CN115680491A - 一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰系统和方法，利用在钻井井底MWD探管中三轴磁通门传感器测量邻井内剩磁套管串的磁场数据，结合建立的邻井套管串剩磁磁场模型，利用多点测量的多组不同位置处的磁场数据代入磁场模型得到的方程组求解，可以得到正钻井井段与邻井的相对位置的数据，从而确定邻井井筒与正在钻探的井筒的距离方位相对位置参数。本发明可以计算井间相对位置，摆脱了传统防碰扫描的累积误差，提高井间定位的精度，并且相比于原有防碰方法，将该方法形成软件后可以直接将测量的井下数据直接导入软件计算井间位置，指导防碰和避障，操作更加简便，可以进一步简化钻井过程中防碰时的流程，提高工作效率，从而降低钻井成本。

Description

一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法

技术领域

本发明属于钻井工程技术领域，涉及油气田开发过程中的油(气)井、注水(气)井、加密井、探井或检查井的一种正钻井与相邻已钻井的被动磁定位防碰方法，尤其涉及一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法。

背景技术

随着海上石油勘探的发展和陆地油田老区块进入生产中后期。随着井网变密，井间距离越来越小，在钻井过程中相碰的风险就会越来越大。而一旦钻井打碰到邻井，就很可能导致油井坍塌、停产、漏油一系列需要后续修补的工作，造成巨大经济损失和环境污染。近些年在钻丛式井或老区调整井的过程中，发生在钻井与已钻井相碰的现象有所增加，报废进尺，重复施工现象时有发生，因此，防碰测距技术的研究受到各大石油公司的重视。

目前技术最为成熟、应用最广泛的是传统防碰扫描技术，但是由于受仪器的测量精度、仪器与井眼轨迹不同轴和测斜计算误差因素的影响，通过测斜计算得到的井眼轨迹并不是真实的井眼轨迹。误差分析表明，依靠测斜计算所得到的井眼轨迹通常在真实井眼轨迹周围的一定区域内，具有不确定性，而且随着测点深度越深，不确定性也会越大，因此，出现了新型防碰技术，主要分为非磁防碰技术和磁测距防碰技术。非磁防碰技术主要有声波探测防碰、钻头振动防碰以及射线探测防碰技术；磁测距防碰又可分为主动磁测距防碰技术和被动磁测距技术，主动磁测距防碰技术根据激励方式可以分为永磁体、通电螺线、管通电电缆以及通电套管激励，被动磁测距防碰技术根据套管磁化方式可以分为地磁磁化套管、预磁化套管以及套管剩磁。

防碰测距方案多种多样，各有利弊：主动磁测距技术因其测量距离远、精度高因此应用广泛，尤其是在连通井救援井和SAGD双水平井领域，但是大部分主动磁测距技术都需要在邻井中下入磁源或磁探测设备，不但增加了工程和人力成本，而且打破了邻井正常工作制度，同时需要专用磁源和探测设备，并且在电流激励的情况下无法应用于海上丛式井钻井的情况，大大限制了应用范围；被动磁测距防碰技术存在的通病是磁源强度低，因此导致探测距离近、精度低且易受外部磁源干扰，尤其是利用地磁场磁化的邻井套管，而预磁化套管需要在现场为套管充磁，不但增加了钻井工序而且需要配套额外的套管磁化设备，并且国内利用剩磁的研究多集中于单套管剩磁磁场和两井平行这一特殊情形，到目前为止在没有提出和建立一种实用的邻井带剩磁的套管串与在钻井在空间中的防碰理论和方法。

中国专利文献“一种正钻井与多个邻井之间的空间位置检测方法及系统”(CN102587891B)。该发明提供一种正钻井与多个邻井之间的空间位置检测方法及系统，该方法包括：将可控源正极与正钻井的第一邻井套管相接，并将负极与第二邻井套管相接；调节第一邻井与第二邻井之间的可控源正负极之间的输出电压为预设的电压值；通过地面测量装置，测量正钻井与第二邻井的第一电位值；根据第一电位值获得第一等电位线；将负极与第二邻井断开连接，并与第三邻井套管相接；调节第一邻井与第三邻井之间的输出电压为预设的电压值；通过测量装置，测量正钻井与第三邻井的第二电位值；根据第二电位值获得第二等电位线；通过第一、第二等电位线的交点确定正钻井处在上述多个邻井之间的空间位置。该发明通过外加电源在多个不同邻井套管上施加电压，并在正钻井与各个邻井的电位值及其不同电位线交点从而确定各个邻井与在钻井的位置，从而检测正钻井与多个邻井之间的空间位置关系，而不是利用邻井套管的剩磁。其次该发明仅适用于在钻井周围有多个邻井的情况，通过改变地面电源与各个邻井的连接方式产生不同电位，若附近仅有一口或两口邻井的情况，没有可以产生电位变化的条件因此无法利用该方法定位。

中国专利文献“邻井间距离和方位定位随钻测量装置及方法”(CN 110847880 A)。该发明提供一种邻井间距离和方位定位随钻测量装置及方法，装置包括中控电流发射控制及采集单元、两个三轴低频磁探测单元、两个电流电极单元；所述随钻测量工具接收地面上位机工作人员输入的最佳频率点，随钻测量工具将最佳频率点发送至所述中控电流发射控制及采集单元，所述中控电流发射控制及采集单元按照所述最佳频率点发射低频激励电流；中控电流发射控制及采集单元控制激励模式设置为上电极回流模式、下电极回流模式、全环路回流模式和双环路回流模式，采集目标井的套管在各模式下激发的交变磁场的磁场强度，并根据各模式下激发的交变磁场的磁场强度，计算得到正钻井的设定点与目标井的距离和方位，能够准确测量井间的距离和方位。该方法在应用时，需要在正钻井中底部钻具组合需要增加特殊的用于定位随钻测量装置的结构。该结构包括发射电极和回流电极，利用发射电极、邻井套管和回流电极组成的电流回路在邻井套管生产生磁场，从而利用磁探测单元探测交变磁场强度和电流大小从而确定与邻井的间距和方位。

发明内容

本发明的目的是针对如何在钻丛式井或老区调整井的过程中确定在钻井到邻井相对空间位置，以避免两井相撞的问题成为当前需要解决的技术问题，提供一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法。

其技术方案如下：

通过一种基于邻井套管串剩磁的在钻井与相邻已钻井的磁测距定位防碰理论和方法，在不改变现有井身结构和设备，充分利用现有测量设备的测量数据基础上，结合建立的邻井套管串剩磁磁场模型定位出正钻井与邻井的相对位置关系，指导正钻井的钻进，避免井间事故的发生。

一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰系统和方法，利用已知井眼轨迹的正钻井中的MWD探管多点测量并处理后得到的邻井套管剩磁磁场，与建立的邻井剩磁套管串磁场模型耦合，求得邻井套管相对于在钻井井段的相对位置关系；

其中，邻井套管串剩磁磁场模型的为：

步骤一：建立单根剩磁套管串周围的磁场分布模型

为计算套管周围磁场分布，套管出厂前会通过磁探伤仪器进行质量检测，虽然后续会进行消磁处理，但是还是会残留一部分剩磁，因此可以将套管视为中空圆柱形永磁体，由此可以利用上式计算套管周围磁场分布情况，并由套管磁场计算需要引入套管厚度t，分别求出套管外径所在实体圆柱永磁体的外磁场和套管内径所在的虚拟圆柱永磁体的外磁场：

其中，套管外径所在实体圆柱永磁体的外磁场径向和轴向分量分别为：

B_ρo＝B₀[α_o+C(k_o+,1,1,-1)-α_o-C(k_o-,1,1,-1)] (1)

其中：

z_±＝z±b

套管内径所在的虚拟圆柱永磁体的外磁场径向和轴向分量分别为：

B_ρi＝B₀[α_i+C(k_i+,1,1,-1)-α_i-C(k_i-,1,1,-1)] (3)

其中：

z_±＝z±b

其中：

a——套管半径；

b——套管长度的一半；

z——z轴坐标；

ρ——极径坐标；

t——套管厚度。

通过套管外径所在实体圆柱永磁体的外磁场减去套管内径所在的虚拟圆柱永磁体的外磁场即可得到单根剩磁套管周围磁场分布，即：

B_ρ＝B_ρo-B_ρi (5)

B_z＝B_zo-B_zi (6)

步骤二：建立多根剩磁套管串周围的磁场分布模型

通过得到的单根剩磁套管周围磁场分布，结合实际套管串联后各自套管的位置关系分别计算出各自的轴向和径向磁感应强度后进行各自叠加可以得到测点处磁场的径向和轴向分量：

邻井为已按照计划钻进至指定地层、并完成固井和下套管作业的已完工的井，正钻井为正在施工钻进的井。

邻井中下入的套管在出厂后需要进行探伤，而检测时会向探伤仪线圈通入电流，将套管充磁进行探伤，随后会进行退磁，但是套管依然会带有部分剩磁，并且在下入邻井在地磁场和地层及上部套管的应力作用下使邻井套管带有剩磁。

正钻井正在钻进，其钻进过程的实现由正钻井井眼中的底部钻具组合以及地面部分组成，其中底部钻具组合主要包括钻头、探管、转向模块、控制模块以及井下动力钻具。

进一步地，在钻井底部钻具组合中安装的MWD探管，由三轴磁通门传感器、三轴加速度计、温度传感器、电路、电池筒短节以及两端带接口的无磁金属外壳组成；

三轴磁通门传感器、三轴加速度计、温度传感器和电路均固定于无磁金属外壳中，电池短节通过接口连接于金属外壳两端为传感器供电。

三轴磁通门传感器、三轴加速度计的z轴均沿无磁金属外壳轴线方向同向延伸且与轴线重合，其x、y轴均与z轴垂直且遵循右手系规则，并且三轴磁通门传感器、三轴加速度计的x、y轴分别平行且同向。

MWD高精度探管可以测量的数据包括：重力场在所述三轴加速度计上产生的三轴分量和由邻井套管剩磁和地磁场产生的磁场在所述三轴磁通门传感器上产生的三轴磁感应强度，以及在温度传感器处测得的测点处的温度。

进一步地，MWD探管安放在无磁钻铤中，根据磁通门精度对无磁钻铤段有长度要求：即无磁钻铤前后有磁段的剩磁在磁通门处的磁感应强度需要小于磁通门传感器的分辨率，即无磁段的距离需要保证前后剩磁段的磁感应强度在在磁通门传感器处衰减至可以忽略不计的数量级。

进一步地，正钻井已钻完段井眼位置信息包括：正钻井的井口坐标、正钻井设计轨迹的井深、井斜角和井斜方位角。

进一步地，邻井套管剩磁磁场需要利用MWD探管测得邻井套管磁场数据减去当地地磁场数据得到。

进一步地，当地地磁场数据为上提至传感器测得的第一个近似于地磁场的测点，该测点近似认为不受套管剩磁影响，测得的磁场近似可以认定为地磁场。

由以上步骤得到正钻井的位置信息，并由建立的邻井套管串剩磁磁场模结合在钻井内利用MWD探管多点测量测得的邻井套管剩磁磁场，将方程联立即可求解出正钻井井段与邻井的相对位置关系，并由此指导井间防碰。

本发明的有益效果是：

本发明利用在钻井井底MWD探管中三轴磁通门传感器测量邻井内剩磁套管串的磁场数据，结合建立的邻井套管串剩磁磁场模型，利用多点测量的多组不同位置处的磁场数据代入磁场模型得到的方程组求解，可以得到正钻井井段与邻井的相对位置的数据，从而确定邻井井筒与正在钻探的井筒的距离方位相对位置参数。

与传统的定位和防碰方法相比，该方法利用已有的设备和工具，利用现有工具测量的的数据，而且不需要改变邻井和在钻井的现有工况，仅利用理论和方法的改进，可以计算井间相对位置，摆脱了传统防碰扫描的累积误差，提高井间定位的精度，并且相比于原有防碰方法，将该方法形成软件后可以直接将测量的井下数据直接导入软件计算井间位置，指导下一步的防碰和避障，操作更加简便，可以进一步简化钻井过程中防碰时的流程，提高工作效率，从而降低钻井成本。

附图说明

图1为本发明基于邻井套管串剩磁的磁测距定位防碰系统的示意图；

图2为本发明基于邻井套管串剩磁的磁测距定位防碰方法的流程示意图。

图中标记：1.邻井，2.套管，3.正钻井，4.钻井平台，5.井口装置，6.钻柱，7.底部钻具组合，8.钻头，9.探管，10.转向模块，11.控制模块，12.动力钻具，13.邻井套管磁场。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

参照说明书附图1，邻井1为已完工井，该井中下入金属套管2，正钻井3为正在钻进的施工井，主要包括钻井系统地面设备和地下设备。地面设备主要包括位于地表的钻井平台4、井口装置5，地下设备主要包括钻柱6和底部钻具组合7。底部钻具组合7主要包括钻头8、探管9、转向模块10、控制模块11以及井下动力钻具12。钻头8是井底钻具组合7的最前部分，而在钻头8钻进方向的后部，与钻头8紧邻的是MWD探管9，探管9至少包含一个三轴加速度仪和一个三轴磁通门，用于测量邻井套管磁场13。尽可能的使探管9接近钻头8可以更加精确、灵敏的测量钻头距邻井井眼的距离，减少因距离上带来的信号迟滞以及由此所带来的井碰风险，更好的实现防碰的目的。

在防碰井段多点磁测量的具体方法为：在钻井钻至防碰段后，利用MWD探管每隔一定距离测量一次磁场数据，若磁场数据变化不大，且接近于地磁场数据，则继续钻进，直至测得的磁场值发生磁场异常突变，偏离地磁场数值，此时认为在钻井距离邻井较近，此时测得的磁场数据为地磁场与邻井套管剩磁磁场的叠加磁场。

当在钻井钻头钻至磁异常区域后，由于正钻井钻进轨迹在一段有限距离内可以视作为直线段，可以将正钻井的钻进线路作为测段，在测段上每隔一较小距离确定一测点，具体操作方法为：停钻，将钻头稍稍提离井底，开始测量第一个测点的磁场数据，将第一个测点的数据测量并发送至地面，完成后，控制钻杆上提一较小距离作为第二个测点。重复上述步骤，按照上述测点的间距，依次将钻杆提升相应的距离，确定正钻井测段上的一系列测点，并记将各个测点处探管记录的磁场和重力场数据发送至地面处理。上提至传感器测得的第一个近似于地磁场的测点，该测点近似认为不受套管剩磁影响，测得的磁场近似可以认定为地磁场，此点即为该测段的最后一个点。

将该钻井轨迹各坐标系处的坐标点和测得的磁场信息处理后去除地磁场得到邻井套管串剩磁磁场在该钻井轨迹处的数值，将该值代入邻井套管串剩磁磁场模型，利用多点测量的数据可以组成方程组，即可求解正钻井与邻井的相对位置关系，根据井间位置关系、正钻井钻进方向和钻进速度计算碰撞概率。

根据该位置关系和计算得到的碰撞概率，若预测正钻井与邻井存在井碰风险，则向井下控制模块11发送信号，控制转向模块10改变正钻井的钻进方向，从而完成避碰。防碰作业的测量和动作由底部钻具组合完成。

参照附图2，本发明的基于邻井套管串剩磁的磁测距定位防碰方法的流程是：

第一步，停钻；

第二步，利用MWD的探管测得的一系列测点处的磁场数据；

第三步，将测点的磁场数据去除地磁场；

第四步，代入邻井套管串剩磁磁场模型；

第五步，利用邻井套管串剩磁磁场模型求得两井间相对位置关系；

第六步，根据井间位置关系、正钻井钻进方向和钻进速度计算碰撞概率；

第七步，判断是否需要进行防碰作业，若需要防碰，则进入第八步，若不需要，则进入第九步；

第八步，向井下控制模块11发送信号，控制模块11控制转向模块10改变正钻井的钻进方向，从而完成避碰；一次避碰操作完成后，需要继续重复上述步骤，直至根据计算得到的碰撞改路，被判断为不需要进行防碰时即可继续沿当前轨迹继续钻进；

第九步，继续沿预定轨迹继续钻进；

若一次避碰操作完成后，需要继续重复上述步骤，直至根据计算得到的碰撞改路，被判断为不需要进行防碰时即可继续沿当前轨迹继续钻进。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权力要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法，其特征在于：在钻井钻至防碰段后，利用MWD探管每隔一定距离测量一次磁场数据，若磁场数据变化不大，且接近于地磁场数据，则继续钻进，直至测得的磁场值发生磁场异常突变，偏离地磁场数值，进入磁异常区域，此时认为在钻井距离邻井较近；利用已知井眼轨迹的正钻井中的MWD探管测量并处理后得到的邻井套管剩磁磁场，与建立的邻井剩磁套管串磁场模型耦合，求得正钻井与邻井两井间位置关系，并进行防碰判断和避碰操作；

当在钻井钻至磁异常区域后，具体操作方法为：

第一步，停钻；

第二步，利用MWD探管磁场数据，将正钻井的钻进线路作为测段，每隔一定距离测量一次，将各个测点处探管记录的磁场和重力场数据发送至地面处理，上提至传感器测得的第一个近似于地磁场的测点，此点即为该测段的最后一个点；

第三步，将测点的磁场数据去除地磁场数据，得到邻井套管串剩磁磁场在该钻井轨迹处的数值；

第四步，将上步数值代入邻井套管串剩磁磁场模型，利用多点测量的数据可以组成方程组；

第五步，求得正钻井与邻井两井间相对位置关系；

第六步，根据正钻井与邻井两井间位置关系、正钻井钻进方向和钻进速度计算碰撞概率；

第七步，根据正钻井与邻井两井间位置关系和计算得到的碰撞概率，判断是否需要进行防碰作业，若需要防碰，则进入第八步，若不需要，则进入第九步；

第八步，向井下控制模块11发送信号，控制模块11控制转向模块10改变正钻井的钻进方向，一次避碰操作完成后，需要继续重复上述步骤，直至第七步被判断为不需要进行防碰时，继续沿当前轨迹钻进；

第九步，继续沿预定轨迹继续钻进；

继续重复上述步骤，从而完成防碰井段钻进。

2.根据权利要求1所述的一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法，其特征在于：所述邻井剩磁套管串磁场模型建立方法为：

首先，建立单根剩磁套管周围的磁场分布模型：

将套管视为中空圆柱形永磁体，由此可以计算套管周围磁场分布情况，引入套管厚度t，分别求出套管外径所在实体圆柱永磁体的外磁场和套管内径所在的虚拟圆柱永磁体的外磁场：

其中，套管外径所在实体圆柱永磁体的外磁场径向和轴向分量分别为：

B_ρo＝B₀[α_o+C(k_o+,1,1,-1)-α_o-C(k_o-,1,1,-1)] (1)

其中：

z_±＝z±b

套管内径所在的虚拟圆柱永磁体的外磁场径向和轴向分量分别为：

B_ρi＝B₀[α_i+C(k_i+,1,1,-1)-α_i-C(k_i-,1,1,-1)] (3)

其中：

z_±＝z±b

其中：

a——套管半径

b——套管长度的一半

z——z轴坐标

ρ——极径坐标

t——套管厚度

通过套管外径所在实体圆柱永磁体的外磁场减去套管内径所在的虚拟圆柱永磁体的外磁场即可得到单根剩磁套管周围磁场分布，即：

B_ρ＝B_ρo-B_ρi (5)

B_z＝B_zo-B_zi (6)

然后，建立多根剩磁套管串周围的磁场分布模型：

通过得到的单根剩磁套管周围磁场分布，结合实际套管串联后各自套管的位置关系分别计算出各自的轴向和径向磁感应强度后进行各自叠加可以得到测点处磁场的径向和轴向分量：

3.根据权利要求1所述的一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法，其特征在于：所述邻井为已按照计划钻进至指定地层、并完成固井和下套管作业的已完工的井，正钻井为正在施工钻进的井；所述邻井中下入的套管为带有部分剩磁的套管。

4.根据权利要求1所述的一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法，其特征在于：所述防碰作业由底部钻具组合完成，底部钻具组合由钻头、探管、转向模块、控制模块以及井下动力钻具依次连接组成；钻头是井底钻具组合的最前部分，MWD探管在钻头后部与钻头紧邻。

5.根据权利要求4所述的一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法，其特征在于：所述MWD探管由三轴磁通门传感器、三轴加速度计、温度传感器通过电路与电池筒短节电性连接后装设于两端带接口的无磁金属外壳内组成。

6.根据权利要求5所述的一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法，其特征在于：所述的三轴磁通门传感器、三轴加速度计、温度传感器和电路均固定于无磁金属外壳中，电池短节通过接口连接于金属外壳两端为传感器供电。

7.根据权利要求5所述的一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法，其特征在于：所述的三轴磁通门传感器、三轴加速度计的z轴均沿无磁金属外壳轴线方向同向延伸且与轴线重合，其x、y轴均与z轴垂直且遵循右手系规则，并且三轴磁通门传感器、三轴加速度计的x、y轴分别平行且同向。

8.根据权利要求6所述的一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法，其特征在于：所述MWD探管用于测量：重力场在所述三轴加速度计上产生的三轴分量和由邻井套管剩磁和地磁场产生的磁场在所述三轴磁通门传感器上产生的三轴磁感应强度，以及在温度传感器处测得的测点处的温度的数据。

9.根据权利要求1所述的一种基于邻井套管剩磁的磁定位防碰方法，其特征在于：当地地磁场数据为多点测量时上提至传感器测得的第一个近似于地磁场的测点数据，该测点近似认为不受套管剩磁影响，测得的磁场认定为地磁场。

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