CN109306863A - 一种基于邻井套管柱自身磁场探测的丛式井上部直井段防碰预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于邻井套管柱自身磁场探测的丛式井上部直井段防碰预警方法，主要包括两个环节——邻井套管磁干扰识别、邻井套管相对位置反演。在井眼交碰风险识别环节，给出了一种利用MWD的快速工具面测量值尽早识别出邻井套管磁干扰现象及井眼交碰风险的实用方法；在邻井套管相对位置反演环节，给出了综合利用MWD的快速工具面(磁工具面MTF)和全测量数据(含磁场强度、磁倾角)判断磁干扰大小及方向，进而估算出邻井套管相对距离及相对方位的实用方法。与目前的丛式井上部直井段防碰预警方法相比，本发明不仅能够提高井眼交碰风险识别概率，还能够尽早发现井眼交碰风险，并估算出邻井套管柱相对位置，为防碰绕障施工提供重要支持。

Description

一种基于邻井套管柱自身磁场探测的丛式井上部直井段防碰 预警方法

技术领域

本发明涉及丛式井钻井工程领域，尤其涉及一种基于邻井套管柱自身磁场探测的丛式井上部直井段防碰预警方法。

背景技术

目前，新钻加密井、调整井越来越多，新建丛式井组规模越来越大，井与井的空间距离越来越小，钻遇(甚至钻穿)邻井套管的井眼交碰事故时有发生，不仅带来重要经济损失，也带来重大安全隐患。井眼防碰问题是安全高效钻加密井、调整井、丛式井的关键问题之一。目前主要采用无源磁测距探测方法解决井眼防碰问题。铁磁性套管柱在地磁场作用下产生感应磁场，在套管检测、运输及井下服役过程中还产生剩磁。在感应磁场及剩磁共同作用下，井下套管柱周围磁场异于正常地磁场，采用MWD(随钻测量)的磁传感器能够探测邻井套管磁干扰，确定出邻井套管的相对位置信息，这就是无源磁测距探测方法的基本原理(见图1)。该方法的优点是不需要额外增加探测设备，能够采用随钻测量和单井工作方式，不受邻井是否投产或停产限制；缺点是探测范围较小、探测精度较低。客观原因是井下套管柱自身磁场相对较弱、可探测范围相对较小，主观原因是目前对井下套管柱自身磁场分布与无源磁测距井眼防碰机制认识不清。

认识套管柱周围磁场分布规律是高效率识别邻井套管磁干扰的基础。套管柱自身磁场分布规律研究表明，同一批次的套管单根基本上具有相同的剩磁方向，将同一批次的套管单根经专用套管接箍联结成套管柱之后，相邻两个套管单根的剩磁磁极主要为N/S(接箍上部为N极/下部为S极，见图2、图3)或S/N组合(接箍上部为S极/下部为N极，见图4、图5)，该情况下仅套管接箍处东西两侧的磁异常区稍大(接近1.0m)，其余位置磁异常区均较小(约0.5m以内)。尽管丛式井组井口间距比较小(海上井口间距通常小于2m；陆上井口间距约5m)，但是套管柱自身磁场影响范围较小(通常1.0m以内)，MWD的磁传感器距离钻头较远(通常约14m)，现有井眼防碰预警方法仅以总磁场强度(BT)是否正常为依据识别邻井套管磁干扰，不仅难以及时识别井眼交碰风险，也无法判断邻井套管相对位置。与此同时，尽管套管柱自身磁场影响范围较小，但是丛式井组上部直井段井眼间距变化较慢，只要对现有的井眼防碰预警方法进行改进，就能够及时识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险。

MWD系统的测量传感器布置如图6所示，z轴沿MWD轴线方向(向下为正方向)、x轴指向MWD基准方向、y轴符合右手法则；三轴加速度计测量数据分别为g_x、g_y、g_z，三轴磁通门的测量数据分别为B_x、B_y、B_z；利用6个原始测量数据可以计算出井眼轨迹参数(井斜角、方位角)、造斜工具姿态参数(磁工具面角MTF，重力工具面角GTF)、磁场参数(磁场强度B_T，磁场倾角D_IP)。快速工具面模式和全测量模式是MWD系统最基本的两种工作模式。其中，快速工具面模式仅测量和上传工具面角(井斜角较小时显示MTF，井斜角较大时显示GTF)，约3-5s更新一次，用于滑动钻进调整井斜角和方位角；全测量模式用于测量和上传井眼轨迹参数(井斜角、方位角)、磁场参数(磁场强度、磁场倾角)，用时约3min/次。无论采用何种工作模式，三轴磁通门的原始测量数据均不上传至地面，直接利用三轴磁通门的原始数据进行防碰预警是行不通的。利用全测量模式加密测量获取足够多的磁场参数也是行不通的——因为全测量模式需要频繁停泵(钻井泵)和开泵，停止活动钻具并等待数据上传，不仅占用太多钻井作业时间，还会增加卡钻风险。

因此，钻井现场迫切需要低成本、高效率的丛式井上部直井段防碰预警方法，不仅要尽早发现井眼交碰风险，还要估算出邻井套管相对位置，为防碰绕障作业提供技术支持。

发明内容

针对上述技术问题，本发明基于垂直套管柱周围磁场分布规律研究成果、现有MWD仪器的基本功能及使用方法，提出了一种低成本、高效率的丛式井上部直井段防碰预警方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种基于邻井套管柱自身磁场探测的丛式井上部直井段防碰预警方法，步骤如下：

A邻井套管磁干扰快速识别

利用MWD的快速工具面模式，在钻具不旋转条件下缓慢上提钻具，对新钻出的10-15m井段加密测量磁工具面角，利用套管接箍附近与套管本体的磁场分布差异，及时发现邻井套管磁干扰和井眼交碰风险；主要步骤如下：

(1)钻前利用现有定向钻井软件对待钻井眼做防碰扫描，利用最近距离和井眼分离系数识别出井眼交碰风险较高的井段；

(2)在井眼交碰风险较高的井段，每钻完1个钻杆单根进行1次MWD全测量，记录井眼轨迹参数、磁场参数；若实测磁场参数异于正常地磁场参数，表明已经识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险了，需要从当前步骤转换到后续邻井套管相对位置估算步骤；

(3)若MWD全测量数据没有识别出邻井套管磁干扰，将MWD系统从全测量模式转换到快速工具面模式，直井段井斜角较小，MWD会自动显示磁工具面角MTF，此时锁紧转盘、缓慢上提钻柱，每上提1.0m静止20-30s，记录测量井深、磁工具面角，直至把新钻出的10-15m井段测完，绘制磁工具面角随测量井深变化曲线；

(4)若测量井深-磁工具面角曲线波动很小，表明没有邻井套管磁干扰、井眼交碰风险较低，可以继续钻进并重复上述操作，直至钻完全部危险井段；若测量井深-磁工具面角曲线波动较大，表明存在邻井套管磁干扰和井眼交碰风险，且磁工具面角变化最大处即为邻井套管接箍位置，需要从当前步骤转换到后续邻井套管相对位置估算步骤；

B邻井套管相对位置估算

识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险之后，利用MWD的全测量模式，对刚刚识别出的邻井套管接箍对应井段加密测量，利用测量到的磁场参数再次确认是否真的存在邻井套管磁干扰，并初步判断磁干扰大小及方向，估算出邻井套管相对距离及方位；主要步骤如下：

(1)将MWD转换到全测量模式，对邻井套管磁干扰井段按2m/点进行全测量，记录不同井深对应的实测磁场参数，实测磁场参数包括实测的总磁场强度和磁场倾角，并将实测总磁场强度B_T分解成垂直场强B_V，B_V＝B_TsinD_tp，水平场强B_H，B_H＝B_TcosDt_tp；

(2)将实测的总磁场强度、垂直场强、水平场强、磁场倾角分别除以与之对应的正常地磁场参数，绘制出4条磁场参数相对值随井深变化曲线；在邻井套管磁干扰井段，至少有1条磁场参数相对值变化曲线会明显偏离基准值；

(3)基于垂直套管柱周围磁场分布规律，以及磁工具面角、磁场强度计算方法，利用已获取资料逐步估算出邻井套管相对位置。

邻井套管相对位置估算的步骤(3)中，具体方法如下：

(1)若实测总磁场强度大于正常地磁场强度，则邻井套管位于当前井眼的南侧或北侧；若实测总磁场强度小于正常地磁场强度，则邻井套管位于当前井眼的东侧或西侧；

(2)与没有磁干扰的井段相比，若磁干扰井段测量出的磁工具面角偏大，则邻井套管位于当前井眼的东侧或西侧；若磁干扰井段测量出的磁工具面角偏小，则邻井套管位于当前井眼的南侧或北侧；

(3)若磁干扰井段较短，则邻井套管与当前井眼的最短距离判断为1.0m以内；若磁干扰井段较长，则邻井套管与当前井眼的最短距离判断为0.5m以内。

本发明的有益技术效果是：

(1)通过MWD探测邻井套管自身磁场产生的磁干扰，进而识别井眼交碰风险和估算邻井套管相对位置，不需要额外增加探测设备，不受邻井是否投产或停产限制。

(2)基于套管柱自身磁场分布规律、MWD的基本功能及操作方法，首次给出了利用MWD的快速工具面模式和磁工具面角识别邻井套管磁干扰的实用操作方法，比全测量模式加密测量方法节省时间，还有助于及早发现井眼交碰风险。

(3)首次发现同时监测实测总磁场强度、水平场强、垂直场强及磁场倾角(均以正常地磁场参数为基准取相对值)变化有助于及早发现和准确定位邻井套管磁干扰。

(4)基于套管柱自身磁场分布规律，首次给出了综合利用磁工具面角和实测磁场参数估算邻井套管相对距离及方位的实用方法，这是现有防碰预警方法做不到的。

附图说明

图1为无源磁测距探测的基本原理示意图；

图2示出剩磁磁极为N/S组合时垂直套管柱周围磁场分布规律(垂直剖面图)；

图3示出剩磁磁极为N/S组合时垂直套管柱周围磁场分布规律(水平截面图)；

图4示出剩磁磁极为S/N组合时垂直套管柱周围磁场分布规律(垂直剖面图)；

图5示出剩磁磁极为S/N组合时垂直套管柱周围磁场分布规律(水平截面图)；

图6示出MWD系统的测量传感器布置方案；

图7为与邻井套管磁干扰快速识别方法对应的流程图；

图8为与邻井套管相对位置估算方法对应的流程图；

图9示出实测磁场参数相对值随井深变化曲线。

具体实施方式

本发明给出了一种基于邻井套管柱自身磁场探测的丛式井上部直井段防碰预警方法，包括以下两个环节——邻井套管磁干扰识别、邻井套管相对位置反演。

1、邻井套管磁干扰快速识别方法

主要思路是利用MWD的快速工具面模式，在钻具不旋转条件下缓慢上提钻具，对新钻出的约10-15m井段加密测量磁工具面角，利用套管接箍附近与套管本体的磁场分布差异，及时发现邻井套管磁干扰和井眼交碰风险。主要步骤如下(见图7)：

(1)钻前利用现有定向钻井软件(比如，COMPASS软件)对待钻井眼做防碰扫描，利用邻井最近距离和井眼分离系数识别出井眼交碰风险较高的井段。对于丛式井上部井段来说，若某井段的最近距离小于2.0m，或井眼分离系数小于1.5，可视为井眼交碰风险较高。

(2)在井眼交碰风险较高的井段，每钻完1个钻杆单根进行1次MWD全测量，记录井眼轨迹参数(井深、井斜角、方位角)、磁场参数(总磁场强度、磁场倾角)。若实测磁场参数异于正常地磁场参数，表明已经识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险了，需要从当前环节转换到邻井套管柱相对位置反演环节。

(3)若MWD全测量数据没有识别出邻井套管磁干扰，将MWD系统从全测量模式转换到快速工具面模式。直井段井斜角较小，MWD会自动显示磁工具面角MTF。此时锁紧转盘、缓慢上提钻柱，每上提1.0m静止20-30s，记录测量井深、磁工具面角，直至把新钻出的约15m井段测完，绘制磁工具面角随测量井深变化曲线。

(4)若磁工具面角随测量井深变化曲线波动很小(<5°)，表明没有邻井套管磁干扰、井眼交碰风险较低，可以继续钻进并重复上述操作，直至钻完全部危险井段。若磁工具面角随测量井深变化曲线波动较大(>5°)，表明存在邻井套管磁干扰和井眼交碰风险，且磁工具面角变化最大处即为邻井套管接箍位置，需要转换到邻井套管柱相对位置反演环节。

每钻完1个钻杆单根，应按1.0m/点、连续测量约15m井段对应的磁工具面角。因为套管单根长度约10-12m，连续测量15m能够测量到两个套管接箍，增加磁干扰识别概率。与全测量模式相比，快速工具面模式能够在较短时间内获得足够多的磁场参数，有助于尽早发现邻井套管磁干扰和井眼交碰风险。

2、邻井套管相对位置估算方法

主要思路是识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险之后，利用MWD的全测量模式，对刚刚识别出的邻井套管接箍对应井段加密测量，利用测量到的磁场参数(总磁场强度、磁倾角)再次确认是否真的存在邻井套管磁干扰，并初步判断磁干扰大小及方向，估算出邻井套管相对距离及方位。主要步骤如下(见图8)：

(1)将MWD转换到全测量模式，对邻井套管磁干扰井段按2m/点进行全测量，记录不同井深对应的实测磁场参数(总磁场强度B_T、磁场倾角D_ip)，并将实测总磁场强度B_T分解成垂直场强B_V(B_V＝B_TsinD_tp)、水平场强B_H(B_H＝BTcosD_tp)。)

(2)将实测的总磁场强度、垂直场强、水平场强、磁场倾角分别除以与之对应的正常地磁场参数，绘制出4条磁场参数相对值随井深变化曲线(如图9所示)。在邻井套管磁干扰井段，至少有1条磁场参数相对值变化曲线会明显偏离基准值(1.0)。

(3)基于垂直套管柱周围磁场分布规律(见图2-图5)，以及磁工具面角、磁场强度计算方法，利用已获取资料逐步估算出邻井套管相对位置。

a.若实测总磁场强度大于正常地磁场强度，则邻井套管位于当前井眼的南侧或北侧；若实测总磁场强度小于正常地磁场强度，则邻井套管位于当前井眼的东侧或西侧。

b.与没有磁干扰井段的磁工具面角相比，若磁干扰井段测量出的磁工具面角偏大，则邻井套管柱位于当前井眼的东侧或西侧；若磁干扰井段测量出的磁工具面角偏小，则邻井套管位于当前井眼的南侧或北侧。

c.若磁干扰井段较短(≤3m)，表明测斜仪仅测量到套管接箍附近的磁干扰，尚未测量到套管本体的磁干扰，则邻井套管与当前井眼的最短距离约1.0m以内(或5倍套管直径范围内)；若磁干扰井段较长(>3m)，表明测斜仪已经测量到套管接箍附近及套管本体的磁干扰，则邻井套管与当前井眼的最短距离约0.5m以内(或3倍套管直径范围内)。

井眼交碰实例分析表明，在邻井套管磁干扰不明显或刚刚出现磁干扰井段，水平场强和垂直场强更容易感受到磁干扰，现有防碰预警方法仅监测总磁场强度显然难以及时发现邻井套管磁干扰。总的来说，本发明同时监测总磁场强度、水平场强、垂直场强及磁场倾角变化有助于及早发现和准确定位邻井套管磁干扰。

总结来说，本发明防碰预警方法按以下步骤进行：

进入井眼交碰风险较高的井段以后，如图7流程图所示，按本发明所给方法对新钻出的约15m井段加密测量磁工具面角，绘制磁工具面角随井深变化曲线，利用磁工具面角是否有明显变化来识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险。

识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险之后，如图8流程图所示，按本发明所给方法对识别出的邻井套管磁干扰井段加密测斜，对测量到的总磁场强度进行分解，绘制全部磁场参数随井深变化曲线，然后按照本发明给出的判别准则，综合利用磁工具面角、实测磁场参数逐步估算出邻井套管相对距离及方位。

与目前的丛式井上部直井段防碰预警方法相比，本发明不仅能够提高井眼交碰风险识别概率，还能够尽早发现井眼交碰风险，并估算出邻井套管柱相对位置，为防碰绕障施工提供重要支持。

Claims (2)

1.一种基于邻井套管柱自身磁场探测的丛式井上部直井段防碰预警方法，其特征在于步骤如下：

A邻井套管磁干扰快速识别

利用MWD的快速工具面模式，在钻具不旋转条件下缓慢上提钻具，对新钻出的10-15m井段加密测量磁工具面角，利用套管接箍附近与套管本体的磁场分布差异，及时发现邻井套管磁干扰和井眼交碰风险；主要步骤如下：

(1)钻前利用现有定向钻井软件对待钻井眼做防碰扫描，利用最近距离和井眼分离系数识别出井眼交碰风险较高的井段；

(2)在井眼交碰风险较高的井段，每钻完1个钻杆单根进行1次MWD全测量，记录井眼轨迹参数、磁场参数；若实测磁场参数异于正常地磁场参数，表明已经识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险了，需要从当前步骤转换到后续邻井套管相对位置估算步骤；

(3)若MWD全测量数据没有识别出邻井套管磁干扰，将MWD系统从全测量模式转换到快速工具面模式，直井段井斜角较小，MWD会自动显示磁工具面角MTF，此时锁紧转盘、缓慢上提钻柱，每上提1.0m静止20-30s，记录测量井深、磁工具面角，直至把新钻出的10-15m井段测完，绘制磁工具面角随测量井深变化曲线；

(4)若测量井深-磁工具面角曲线波动很小，表明没有邻井套管磁干扰、井眼交碰风险较低，可以继续钻进并重复上述操作，直至钻完全部危险井段；若测量井深-磁工具面角曲线波动较大，表明存在邻井套管磁干扰和井眼交碰风险，且磁工具面角变化最大处即为邻井套管接箍位置，需要从当前步骤转换到后续邻井套管相对位置估算步骤；

B邻井套管相对位置估算

识别出邻井套管磁干扰和井眼交碰风险之后，利用MWD的全测量模式，对刚刚识别出的邻井套管接箍对应井段加密测量，利用测量到的磁场参数再次确认是否真的存在邻井套管磁干扰，并初步判断磁干扰大小及方向，估算出邻井套管相对距离及方位；主要步骤如下：

(1)将MWD转换到全测量模式，对邻井套管磁干扰井段按2m/点进行全测量，记录不同井深对应的实测磁场参数，实测磁场参数包括实测的总磁场强度和磁场倾角，并将实测总磁场强度B_T分解成垂直场强B_V，B_V＝B_TsinD_ip，水平场强B_H，B_H＝B_TcosD_ip；

(2)将实测的总磁场强度、垂直场强、水平场强、磁场倾角分别除以与之对应的正常地磁场参数，绘制出4条磁场参数相对值随井深变化曲线；在邻井套管磁干扰井段，至少有1条磁场参数相对值变化曲线会明显偏离基准值；

(3)基于垂直套管柱周围磁场分布规律，以及磁工具面角、磁场强度计算方法，利用已获取资料逐步估算出邻井套管相对位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于邻井套管柱自身磁场探测的丛式井上部直井段防碰预警方法，其特征在于，邻井套管相对位置估算的步骤(3)中，具体方法如下：

(1)若实测总磁场强度大于正常地磁场强度，则邻井套管位于当前井眼的南侧或北侧；若实测总磁场强度小于正常地磁场强度，则邻井套管位于当前井眼的东侧或西侧；

(2)与没有磁干扰的井段相比，若磁干扰井段测量出的磁工具面角偏大，则邻井套管位于当前井眼的东侧或西侧；若磁干扰井段测量出的磁工具面角偏小，则邻井套管位于当前井眼的南侧或北侧；

(3)若磁干扰井段较短，则邻井套管与当前井眼的最短距离判断为1.0m以内；若磁干扰井段较长，则邻井套管与当前井眼的最短距离判断为0.5m以内。