旋转磁场测距系统研制及现场试验

旋转磁场测距系统是保障连通井和成对水平井等特殊工艺井顺利实施的重要随钻测量系统。该系统通过测量磁短节旋转产生的低频交变磁场,实现磁短节与测量探管之间的空间定位,然后通过井下动力钻具控制两井的井眼轨迹连通或平行。现场试验初步验证了该系统的可行性、稳定性和可靠性,为系统进一步改进提供了技术支撑。     

磁短节等效磁矩的测量

旋转磁场测距导向系统是一种精确探测邻井距离的新技术,在复杂结构井钻井工程中正发挥越来越重要的作用。磁短节在钻井现场地表的等效磁矩是判断旋转磁场测距导向系统测量结果可信度的重要依据之一,磁短节等效磁矩的测量是旋转磁场测距导向系统作业中的关键环节之一。根据磁偶极子周围空间磁场分布规律,推导了旋转磁短节周围空间远场的磁场分布规律,给出了磁短节等效磁矩的间断测量法和磁短节等效磁矩的连续测量法,并对这两种测量方法操作的难易程度和影响测量精度的主要因素进行了初步探讨。研究结果表明,磁短节等效磁矩的连续测量法具有影响因素少、测量精度高及操作简单的特点,更易于现场应用。     

旋转磁场定向测距随钻测量仪的研制与试验

采用水平对接连通井开发煤层气时,为了确保水平井能够与洞穴井准确连通,需要给司钻人员提供准确的导向信息,即需要精确测量2口井的相对距离和方向。通过研究旋转磁场信号强度与相对位置关系,根据正交磁偶极子模型,提出了一种旋转磁场定向测距方法,研制了旋转磁场定向测距仪样机,进行了样机的地面试验和现场试验。该样机主要包括近钻头强磁短节、井下数据采集系统和地面解算系统3部分。地面试验装置包括转速可调的永磁短节台架、姿态可调的数据采集系统台架和轨道正交的50 m×30 m试验场地。地面试验结果表明,30 m以内的定位误差不超过0.1 m。现场试验结果表明,钻头距离洞穴井80 m时就可以探测到有效信号,偏航角平均误差小于1.5°,能够用于连通井的引导钻进。试验结果说明,利用旋转磁场将钻头与洞穴井靶点耦合为一个闭环系统,进行2口井的相对定位是可行的。      

双轴速率陀螺仪工作原理探讨

双轴速率陀螺仪是一种新型的采用空间惯性导向技术的连续测量系统。它通过测量地球的旋转速率、重立场和传感器的工作状态来计算井眼的位置。根据井斜角的不同，该系统可在两种方式下工作，即陀螺罗盘测量技术和连续测量模式。陀螺罗盘测量技术是用来测量接近垂直井段井眼位置的，是通过静止地测量重力场和地球转速的分量来确定井斜角和方位角的，连续测量模式是用来测量大斜度井段井眼方向的，它通过在运动中测量井斜角和方位角的变化率确定井斜角和方位角。为了加快双轴速率陀螺仪在钻井工程中的更好应用，本文对该型陀螺仪的工作原理进行了探索，并根据理论力学和解析几何知识推导了两种方式下工作的解析数学模型。     

磁力随钻测量磁干扰校正方法研究

为提高磁力随钻测量的井眼轨迹精度,研究了随钻测量磁干扰校正方法。利用随钻测量参数,计算井斜角、工具面角和方位角;采取360°旋转钻柱记录、分析径向磁力计读数的方法,纠正磁热点引起的径向磁干扰;采用循环迭代的方法,纠正钻柱磁化引起的轴向磁干扰。通过仿真测量参数、磁干扰数据和地磁参数,应用磁干扰校正方法计算得到校正方位角,并与实测方位角、真实方位角进行了对比,结果发现,在其他井眼参数保持不变的条件下,井斜角接近90°或方位角接近90°、270°时,实测方位角误差变大;井斜角接近0°或方位角接近0°、180°时,实测方位角误差变小;真实方位角为0°~180°时,实测方位角比真实方位角小,真实方位角为180°~360°时,实测方位角比真实方位角大;井眼轨迹接近水平东或水平西方向时,轴向磁干扰的校正效果最差。磁干扰校正方法能够提高方位角测量精度,减少无磁钻铤长度。      

基于旋转磁偶极子的钻井轨迹高精度导向定位方法

传统随钻测量无法满足水平对接连通井、蒸汽辅助重力驱油中的成对平行井钻井等复杂结构井高精度导向定位技术需求。为直接测量钻头与目标靶点的距离及方位信息,提出了一种基于旋转磁偶极子模型的高精度导向定位方法。通过对动态旋转磁偶极子的磁信号空间传播规律的研究发现,旋转磁偶极子可以等效为正交磁偶极子的叠加,并且存在能够对旋转磁偶极子进行导向定位的特征磁场信号,该特征信号可以通过希尔伯特变换对三轴可测磁信号进行相位解调和幅度解调获得。仿真结果表明,钻头越接近目标靶点,定位误差越小,定位精度越高。基于旋转磁偶极子的钻井轨迹高精度导向定位方法对SAGD成对平行井、煤层气开发水平对接连通井及可溶性盐卤矿井高精度钻井轨迹导向定位具有重要应用价值。     

磁性随钻测斜仪所需无磁钻具长度及影响因素研究

钻井过程中,磁性随钻测斜仪需要放置在无磁钻具中,以避免铁磁钻具磁化后感应磁场的干扰,但针对无磁钻具长度选取及影响因素的理论研究较少。为此,利用ANSYS有限元软件,建立了三维静态均匀强磁场,模拟得到了磁性随钻测斜仪所需无磁钻具的长度,并分析了井斜角、方位角、铁磁钻具壁厚和铁磁钻具长度等因素对磁性随钻测斜仪所需无磁钻具长度的影响。分析结果表明,磁性随钻测斜仪所需无磁钻具的临界长度与井斜角、方位角无明显的相关关系,与铁磁钻具壁厚、长度正相关;根据模拟数据,分析了井斜角和方位角对方位角偏差的影响,认为当存在固定轴向干扰磁场时,方位角偏差随井斜角、方位角变化而变化,这与施工经验相吻合。无磁钻具长度的优化方法和优化结果,为实际工程应用中磁性随钻测斜仪所需无磁钻具长度的优选提供了理论依据和参考。      

煤层气连通水平井精确控制技术

煤层气连通水平井一般采用旋转磁场测距导向系统（RMRS）实现洞穴井与水平井的连通,通过测量水平井与洞穴井之间的距离与方位达到相交连通的目的。但在连通作业过程中,水平位移过长、测量数据累计误差过大等问题会导致连通精度下降。为此,在现有煤层气连通技术基础上,采用优化连通工艺措施、旋转磁场测距导向系统引导MWD测量系统计算技术、对测量数据的误差评价分析和改进等技术形成一套精确控制连通轨迹的工艺技术。现场应用结果表明,连通成功率提高到100%,可全面用于煤层气连通井施工。     

煤层气连通井引导技术研究

基于磁场测量进行煤层气的井眼连通过程中,建立合适的矢量距离算法一直是研究的难点,其中确定水平井与洞穴井之间的距离和偏离角是进行井眼连通的必要条件。针对矢量距离算法的关键,采用曲线拟合对计算偏离角的关系式进行了推导,论证了偏离角算法的可行性,对算法进行误差分析,用归纳的方法推导出计算磁短节中点与直井之间距离的关系式。研究结果表明偏离角算法与距离计算关系式能够确定磁短节与洞穴井之间的空间位置,对煤层气井眼连通的算法进行了改进。     

旋转磁导向系统井下磁源优化设计

为了提高随钻探测过程中永磁体磁源的磁性能,增大磁源信号的使用范围,对旋转磁导向系统井下磁源进行了优化设计研究。根据电磁场理论及所用磁源的特点,建立了圆柱形永磁体电流模型;利用矢量磁位方程推导出圆柱形永磁体截面直径和长度与其空间磁场强度的关系,圆柱形永磁体的截面直径和长度决定了其空间磁场强度;并对不同几何参数的圆柱形永磁体和其所在磁短节的空间磁场强度进行了测量和分析。永磁体长度一定时,直径从10 mm增大到20 mm,其空间磁感应强度增加了近80%;长度从50 mm增大到100 mm,其空间磁感应强度增大了近200%。试验表明,内部并排平行放置永磁体的磁短节空间磁场强度与圆柱形永磁体的直径和长度均呈单调递增关系。等体积永磁体的空间磁场测量结果表明,长度与直径之比越大,永磁体空间磁场越强。因此,合理设计永磁体的几何参数,可以增强磁短节的空间磁感应强度,提高测量的准确性。      

机械式无线随钻测斜仪及其应用

机械式无线随钻测斜仪集机械、电子技术为一体，利用精密机械机构来测量井斜，利用钻井液脉冲技术向地面传输信息。井下仪器主要由井斜测量机构、控制机构、液压平衡和阻尼装置以及脉冲发生装置等组成。其工作原理为：通过精密的测量机构测得的井斜信息通过控制机构传递给脉冲信号发生装置后，通过钻井液传递给装在立管上的传感器，由电子记录仪记录的脉冲信号读出井斜角。机械式无线随钻测斜仪具有结构简单、操作方便、测量时间短、可随钻测量等特点。现场应用表明，机械式无线随钻测斜仪完全能够满足直井测斜的需要，对提高钻井速度、降低钻井成本等具有重要意义。     

煤层气连通井导向钻井钻头定位方法

基于低频交变磁场的特性,构建了近钻头磁源的低频交变磁场数学模型。根据随钻测量仪器（MWD）的测量原理, 建立测量坐标系,并推导出磁源坐标系向测量坐标系转换的解算方法,从而形成了测量坐标系下的钻头定位方法。在此基础上设计并制作了精确连通导向仪器和工具,配套了磁导向连通井的钻井工艺,并进行了现场应用,结果表明:在常规导向钻具组合基础上增加近钻头磁短节形成磁导向钻具组合,利用参数优化和轨迹实时测量和轨迹姿态控制,在730 m 水平段实现了连接误差小于1 m,使水平井和直井精确连通,为煤层气的开发提供了技术支撑。     

基于有限元分析的方位角误差计算和修正

为了满足定向井磁方位的高精度需求,需要准确计算方位角测量误差和分析误差来源。采用有限元分析软件,模拟了钻具在地磁场中产生的干扰磁场的变化情况。通过钻杆内部三轴磁感应强度得出方位角误差的测量值,与钻杆真实方位对比得到了方位角误差。通过控制钻杆方位角、井斜角、底部钻具组合、无磁钻铤长度、外部磁场的大小和方向等因素,来观测、分析了方位角误差的变化规律。模拟试验得出,方位角误差在钻杆的南北方向上最小,在钻杆的东西方向上最大,并随着井斜角增大而增大,这种变化呈现出正弦的变化规律;经度、纬度也会对方位角的变化产生影响,方位角误差大体上随着维度增加而增大,主要取决于当地的总磁场和磁倾角大小。研究结果表明,方位角误差与测斜数据、底部钻具组合、经度、纬度和无磁钻铤长度有密切关系,可以通过有限元模拟准确估算出不同情况下方位角误差的大小,对方位角误差进行修正。模拟结果可为工程应用中无磁钻铤、底部钻具组合的选取和方位角误差修正提供参考数据和理论依据。      

最小二乘法在定向钻进中的数据拟合

定向钻进成功的关键在于按设计要求,较好地控制预定井段的井斜角和方位角。而目前使用的计算方法不能快速准确地预测井底轨迹参数。通过对井斜角、方位角、造斜率、井段长与造斜工具角的数据分析,采用最小二乘法原理,拟合出快速计算井底井斜角和方位角计算公式。结合实例,与通用定向井计算公式相比,井斜角最大误差为-0.036°,方位角最大误差为+0.02°。该计算式只涉及到初始角、井段长、钻具造斜率及定向工具角,且计算精度高,现场应用较为方便,提高了井底轨迹预测速度和防止定向钻进失误率,可指导定向钻井现场快速准确地预测井底参数。     

钻柱摩阻扭矩测试试验装置设计

现有的钻柱摩阻扭矩理论模型假设较多,导致计算值与真实值有较大差异,这严重制约了钻柱力学行为研究和钻井参数的优化。鉴于此,基于相似理论,考虑井斜角和方位角的变化,设计了可模拟不同井身结构的钻柱摩阻扭矩测试试验装置。该装置可有效测量不同钻井参数对钻柱摩阻扭矩的影响,可对任意角度的井斜角、方位角的井身结构的整体钻柱进行模拟。结合运动学和强度分析,验证了试验装置设计合理、安全可行。钻柱摩阻扭矩测试试验装置可用于竖直井、大位移井和水平井钻柱的摩阻扭矩分析、运动学和动力学等方面的研究,也可用于自动化钻井和页岩气开采等相关的科研及教学。     

用于分支井多级完井的窗口连接器设计及试验

分支井多级完井工艺(TAML4级及以上)要求分支井眼与主井眼有效连通,且分支井眼和主井眼连接处具备机械完整性。窗口连接器是实现该功能的重要工具,该工具不但为主、分支井眼连接位置提供机械支撑及密封隔离,同时为后续主、分支井眼重入及生产提供机械通道。研制了操作简单、快捷的新型窗口连接机构。通过三维软件建立模型,施加形变量、下压及旋转载荷,对该窗口连接器的材质、结构、强度进行校核,并在地面进行抗扭及下放模拟测试。三维模拟及地面测试结果表明,所设计的窗口连接器方案合理,可满足现场作业需求。     

旋转磁场测距系统构成及导向定位算法研究

旋转磁场测距系统是一种精确探测邻井距离的新技术,在成对水平井和连通井等钻井工程中正发挥着越来越重要的作用。在旋转磁场测距系统组成及功能介绍的基础上,开展了目标端井下系统和源端强磁短节等井下关键结构的设计。通过旋转磁场导向定位算法的原理分析,基于希尔伯特变换方法的特征磁场强度计算,建立了一种适用于动态交变磁场的高精度导向定位方法。经地面模拟试验,设计的旋转磁场测距系统合理性以及导向定位算法的正确性得到了验证,并且随着源端和目标端距离的缩短,磁性导向技术定位精度增高,可以实现40 m以内的精确测量。研究结果对国产磁性导向仪器的研制以及提高我国磁性导向钻井技术水平具有重要意义。     

基于重力加速度传感器与磁通门的测井测斜仪

文章介绍了测井测斜仪中的重力加速度传感器与磁通门的测量原理及测斜仪的结构设计,在此基础上推导出了井斜角、方位角、相对方位角的数学模型,并给出了信号处理电路。     

水平井井眼轨迹的模拟

为解决井眼轨迹模拟的问题,采用了最小二乘法与三次样条插值原理相结合来确定井眼轨迹。为降低测试误差,采用最小二乘法对实测数据进行拟合修匀,利用样条插值函数计算井眼轴线上任意一点的井斜角、方位角、曲率,并确定该点的空间坐标。利用该方法编写了井眼轨迹模拟软件,计算结果表明,用该方法计算出来的未知测点的井斜角和方位角与实测值相比,误差很小,满足实际井眼轨迹计算的要求,并且利用该方法可以增大测量间距,减少测点个数,降低成本。     

机械式无线随钻测斜仪结构原理及性能特点

机械式无线随钻测斜仪是一种集机械、电子和钻井液脉冲技术为一体,利用精密机械机构来测量井斜的仪器。其工作原理为:通过精密的测量机构测量井斜,测得的井斜信息由控制机构传递给脉冲信号发生装置,该装置发出的信号通过钻井液以压力脉冲的形式传递给立管上的压力传感器,接收的信号由电子记录仪记录,由记录的脉冲信号读出井斜角。机械式无线随钻测斜仪具有结构简单、操作方便、测量时间短等特点,完全能满足钻井工程中直井测斜的需要。