CN107300690B - 一种丛式井井间距离测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种丛式井井间距离测量方法，该方法将在钻井的钻头破碎岩石激励的声振信号作为信号源，通过监测邻井的声振信号，提取具有冲击特征的声振信号，识别在钻井钻头在邻井处激发的特征声振信号，根据特征声振信号得到防碰预警能量信号，采用基于衰减系数回归的丛式井距离计算模型计算在钻井钻头与监测邻井井眼之间的距离。本发明根据接收物理量的衰减特性进行衰减系数回归实现井间距离计算，计算所得井间距离误差小，精度高，不受邻井磁干扰的影响，稳定且可靠性高。

Description

一种丛式井井间距离测量方法
技术领域
本发明属于石油钻井技术领域，涉及一种井间距离测量方法，具体地说，涉及了一种可以在海洋石油钻井工程中用于丛式井防碰撞预警的丛式井井间距离测量方法。
背景技术
大位移水平井、开窗侧钻井以及大型丛式井组加密调整技术已经得到了广泛的应用，这些技术的应用增加了油气的开采程度，节约了钻井成本，但井间距离不断减小，也带来了海上油田在浅层段井眼碰撞风险提高的问题。
海上平台丛式井，因其井型适合于平台的狭小空间，具有可以减少相关设备安装、简化开采过程、提高油气的开采程度以及有效地降低钻井成本的特点，被广泛应用。丛式井的井间距较小，最小距离不足1m，在造斜段之前(一般1000m以上)的直井段对钻井工艺要求极高，此段容易发生正钻井钻头和邻井井眼碰撞事故，井眼相碰，一方面延长钻井周期，增加了作业成本，另一方面套管变形缩短油井生产年限，甚至钻穿套管，造成原油泄漏，污染海区。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。
公开号为CN 102644457 A的中国专利文献公开了一种随钻邻井距离计算方法，它将在钻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，计算在钻井钻头与各监测邻井之间的相对距离，进而确定在钻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。该发明在钻井的钻头振动看做信号源，通过监测和识别各监测邻井形影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，计算在钻井钻头与各监测邻井之间的相对距离，进而确定在钻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。但是，对于深入地层的钻头而言，现阶段技术手段无法实时地传输钻头的振动信号，泥浆脉冲的传输速率无法满足钻头振动信号的大数据量传输要求；对于复杂地层，振动波在其中传播的速度无法预知。因此，上述专利文献中采用的方法计算所得井间距离误差大，精确度差。
发明内容
本发明针对现有技术存在井间距离计算误差大、精度差的上述不足，提供一种丛式井井间距离测量方法，根据接收物理量的衰减特性进行衰减系数回归实现井间距离计算，计算所得井间距离误差小，精度高，且不需要在在钻井安装传感器。
为了达到上述目的，本发明提供了种丛式井井间距离测量方法，其具体步骤为：
设置一包括四个传感器、一信号处理单元的丛式井防碰撞预警系统，四个传感器均设置于监测邻井套管上，且等间距放置，每个传感器的输出端连接信号处理单元；
每个传感器实时采集监测邻井套管的声振信号，并将声振信号传输给信号处理单元，信号处理单元从监测邻井的声振信号提取具有冲击特征的声振信号，识别出在钻井钻头在邻井处激发的特征声振信号，根据特征声振信号得到防碰预警能量信号；
信号处理单元采用基于衰减系数回归的丛式井距离计算模型计算在钻井钻头与监测邻井井眼之间的距离，丛式井距离计算模型的建立步骤为：
以在钻井的钻头为震源S，震源S到监测邻井井眼的距离为H，震源S到四个传感器的直线距离分别为SA＝rA,SB＝rB,SC＝rC,SD＝rD；设相邻传感器之间的距离为AB＝BC＝CD＝a；设第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器接收的能量分别为EA,EB,EC,ED；
基于弹性波在地层中传播时其能量随传播的距离呈指数形式衰减，其表达式如下：
Ar＝A0e-x(f)r (1)
式中，A0为震源的初始振幅强度，Ar为距离震源r处接收的信号振幅强度，x(f)为衰减系数；
在ΔSAC中，根据公式(1)以及能量和振幅成正比，设参数如下：
式中，AA为第一传感器处接收的信号振幅强度，AB为第二传感器处接收的信号振幅强度，AC为第三传感器处接收的信号振幅强度；
对公式(2)两边同时取对数得到：
将rA,rC用rB来表示得到：
设∠SBA＝α，在ΔSAB和ΔSBC中，根据余弦定理得到：
由于cos(180°-α)＝-cos(α)，则有cos(180°-α)+cos(α)＝0，因此公式(5)中，与相加得到：
将公式(5)带入公式(6)得到：
根据公式(7)得到距离rB：
在ΔSBD中，根据公式(1)以及能量和振幅成正比，设参数如下：
式中，AD为第四传感器处接收的信号振幅强度；
对公式(9)两边同时取对数得到：
将rB,rD用rC来表示得到：
设∠SCB＝β，在ΔSBC和ΔSCD中，根据余弦定理得到：
由于cos(180°-β)＝-cos(β)，则有cos(180°-β)+cos(β)＝0，因此公式(12)中，与相加得到：
将公式(12)带入公式(13)得到：
根据公式(14)得到距离rC：
将rB，rC带入公式(4)或公式(11)得到：
公式(16)是关于衰减系数x(f)的二次方程，根据求根公式得到：
式中，X、Y为中间参数，Z为衰减系数x(f)；
根据公式(17)求得x(f)数值，将x(f)代入公式(8)、公式(15)分别求出距离rB,rC，将rB代入公式(5)求出距离rA、将rC代入公式(12)求出距离rD；
对于任意三角形，根据海伦公式：
式中，b,c,d分别为三角形的边长，l为三角形的半周长，即l＝(b+c+d)/2；
以边长c为三角形底边的边长，H为三角形的高，有：
则有：
式中，b,d分别为震源S到任意两个传感器的直线距离，c为所述任意两个传感器之间的距离，H为震源S到监测邻井井眼的距离。
优选的，根据特征声振信号得到防碰预警能量信号的具体步骤为：对特征声振信号进行EMD分析，得到声振信号的特征声振信号频率区间，对特征声振信号频率区间的信号进行滤波后得到防碰预警能量信号。
优选的，所述信号处理单元包括：
与传感器输出端连接的信号采集模块，用于实时采集传感器处的声振信号；
与所述信号采集模块连接的信号存储模块，用于存储声振信号；
与所述信号存储模块连接的脉冲时域信号提取模块，用于提取具有冲击特征的声振信号；
与所述脉冲时域信号提取模块连接的特征频段识别模块，用于对在钻井钻头在邻井处激发的特征声振信号进行识别；
与所述特征频段识别模块连接的信号特征分析模块，用于对特征声振信号进行分析对比，识别出声振信号的特征信号频段区间；
与所述信号特征分析模块连接的信号特征频段滤波模块，用于对特征频段区间的声振信号进行带通滤波，消除噪声信号；
与所述信号特征频段滤波模块连接的信号能量输出模块，用于得到防碰撞能量信号并对防碰撞能量信号进行输出。
优选的，所述信号处理单元还包括初始化自检模块，用于对所述信号处理单元进行初始化和自检。
优选的，所述信号处理单元还包括监测邻井参数设置模块，用于设置监测邻井的数量、录入油井编号。
优选的，在ΔSAC中，有：
则有：
求得的HSAC即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
优选的，在ΔSBD中，有：
则有：
求得的HSBD即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
优选的，在ΔSAB中，有：
则有：
求得的HSAB即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
优选的，在ΔSBC中，有：
则有：
求得的HSBC即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
优选的，在ΔSCD中，有：
则有：
求得的HSCD即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明将在钻井的钻头破碎岩石激励的声振信号作为信号源，通过监测邻井的声振信号，提取具有冲击特征的声振信号，识别在钻井钻头在邻井处激发的特征声振信号，根据特征声振信号得到防碰预警能量信号，采用基于衰减系数回归的丛式井距离计算模型计算在钻井钻头与监测邻井井眼之间的距离。本发明根据接收物理量的衰减特性进行衰减系数回归实现井间距离计算，计算所得井间距离误差小，精度高，不受邻井磁干扰的影响，稳定且可靠性高。
(2)本发明实施仅通过设置在监测邻井套管处的传感器监测所在套管的声振信号，不需要在在钻井安装传感器，操作简单方便，不受作业条件和作业环境影响，也不会影响正常的钻井施工及油井生产。本发明可广泛用于各种钻井过程中的防碰撞系统。
附图说明
图1为本发明丛式井防碰撞预警系统的结构示意图。
图2为本发明信号处理单元的结构框图。
图3为本发明丛式井井间距离测量方法的工作原理图。
图4为本发明丛式井井间距离测量方法中丛式井距离计算模型示意图。
1、监测邻井，2、传感器，3、信号处理单元，31、信号采集模块，32、信号存储模块，33、脉冲时域信号提取模块，34、特征频段识别模块，35、信号特征分析模块，36、信号特征频段滤波模块，37、信号能量输出模块，38、初始化自检模块，39、监测邻井参数设置模块，4、在钻井，5、在钻井钻头，A、第一传感器，B、第二传感器，C、第三传感器，D、第四传感器。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
参见图1，本发明揭示了一种丛式井防碰撞预警系统，该系统包括四个设置于监测邻井套管上的传感器A、B、C、D和一信号处理单元组成，四个传感器等间距放置，每个传感器的输出端连接信号处理单元。
参见图2，作为上述丛式井防碰撞预警系统的优选设计，所述信号处理单元包括：
与传感器输出端连接的信号采集模块，用于实时采集传感器处的声振信号；
与所述信号采集模块连接的信号存储模块，用于存储声振信号；
与所述信号存储模块连接的脉冲时域信号提取模块，用于提取具有冲击特征的声振信号；
与所述脉冲时域信号提取模块连接的特征频段识别模块，用于对在钻井钻头在邻井处激发的特征声振信号进行识别；
与所述特征频段识别模块连接的信号特征分析模块，用于对特征声振信号进行分析对比，识别出声振信号的特征信号频段区间；
与所述信号特征分析模块连接的信号特征频段滤波模块，用于对特征频段区间的声振信号进行带通滤波，消除噪声信号；
与所述信号特征频段滤波模块连接的信号能量输出模块，用于得到防碰撞能量信号并对防碰撞能量信号进行输出。
继续参见图2，作为上述丛式井防碰撞预警系统的进一步设计，所述信号处理单元还包括初始化自检模块，用于对所述信号处理单元进行初始化和自检。
继续参见图2，作为上述丛式井防碰撞预警系统的进一步设计，所述信号处理单元还包括监测邻井参数设置模块，用于设置监测邻井的数量、录入油井编号等基本信息。
本发明揭示的一种丛式井井间距离测量方法通过上述丛式井防碰撞预警系统实现。参见图3，其具体步骤如下：
S1：每个传感器实时采集监测邻井套管的声振信号，并将声振信号传输给信号处理单元，信号处理单元从监测邻井的声振信号提取具有冲击特征的声振信号，识别出在钻井钻头在邻井处激发的特征声振信号，根据特征声振信号得到防碰预警能量信号。其具体步骤为：
S11：每个传感器实时采集监测邻井套管的声振信号，并将声振信号传输至信号采集模块；
S12：信号采集模块将接收的声振信号传输至信号存储模块进行存储，以便进一步对影响声振信号的因素进行汇总分析；
S13：脉冲时域信号提取模块从存储模块中获得声振信号，并提取具有冲击特征的声振信号传输至特征频段识别模块；
S14：特征频段识别模块识别出在钻井钻头在邻井处激发的特征声振信号，并传输至信号特征分析模块；
S15：信号特征分析模块对特征声振信号进行EMD分析，得到声振信号的特征声振信号频率区间，并将特征声振信号频率区间传输至信号特征频段滤波模块；
S16：信号特征频段滤波模块对特征声振信号频率区间的声振信号进行滤波，消除消除噪声信号，并将滤波后的特征声振信号传输至信号能量输出模块；
S17：信号能量输出模块将接收的特征声振信号转换为防碰撞能量信号并对防碰撞能量信号进行输出，以便于建立下述丛式井距离计算模型。
S2：信号处理单元采用基于衰减系数回归的丛式井距离计算模型计算在钻井钻头与监测邻井井眼之间的距离，丛式井距离计算模型的建立步骤为：
S21：参见图4，以在钻井的钻头为震源S，震源S到监测邻井井眼的距离为H，震源S到四个传感器的直线距离分别为SA＝rA,SB＝rB,SC＝rC,SD＝rD；设相邻传感器之间的距离为AB＝BC＝CD＝a；设第一传感器A、第二传感器B、第三传感器C、第四传感器D接收的能量分别为EA,EB,EC,ED。
基于弹性波在地层中传播时其能量随传播的距离呈指数形式衰减，其表达式如下：
Ar＝A0e-x(f)r (1)
式中，A0为震源的初始振幅强度，Ar为距离震源r处接收的信号振幅强度，x(f)为衰减系数；
S22：在ΔSAC中，根据公式(1)以及能量和振幅成正比，设参数如下：
式中，AA为第一传感器A处接收的信号振幅强度，AB为第二传感器B处接收的信号振幅强度，AC为第三传感器C处接收的信号振幅强度；
对公式(2)两边同时取对数得到：
将rA,rC用rB来表示得到：
设∠SBA＝α，在ΔSAB和ΔSBC中，根据余弦定理得到：
由于cos(180°-α)＝-cos(α)，则有cos(180°-α)+cos(α)＝0，因此公式(5)中，与相加得到：
将公式(5)带入公式(6)得到：
根据公式(7)得到距离rB：
S23：在ΔSBD中，根据公式(1)以及能量和振幅成正比，设参数如下：
式中，AD为第四传感器D处接收的信号振幅强度；
对公式(9)两边同时取对数得到：
将rB,rD用rC来表示得到：
设∠SCB＝β，在ΔSBC和ΔSCD中，根据余弦定理得到：
由于cos(180°-β)＝-cos(β)，则有cos(180°-β)+cos(β)＝0，因此公式(12)中，与相加得到：
将公式(12)带入公式(13)得到：
根据公式(14)得到距离rC：
将rB，rC带入公式(4)或公式(11)得到：
公式(16)是关于衰减系数x(f)的二次方程，根据求根公式得到：
式中，X、Y为中间参数，Z为衰减系数x(f)；
根据公式(17)求得x(f)数值，将x(f)代入公式(8)、公式(15)分别求出距离rB,rC，将rB代入公式(5)求出距离rA、将rC代入公式(12)求出距离rD；
S24：对于任意三角形，根据海伦公式：
式中，b,c,d分别为三角形的边长，l为三角形的半周长，即l＝(b+c+d)/2；
以边长c为三角形底边的边长，H为三角形的高，有：
则有：
式中，b,d分别为震源S到任意两个传感器的直线距离，c为所述任意两个传感器之间的距离，H为震源S到监测邻井井眼的距离。
影响该衰减系数x(f)的因素有两方面，一方面为振动波传经地层的孔隙度、密度、润湿程度等理化性质；另一方面为振动波自身频率，高频信号衰减系数较大，低频信号衰减系数较小，衰减系数x(f)反映了地层对振动波起到综合滤波作用。
丛式井井间距离小，在造斜前需要时刻关注各井眼之间的距离，保证安全的井间距，浅层段地层比较疏松，而且井间距离较小，所以振动波主要的衰减方式为地层吸收衰减，同时由于该地层段井间距离较近，可认为各传感器处于同一个地层，所以衰减系数x(f)相近，基于此假设条件，本发明上述丛式井井间距离测量方法建立基于衰减系数回归的丛式井距离计算模型，通过该计算模型计算在钻井钻头与监测邻井井眼之间的距离，计算所得井间距离误差小，精度高。
继续参见图3，作为上述丛式井井间距离测量方法的优选设计，在步骤S1之前，所述丛式井防碰撞预警系统通过所述初始化自检模块对所述信号处理单元进行初始化和自检，并通过油井参数设置模块选择监测邻井的数量、录入油井编号等基本信息。
以下以具体的实施例对本发明上述丛式井井间距离测量方法计算在钻井钻头与监测邻井井眼之间的距离做出进一步说明。
实施例1：参见图4，在ΔSAC中，有：
则有：
求得的HSAC即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
实施例2：参见图4，在ΔSBD中，有：
则有：
求得的HSBD即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
实施例3：参见图4，在ΔSAB中，有：
则有：
求得的HSAB即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
实施例4：参见图4，在ΔSBC中，有：
则有：
求得的HSBC即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
实施例5：参见图4，在ΔSCD中，有：
则有：
求得的HSCD即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
本发明上述方法中的计算模型只需要在监测邻井的套管处设置四个传感器，无需在在钻井设置传感器，即可求解井间距离，实现丛式井井间距离的计算和相应的防碰预警功能。
以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims (10)

1.一种丛式井井间距离测量方法，其特征在于，其具体步骤为：
设置一包括四个传感器A、B、C、D、一信号处理单元的丛式井防碰撞预警系统，四个传感器均设置于监测邻井套管上，且等间距放置，每个传感器的输出端连接信号处理单元；
每个传感器实时采集监测邻井套管的声振信号，并将声振信号传输给信号处理单元，信号处理单元从监测邻井的声振信号提取具有冲击特征的声振信号，识别出在钻井钻头在邻井处激发的特征声振信号，根据特征声振信号得到防碰预警能量信号；
信号处理单元采用基于衰减系数回归的丛式井距离计算模型计算在钻井钻头与监测邻井井眼之间的距离，丛式井距离计算模型的建立步骤为：
以在钻井的钻头为震源S，震源S到监测邻井井眼的距离为H，震源S到四个传感器的直线距离分别为SA＝rA,SB＝rB,SC＝rC,SD＝rD；设相邻传感器之间的距离为AB＝BC＝CD＝a；设第一传感器A、第二传感器B、第三传感器C、第四传感器D接收的能量分别为EA,EB,EC,ED；
基于弹性波在地层中传播时其能量随传播的距离呈指数形式衰减，其表达式如下：
Ar＝A0e-x(f)r (1)
式中，A0为震源的初始振幅强度，Ar为距离震源r处接收的信号振幅强度，x(f)为衰减系数；
在ΔSAC中，根据公式(1)以及能量和振幅成正比，设参数如下：
式中，AA为第一传感器(A)处接收的信号振幅强度，AB为第二传感器(B)处接收的信号振幅强度，AC为第三传感器(C)处接收的信号振幅强度；
对公式(2)两边同时取对数得到：
将rA,rC用rB来表示得到：
设∠SBA＝α，在ΔSAB和ΔSBC中，根据余弦定理得到：
由于cos(180°-α)＝-cos(α)，则有cos(180°-α)+cos(α)＝0，因此公式(5)中，与相加得到：
将公式(5)带入公式(6)得到：
根据公式(7)得到距离rB：
在ΔSCD中，根据公式(1)以及能量和振幅成正比，设参数如下：
式中，AD为第四传感器(D)处接收的信号振幅强度；
对公式(9)两边同时取对数得到：
将rB,rD用rC来表示得到：
设∠SCB＝β，在ΔSBC和ΔSCD中，根据余弦定理得到：
由于cos(180°-β)＝-cos(β)，则有cos(180°-β)+cos(β)＝0，因此公式(12)中，与相加得到：
将公式(12)带入公式(13)得到：
根据公式(14)得到距离rC：
将rB，rC带入公式(4)或公式(11)得到：
公式(16)是关于衰减系数x(f)的二次方程，根据求根公式得到：
式中，X、Y为中间参数，Z为衰减系数x(f)；
根据公式(17)求得x(f)数值，将x(f)代入公式(8)、公式(15)分别求出距离rB,rC，将rB代入公式(5)求出距离rA、将rC代入公式(12)求出距离rD；对于任意三角形，根据海伦公式：
式中，b,c,d分别为三角形的边长，l为三角形的半周长，即l＝(b+c+d)/2；
以边长c为三角形底边的边长，H为三角形的高，有：
则有：
式中，b,d分别为震源S到任意两个传感器的直线距离，c为所述任意两个传感器之间的距离，H为震源S到监测邻井井眼的距离。
2.如权利要求1述的丛式井井间距离测量方法，其特征在于，根据特征声振信号得到防碰预警能量信号的具体步骤为：对特征声振信号进行EMD分析，得到声振信号的特征声振信号频率区间，对特征声振信号频率区间的信号进行滤波后得到防碰预警能量信号。
3.如权利要求2所述的丛式井井间距离测量方法，其特征在于，所述信号处理单元包括：
与传感器输出端连接的信号采集模块，用于实时采集传感器处的声振信号；
与所述信号采集模块连接的信号存储模块，用于存储声振信号；
与所述信号存储模块连接的脉冲时域信号提取模块，用于提取具有冲击特征的声振信号；
与所述脉冲时域信号提取模块连接的特征频段识别模块，用于对在钻井钻头在邻井处激发的特征声振信号进行识别；
与所述特征频段识别模块连接的信号特征分析模块，用于对特征声振信号进行分析对比，识别出声振信号的特征信号频段区间；
与所述信号特征分析模块连接的信号特征频段滤波模块，用于对特征频段区间的声振信号进行带通滤波，消除噪声信号；
与所述信号特征频段滤波模块连接的信号能量输出模块，用于得到防碰撞能量信号并对防碰撞能量信号进行输出。
4.如权利要求2所述的丛式井井间距离测量方法，其特征在于，所述信号处理单元还包括初始化自检模块，用于对所述信号处理单元进行初始化和自检。
5.如权利要求3或4所述的丛式井井间距离测量方法，其特征在于，所述信号处理单元还包括监测邻井参数设置模块，用于设置监测邻井的数量、录入油井编号。
6.如权利要求1述的丛式井井间距离测量方法，其特征在于，在ΔSAC中，有：
则有：
求得的HSAC即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
7.如权利要求1述的丛式井井间距离测量方法，其特征在于，在ΔSBD中，有：
则有：
求得的HSBD即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
8.如权利要求1述的丛式井井间距离测量方法，其特征在于，在ΔSAB中，有：
则有：
求得的HSAB即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
9.如权利要求1述的丛式井井间距离测量方法，其特征在于，在ΔSBC中，有：
则有：
求得的HSBC即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
10.如权利要求1述的丛式井井间距离测量方法，其特征在于，在ΔSCD中，有：
则有：
求得的HSCD即为震源S到监测邻井井眼的距离H。
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