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基于振动波原理的 钻井防碰监测及预警技术冰 l刘亚军 ， 张海 张晓诚 刘刚s I 1 ． 中 海油能源 发展监督监理技术公司； 2 ． 中 海石油 中国 有限公司 天津分公司； 3 ． 中国 石油大学 华东 摘要为了防止丛式钻井碰撞事故的发生，设计了丛式钻井防碰监测及预警系统。系统利用振动波在地层中的传播 规律和特点，研发出根据振动信号的变化来预测钻头是否趋近或碰撞风险邻井的办法，并开发出相应的软、硬件设备。在 渤海油田的现场应用证明，浅层钻井防碰监测及预警效果良好 ，可有效提高丛式井钻井效率。 关键词振动波丛式井网 防碰监测预警 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 3 0 2 x ． 2 0 1 0 ． 0 5 ． 0 0 9 目前，渤海油田部分稠油区块已经进入开发中后 期。为了提高最终采收率 ，改善开发效果，需要在清 楚认识剩余油分布的基础上，通过对丛式井网的整体 加密钻采，进行海上油 田的综合调整开发 。由于受原 井眼测斜数据精度的影响，部分调整井将面临井眼误 差椭圆相交的作业条件。调整井钻井过程中，如何监 测和控制井眼轨迹 ，如何有效穿过或避开业已存在的 井眼，是钻井技术中的难点 ，也是威胁老井井筒安全 的一 大 隐形杀 手 。防碰问题 已经成为 制约调整 、加密 钻井作业顺利进行的关键因素。 因此 ，开 展 海 上丛 式 井 网 加密 调 整 井 防碰 地 面 监测及预警技术和设备的研发 ，实现钻头碰撞邻井 套管前 的预警和报警 ，对于解决海上丛式井网加密 调整井防碰问题 ，减少碰撞事故 ，保证油 田生产和海 上油 田丛式井 网整体加密钻采方案的顺利实施意义 重 大 。 1 振动波在介质 中的传播特性 振动波在弹性介质中传播时，其振幅和波形都会 发生变化 ，主要影响因素为扩散和吸收。 某 一时刻 球 面波 的单 位面 积能量公 式 为 E E 一 2 1S 4 丁 【 式中，e 单位面积的能量； S 波前面； E 总能量； r 扩散半径。 因为能量 e 与振幅 的平方成正比，故由式 1 可得 1 A ∞ 2 4 兀r 、 由式 2可见 ，由于球面扩散的作用，波的振幅 与传播距离成反 比，按 1 ／ r 的规律衰减。 衰减吸收是影响球 面波传播 的另外一个主要因 素。由于岩石对波有吸收作用，通过求解黏滞介质波 动方程的方法 ，可得到如下公式 A A o 3 式中， 初始振幅； A 传播距离为 r 时的 振幅； _ 厂 吸收系数。 由式 3 可见，振动波在岩石中传播时，能量随 传播距离变化按指数形式衰减。 } 基金项 目国家科技 重大专项 “ 海上稠油油 田高效开发 示范工程 ” ，项 目编号2 0 0 8 Z X0 5 0 5 7 。 第一作者简介刘亚军，1 9 7 7 年生，2 0 0 2 年毕业于中国石油大学 北京 石油工程专业，工程师，现任中海油能源发展监督 监理技术公司钻井总监、中海石油中国 有限公司天津分公司钻井部S E 3 6 1 I 期与L D5 2 B调整开发钻完井项 目副经理。 E ma i 1 l i y j 5 n o o c ． c o rn． c n 石脚 2 0 1 0 车 第 5 一 l 刘亚军 等 基于振动波原理的钻井防碰 监测及预警技术 2 防碰监测及预警系统设计 利用振动波在地层中的传播规律和特点 ，就可以 根据振动信号的变化来预测钻头是否趋近或碰撞风险 邻井。如图 1 所示，1 井为正在钻井作业的井 ，2 井和 3井为风险邻井。 r ＼ I ／＼ I H ， 、／； ＼J ． - - ⋯ ⋯ ． -i 一 ～ ， 图 1 防碰监 测及预警 系统原理 示意图 由于信号在套管中的传播速度 比地层 井筒附 近 快 ，衰减小 ，因此 ，首先到达传感器的振动波传 播通道是套管。 如果 1 号井筒中工作的钻头距 2号井筒和 3号井 筒距离大致相等 幅值大致相等 ；振动波经地层传播 到 2 号 、3 号井筒的时间大致相等；通过 2 号 、3 号井 眼套管传播到 2号、3 号井筒传感器的时间大致相等。 如果 1 号井筒中工作的钻头距离 2 号井筒小于3 号 井筒的距离 振动通过地层波传播到 2号井筒的时间 小于传播到 3号井筒的时间；振动信号经过处理后特 征量相关强度 H ， 大于H， ；振动信号经过处理后特征 量相关时间 ． 小 于 如果钻头与 2号井筒套管发生碰撞 与第二种情 况相比 ， 强度更大 ， ， 更小。碰撞后的振动强度远 远大于通过地层传播到套管上的振动强度 ，因此 ，从 波形分析上很容易判断出是否已经发生 了碰撞。 如 图 2 所示 ，丛式井 防碰监测及 预警装 置系统是 由振动检测传感器 、信号滤波放大系统、数据采集系 统、无线数据远传系统和采集分析软件构成的。 传感器 1 传感器 2传感器3 传感器』v 图2 防碰监测及预警装置系统 系统是基于对套管地面振动信号的检测 ，通过对 信号的分析处理，找出信号特征随井间距离的变化关 系 ，利用计算分析软件实现信号特征显示，根据信号 的变化预测钻头趋近或碰撞风险邻井 ，当信号特征值 超过门限值时实现报警 。 3现场应用结果分析 绥中3 6 - 1 油田L 平台共布井 9口，其中定向井 8 口、 水平井 1 口。绥中3 6 1 油田B平台为一个老平台，共有 2 0口井。L 平台与 B平台用栈桥连接，平台几何中心距 约为4 5 m。L 平台的井位布置在 B 平台原井位之问，相当 于在扫把中间再插一把扫把 ，其难度可想而知。然而， 由于丛式井轨迹呈放射状分布的特点，致使L平台有一 部分井浅层就需朝 B平台方向钻进 ，这使得防碰风险进 一 步加大。为了避免碰撞事故发生，提高钻井作业效率， 在 L平台钻井作业中应用了防碰监测及预警系统。 图 3 为 L 1 1 井与L 5 井在井深 3 0 0 m时的振动信号 ， L 1 1 井为正在进行钻井作业的井，L 5 井位风险邻井。从 图4可以看 出，两井间的中心距变小时 ，波形发生明 显变化。图4为 L 1 1 井与 L 5 井中心距与幅值 比之间的 关系，幅值比为邻井振动波幅值与正钻井振动波幅值 图 3 L 1 1 井与 L 5井振动信 号 井 深为 3 0 0 m ，中心距 为 9 2m l 0 ． 8 0 ． 6 丑 0 ．4 坚 0 ．2 O 3 5 0 3 3 0 3 0 0 3 8 0 45 0 6 0 0 9 2 0 井深 m 图 4 L 1 1 井与 L 5井 中心距 与幅值 比的关系 下转第 4 7页 镬 岛 爨 辫 靠 嬲 嚣 糍 一 嚣 ∞ 貔 舞 辩魏 201 0 5 加∞胁∞∞ 0 2 ． 3 ． 4 割心 1 割心层位选择。一般选岩心不太硬 ，成柱性 好 的地层 割心 。 2 割心操作。进尺满足要求后 ，刹住刹把磨心 1 0～1 5 rai n ，将岩心根部磨细，然后上提钻具 ，利用卡 箍岩心爪与岩心的摩擦力以及岩心缩径套的锥面 ，使 爪抱住岩心而拔断。拔心时要注意观察指重表变化 ， 通常有如下 3种情况 ①正常拔心显示 ，过提 5～1 0 t 后 ，又立即恢复 ， 表示岩心被割断； ②悬重没有拔心显示 ，说 明岩心很碎或 已被折 断，极个别岩心爪损坏时也无拔心显示 ； ③悬重过提 1 0 t 以上仍不下降，说明岩心未断。 对于① 、②两种情况 ，可上提钻具 2～ 3 m，然后 慢慢下放到井底 ，看有无遇阻显示 ，若无遇阻显示 ， 即可起钻。对于③种情况 ，应停止上拔 ，可继续钻进 0 ． 1 ～0 ． 2 m，再行割心 。 2 ． 3 ． 5起钻和出心 起钻操作要平稳 ，禁止蹦扣 ，防止岩心掉井。出 心时，要缓慢均匀用力顶岩心 ，防止将岩心弄碎弄乱。 3 实际效果 涠洲 1 l 一 1 N单趟钻三筒取心层位为 L 。 1 V 下 ，井段 为 2 0 8 0 ． 2 5 2 1 0 4 ． 9 9 m， 进 尺 2 4 ． 7 4 m， 岩 心长 2 4 ． 7 2 m， 李虎成 等单趟钻三筒取心技术在涠洲 1 1 1 N油田的应用 收获率为 9 9 ． 9 9 ％，纯钻时间7 ． 5 7 h ，平均机械钻速为 3 ． 2 7 m／ h ，圆满完成 了地质取心任务。 4 结论 1 单趟钻三筒取心甚至多简取心是可行的。 2单趟钻三筒取心的成功实施 ，不仅直接节约 两趟起下钻时间，实现高效经济地取心 ，还填补了南 海西部片区在该领域的空白，为单趟钻多筒取心积累 了宝贵的作业经验 。 3 单趟钻三筒取心甚至多筒取心技术适用于直 井均质地层中连续取心作业。 4 单趟钻三筒取心甚至多筒取心技术还需要不 断完善以实现定 向井 中单趟钻多筒取心作业。 【 参考文献 】 【 1 】 王智锋， 薄万顺， 许俊良． 大斜度井取心技术U ] ． 西部探 矿工程， 2 0 0 5 ， 4 8 4 8 5 ． 【 2 】 罗军， 杨立文， 张国丽， 等． 中筒定向取心技术在煤层取 心中的应用【 l 1 ． 钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 1 4 1 3 9 1 4 0 ． 【 3 】 刘春来， 王晓舟， 张洪君， 等． 水平井取心工具在杏6 - 1 一 平3 5 井中的应用u J ． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 4 1 1 4 1 1 6 ． I 4 J 邹野， 李治森， 赵 贤初， 等． 杏 6 1 一平 3 5井水平段取心 钻具设计U ] ． 大庆石油学院学报， 2 0 0 7 ， 3 1 6 7 4 7 6 ． 收稿日期 2 0 1 0 0 6 2 0 ；改回日期 2 0 1 0 一 O 8 1 0 o 上接第 3 3页 之 比。从图4可以看出，中心距越小，即钻头离邻井 警软、硬件系统 ；应用结果表明，系统软、硬件在浅 距离越近 ，幅值 比越大，即邻井振动信号越强。 层防碰预警报警方面效果 良好。 防碰监测及预警系统在绥中 3 6 1 、旅大 2 7 2 、秦 皇岛3 2 6 油田取得了良好的应用。通过对 6口正钻井 【 参考文献 】 和 2 1口邻井的监测 ，系统共报警两次 ，成功避免了碰 [ 1 ] 张家田． 丛式钻井防碰预警系统测量模型的建立[ I 1 ． 西 撞事故的发生，3个油田钻井碰撞事故数均为 0 。 北大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 1 ， 3 1 5 4 1 8 - 4 2 0 ． 【 2 ] 王斌． 定 向钻 井测量仪 器『 M1 ． 北京 石 油工业 出版社， 4 结论 1 9 9 0 ． 1 提出了一种采用加速度传感器，通过检测套 【 3 J 余志清． 定向钻井理论与实践[ M】 ． 西安 陕西科学技术 管振动信号识别钻头碰撞 趋近 邻井套管的方法，并 出版社， 1 9 9 5 ． 实际验证了该方法的可行性和有效性。 l 4 I 秦政． 石油地球物理勘探[ M] ． 北京 石油工业出版社， 2创建了通过分析套管振动信号特征，识别钻 1 9 8 5 ． 头碰撞 趋近 监测井套管的丛式井组防碰监测及预 收稿日 期 2 0 1 0 0 8 2 1 o u l 一 l 201 0