不易给定迭代初始值、迭代收敛性能差、收敛速度慢。推导出了用稳斜井段井斜角来表示的初始方位角和稳斜段长的解析公式,将三元方程组的求解问题归结为以稳斜井段井斜角为未知数的一元非线性方程方程的求解问题,并给出了求解该一元非线性方程的数值迭代算法。理论分析和大量实际算例表明,文中新算法具有收敛速度快、迭代初值相关性小、全局范围收敛等良好性质。     

捷联式自动垂直钻井系统井斜方位动态测量算法研究与应用

捷联式自动垂直钻井系统是针对高陡构造及大倾角地层的防斜打快难题而提出的一种新型自动垂直钻井工具.在小井斜动态旋转条件下,提出一种新的捷联式自动垂直钻井井斜、方位角动态测量算法,并针对不同倾斜角、不同钻铤转速等因素对算法进行仿真研究.结果表明,未经误差补偿的动态解算结果可用于自动垂直钻井的方位角动态测量.只是其精度受倾斜...     

双轴速率陀螺仪工作原理探讨

双轴速率陀螺仪是一种新型的采用空间惯性导向技术的连续测量系统。它通过测量地球的旋转速率、重立场和传感器的工作状态来计算井眼的位置。根据井斜角的不同，该系统可在两种方式下工作，即陀螺罗盘测量技术和连续测量模式。陀螺罗盘测量技术是用来测量接近垂直井段井眼位置的，是通过静止地测量重力场和地球转速的分量来确定井斜角和方位角的，连续测量模式是用来测量大斜度井段井眼方向的，它通过在运动中测量井斜角和方位角的变化率确定井斜角和方位角。为了加快双轴速率陀螺仪在钻井工程中的更好应用，本文对该型陀螺仪的工作原理进行了探索，并根据理论力学和解析几何知识推导了两种方式下工作的解析数学模型。     

最小曲率法测斜计算中的数值方法

最小曲率法是测斜计算、井眼轨道设计中最常用的方法之一,在井眼轨迹计算中有广泛的应用。本文研究了最小曲率法计算机数值计算中的几个细节问题,给出了零井斜角测点的方位角定义,阐述了零井斜角测点方位角的二义性。分析了坐标增量计算过程,给出了减小三角函数计算次数的算法。对小弯曲角情形的坐标计算使用高精度近似公式代替容易产生除法溢出的直接计算,提高了计算过程的稳定性和计算精度。对水平投影长度的计算给出了使用Gauss数值积分法的精确计算方法。本文提出的方法可以用于使用最小曲率法时的井眼轨道计算的计算机软件开发,提高计算机软件的计算稳定性和计算精度。对涉及井眼轨迹计算的其他实际问题如定向井中靶分析预测、井眼轨迹控制、井身质量检查等都有一定的参考价值。     

连斜测井仪校验方法的完善

连斜测井仪能够精确地测量裸眼井井身的倾斜角和方位角,该仪器主要用于石油钻井井身轨迹的监测,其误差将直接影响测井质量,因此连斜测井仪的校验至关重要。主要讨论连斜测井仪的校验方法、连斜测井仪校验台的完善以及完善后现场使用效果。     

多流量试井压力偏差分析

由于求导方法的不同，机械压力计所取数据求出的压力导数点较为分散，且同一点导数值可能相差很大。压力的积分可以在很大程度上改善导数的不准确性，也可避免导数的分散性。作为补充，在此基础上进行了压力恢复的偏差分析，给出了多级流量试井的压力偏差分析方法及相关公式。该公式可直接应用到以多级流量生产的各种地质模型及油藏边界的井底压力分析中。     

定向井各向异性地层交流电测井响应模拟

定向井 ,尤其是大斜度井和水平井是目前油气田生产的重要手段 ,电阻率各向异性成为必须考虑的重要因素。主要研究定向井中考虑电阻率各向异性时的交流电测井响应计算问题 ,用到的数值模拟方法为快速Fourier Hankel变换 ;根据模拟响应结果 ,讨论了交流电测井的响应特征及影响因素。总体看来 ,计算速度较快 ,计算结果正确 ,结论合理 ,为实际讨论倾斜井测井响应和利用各向异性电阻率求解饱和度奠定了理论基础。     

偏重偏心防斜钻具的研究与应用

大庆油田海拉尔、延吉、汤原等新探区地层倾角大,井外控制困难,严重影响了钻井速度并增加了钻井成本、研制的偏重偏心防斜钻具,经理论分析和现场试验证明,该钻具在井下旋转过程中所产生的离心力使其偏重段重边的稳定器始终贴向井壁,使钻具产生公转特性,有效地克服钻头自转引起的井斜,其离心力与转速平方成正比,转速越高产生的离心降斜力越大。该钻具能防斜、稳斜和降斜,其结构简单,安装方便,能较好地解决钻定向丛式井直井段的防碰技术难题。该钻具还适应地层倾角大的软到中硬地层,其偏心距的确定、优化组合钻具结构以及合理地选择钻压和转速,对防斜钻井及提高钻速均具有十分重要的作用。在12口井的现场试验中,井斜角均控制在1°以内,满足了钻定向丛式井造斜点井斜角小于1°的要求。     

随钻井斜监测预警系统研究

针对目前油田所用的测斜仪已不能完全满足深井钻井工艺要求的问题,研制了随钻井斜监测预警系统。该系统包括井斜测量工具和地面接收仪器2大部分,可根据不同井深的井斜角度要求进行随钻监测,对井斜角度起到预警作用。该系统中的井斜测量工具为机械液压式结构,结构简单,适用性强,可降低测斜强度,提高测斜的工作效率,缩短钻井周期。试验及应用表明,该系统能够实现随钻测斜,耐高温且安全可靠,对降低测斜工作强度、提高井身质量和降低钻井成本等有着十分显著的效果。     

VTI介质弹性体波模式解耦高效算法

对于各向异性波场模式解耦来说，常规的散度与旋度运算存在明显误差，而理论上精确的偏振投影算子受介质参数和传播方向共同控制，导致相应的模式解耦算法成本难以承受。在前人研究基础上，开发面向带有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）介质的弹性体波模式解耦高效算法。首先，针对依据主能量传播与偏振方向偏差角设计的伪散度/伪旋度算子，借助波场方向分解，考虑偏差角随传播方向的变化，构造出更精确的qP/qS波分离算法。然后，针对理论更完备、适用性更强的偏振投影低秩近似算法，借助模型分区和GPU加速策略，达到了精度与成本的相对平衡。SEG Hess VTI二维模型数值试验揭示了改进的伪散度/伪旋度算法、分区低秩分解GPU算法的特点，同时验证了方法的可靠性。