CN102003170A - 一种用于sagd双水平井随钻电磁测距导向的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种用于SAGD双水平井随钻电磁测距导向的计算方法，主要包括采集数据的处理、旋转磁短节远场磁感应强度的计算、井眼轨迹的测斜计算及邻井平行间距算法等。在稠油、天然气水合物等非常规油气资源开采过程中，对SAGD双水平井水平段间距进行精确控制是关键技术环节之一。本发明针对这一应用背景，采用井眼轨迹测斜计算方法与随钻电磁探测相结合的手段，以实时监测双水平井水平段的空间相对位置关系。首先，利用探管接收的旋转磁短节产生的磁信号得到双水平井水平段的间距；然后，利用井眼轨迹测斜计算和随钻电磁探测信号发明了一种可以确定双水平井水平段相对方位的计算方法。本发明既可应用于SAGD双水平井导向钻井探制中，也可应用于多井防碰和三维绕障监测计算中。

Description

一种用于SAGD双水平井随钻电磁测距导向的计算方法

技术领域

本发明涉及一种双水平井邻井间距随钻电磁探测计算方法，是SAGD双水平井导向钻井控制的技术关键之一，属于石油工程技术领域。

背景技术

在石油、天然气及煤层气开采中，双水平井、连通井及U型井等复杂结构井钻井轨迹复杂，定向控制难度大，要求对邻井距离进行随钻精确探测。目前，国内普遍使用的随钻测量工具不能直接测量邻井距离，因而难以满足复杂结构井邻井距离随钻探测的特殊要求。另外，国外虽已研制出能够基本满足以上要求的随钻电磁引导系统，但其核心技术仍被保密和垄断。因此，本发明者特研究设计了“一种邻井距离随钻电磁探测系统”(申请号：200910210076.6)，本项发明即是该系统的核心算法，可精确计算邻井平行段的空间相对位置。

SAGD(蒸汽辅助重力泄油)技术是以蒸汽作为热源，通过热传导与热对流相结合，实现蒸汽和油水之间的对流，再依靠原油和凝析液的重力作用采油。SAGD技术其中一种实现方式为：采取一对上下平行的水平井，位于上面的水平井作为注入井，下面的作为采油井。为了保证SAGD技术的成功，钻井时保持SAGD两水平井水平段平行、间距误差不得超过±1.0m是其中的关键环节之一。然而，通过测斜计算确定双水平井间距的传统方法误差较大，无法满足现场需求，而本项发明结合邻井距离随钻电磁探测系统可精确计算双水平井水平段的空间相对位置，从而工程技术人员根据计算结果可有效地控制钻头运动轨迹，以便精确保持两口井之间的相对距离和方位。

邻井距离随钻电磁探测系统主要由磁短节、电磁测量仪及邻井距离测量计算方法等组成，可以随钻探测邻井距离，精确实现复杂结构井导向钻井控制目标。磁短节是由横行排列的多个永磁体安装在两端带有API标准口型的无磁钻铤中组成，紧跟在正钻井钻头后，与钻具一同旋转产生交变磁场是邻井距离随钻电磁探测系统的信号源。电磁探测仪主要由井下探管和地面系统两部分组成，其主要作用是检测与钻头串联在一起的磁短节的磁信号，并将检测到的磁信号数据通过电缆传输到地面系统。

发明内容

本发明的目的在于根据井下探管接收到的磁信号，计算磁短节与井下探管的相对位置，进而确定SAGD双水平井水平段的空间相对位置。

邻井距离随钻电磁探测系统在SAGD双水平井中的工作原理如图1所示，本发明是该系统的核心算法，提供一种确定SAGD双水平井水平段相对位置的计算方法，包括下列步骤：

步骤1，提取生产井与注入井的井况信息。生产井与注入井的井眼轨迹测量信息；生产井与注入井的井口坐标；生产井与注入井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)；生产井的井身结构。

步骤2，处理提取的生产井与注入井的井况信息。

步骤3，计算旋转磁短节远场的磁感应强度。

步骤4，提取探管采集的磁短节产生的磁信号。

步骤5，对生产井与注入井进行测斜计算，并绘出生产井与注入井的井眼轨迹剖面图，确定双水平井水平段相对方位的范围。

步骤6，利用所述处理后的井况信息、探管采集数据及测斜计算结果，计算探管与磁短节的相对位置，进而确定生产井与注入井水平段的相对位置。

所述步骤2包括：

步骤21，根据生产井与注入井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)，计算注入井钻盘平面高度比生产井钻盘平面高度高多少或低多少。

步骤22，确定井眼轨迹数据是相对于钻盘平面高度还是地面海拔高度。

步骤23，根据生产井与注入井井口坐标计算生产井井口相对注入井井口的偏移。

步骤24，在探管和磁短节的实际垂直深度(TVD)、北坐标(N)、东坐标(E)数据上加上或减去所述偏移量。

所述步骤4包括：

根据估计的双水平井水平段的间距D，用吊车、电缆车以及泵车或者修井钻机将探管下入到生产井合适位置，探管到钻头的轴向距离大约为D。钻头继续钻进大约2倍D的距离，记录下在这段距离探管接收到的磁信号。

所述步骤6包括：

如图3所示，当磁短节经过探管时，探管探测的磁感应强度的B_z分量(交变磁场传感器Z轴检测到的磁场感应强度)的幅值会经过一个最小值，两个最大值，且B_z幅值达到两个最大值时，z的变化量即为两口水平井水平段的间距。

如图5所示，单位矢量

代表三轴交变磁场传感器的X、Y轴；单位矢量

代表t时刻磁短节等效磁矩的方向；单位矢量代表磁短节到探管的径向；单位矢量

正交于探管的轴向，同时正交于单位矢量

Hs代表生产井井眼高边方向；A_mr代表单位矢量

到单位矢量

的夹角；A_hr代表生产井井眼高边Hs到单位矢量

的夹角；A_hx代表生产井井眼高边Hs到单位矢量

的夹角；A_xr代表单位矢量

到单位矢量

的夹角。SAGD双水平井水平段的相对方位可由角A_hr的大小确定，而角A_hr的大小等于角A_hx和角A_xr的和。角A_hx的大小可由三轴加速度传感器测得；角A_xr的大小可由下式求得：

$A_{\mathrm{xr}}=\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{5({\left|B_x\right|}^2-{\left|B_y\right|}^2)}{3({\left|B_x\right|}^2+{\left|B_y\right|}^2)}\right)$

或 $A_{\mathrm{xr}}=2\mathrm{\π}-\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{5({\left|B_x\right|}^2-{\left|B_y\right|}^2)}{3({\left|B_x\right|}^2+{\left|B_y\right|}^2)}\right)$

式中：|B_x|、|B_y|代表交变磁场传感器X、Y轴检测到的磁场感应强度波形的振幅；角A_xr的取值可由角A_hr的取值范围最后确定。

由通过探管探测的三轴磁信号数据计算的双水平井水平段的间距和角A_hr的大小就可以最终确定双水平井水平段的相对位置。

附图说明

图1是邻井距离随钻电磁探测系统在SAGD双水平井中工作示意图。

图2是旋转磁短节远场磁感应强度的计算模型。

图3是探管在一段时间内接收到的磁信号数据曲线。

图4是生产井与注入井相对位置示意图。

图5是生产井与注入井相对方位计算模型示意图。

图6是生产井与注入井的井口信息图。

图中：

1生产井    2注入井    3缆车    4钻塔    5电缆

6探管      7磁短节    8钻头    9磁力线

具体实施方式

本发明可基于探管接收的磁短节信号确定SAGD双水平井水平段的相对位置，其计算方法包括下列主要步骤：

步骤1，提取生产井与注入井的井况信息。生产井与注入井的井眼轨迹测量信息；生产井与注入井的井口坐标；生产井与注入井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)；生产井的井身结构。

步骤2，处理提取的生产井与注入井的井况信息。

提取生产井与注入井的井况信息后，以注入井井口位置为参考建立全局坐标系，然后计算生产井的井口坐标。为确保计算的正确，最后可绘制如图6所示示意图，在图上标出生产井与注入井的井口坐标。具体算法如下：

根据生产井与注入井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)，计算注入井钻盘平面高度比生产井钻盘平面高度高多少或低多少。

确定井眼轨迹数据是相对于钻盘平面高度还是地面海拔高度。

根据生产井与注入井井口坐标计算生产井井口相对注入井井口的偏移。

在探管和磁短节的实际垂直深度(TVD)、北坐标(N)、东坐标(E)数据上加上或减去所述偏移量。

步骤3，计算旋转磁短节远场的磁感应强度。

磁短节中由永磁体来提供永磁场。不同个数的圆柱形永磁体以一定的方式在磁短节中堆栈在一起，形成不同强度的永磁场，这种设计方式不仅易于改变磁短节磁场的强度，而且经济，又能尽可能小的降低磁短节的强度。对于圆柱形永磁体空间磁场分布的计算有磁偶极子法、等效磁荷法、有限元仿真等方法。其中磁偶极子法最为简单，而且在SAGD双水平井中邻井距离随钻电磁探测系统中要测的磁场范围在距磁短节4米以外，满足磁偶极子法适应于计算远场的要求。

如图2所示，计算旋转磁短节远场磁感应强度时，可把旋转磁短节看成旋转的磁偶极子。根据本发明者在专利201010127554X介绍的旋转磁短节周围空间磁场的分布规律，可得计算旋转磁短节远场磁感应强度的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=\frac{m}{4\mathrm{\π}}(\frac{3(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ})x}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}-\frac{\cos \mathrm{\θ}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{3/2}})\\ B_y=\frac{m}{4\mathrm{\π}}(\frac{3(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ})y}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}-\frac{\sin \mathrm{\θ}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{3/2}})\\ B_z=\frac{m}{4\mathrm{\π}}\frac{3(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ})z}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中m：为磁短节的等效磁矩。

步骤4，提取探管采集的磁短节产生的磁信号。

为了保证双水平井水平段相对位置计算的精度，需将探管下入到生产井合适位置，而且在测量期间磁短节移动的距离也不能太小或太大。根据估计的双水平井水平段的间距D，用吊车、电缆车以及泵车或者修井钻机将探管下入到生产井合适位置，探管到钻头的轴向距离大约为D。钻头继续钻进大约2倍D的距离，记录下在这段距离探管接收到的磁信号。

步骤5，对生产井与注入井进行测斜计算，并绘出生产井与注入井的井眼轨迹剖面图，确定双水平井水平段相对方位的范围。

步骤6，利用所述处理后的井况信息、探管采集数据及测斜计算结果，计算探管与磁短节的相对位置，进而确定生产井与注入井水平段的相对位置。

如图3所示，当磁短节经过探管时，探管探测的磁感应强度的B_z分量的幅值会经过一个最小值，两个最大值。当两口水平井的水平段近似平行时，(1)式中的x和y可认为不变，对(1)式中的B_z求导可得：

$\frac{\∂B_z}{\∂z}=\frac{3m}{4\mathrm{\π}}\frac{x\sin \mathrm{\θ}+z\cos \mathrm{\θ}}{{(x^2+y^2+z^2)}^{5/2}}-\frac{15m}{4\mathrm{\π}}\frac{y^2(x\sin \mathrm{\θ}+z\cos \mathrm{\θ})}{{(x^2+y^2+z^2)}^{7/2}}---\left(2\right)$

式中：θ代表磁短节在某一时刻钻过的角度。令(2)式等于0，可得：

$z=\±\frac{1}{2}\sqrt{x^2+y^2}$

即：当时，B_z的振幅达到最大值。因此，B_z幅值达到两个最大值时，z的变化量即为两口水平井水平段的间距。

以正钻井的井眼延伸方向为z轴；以磁短节到探管的径向为r轴；q轴同时正交于z轴和r轴，建立如图4所示RQZ坐标系。如图5所示，单位矢量

代表三轴交变磁场传感器的X、Y轴；单位矢量

代表t时刻磁短节等效磁矩的方向；单位矢量

代表磁短节到探管的径向；单位矢量

正交于探管的轴向，同时正交于单位矢量

Hs代表生产井井眼高边方向；A_mr代表单位矢量

到单位矢量的夹角；A_hr代表生产井井眼高边Hs到单位矢量

的夹角；A_hx代表生产井井眼高边Hs到单位矢量

的夹角；A_xr代表单位矢量

到单位矢量

的夹角。SAGD双水平井水平段的相对方位可由角A_hr的大小确定，而角A_hr的大小等于角A_hx和角A_xr的和。

当z等于0时，旋转磁短节远场磁感应强度的r轴和q轴的分量可表示为：

$B_r=\frac{m}{2\mathrm{\π}}\frac{\cos \left(A_{\mathrm{mr}}\right)}{r^3}---\left(4\right)$

$B_q=\frac{m}{4\mathrm{\π}}\frac{\sin \left(A_{\mathrm{mr}}\right)}{r^3}---\left(5\right)$

如图5所示，双磁传感器探管三轴交变磁场传感器X、Y轴检测到的磁场感应强度分量为：

B_x＝B_rcos(A_xr)-B_qsin(A_xr)                    (6)

B_y＝B_rsin(A_xr)+B_qcos(A_xr)                    (7)

将(3)～(4)式代入(6)～(7)式可得：

$B_r=\frac{m}{4\mathrm{\π}{r}^3}\sqrt{4{\cos }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)+{\sin }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)}\cos (A_{\mathrm{mr}}-P_x)---\left(8\right)$

$\cos \left(P_x\right)=\frac{2\cos \left(A_{\mathrm{xr}}\right)}{\sqrt{4{\cos }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)+{\sin }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)}}---\left(9\right)$

$\sin \left(P_x\right)=\frac{-\sin \left(A_{\mathrm{xr}}\right)}{\sqrt{4{\cos }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)+{\sin }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)}}---\left(10\right)$

$B_y=\frac{m}{4\mathrm{\π}{r}^3}\sqrt{4{\sin }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)+{\cos }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)}\cos (A_{\mathrm{mr}}-P_y)---\left(11\right)$

$\cos \left(P_y\right)=\frac{2\sin \left(A_{\mathrm{xr}}\right)}{\sqrt{4{\sin }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)+{\cos }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)}}---\left(12\right)$

$\sin \left(P_y\right)=\frac{\cos \left(A_{\mathrm{xr}}\right)}{\sqrt{4{\sin }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)+{\cos }^2\left(A_{\mathrm{xr}}\right)}}---\left(13\right)$

由(8)式和(11)式可得：

$\cos \left(2A_{\mathrm{xr}}\right)=\frac{5}{3}\frac{{\left|B_x\right|}^2-{\left|B_y\right|}^2}{{\left|B_x\right|}^2+{\left|B_y\right|}^2}---\left(14\right)$

式中：|B_x|、|B_y|代表交变磁场传感器X、Y轴检测到的磁场感应强度波形的振幅。又因为角A_xr的取值范围为[0，2π)，所以角A_xr的大小可由下式求得：

$A_{\mathrm{xr}}=\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{5({\left|B_x\right|}^2-{\left|B_y\right|}^2)}{3({\left|B_x\right|}^2+{\left|B_y\right|}^2)}\right)---\left(15\right)$

或

$A_{\mathrm{xr}}=2\mathrm{\π}-\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{5({\left|B_x\right|}^2-{\left|B_y\right|}^2)}{3({\left|B_x\right|}^2+{\left|B_y\right|}^2)}\right)---\left(16\right)$

角A_xr的取值可由角A_hr的取值范围最后确定，而角A_hx的大小可由三轴加速度传感器测得。

由以上方法求得的角A_hx和角A_xr可以确定角A_hr的大小，然后结合双水平井水平段的间距就可以最终确定双水平井水平段的空间相对位置。

Claims (4)

1.一种利用探管接收磁短节产生的磁信号确定SAGD双水平井水平段空间相对位置的计算方法，其特征在于下列步骤：

步骤1，提取生产井与注入井的井况信息。生产井与注入井的井眼轨迹测量信息；生产井与注入井的井口坐标；生产井与注入井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)；生产井的井身结构。

步骤2，处理提取的生产井与注入井的井况信息。

步骤3，计算旋转磁短节远场的磁感应强度。

步骤4，提取探管采集的磁短节产生的磁信号。

步骤5，对生产井与注入井进行测斜计算，并绘出生产井与注入井的井眼轨迹剖面图，确定双水平井水平段相对方位的范围。

步骤6，利用所述处理后的井况信息、探管采集数据及测斜计算结果，计算探管与磁短节的相对位置，进而确定生产井与注入井水平段的相对位置。

2.权利要求1所述的利用探管接收磁短节产生的磁信号确定SAGD双水平井水平段空间相对位置的计算方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤21，根据生产井与注入井的钻盘平面高度(KB)和地面海拔高度(GL)，计算注入井钻盘平面高度比生产井钻盘平面高度高多少或低多少。

步骤22，确定井眼轨迹数据是相对于钻盘平面高度还是地面海拔高度。

步骤23，根据生产井与注入井井口坐标计算生产井井口相对注入井井口的偏移。

步骤24，在探管和磁短节的实际垂直深度(TVD)、北坐标(N)、东坐标(E)数据上加上或减去所述偏移量。

3.权利要求1所述的利用探管接收磁短节产生的磁信号确定SAGD双水平井水平段空间相对位置的计算方法，其特征在于，步骤4包括：

根据估计的双水平井水平段的间距D，用吊车、电缆车以及泵车或者修井钻机将探管下入到生产井合适位置，探管到钻头的轴向距离大约为D。钻头继续钻进大约2倍D的距离，记录下在这段距离探管接收到的磁信号。

4.权利要求1所述的利用探管接收磁短节产生的磁信号确定SAGD双水平井水平段空间相对位置的计算方法，其特征在于，步骤6包括：

当磁短节经过探管时，探管探测的磁感应强度的B_z分量(交变磁场传感器Z轴检测到的磁场感应强度)的幅值会经过一个最小值，两个最大值，且B_z幅值达到两个最大值时，z的变化量即为两口水平井水平段的间距。

SAGD双水平井水平段的相对方位可由角A_hr的大小确定，而角A_hr的大小等于角A_hx和角A_xr的和。角A_hx的大小可由三轴加速度传感器测得；角A_xr的大小可由下式求得：

$A_{\mathrm{xr}}=\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{5({\left|B_x\right|}^2-{\left|B_y\right|}^2)}{3({\left|B_x\right|}^2+{\left|B_y\right|}^2)}\right)$

或 $A_{\mathrm{xr}}=2\mathrm{\π}-\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{5({\left|B_x\right|}^2-{\left|B_y\right|}^2)}{3({\left|B_x\right|}^2+{\left|B_y\right|}^2)}\right)$

式中：|B_x|、|B_y|代表交变磁场传感器X、Y轴检测到的磁场感应强度波形的振幅；角A_xr的取值可由角A_hr的取值范围最后确定。

由通过探管探测的三轴磁信号数据计算的双水平井水平段的间距和角A_hr的大小就可以最终确定双水平井水平段的空间相对位置。

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