救援井磁导向钻井技术研究进展.pdf
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1、2023 年 10 月第 47 卷 第 5 期 中国石油大学学报(自然科学版)Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)Oct.2023Vol.47 No.5收稿日期:2023-07-20基金项目:国家自然科学基金重点项目(52234002);国家自然科学基金面上项目(51974336)第一作者:高德利(1958-),男,教授,博士,中国科学院院士,研究方向为井下管具力学与控制工程、复杂井工程理论与关键技术等。E-mail:gaodeli 。通信作者:刁斌斌(1983-),男,副研究员,博士,研究方向
2、为定向钻井物理与随钻磁测控技术。E-mail:diaobinbin 。文章编号:1673-5005(2023)05-0055-10 doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2023.05.006救援井磁导向钻井技术研究进展高德利,刁斌斌,于瑞丰,张 森(中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京 102249)摘要:救援井磁导向钻井技术是近几十年发展起来的高新技术,是保障救援井与事故井精准连通的核心技术之一。回顾救援井磁导向钻井技术在国外发展起来的简要历程,重点介绍中国在救援井磁测距工具研发、与事故井相对位置不确定性分析、探测定位方案设计等方面的最新研究进展,以及存在
3、的一些问题等,并提出未来需要加强研究的重点内容,以期为中国救援井磁导向钻井技术创新发展提供有益参考。分析认为:今后应针对救援井磁导向钻井关键技术难题加强多学科交叉研究,自主建立一套相应的先进技术体系;应破除已有测距技术的桎梏,加强救援井导向钻井随钻磁测距技术创新研究。关键词:救援井;导向钻井;磁导向;测距工具;邻井距离中图分类号:TE 243 文献标志码:A引用格式:高德利,刁斌斌,于瑞丰,等.救援井磁导向钻井技术研究进展J.中国石油大学学报(自然科学版),2023,47(5):55-64.GAO Deli,DIAO Binbin,YU Ruifeng,et al.Research advan
4、ces in magnetic guidance drilling technique for relief well engi-neeringJ.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2023,47(5):55-64.Research advances in magnetic guidance drilling technique for relief well engineeringGAO Deli,DIAO Binbin,YU Ruifeng,ZHANG Sen(Ministry of E
5、ducation Key Laboratory of Petroleum Engineering(China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China)Abstract:Magnetic guided drilling technology has emerged as a high-tech technology in recent decades and plays a pivotal role in ensuring effective communication between relief wells and targ
6、et wells.This paper conducts a comprehensive review of the development of relief well magnetic guided drilling technology in foreign countries.It particularly focuses on the latest ad-vancements in magnetic ranging tools,the analysis of relative borehole uncertainty,electromagnetic detection and pos
7、itioning design.The goal is to provide a valuable reference for the innovative development of relief well magnetic guided drilling tech-nology in China.The analysis indicates that China should prioritize collaborative innovation research in the field of relief well magnetic guided drilling technolog
8、y to establish a comprehensive technical system with independent intellectual property rights.Simultaneously,there is a need to break away from existing ranging technology limitations and engage in forward-loo-king research to achieve magnetic ranging during relief well engineering operations.Keywor
9、ds:relief well;steering drilling;magnetic guidance;ranging tool;adjacent well distance 近年来,油气勘探开发快速向“深、低、海、非”领域发展,同时复杂井工程面临高温、高压、高含硫等复杂地质环境的严峻挑战。在复杂井钻井过程中,一旦发生井喷失控事故,必须进行紧急救援,以减少事故造成的巨大损失。例如,墨西哥湾发生的“深水地平线”井喷失控事故,不仅导致 11 人死亡、17 人受伤,而且约有 319 万桶原油泄露到墨西哥湾里,导致近 1500 km 海滩受到原油污染,至少 2 500 km2的海水被石油覆盖。此次事故被
10、美国前总统奥巴马比作环保界的“911”事件1。在 1933 年以前,如果井喷无法从地面控制,则在事故井周围钻多口直井进入储层,并以最大速度生产以释放压力,这些释放储层压力的直井都被称为救援井2。之后,为更有效地达到油气井灭火或制服井喷的目的,救援井钻井目的发生了改变,不再是释放储层压力,而是变成向发生井喷的事故井中泵送压井液。“深水地平线”井喷失控事故就是通过救援井工程实现了彻底封堵3。目前,救援井技术仍是处理井喷失控油气井工程事故的最后有效手段,也是有必要储备的关键核心技术之一4。救援井成功的关键在于精确控制救援井定向钻井轨迹,使其钻达事故井足够近的靶区,甚至与事故井轨迹几何相交,这对井眼轨
11、迹测量与控制提出了严峻的技术挑战。在磁导向钻井技术出现之前,常常不得不钻多口救援井,经过反复尝试才有可能取得成功。直到 20 世纪 70 年代初,壳牌公司开始利用下入救援井中的新型磁力计测量事故井套管剩余磁场,以判断救援井到事故井的距离和方向5。此后,磁导向钻井技术得到了快速发展,特别是主动磁测距技术的发明推动了救援井工程技术的进步。目前,结合磁导向钻井技术,控制救援井轨迹与事故井轨迹相交的定向钻井工艺已得到广泛应用。笔者首先介绍救援井轨道特点,然后从救援井磁测距工具研发、与事故井相对位置不确定性分析、探测定位方案设计等方面分别介绍相关研究进展及最新研究成果,并对相关技术进行总结与展望。1 救
12、援井轨道救援井轨道通常分为直接连通(simple inter-cept)、逐步逼近(parallel track)和“pass-by”(orien-ted intercept)3 种6。与其他两种轨道类型相比,“pass-by”型轨道通常包含一个额外的“pass-by”井段。在该阶段,结合三角测量方法和主动磁测距工具可以将救援井与事故井间距的测量误差由 20%减少至 10%7-9,因此“pass-by”型轨道被广泛应用于救援井工程中。当条件允许时,优先推荐该井型10。如图 1 所示,“pass-by”型轨道根据功能可划分为靠近(approach phase)、定位(locate phase)、
13、伴行(fol-lowing phase)和连通(intercepting phase)等 4 个阶段11-13(图 1 中,d 为两井相对距离)。图 1 救援井“pass-by”型轨道示意图Fig.1 Four phases of the“pass-by”trajectory 在靠近阶段,依靠传统测斜工具引导救援井靠近事故井,当主动磁测距工具在初始测距点第一次65中国石油大学学报(自然科学版)2023 年 10 月探测到事故井,标志着靠近阶段的结束和定位阶段的开始。在定位阶段,一方面需要通过磁测距工具定位事故井相对救援井的位置,以消除井眼轨迹测量的累积误差;另一面需要在不发生超前碰撞的前提下继
14、续减少救援井与事故井的相对距离。通常在该阶段实施“pass-by”钻井作业。为确保救援井轨迹有足够调整空间,提高与事故井连通的几率,“pass-by”点(交叉点)与连通点间的垂直距离应大于 300 m13。“pass-by”结束标志着伴行阶段的开始,在该阶段救援井与事故井的相对距离进一步减小,并逐步调整救援井轨迹与事故井近似平行以验证事故井的准确位置。之后,两口井的相对距离进一步减少,直至满足连通钻井需求时,救援井进入连通阶段。救援井与事故井的连通可分为在套管固井段连通和在裸眼段连通。对于裸眼段连通,连通点通常选择事故井最后一层套管的套管鞋下 10 m处12。直接连通段应为稳斜段,当事故井为直
15、井时,井斜角应小于 511。2 救援井磁测距工具虽然在 20 世纪 70 年代初就开始通过测量事故井套管的剩余磁场来判断救援井到事故井的相对位置,但是那时候定向井工程师仍然很少控制救援井与事故井的轨迹相交。1980 年,West 等14研发了ELREC(extended lateral range electrical conductivity)工具,救援井与事故井相交的几率才得到显著提高。之后,Kuckes 等成立了 Vector Magnetics 公司,EL-REC 工具也改称为 Wellspot 工具。1992 年,又提出利用磁场强度梯度确定救援井与目标井的矢量距离,并研发了 Well
16、spot RGR 工具,提高了测距精度15。进入 20 世纪 90 年代后,Vector Magnetics 公司发明了 SWG(single wire guidance)16、MGT(mag-netic guidance tool)17-18和 RMRS(rotating magnet ranging system)19-21等多种类型的磁测距工具,并在丛式井防碰、双水平井、水平连通井等导向钻井工程中都得到了广泛应用。2010 年,在处理“深水地平线”钻井平台井喷事故的救援井导向钻井工程中,应用了 Wellspot、Wellspot RGR、WSAB(Wellspot at Bit)22和被
17、动磁测距等工具,实现了救援井与事故井的高效连通。另外,国外相关技术公司也对磁测距技术开展了大量研究。例如,SDI(scientific drill-ing international)公司研发了 MagTraC 随钻测距工具23-24。总之,目前已商业化应用的磁测距工具,可以分为“主动磁”和“被动磁”两类测距工具。被动磁测距工具以自身具有剩磁的井下管柱(包括套管或钻柱等)作为磁源,测距过程不影响已钻井的正常作业,但测量结果易受到其他铁磁干扰的影响。需要说明的是,被动磁测距工具并非专指 Halliburton 公司的 PMR(passive magnetic ranging),而是包括 PMR和
18、 MagTraC 随钻测距等在内的这类工具。主动磁测距工具的磁源可以是正钻井中的永磁短节、通电螺线管或已钻井眼中带电管柱等,测距范围大、测距精度高。但是,以永磁短节和通电螺线管作为磁源的主动磁测距工具,需要在正在钻进的井眼和已钻井眼中都下入仪器。因此目前适用于救援井导向钻井的磁测距工具是 Wellspot 系列工具和被动磁测距工具。2.1 主动磁测距工具不同于国外磁测距工具的发展历程,墨西哥湾“深水地平线”钻井平台井喷事故后,救援井主动磁测距工具的研究才引起国内学者的重视,特别是笔者团队开展了大量研究工作:2011 年分析了 Wells-pot 工具的工作原理、技术指标、技术优势及技术缺陷25
19、;2012 年分析了井下电极注入地层的低频交变电流在地层及目标井套管中的传播与衰减规律,得到了利用救援井磁测距工具确定两口井间距和相对方位的方法,同时分析了井下电极注入地层的交变电流大小、井下电极与探管间距等因素对该探测工具测量精度的影响26-27;同年,还提出了基于三电极系应用于救援井重入目标井的探测系统设计方案,分析了三电极系注入地层的低频交变电流在地层及目标井套管中的传播与衰减规律,建立了目标井套管上聚集电流产生的交变磁场空间分布模型,得到了救援井与目标井间距和相对方位的计算方法28;2018 年和 2019 年研究掌握了基于磁场梯度测量的救援井磁导向测距的工作原理,考虑救援井与事故井的
20、空间位置关系,建立了救援井与事故井平行和非平行时的磁测距计算模型,分析了井距、传感器间距、探管转角、汇聚/发散角、异面夹角对磁场梯度测量值的影响29-30;2020 年建立了基于双层径向介质模型的磁测距算法,考虑了救援井钻井液对测距结果的影响,提高了磁测距精度31。另外,中海油研究总院、西安石油大学和中国石油工程技术研究院有限公司等单位也积极开展了一些相关技术研究与实践4,32-33。目前,现场应用的救援井主动磁测距工具原理基本上都类似于 Wellspot 工具。如图 2 所示,这类75第 47 卷 第 5 期 高德利,等:救援井磁导向钻井技术研究进展磁测距工具是通过地面电源供电,经井下电极向
21、地层注入低频交变电流,并在事故井管柱上聚集,从而在事故井周围产生交变磁场。探管检测到的磁场强度不仅与两口井间距、电极和探管间距有关,还会受到注入电流强度、钻井液、地层、事故井管柱、固井水泥环等诸多因素的影响。为了利用检测到的磁场信号精确计算两口井的相对位置,关键是要建立数学模型以准确计算探管处的磁场强度。相比 Kuckes等人将井下电极周围介质近似为各向同性而言,双层径向介质模型比较科学,但仍未考虑地层各向异性、固井水泥环等因素的影响。因此需要结合理论分析、数值模拟、物理实验和现场试验等综合方法,进一步开展深入研究以提高磁测距精度。此外,中国勘探开发的储层越来越深、井底温度越来越高。例如,在中
22、国的南海莺琼盆地,已知钻井最高井底温度达到了 249 34。因此不断提高井下探管的耐温性能也是今后研制主动磁测距工具的工作重点之一。图 2 救援井主动磁测距原理示意图Fig.2 Schematic diagram of working principle of active ranging system2.2 被动磁测距工具被动磁测距工具在救援井导向钻井工程中的应用较早,但是由于测距范围和精度的限制,目前主要用于救援井追踪跟随阶段。在该阶段,救援井与事故井的间距较小,应用被动磁测距工具可以实现随钻测距,避免两口井碰撞或提前连通。在丛式井钻井工程中,当钻至邻井附近时,MWD(measuremen
23、t while drilling)探管检测到的磁方位角和磁感应强度将因邻井管柱的磁干扰而变得异常。定向井工程师常利用这种现象进行邻井防碰预警,避免井眼发生碰撞事故35-36。但是这种方法并不可靠,因为井下管柱产生的不是匀强磁场,因此国内学者针对管柱周围的磁场分布开展了许多研究37-39。笔者团队40在下井下管柱周围磁场分布规律研究的基础上,研制了兼具测距和测斜两种功能的随钻磁测距防碰系统样机,而且两种功能之间的切换无需起钻;如图 3 所示,该系统主要包括高精度磁测量探管、整流编码驱动短节、数据采集处理器和邻井相对位置计算软件,以及配套的泥浆脉冲器、立管压力传感器、司钻显示器等部件;地面模拟实验
24、和现场试验都表明,随钻磁测距防碰系统测距计算结果可靠,可以应用于随钻井眼防碰作业。图 3 随钻磁测距防碰系统示意图Fig.3 Schematic diagram of anti-collision system for magnetic distance MWD相比 Wellspot 工具,被动磁测距工具可以实现随钻测距,具有广阔的应用前景。但是,由于检测的是井下管柱自身的剩余磁场,其属于静磁场并十分微弱,易受到井下铁磁物质的干扰;即使进行管柱周围无其他铁磁干扰,管柱的接箍、连接顺序、磨损等因素都将影响管柱周围的磁场分布。因此为适应这些复杂工况的挑战,针对被动磁测距工具的算法和软硬件仍需进一步
25、开展大量综合研究。2.3 磁测距工具测量误差分析国内外学者一般将救援井主动磁测距工具测量误差引起的不确定区域简单近似为梯形41-42,这种方法虽然直观、简单,但是不能定量描述被测点落在特定区域内的概率,也无法与井眼轨迹误差相耦合。笔者团队43将旋转磁场测距导向系统(RMRS)测量参数视为独立误差源,建立了可以与井眼轨迹相耦合的测量误差模型;通过协方差传播率,建立了主动磁测距工具的测量误差模型,该模型得到的主动磁测距工具测量误差与传统梯形模型结果的对比如图 4 所示44。该模型以协方差矩阵的形式定量描述磁测距工具的测量误差,在给定的置信因子下可85中国石油大学学报(自然科学版)2023 年 10
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