基于振动波原理的钻井防碰监测及预警技术.docxVIP

技 术 创 新 基于振动波原理的 钻井防碰监测及预警技术* 刘亚军1 张 海1 张晓诚2 刘 刚3 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 DOI:10.3969/j.issn.1002-302x.2010.05.009 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： ( 1) 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A 的平方成正比，故由式(1) 可得： 可得： ( 2) 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,=AGer ( 3) 式中，Ao——初始振幅；A,——传播距离为r 时的 振幅；α(f)—— 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：2008ZX05057。 第一作者简介：刘亚军，1977年生，2002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SE36-1I期与LD5-2B 调整开发钻完井项目副经理。E-mail: liyj5@ 32 石油科技论坛 ·2010年第5期 刘亚军等：基于振动波原理的钻井防碰监测及预警技术 中 心 中 心 距 ( m ) 幅值比 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。 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号井简中工作的钻头距离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T? 小于T? 如果钻头与2号井筒套管发生碰撞：与第二种情 况相比H? 强度更大， T, 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。 便携计算机 便携计算机 路信号调理器 USB 多路信号采集系统 传感器1传感器2传感器3 传感器N