CN102644457B

CN102644457B - 一种随钻邻井距离计算方法

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Publication number: CN102644457B
Application number: CN201210116519.7A
Authority: CN
Inventors: 张凤久; 刘刚; 孙福街; 何保生; 曹砚锋; 武广瑷; 杨全枝; 刘勍; 金业权
Original assignee: China University of Petroleum East China; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd
Current assignee: China University of Petroleum East China; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-04-19
Also published as: CN102644457A

Abstract

本发明涉及一种随钻邻井距离计算方法，它将施工井的钻头振动看作信号源，通过振动加速度传感器监测和识别各监测邻井相应的有效钻头振动信号，进行特征时间的提取，从而确定各监测邻井有效钻头振动信号之间的特征时间差，然后采用基于信号传输时差原理建立的邻井距离计算模型，计算施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离，进而确定施工井钻头在井下的空间位置及其趋近方向，实现丛式井碰撞风险预警。本发明的测量结果不受周围邻井磁干扰的影响，稳定可靠，且操作简单方便，不会影响正常的油井生产及钻井施工。本发明可以广泛用于各种钻井工程中的防碰预警系统。

Description

一种随钻邻井距离计算方法

技术领域

本发明涉及一种距离计算方法，特别是关于一种可以在海洋石油钻井工程中用于丛式井防碰预警的随钻邻井距离计算方法。

背景技术

随着海上石油油田开发需求的日益增大，一些可以提高开发效益的老平台高密度加密井项目正在陆续展开。许多需要在老井网下加密开采的油田面临着越来越大的井眼碰撞风险。如果钻井过程中，没有及时发现钻头已经接近邻井的井筒，就有可能在较短时间内引发井眼碰撞事故。一旦发生碰撞，轻者会造成套管柱的变形，重者会钻穿套管，引发严重的井眼事故，从而造成巨额的经济损失，破坏海洋生态环境。目前国内外主要采用的防碰技术包括：钻井的整体优化设计、井眼轨迹控制和防碰扫描技术。这些方法容易受到作业条件和作业环境的影响，需要依赖相关的井眼历史数据资料。由于实际作业中，老井的历史数据资料往往不全，钻井的测量数据易受到周围邻井的磁干扰，以及钻头的方向无法实时准确确定，导致加密调整井在使用传统的防碰技术进行钻井时施工难度大，严重时甚至会制约钻井的施工进度，给施工者添加额外的精神压力。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够计算施工井钻头与监测邻井套管在同一井深处的相对距离，进而确定施工井钻头在井下的空间位置及其趋近方向，实现碰撞风险预警的随钻邻井距离计算方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种随钻邻井距离计算方法，它包括以下步骤：1)设置一包括四个以上的振动加速度传感器，一信号滤波放大子系统和一数据采集分析子系统的丛式井防碰随钻预警系统，每个振动加速度传感器设置在施工井或监测邻井套管头处，每个振动加速度传感器的输出端连接信号滤波放大子系统的输入端，信号滤波放大子系统的输出端连接数据采集分析子系统；2)数据采集分析子系统提取包括监测邻井的井眼轨迹测量信息，施工井和监测邻井的井身结构、井口坐标和转盘面海拔高度的井况信息；3)数据采集分析子系统基于步骤2)提取的井况信息计算不同井深处监测邻井之间的水平相对距离；4)振动加速度传感器实时采集所在钻井套管的振动信号，并将振动信号通过信号滤波放大子系统传给数据采集分析子系统，数据采集分析子系统从监测邻井的振动信号中识别出与施工井钻头振动相关的有效钻头振动信号，提取相应的特征时间；5)数据采集分析子系统采用基于信号传输时差原理建立的邻井距离计算模型计算施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离；6)根据施工井录井信息的实时井深数据，基于步骤5)获得的施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离，确定施工井钻头的井下空间位置。

上述步骤3)包括以下步骤：①根据各监测邻井的井口坐标和转盘面海拔高度确立一井口坐标系；②在步骤①建立的井口坐标系中，根据各监测邻井的井眼轨迹测量信息，以设定的井深间隔计算不同井深处各监测邻井之间的水平相对距离；③计算各监测邻井分隔井段点的井深和方位坐标。

上述步骤4)包括以下步骤：①数据采集分析子系统对接收到的振动信号进行消噪，并剔除信号异常点；②数据采集分析子系统将各监测邻井振动信号与施工井钻头振动信号进行对比，从中识别各监测邻井中与施工井钻头振动相关的有效钻头振动信号，提取相应的特征时间；③数据采集分析子系统确定各监测邻井有效钻头振动信号之间的特征时间差。

上述步骤5)包括以下步骤：

①建立施工井钻头与三个监测邻井在同一井深处的相对距离r_i(i＝1,2,3)的计算关系式：

\{\begin{matrix} r_{1} = V_{0} Δ T_{1} \\ r_{2} = V_{0} Δ T_{2} \\ r_{3} = V_{0} Δ T_{3} \end{matrix}

其中

\{\begin{matrix} Δ T_{1} = T_{1} - T_{0} \\ Δ T_{2} = T_{2} - T_{0} \\ Δ T_{3} = T_{3} - T_{0} \end{matrix}

上式中，V₀为施工井钻头振动信号在所钻地层中的传播速度，ΔT_i(i＝1,2,3)为施工井钻头振动信号到达同一井深处各监测邻井套管所用时长，T₀为施工井钻头振动信号的传播起始时间，T_i(i＝,1,2,3)为施工井钻头振动信号到达同一井深处各监测邻井套管的时间；

②建立振动信号沿三个监测邻井套管上传到达其井口的时间的计算关系式：

\{\begin{matrix} T_{1}^{0} = T_{1} + \frac{D_{1}}{V_{1}} = T_{1} + Δ t_{11} \\ T_{2}^{0} = T_{2} + \frac{D_{2}}{V_{1}} = T_{2} + Δ t_{12} \\ T_{3}^{0} = T_{3} + \frac{D_{3}}{V_{1}} = T_{3} + Δ t_{13} \end{matrix}

上式中，Δt_1i(i＝1,2,3)为振动信号沿各监测邻井上传到达其井口所用时长，D_i(i＝1,2,3)为各监测邻井套管的长度，V₁表示振动信号沿各监测邻井套管传播速度；

③建立振动信号到达三个监测邻井井口的实际时间差Δt_i(i＝1,2,3)的计算关系式：

\{\begin{matrix} Δ t_{1} = T_{1}^{0} - T_{2}^{0} = T_{1} - T_{2} + Δ t_{11} - Δ t_{12} = Δ T_{1} - Δ T_{2} + Δ t_{11} - Δ t_{12} \\ Δ t_{2} = T_{2}^{0} - T_{3}^{0} = T_{2} - T_{3} + Δ t_{12} - Δ t_{13} = Δ T_{2} - Δ T_{3} + Δ t_{12} - Δ t_{13} \\ Δ t_{3} = T_{3}^{0} - T_{1}^{0} = T_{3} - T_{1} + Δ t_{13} - Δ t_{11} = Δ T_{3} - Δ T_{1} + Δ t_{13} - Δ t_{11} \end{matrix}

④根据余弦定理建立三个监测邻井之间的水平相对距离l₁₂、l₂₃和l₁₃的计算关系式：

上式中，α为r₁和r₂之间的夹角，β为r₂和r₃之间的夹角。

上述步骤6)通过以下方法确定施工井钻头的井下空间位置：以各监测邻井井下坐标为圆心，分别以步骤5)获得的施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离为半径做圆，圆的交点既为施工井钻头的井下坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

上述系统对振动信号的采样频率大于等于4000Hz。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将施工井的钻头振动看作信号源，通过监测和识别各监测邻井相应的有效钻头振动信号，确定特征时间差，然后采用基于信号传输时差原理建立的邻井距离计算模型，计算施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离，进而确定施工井钻头在井下的空间位置及其趋近方向，实现丛式井碰撞风险预警，本发明的测量结果不受周围邻井磁干扰的影响，稳定且可靠性高。2、本发明的实施仅需要通过套管头处的传感器检测所在套管的振动信号，操作简单方便，不受作业条件和作业环境的影响，也不会影响正常的钻井施工及油井生产。本发明可以广泛用于各种钻井工程中的防碰预警系统。

附图说明

图1是丛式井防碰随钻预警系统的组成示意图；

图2是本发明工作原理示意图

图3是本发明提取信号时间特征示意图

图4是本发明邻井距离计算模型示意图

图5是本发明确定施工井钻头空间位置示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明可以通过一种丛式井防碰随钻预警系统实现，该系统包括四个以上设置在施工井1和监测邻井2套管头处的振动加速度传感器3、一信号滤波放大子系统4和一数据采集分析子系统5。

将施工井钻头6振动看作信号源，钻头振动信号沿施工井1和监测邻井2的套管传播。每个振动加速度传感器3监测所在钻井套管的振动信号，并将采集到的振动信号传给信号滤波放大子系统4。信号滤波放大子系统4对振动信号进行放大滤波处理后送入数据采集分析子系统5。数据采集分析子系统5根据接收到的振动信号和基于信号传输时差原理建立的邻井距离计算模型，实时计算施工井钻头6与监测邻井套管在同一井深处的相对距离，进而确定施工井钻头6在井下的空间位置。

如图2所示，系统的工作流程包括以下步骤：

1)数据采集分析子系统提取施工井和监测邻井的井况信息。

其中，井况信息包括监测邻井的井眼轨迹测量信息，施工井和监测邻井的井身结构、井口坐标和转盘面海拔高度等信息。

2)数据采集分析子系统基于步骤1)提取的施工井和监测邻井井况信息计算不同井深处各监测邻井之间的水平相对距离：

①根据各监测邻井的井口坐标和转盘面海拔高度确立一井口坐标系。

②在步骤①建立的井口坐标系中，根据各监测邻井的井眼轨迹测量信息，以设定的井深间隔计算不同井深处各监测邻井之间的水平相对距离l_ij(i≠j)。

如图3所示，本实施例以施工井周围存在三个监测邻井为例，各监测邻井之间的水平相对距离分别为l₁₂、l₂₃和l₁₃，但实际实施时监测邻井的数量可以是三个以上。

③计算分隔井段点的井深和方位坐标，其中，方位坐标包括北坐标和东坐标。

3)振动加速度传感器现场实时采集所在钻井套管的振动信号，通过信号滤波放大子系统传给数据采集分析子系统，数据采集分析子系统从监测邻井的振动信号中识别出与施工井钻头振动相关的有效钻头振动信号，提取相应的特征时间：

①数据采集分析子系统对接收到的振动信号进行消噪，并剔除信号异常点；

②数据采集分析子系统将各监测邻井振动信号与施工井钻头振动信号进行对比，从中识别各监测邻井中与施工井钻头振动相关的有效钻头振动信号，提取相应的特征时间(如图4所示)；

③数据采集分析子系统确定各监测邻井有效钻头振动信号之间的特征时间差。

其中，为准确提取振动信号的特征时间，需要系统使用较高的采样频率，且要求的井间距离测量误差越小，系统所使用的采样频率就要越高。以振动信号在砂岩中的速度2000m/s为例，系统的采样频率要大于等于4000Hz，才能满足误差小于0.5m的要求。因此为了提高距离的计算精度，系统对振动信号的采样频率易大于等于4000Hz，但实际操作时也可以根据具体的施工条件而改变，不限于此。

4)数据采集分析子系统采用基于信号传输时差原理建立的邻井距离计算模型计算施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离。

如图3所示，本实施例以施工井周围存在三个监测邻井为例，说明步骤4)中邻井距离计算模型的建立、计算过程：

\{\begin{matrix} r_{1} = V_{0} Δ T_{1} \\ r_{2} = V_{0} Δ T_{2} \\ r_{3} = V_{0} Δ T_{3} \end{matrix}

其中

\{\begin{matrix} Δ T_{1} = T_{1} - T_{0} \\ Δ T_{2} = T_{2} - T_{0} \\ Δ T_{3} = T_{3} - T_{0} \end{matrix}

上式中，V₀为施工井钻头振动信号在所钻地层中的传播速度，ΔT_i(i＝1,2,3)为施工井钻头振动信号到达同一井深处各监测邻井套管所用时长，T₀为施工井钻头振动信号的传播起始时间，T_i(i＝,1,2,3)为施工井钻头振动信号到达同一井深处各监测邻井套管的时间。

\{\begin{matrix} T_{1}^{0} = T_{1} + \frac{D_{1}}{V_{1}} = T_{1} + Δ t_{11} \\ T_{2}^{0} = T_{2} + \frac{D_{2}}{V_{1}} = T_{2} + Δ t_{12} \\ T_{3}^{0} = T_{3} + \frac{D_{3}}{V_{1}} = T_{3} + Δ t_{13} \end{matrix}

上式中，Δt_1i(i＝1,2,3)为振动信号沿各监测邻井上传到达其井口所用时长，D_i(i＝1,2,3)为各监测邻井套管的长度，V₁表示振动信号沿各监测邻井套管传播速度。

\{\begin{matrix} Δ t_{1} = T_{1}^{0} - T_{2}^{0} = T_{1} - T_{2} + Δ t_{11} - Δ t_{12} = Δ T_{1} - Δ T_{2} + Δ t_{11} - Δ t_{12} \\ Δ t_{2} = T_{2}^{0} - T_{3}^{0} = T_{2} - T_{3} + Δ t_{12} - Δ t_{13} = Δ T_{2} - Δ T_{3} + Δ t_{12} - Δ t_{13} \\ Δ t_{3} = T_{3}^{0} - T_{1}^{0} = T_{3} - T_{1} + Δ t_{13} - Δ t_{11} = Δ T_{3} - Δ T_{1} + Δ t_{13} - Δ t_{11} \end{matrix}

5)根据施工井录井信息的实时井深数据，基于步骤4)获得的施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离，确定施工井钻头在井下的空间位置。

如图5所示，基于步骤2)中获得的各监测邻井之间的水平相对距离l₁₂、l₂₃和l₁₃，可以通过步骤4)建立的计算模型，得到施工井钻头与三个监测邻井在同一井深处的相对距离r_i(i＝1,2,3)及其夹角α和β的值，然后分别以各监测邻井同一井深处井下坐标为中心，以r_i(i＝1,2,3)为半径画圆，三个圆的交点坐标既为施工井钻头的井下坐标(X₀，Y₀，Z₀)，从而获得钻头所处的大地坐标。这样不仅得到了施工井钻头于各监测邻井套管之间的相对距离，还可以获得施工井钻头在井下的空间位置及其趋近方向。

本发明的计算模型至少需要有三个监测邻井才能求解，实现邻井距离计算和相应的防碰预警功能，当监测邻井的个数大于三时，计算的结果可以相互修正，从而更加准确。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种随钻邻井距离计算方法，它包括以下步骤：

1)设置一包括四个以上的振动加速度传感器，一信号滤波放大子系统和一数据采集分析子系统的丛式井防碰随钻预警系统，每个振动加速度传感器设置在施工井或监测邻井套管头处，每个振动加速度传感器的输出端连接信号滤波放大子系统的输入端，信号滤波放大子系统的输出端连接数据采集分析子系统；

2)数据采集分析子系统提取包括监测邻井的井眼轨迹测量信息，施工井和监测邻井的井身结构、井口坐标和转盘面海拔高度的井况信息；

3)数据采集分析子系统基于步骤2)提取的井况信息计算不同井深处监测邻井之间的水平相对距离；

4)振动加速度传感器实时采集所在钻井套管的振动信号，并将振动信号通过信号滤波放大子系统传给数据采集分析子系统，数据采集分析子系统从监测邻井的振动信号中识别出与施工井钻头振动相关的有效钻头振动信号，提取相应的特征时间；

5)数据采集分析子系统采用基于信号传输时差原理建立的邻井距离计算模型计算施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离；其具体包括以下步骤：

\{\begin{matrix} r_{1} = V_{0} Δ T_{1} \\ r_{2} = V_{0} Δ T_{2} \\ r_{3} = V_{0} Δ T_{3} \end{matrix}

其中

\{\begin{matrix} Δ T_{1} = T_{1} - T_{0} \\ Δ T_{2} = T_{2} - T_{0} \\ Δ T_{3} = T_{2} - T_{0} \end{matrix}

\{\begin{matrix} T_{1}^{0} = T_{1} + \frac{D_{1}}{V_{1}} = T_{1} + Δ t_{11} \\ T_{2}^{0} = T_{2} + \frac{D_{2}}{V_{1}} = T_{2} + Δ t_{12} \\ T_{3}^{0} = T_{3} + \frac{D_{3}}{V_{1}} = T_{3} + Δ t_{13} \end{matrix}

\{\begin{matrix} Δ t_{1} = T_{1}^{0} - T_{2}^{0} = T_{1} - T_{2} + Δ t_{11} - Δ t_{12} = Δ T_{1} - Δ T_{2} + Δ t_{11} - Δ t_{12} \\ Δ t_{2} = T_{2}^{0} - T_{3}^{0} = T_{2} - T_{3} + Δ t_{12} - Δ t_{13} = Δ T_{2} - Δ T_{3} + Δ t_{12} - Δ t_{13} \\ Δ t_{3} = T_{3}^{0} - T_{1}^{0} = T_{3} - T_{1} + Δ t_{13} - Δ t_{11} = Δ T_{3} - Δ T_{1} + Δ t_{13} - Δ t_{11} \end{matrix}

上式中，α为r₁和r₂之间的夹角，β为r₂和r₃之间的夹角；

6)根据施工井录井信息的实时井深数据，基于步骤5)获得的施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离，确定施工井钻头的井下空间位置。

2.如权利要求1所述的一种随钻邻井距离计算方法，其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤：

①根据各监测邻井的井口坐标和转盘面海拔高度确立一井口坐标系；

②在步骤①建立的井口坐标系中，根据各监测邻井的井眼轨迹测量信息，以设定的井深间隔计算不同井深处各监测邻井之间的水平相对距离；

③计算各监测邻井分隔井段点的井深和方位坐标。

3.如权利要求1所述的一种随钻邻井距离计算方法，其特征在于，所述步骤4)包括以下步骤：

②数据采集分析子系统将各监测邻井振动信号与施工井钻头振动信号进行对比，从中识别各监测邻井中与施工井钻头振动相关的有效钻头振动信号，提取相应的特征时间；

4.如权利要求2所述的一种随钻邻井距离计算方法，其特征在于，所述步骤4)包括以下步骤：

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种随钻邻井距离计算方法，其特征在于，所述步骤6)通过以下方法确定施工井钻头的井下空间位置：

以各监测邻井井下坐标为圆心，分别以步骤5)获得的施工井钻头与各监测邻井之间的相对距离为半径做圆，圆的交点既为施工井钻头的井下坐标(X₀，Y₀，Z₀)。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种随钻邻井距离计算方法，其特征在于：系统对振动信号的采样频率大于等于4000Hz。

7.如权利要求5所述的一种随钻邻井距离计算方法，其特征在于：系统对振动信号的采样频率大于等于4000Hz。