文摘

在蒸汽-重力泄油(SAGD)技术为基础的双水平井钻井过程中,有必要准确地实时监测井的布置,确保安全、平行钻孔。摘要自激同一方向的磁补偿旋转范围提出了方法和设备。数值计算和仿真,平行和非平行钻孔模型建立。基于模型和磁偶极子理论,磁化场和井距之间的关系进行了分析。此外,数之间的一一对应峰磁化场和井距。然后井距确定测量峰的价值。为了实现更好的结果,磁源的影响(磁矩)和套管特征(磁化率、动态磁化长度)测量峰价值进行了分析。最后,进行实地测试,理论和装置的可行性和有效性。这项研究提供了一种新方法创新的磁导向钻井和开发具有重要意义,well-ranging仪器的测试和校准。

1。介绍

超过50%的全球石油储备的形式存在于重油或油砂1]。由于高粘度,重油在石油层通常是具有高流动阻力,有时甚至不能流动。因此,变得效率低下,甚至可能利用这些石油储备使用传统的石油和天然气开采方法(2,3]。的安全、高效利用非常规油气资源对国民经济发展有重大意义的。巴特勒和史蒂芬斯提出的自4),第一次的成功复苏沥青使用蒸汽-重力泄油(SAGD)技术(4,5],SAGD已经遍及加拿大、委内瑞拉和其他地区的大量的商业应用(6,7],它带来了可观的经济效益。与传统的利用方法相比,SAGD开采的效率增加了50%以上(8]。之后,蒸气萃取(VAPEX)技术(5,9,10),溶剂助蒸汽重力排水(Expanding-Solvent SAGD, ES-SAGD) (5- - - - - -11基于SAGD),和其他改进技术进一步提高这样的非常规油气资源的利用效率。以上开发技术应用的双水平井模型SAGD过程:蒸汽注入井上方与平行生产井位于下方。井间距一般在4到10米的范围。的一个关键技术点的钻井技术是实时精确测量井间距(12),以控制钻井方向,确保钻井平行。如果钻井轨迹不太好控制,蒸汽注入井和生产井之间的间距也会相差甚远,这很容易导致闪烁(13]。

在这方面,外国公司开发了一系列的井距测量和钻井工具旨在SAGD应用指导。主要产品有磁性导向工具(管理)14(RMRS)[]和旋转磁铁等服务14,15),这两个已经成功地协助完成多个SAGD双水平井在辽河油田和新疆丰城油田(16,17),表现出良好的性能在钻井指导。然而,管理需要一个电缆铺设在钻孔产生电磁场,因此影响钻探井的生产,增加了施工的复杂性,增加了总成本(17]。关于RMRS工具,测量探头必须手动放置井下使用测井绞车,也是需要坐落在磁子。由于困难复杂的操作和控制取样管的位置,因此测量精度受损,并且极大地影响。

除了上述之外,吴et al。(2014)提出了用旋转磁化场的防止碰撞在垂直钻井和设计了一种磁补偿结构相反的磁矩。自两个磁源的磁场相同大小和相反的方向,磁传感器的两个来源的中点总共将获得零磁场(稳定状态下的地磁场)。由于相反的磁矩,对面的两个磁源诱发磁化领域相互抵消的套管,套管的整体感应磁化场相对薄弱。这种方法的性能检测和防撞因此在某种程度上妥协。对这种磁等设备,同一方向的磁性来源提出了本文。与其他技术相比在SAGD开采指导,设备提出的特点是两个平行的磁源诱发磁化的同一方向的套管;因此,叠加磁化场更强和更容易获得磁传感器检测到的。通过这种方式,提高测量精度。此外,该方法确定井网只有数根据峰的磁化场的套管。没有辅助测量设备需要放在钻; therefore, no more complicated operations or procedures need to be followed. By establishing the one-to-one correspondence between the peak-to-peak value and the well spacing, the spacing can be directly found through a table or database lookup.

2。建模和理论推导

2.1。磁等指导原则

如图1在SAGD双水平井钻井过程中,钻井是上方的钻的井距 。自激的同一方向的磁补偿等旋转设备安装在钻头背后的非磁性钻铤和旋转速度较低的1 - 5赫兹(18]。生成一个周期性变化的磁场和作为激励源磁化油井套管。一个旋转磁化场的套管是因此引起的。在钻井期间,如果井距是常数,发现旋转磁化场的测点(补偿电磁铁线圈的中心)是稳定的,和振幅是恒定的19]。与井距的增加或减少 ,旋转磁化场变得不稳定和变化的负相关,即。,相应的振幅增加或减少19]。因此,通过观察旋转磁化场的变化,可以告诉井距的趋势。此外,间距和旋转磁化场的振幅在相应的一对一的关系(有关详细信息,请参阅案例研究之后)。已知值的旋转磁化场的振幅,间距可以很容易地发现,钻井方向可以随后决定和调整。

2.2。磁等设备

如图2(一个)自励,同一方向的磁补偿等旋转设备主要由一个激动人心的电磁铁的磁性来源,平行的补偿电磁铁和三轴磁场传感器。激动人心的磁源由线圈和铁芯线圈的半径 ,匝数 ,电流是 ,和铁芯的放大增益 。因此,激动人心的磁源的电磁力矩, ,可以写成 。平行的补偿只电磁铁由线圈,线圈的半径 ,匝数 ,和电流 ;磁矩, ,然后写成 。磁矩的方向两个电磁铁遵循右手螺旋标准。三轴磁场传感器安装在补偿电磁铁线圈的中心检测外部磁化场。激动人心的电磁铁股票一样的磁矩方向平行的补偿电磁铁,所以点的磁场传感器,位于内部补偿电磁铁线圈的两个电磁铁的磁场相反,相互抵消。提供的令人兴奋的电磁铁的磁性来源是一个大电流 ,这生成一个激发场。激发电磁铁的磁场和测点的平行的补偿线圈可以计算

在方程(1)和(2), 真空磁导率,是激发电磁铁的磁场补偿电磁铁的中心,的磁场平行的补偿线圈的中心,然后呢是补偿线圈的长度。根据方程(1),磁场强度减少负面立方指数随距离的增加 。激发场变成了在磁传感器点大大减少。另一方面,薪酬电磁铁的磁场强度达到最大值的内部线圈。也就是说,只有一个小电流 ,电磁铁的励磁磁刺激源领域将得到补偿。与此同时,同一方向的外部补偿电磁铁磁场强度有限,套管的磁化场诱导从而可以忽略不计。因此,大约是被现场测量的磁传感器仅仅是地磁场的叠加和套管的磁化场诱导的兴奋的电磁铁。在短期内,地磁场可以被视为稳定的在一个小区域(20.),它可以通过查找地磁参数表中的值(21]。减去了地磁场传感器测量磁场的磁化场引起的套管的激动人心的电磁铁。值得一提的是,这一领域也可以直接获得使用磁传感器的相对测量模式。

如图2 (b),它是整个测量系统的工作原理图。首先,设备连接到测量电路。然后,磁场信号通过电缆传输到接收电路,信号转换,去噪,等。最后,数字信号输入到计算机数据处理系统进行进一步的处理来获取信息,如井距。

2.3。磁等理论

如果磁单元的最大几何尺寸远小于其测点距离磁场,磁组可以被视为一个磁偶极子磁场的计算。然而,在双水平井模型,套管不能被视为一个磁偶极子的计算由于其不可忽视的长度与测点的距离(4到10米)。Pignatelli et al。22和郭et al。23- - - - - -25)建议管道可以分割成小单位和重建。每个分割单元的磁场可以用磁偶极子法计算(22- - - - - -24]。通过执行矢量叠加的磁场分割单元,整体磁化场测量管道的点可以发现。刘等人。26)进一步提出一个管道分割策略:当距离的比值套管的测点的套管直径比6.5,管道可以划分为环状的单位,每个环将被视为一个磁偶极子(26]。测点的整体磁场将使用磁偶极子公式计算。基于上述理论基础,套管分为单位,如图3,套管的长度 ,厚度是 ,和直径是 。一般来说,在0.25米。沿其轴、外壳分为环的数量单位的一步 ,在哪里 是一个装天花板的价值。每个分段的体积单位 。

在图4建立空间直角坐标系。为了模拟油井间距的变化 ,钻井轨迹被认为是正弦。钻井沿着积极的进步 - - - - - -轴的方向, - - - - - -轴是垂直的, - - - - - -轴是垂直向下的。假设测点的坐标 , ,和分割单元的坐标 , 。激动人心的电磁铁的磁矩对积极的开始旋转 - - - - - -轴和旋转逆时针方向 - - - - - -轴。假设之间的角度的投影磁矩YOZ平面和积极的 - - - - - -轴方向 ,然后 。钻头的进步水平的距离 ,和动态磁化套管的长度 。当钻井达到某个测量 ,相应的分割单元 。油井套管高磁化率(25),和一个磁化场诱导的影响下兴奋的电磁铁和地磁场。因为激动人心的距离电磁铁钻探井套管的最大几何尺寸远远大于电磁铁,激动人心的电磁铁可以被视为一个磁偶极子27]。利用磁偶极子公式,激动人心的电磁铁的磁场分割单元的套管可以由

在公式(3),是磁源的磁矩在测点 ,对应于分割单位 。 从令人兴奋的电磁铁是向量分割单元。 的模量 。在考虑地磁场的叠加 ,整个磁场然后由

在方程(5), , , 沿三个坐标轴的单位向量的吗 , ,和 ,分别。磁偶极子是一个基本的磁性元素。的磁场中铁磁对象可以被视为磁偶极子磁场的叠加与不同的大小28]。级的磁偶极子的特征是它的磁矩。在外部磁场的磁化,铁磁单位的非均匀磁场的时刻变得统一,展示形式的外部宏观磁矩(29日,30.]。套管的铁磁材料磁各向同性,没有残余磁性(6]。通过假设的磁化率 ,铁磁的磁矩然后给出的单位

通过应用磁偶极子的方法,套管的磁化场分割单元在测量点可以写成

方程(8)可以写成三分量的表达式如下:

在方程(8), , 。

基于矢量叠加,套管分割单元的整体磁化场测量是计算

由于地磁场和电磁场的波动是稳定的,所以信号测量的磁传感器工作在一个相对测量模式只是电磁波动磁化场诱导的来源,即

3所示。数值模拟分析

3.1。模型参数描述

激动人心的磁矩电磁铁的特点是线圈区域 ,的匝数 ,当前的 ,和铁芯的放大增益 。在仿真模型中,线圈半径4厘米,匝数是2000 rpm,当前10,放大增益是500。所以磁矩,表示为 ,计算是 。激动人心的电磁铁的距离中心磁传感器是20厘米。电磁线圈的半径补偿是3厘米,匝数是1000 rpm,当前6,放大增益是100。然后计算磁矩 。大庆油田的地磁参数采用仿真;地磁总强度是55972.5元,地磁下降为64.285°,地磁偏差为-10.383°(31日]。套管的磁化率是300,套管外径是114.3毫米,厚度是10毫米。的距离,钻头的进步是6米。每0.0003 m,通过一个测点测量点的总数是240001。动态磁化套管的长度是80米。

3.2。案例研究

钻井时钻平行,井网不断4 m。数值模拟结果图5(一个)表明,磁化场的振幅值保持不变,峰(波峰波谷),表示为 ,常数是由于该恒定距离吗从测点到套管轴。模拟不平行钻孔,采用正弦钻井轨迹模拟可能的接近和离开对钻探井的钻井。正弦轨迹的变化反映了钻头在实际钻井工程;因此,这个不平行钻孔模型是合理的和现实意义。假设正弦轨迹的振幅是0.5米,钻孔的最小距离是3.5米,最大距离是4.5米。进行仿真结果如图5 (b)。图中显示,峰逐渐增加,当井距减少价值。当距离是最小的( ),峰间值值达到最大(参考曲线部分之间的黑色和红色箭头)。当井距的增加,峰值逐渐降低。最大距离( ),峰间值达到最小值。峰间值值只与井距有关 。因此,可以准确地判断两个井是平行的,接近或离开对方根据磁化场的波形。

众所周知的人物5有一个具体的数之间的相关峰和井距 。进一步研究相关性,因为SAGD双水平井间距的范围通常在4到10 m和测点的磁化磁场强度小于1元超过20米(图6(b))低于传感器分辨率和不能完全反映目标磁场特征、井间距的范围被认为是0.5 -20,价值分析的峰的间距随一个步骤0.2米。结果如图所示6。从数据可以看出6(一)和6(b),随着井距数逐渐增加,峰逐渐减少与井距和展品一一对应 。对井网 ,价值大幅变弱的峰随着距离的增加(10⁷- > 10²nT),这表明,小布井情况下,套管的磁化场诱导的自激源相对强劲,峰信号更容易被发现,因此,油井距离计算更准确。井距大于5米,峰变弱适度值。当 ,1.039元数的峰变弱,这只不过是强大到足以被认可的磁场传感器。因此,可以认为理论有效测量范围基于当前模型是关于0-19 m。通过增加电磁铁的磁矩(增加线圈的数量,线圈半径,当前供应,和核心放大),磁化场的有效识别的范围将进一步扩大。根据上面的分析中,很明显,通过测量和相对较小的步长点(例如,0.01)和建立一个查找表数据库定义数之间的相关性峰和井距 ,井间距根据测量峰可以很容易地发现价值。例如,测量峰值是351.3元。根据现有的查找表数据库,它可以发现井距约为6.1 m。

4所示。磁化场的影响因素

在计算套管的磁化场测点,许多因素影响计算结果。主要因素是激动人心的电磁铁和套管。令人兴奋的电磁铁影响通过其磁矩 。而套管通过套管磁化率等参数的影响 ,动态磁化长度 ,和套管直径 。通过假设中磁性矿物层是制服,忽略了地层套管,上述因素对磁化场的影响进行了研究。

4.1。的影响令人兴奋的电磁铁

令人兴奋的电磁铁的基本源峰信号的旋转磁化场,直接影响测量范围和精度。电磁铁的磁矩越大 ,越强旋转磁化场、磁场波动越严重,就越容易被收集的磁传感器。根据计算公式,电磁铁的磁矩依赖于线圈半径,线圈的数量,放大增益,和当前供应。因此,当前的供应和匝数应该增加尽可能多产生一个更大的磁矩。仿真模型建立之前,磁矩计算是 。在此基础上,在这里被假定为 , , , ,和 分别进行进一步的仿真研究。假设= 6米,= 80,钻井遵循正弦不平行模型如图5 (b)和井距范围在19.5和20.5之间(从先前的数值模拟结果,理论上的最大探测距离为19.5米)。从图可以看出7,仿真结果表明,与相同的钻井轨迹(井距变化一致),峰由磁化字段的值不同的磁矩共享相同的变化趋势。相同的间距(如 或 ),磁矩的峰间值值增加而增加。因此,如果条件许可,应使用电磁铁有更重要的磁矩诱导较强峰信号,提高测量精度。

4.2。套管的影响特点

4.2.1。准备磁化率

套管作为“转移”媒体激动人心的电磁铁的磁场。其磁化率将直接决定转移数量和效率。铁磁材料的磁化率与真空度的顺序一般⁶铁磁材料的,而通常是10到10³。在这一章中,磁化率假设变量而激动人心的电磁铁的参数保持不变。采用并行钻井模型。的价值变化在300年和2700年之间有300步。另一方面,在钻井6米的距离,假定井间距变化从4到12 m的步骤2 m。基于这些假设,峰磁化场计算的价值。仿真结果如图所示8。从图可以看出8(一个)当井距数是恒定的,峰与磁化率的增加线性增加 。而从图8 (b),它可以观察到,在某些磁化率和钻井的距离 ,价值降低和变弱的峰随着井距的增加呈指数级增长 。因此,可以推断,相对较大的磁化率,套管将能够产生更严重的磁场波动,这将是更容易被磁传感器,从而导致更准确的计算井网。

4.2.2。动态磁化套管的长度

动态磁化套管的长度是一个不可忽视的影响因素。根据毕奥萨伐尔定律,磁场强度减少负面立方指数随距离的增加。在一定长度的套管由磁源,磁化磁传感器收集的整体磁化场信号套管段。动态磁化套管的长度将直接决定信号由传感器接收,从而影响信号的峰间值的值。与一个合理的动态磁化长度,测量误差,可以有效地减少计算量,并能大大提高计算速度和准确度。当 , = 300,= ,测量磁化场的几家进行随机选择测量点,即,1000年^th,2000年^th,3000年^th,5000年^th,8000年^th,15000^th测量分。对于每个测点,动态磁化长度范围从0到300的步骤1 m是采用。测量结果图9显示,动态磁化套管的长度一定范围(大于80),地磁场将成为磁化强度的主要来源。在这种情况下,峰间值的值将保持几乎不变,即使动态磁化的套管长度进一步扩张,由于几乎恒定磁场的状态。因此,一个动态磁化的长度80米被认为是足够的和合理的。激动人心的磁矩由于旋转电磁铁不断改变其方向。在3000年的^th和15000年^th测量分,磁矩的投影形成的夹角与积极的 - - - - - -轴YOZ平面上的,因此诱发磁化场也是积极的,和值逐渐增加到一个稳定值。另一方面,在1000年^th,2000年^th,5000年^th,8000^th测量分,磁矩的投影形式夹角与积极 - - - - - -轴YOZ平面,磁化场诱导从而变成了-因此,和值逐渐降低到一个稳定值。

5。现场试验的分析和讨论

5.1。实验分析

进行了现场试验在一定成都新都区面积(N30 49°43.66,E104 10°55.38 )。这个地区平均地磁强度测量是56430元。由于测试条件有限,一个圆柱形永磁体代替电磁铁。与电磁铁相比,同样可以通过使用永磁磁化效应。唯一的区别在于磁场强度(永久磁铁的磁化场小于电磁铁的)。圆柱形磁体高60毫米,直径50毫米,底部和残余磁性是1.2 T。弱磁检测传感器使用ch - 330高精度数字式磁通门计,这是与1 nT和一系列的一项决议 。采用传感器就足以满足所有测量的要求。在该测试中,平行钻孔和非平行钻孔分别进行了研究。永磁磁矩的相对较少,它变弱,就随着测量距离的增加更少。为了达到更好的测量结果,双井模型与井距1米终于配置和设置。沿钻井1米的距离,测量指定点每隔0.05米。如图10所示,钻头旋转轮在每个测点。进行插值处理,得到磁化字段,如图11。在图所示的磁场(11日)这是传感器探测到的磁场旋转时在某些测点。从理论上讲,在很短的时间内,应该不断地磁场为特定地区。但由于传感器本身的内部线圈结构,测量地磁场周期性变化而不是常数。因此,仅仅通过减去一个恒定的磁场值测量磁化场的传感器,将获得一个正弦信号不完全对称的。如图11 (b),积极的一半比曲线的负一半宽。从数据11 (c)- - - - - -11 (e),很明显,测试结果与理论分析是一致的。平行和非平行双模型,理论上磁化场经历相同的趋势分析。如果井距不变,磁场波动波的振幅保持不变。磁化场的峰间值价值负相关与井距和相关性分为相应的一对一的模式。根据现场试验、磁等理论提出了证明。

5.2。讨论和比较

上述实验验证了可行性和有效性的自激同一方向的磁补偿旋转等方法。与现有的主要磁性指导应用于SAGD技术管理和RMRS双水平井,它具有以下四个特点:(1)磁灯塔:磁信号的管理和RMRS工具电动电磁和永磁存根,分别,本文中提到的测距设备的激励线圈。上面的三种方法是活跃的磁源灯塔,磁场强度是巨大的,和值可以计算相对准确,测量精度和范围是巨大的。磁场强度是重要的,大小可以准确计算。因此,测量精度和范围更大(2)准确性:从三个不等的指导原则的分析,众所周知,管理和RMRS直接使用传感器来检测磁源信号。在这个过程中,磁测量的磁场将不可避免地受到影响铁磁材料,如钻杆和套管(筛管)。自励同一方向的磁补偿旋转等方法使用同一方向的线圈磁场使磁源的位置传感器,测量数据是磁化场的叠加数据和地磁场,磁场的恒定值,磁化场可以直接获得。流程的其他影响因素(矿物磁场等)很小,所以原则上测量精度更高(3)耗时:本练习到一定距离时,它需要停止钻探单点信号数据分析,这需要时间。同时,磁信号检测工具是10多万从钻头,不能准确反映钻头的位置相对于钻洞。然而,我们不需要停止钻探等方法,可以实时测量和单点测量的同时,节省钻井时间(4)成本:管理需要放置在钻井产生电磁信号通过电缆供电,而RMRS工具还需要放置一个测量管在钻实现磁信号采集与通信,这无疑增加了生产成本,影响钻井过程。相反,自激同一方向的磁补偿旋转等方法只需要安装钻井下的测量设备,并没有必要在钻孔中输入其他设备,可以大大提高生产效率

6。结论

摘要自激同一方向的磁补偿旋转设备提出了不等。套管是分割成小群体。通过应用磁偶极子理论的分割单元,整体磁化场的套管在一定测量计算。(1)根据计算,数之间的关系峰磁化场和井距的研究和确定。此外,激动人心的电磁铁参数和套管的影响参数对峰值模拟(2)建议由峰的模拟值。它可以有效地确定两个井是否接近或离开彼此。数自峰和井距是一一对应的,井距可以直接发现数根据峰如果一个查找表的数据库建立(3)如果条件允许,该测距方法的精度和范围可以通过增加磁矩改进。根据这项研究,动态磁化的套管长度80米将有效减少测量误差和计算负载

通过模拟和现场测试,发现磁等设备提出了实用和可靠的。此外,它提供了一个新的想法LWD发展的工具。

命名法

:	井间距
:	励磁线圈半径的电磁铁
:	激发电磁铁线圈的匝数
:	电流的励磁电磁铁线圈
:	核心放大
:	激发的磁矩电磁铁
:	电磁线圈同轴半径补偿
:	同轴补偿电磁铁线圈的匝数
:	补偿的电磁铁线圈电流
:	补偿电磁铁磁矩
:	套管的长度
:	套管的厚度
:	套管直径
:	分割单元的数量
:	形成的角度的投影在飞机YOZ和的正方向 - - - - - -轴
:	真空磁导率
:	永磁磁源的磁矩在测点
:	磁源套管的位置向量分割单元
:	地磁场
:	叠加磁场强度
, , :	的单位向量 , ,和轴,分别
:	套管易感性
:	磁场的测点分割单元
:	磁化场
:	钻孔的距离
:	峰磁化场的价值。

数据可用性

(1)数据(几何模型)用于支持本研究的结果都包含在这篇文章。(2)数据(磁化场的影响因素)用于支持本研究的结果都包含在这篇文章。(3)数据(数据)用于支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作的支持下由中国国家自然科学基金资助(41374151)和四川省应用基础研究项目(2017号jy0162)。