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。     

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。     

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。     

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。     

煤层气连通井引导技术研究

基于磁场测量进行煤层气的井眼连通过程中,建立合适的矢量距离算法一直是研究的难点,其中确定水平井与洞穴井之间的距离和偏离角是进行井眼连通的必要条件。针对矢量距离算法的关键,采用曲线拟合对计算偏离角的关系式进行了推导,论证了偏离角算法的可行性,对算法进行误差分析,用归纳的方法推导出计算磁短节中点与直井之间距离的关系式。研究结果表明偏离角算法与距离计算关系式能够确定磁短节与洞穴井之间的空间位置,对煤层气井眼连通的算法进行了改进。     

磁短节等效磁矩的测量

旋转磁场测距导向系统是一种精确探测邻井距离的新技术,在复杂结构井钻井工程中正发挥越来越重要的作用。磁短节在钻井现场地表的等效磁矩是判断旋转磁场测距导向系统测量结果可信度的重要依据之一,磁短节等效磁矩的测量是旋转磁场测距导向系统作业中的关键环节之一。根据磁偶极子周围空间磁场分布规律,推导了旋转磁短节周围空间远场的磁场分布规律,给出了磁短节等效磁矩的间断测量法和磁短节等效磁矩的连续测量法,并对这两种测量方法操作的难易程度和影响测量精度的主要因素进行了初步探讨。研究结果表明,磁短节等效磁矩的连续测量法具有影响因素少、测量精度高及操作简单的特点,更易于现场应用。     

井间定位交变磁场随钻测量方法与实验研究

在水平对接连通井、成对水平井等复杂结构井中,精确测量2个井眼之间的相对距离和方位信息对于控制钻头按预定轨迹精确钻进具有重要意义.传统随钻测量方法仅针对单一井眼轨迹进行测量,无法提供精确的井眼间相对距离和方位信息.从钻头与目标井靶点构成的闭环系统角度出发,提出一种用于井间相对定位的近钻头有源交变磁场随钻测量方法.以近钻头...     

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。     

旋转磁场导向定位方法研究与应用

与传统随钻测量设备相比,基于有源交变磁场的导向定位技术可精确定位钻进井眼轨迹.通过研究旋转正交磁偶极子在空间的传播特性,利用低频交变磁场作为信号源,经目标靶区磁场信号采集与处理,结合常规随钻测量技术,计算出钻头与目标靶点间的相对方位和距离偏差.进而可指导钻进操作,准确确定钻进目标靶区.在水平定向连通作业过程中,以国外进口RMRS仪器为基准,将自主研发的国产RMRS仪器采集数据和解算结果与之对比.国产RMRS仪器偏航角差最大2.05°,最小0.47°.工程应用表明,该技术具备高精度井轨迹定位能力,可满足水平对接连通井的工程导向要求.     

复杂结构井磁导向钻井技术进展

复杂结构井可以有效提高复杂油气田单井产量和最终采收率,磁导向钻井技术是复杂结构井钻井的核心技术之一。总结了近年来磁导向钻井技术的主要研究进展,包括邻井距离随钻电磁探测系统、螺线管组随钻测距导向系统及三电极系救援井与事故井连通探测系统等主要研究成果,重点论述了磁导向钻井的技术原理及井下磁信标、弱磁探测仪、测距算法及纠偏控制方法等关键技术,并介绍了磁导向钻井技术在SAGD双水平井、连通井、救援井及丛式井钻井防碰中的现场应用情况。其中,邻井距离随钻电磁探测系统已在稠油SAGD双水平井钻井中得以成功应用,不仅在注入井水平段实现了磁导向水平钻进,而且在造斜井段也实现了磁导向钻进。分析认为,需加强多学科协同创新研究,以进一步提高磁导向钻井系统的耐温性能或研发新型耐高温磁导向钻井系统,实现磁导向钻井技术在复杂结构井的推广应用,提高钻井效率,保证钻井作业安全。      

Multi-objective optimization of oil well drilling using elitist non-dominated sorting genetic algorithm

A multi-objective optimization of oil well drilling has been carried out using a binary coded elitist non-dominated sorting genetic algorithm.A Louisiana offshore field with abnormal formation pressure is considered for optimization.Several multi-objective optimization problems involving twoand three-objective functions were formulated and solved to fix optimal drilling variables.The important objectives are：（i） maximizing drilling depth,（ii） minimizing drilling time and （iii） minimizing drilling cost with fractional drill bit tooth wear as a constraint.Important time dependent decision variables are：（i） equivalent circulation mud density,（ii） drill bit rotation,（iii） weight on bit and （iv） Reynolds number function of circulating mud through drill bit nozzles.A set of non-dominated optimal Pareto frontier is obtained for the two-objective optimization problem whereas a non-dominated optimal Pareto surface is obtained for the three-objective optimization problem.Depending on the trade-offs involved,decision makers may select any point from the optimal Pareto frontier or optimal Pareto surface and hence corresponding values of the decision variables that may be selected for optimal drilling operation.For minimizing drilling time and drilling cost,the optimum values of the decision variables are needed to be kept at the higher values whereas the optimum values of decision variables are at the lower values for the maximization of drilling depth.     

Research into magnetic guidance technology for directional drilling in SAGD horizontal wells

SAGD horizontal wells are used to enhance oil recovery from heavy oil reservoirs.This technology requires precise separation between the production well and the injection well to ensure the efficient drainage of the reservoir.By studying the attitude of the downhole probe tube and the production well trajectory,an algorithm is proposed for eliminating ferromagnetic interference while drilling injection wells.A high accuracy filter circuit has been designed to correct the detected magnetic signals,which are ultra-weak,frequency-instable,and narrow-band.The directional drilling magnetic guidance system(DD-MGS) has been developed by integrating these advanced techniques.It contains a sub-system for the ranging calculation software,a magnetic source,a downhole probe tube and a sub-system for collecting & processing the detected signals.The DD-MGS has succeeded in oilfield applications.It can guide the directional drilling trajectory not only in the horizontal section but also in the build section of horizontal injection wells.This new technology has broad potential applications.     

钻多分支水平井井下工具发展状况

应用多分支水平井勘探开发油气藏,比用直井效益更好。虽然其钻井成本比直井高,但是一口水平井往往可以取代多口直井,且具有相当于多口直非的产量。因此,90年代以来世界水平井钻井技术获得长足进步,包括多分支水平并应用大大增加,先进的水平并钻头、先进的井下钻井液马达、旋转导向钻井系统、遥控式可调直径的井下稳定器、新型短半径钻井系统、小眼井水平井钻井以及地质导向技术等。文中对此逐一进行介绍。     

试油井下管柱载荷测试器的研制及应用

为了验证试油井下管柱力学理论分析的准确性,创新研制了试油井下管柱载荷测试器。测试器由井下测试短节和地面参数预置、回放、处理系统两大部分组成。井下测试短节主要由内筒(应变筒)和外筒组成,与管柱连接在一起下井。根据材料力学和弹性力学理论,通过粘贴于内筒的轴向、环向、45°角应变片测出的应变信号可以导出轴向力、内压、扭矩等管柱载荷数值。应变信号经放大、A/D转化后存储于存储器中。试油结束,管柱与仪器出井后,回放、处理即可得到井下管柱载荷。制作的6只井下管柱载荷测试短节,下井进行了20井次现场测试,结果表明理论研究的计算结果与实测值的相对误差小于10%。     

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。     

延页平3井钻完井技术

为加快鄂尔多斯盆地陆相页岩气水平井钻井技术的发展,延长油田于2013年钻成了一口大偏移距的水平井——延页平3井。通过优化井身结构、加强井眼轨迹控制、优选钻头和钻具组合、采用全油基钻井液及漂浮下套管固井技术,钻井过程中未发生复杂情况,且套管一次性下放到位。该井钻井周期比设计缩短7 d,全井平均机械钻速达4.91 m/h,水平段平均钻速达13.16 m/h。该井的钻完井技术可以在陆相页岩气开发中进行推广使用,并对国内其他地区大偏移距页岩气水平井的施工有一定的借鉴意义。     

短半径水平井双弯马达造斜率的研究

提出了以有限元动坐标迭代法为基础的短半径水平并双弯马达造斜率的计算方法，并给出了大曲率井眼中钻头侧向力的二重非线性数值解。探讨了提高双弯马达造斜率的途径。所得结论为我国自行完成第一口短半径水平井提供了有益的帮助。     

井下动力钻具滑动钻进钻桥塞钻头加压技术

在定向井和水平井钻桥塞时,为了减少磨损,可以采用井下动力钻具滑动钻进,钻头加压技术成了关键。应用钻柱拉力扭矩模型向司钻提供了包含桥塞深度、不同摩擦因数下的下钻到底时的大钩负荷和加不同钻压时的大钩负荷的钻压控制参考表。司钻根据下钻到底时的大钩负荷从表中找到所加钻压对应的大钩负荷,然后下放钻具,让大钩负荷与设计值一致,加上钻压。现场4口井钻桥塞过程中,没有观察到明显的托压现象。