鉆頭振動(dòng)波井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

劉 剛 楊全枝 董照顯 何保生 耿站立

1．中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 2．中海油研究總院開(kāi)發(fā)研究院

隨著海上油氣田加密井調(diào)整開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越普遍［1］，鉆井過(guò)程中井眼碰撞的風(fēng)險(xiǎn)也成了一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。我國(guó)渤海油田開(kāi)發(fā)的大型叢式井項(xiàng)目就多次出現(xiàn)鉆穿套管及碰撞險(xiǎn)情。一旦鉆穿套管，將導(dǎo)致油氣井停產(chǎn)、報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，處理不當(dāng)可能污染海區(qū)，引發(fā)生態(tài)災(zāi)難。目前，現(xiàn)有防碰檢測(cè)技術(shù)主要有電測(cè)與井眼軌跡掃描、隨鉆測(cè)量技術(shù)與井眼軌跡掃描、井下電磁測(cè)量3種方式［2－6］，由于現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)均是建立在井眼測(cè)量軌跡數(shù)據(jù)和鉆進(jìn)中對(duì)異常現(xiàn)象判斷的基礎(chǔ)上，各項(xiàng)數(shù)據(jù)誤差及井下情況的不確定性，使防碰作業(yè)存在極高的危險(xiǎn)性，有時(shí)難以滿足施工需求［7－10］。為此，研發(fā)一種新的防碰監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，配合現(xiàn)有的井眼軌跡測(cè)量工具，為防碰提供可靠和準(zhǔn)確的依據(jù)，顯得非常重要。

根據(jù)定向井實(shí)際防碰作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在井眼相碰時(shí)，被碰井套管將產(chǎn)生振動(dòng)并傳遞到地面（平臺(tái)上），通過(guò)人耳可以感受到這種振動(dòng)。受人工監(jiān)聽(tīng)的啟發(fā)，研發(fā)了鉆頭振動(dòng)波井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)地面檢測(cè)鉆頭振動(dòng)波方法對(duì)鉆頭趨近鄰井套管進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在鉆頭碰到鄰井套管之前進(jìn)行預(yù)警或報(bào)警［11］。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、不影響正常的油井生產(chǎn)及鉆井施工，目前已經(jīng)在渤海、南海等區(qū)塊進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn)。

1 鉆頭振動(dòng)波井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖1 井眼防碰振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成示意圖

鉆頭振動(dòng)波井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)是由加速度振動(dòng)檢測(cè)傳感器、信號(hào)濾波放大系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、采集分析軟件構(gòu)成的。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用的加速度傳感器為低頻高靈敏度傳感器，傳感器接口均做密封防水處理，以適應(yīng)海上潮濕、易腐蝕的環(huán)境；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)采集儀集成了信號(hào)的放大、濾波、積分、采樣等多種功能，并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)設(shè)定各種采集參數(shù)，體積小，適用于平臺(tái)狹小的工作環(huán)境；為了滿足信號(hào)分析和監(jiān)測(cè)的需要，專(zhuān)門(mén)編制了數(shù)據(jù)采集分析軟件Collision Monitor，用于完成多通道振動(dòng)信號(hào)的采集、分析及趨近（碰撞）報(bào)警等功能［12］。

鉆頭振動(dòng)波井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理是，通過(guò)安裝在套管頂端的加速度傳感器采集井下沿套管傳播的鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取以判斷鉆頭趨近鄰井套管的程度，利用計(jì)算分析軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)特征顯示，當(dāng)信號(hào)特征值超過(guò)門(mén)限值時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警［13］。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

2．1 試驗(yàn)情況簡(jiǎn)介

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在 WZ11－1N油田、南海四號(hào)平臺(tái)（井號(hào)以A開(kāi)頭）進(jìn)行，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí) WZ11－1N油田已經(jīng)完成開(kāi)發(fā)井13口，經(jīng)過(guò)油藏地質(zhì)研究計(jì)劃再新鉆3口開(kāi)發(fā)井：A14H、A15、A16，本次試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)A16井，利用Compass進(jìn)行防碰掃描選定A16井對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)井為A1、A13、A7H井。通過(guò)采集軟件Collision Monitor采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)置的采樣頻率為4 000Hz，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 井眼防碰采集數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

2．2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

鉆頭振動(dòng)波井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行防碰監(jiān)測(cè)前首先要進(jìn)行系統(tǒng)傳感器性能測(cè)試，在自然狀態(tài)下（鉆井現(xiàn)場(chǎng)未開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆臺(tái)機(jī)泵未工作）各通道采集原始信號(hào)數(shù)據(jù)如下圖3所示。正常鉆進(jìn)時(shí)，防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的信號(hào)如圖4所示。

圖3 自然狀態(tài)下采集的振動(dòng)信號(hào)圖

圖4 A16井趨近A7H井的時(shí)域信號(hào)圖

從圖3中可以看出，防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在井場(chǎng)無(wú)施工狀態(tài)時(shí)，各采集通道工作狀態(tài)良好，信號(hào)幅值大小代表了自然噪聲情況，各通道變化很小，在范圍內(nèi)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)傳感器具有很好的一致性。從圖4中可以看出，各監(jiān)測(cè)井所測(cè)的振動(dòng)信號(hào)與在鉆井A16井信號(hào)趨勢(shì)相同，但A7H井信號(hào)強(qiáng)度（幅值）大于A1井和A13井的信號(hào)強(qiáng)度（幅值），說(shuō)明正鉆井A16井鉆頭此時(shí)正朝A7H井鉆進(jìn)。

取在同一井深（300m）、不同鉆井工況條件下（包括停鉆、劃眼、正常鉆進(jìn)、鉆頭提離井底）在風(fēng)險(xiǎn)鄰井A7H井采集的振動(dòng)信號(hào)，時(shí)域曲線如圖5所示。

圖5 不同鉆井工況條件下A7H井時(shí)域曲線圖

在圖5中，對(duì)于停鉆和劃眼工況，劃眼時(shí)采集的振動(dòng)信號(hào)幅值相比停鉆時(shí)的幅值要大，時(shí)域信號(hào)波形存在毛刺，可能是由上提、下放鉆具時(shí)鉆頭與井壁產(chǎn)生不規(guī)則摩擦碰撞產(chǎn)生的，劃眼過(guò)程沒(méi)有明顯的沖擊響應(yīng)；對(duì)于劃眼和正常鉆進(jìn)工況，從鉆頭正常鉆進(jìn)［14］的時(shí)域波形可以看出，鉆頭在破碎井底巖石時(shí)有明顯的多個(gè)沖激響應(yīng)，而且脈沖出現(xiàn)不規(guī)律，振動(dòng)信號(hào)的幅值相比同深度下劃眼時(shí)的幅值高很多，表明鉆壓對(duì)于振動(dòng)信號(hào)的影響大于轉(zhuǎn)速的影響，而且在風(fēng)險(xiǎn)鄰井A7H確實(shí)能夠采集到正鉆井A16鉆頭破巖振動(dòng)信號(hào)；對(duì)于正常鉆進(jìn)和鉆頭提離井底，從鉆頭提離井底的時(shí)域波形可以看出，鉆頭提離井底時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)明顯的脈沖信號(hào)，其幅值比同深度下正常鉆進(jìn)時(shí)的信號(hào)幅值要大，而波形其他部分相對(duì)平坦，這表明上提鉆頭，鉆壓的突然減小可釋放較大能量，使鉆頭在井底產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)。

為得到鉆進(jìn)過(guò)程中的頻譜信息，對(duì)圖5中不同工況下的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域信號(hào)，以得到信號(hào)頻譜特征，相應(yīng)的頻譜曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，正常鉆進(jìn)時(shí)，信號(hào)頻率分布在0～100，200～500，700～1 000Hz 3個(gè)頻率段內(nèi)，對(duì)比劃眼和正常鉆進(jìn)工況，可以看出鉆頭破巖產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)主要分布在200～400Hz頻率段內(nèi)；在50Hz附近存在很高的頻域幅值，為現(xiàn)場(chǎng)的工頻干擾，數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)該將其濾除。取7：06—7：36時(shí)間段，在風(fēng)險(xiǎn)井A7H井采集的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行通頻帶200～400 Hz濾波后重構(gòu)（圖7），以對(duì)鉆頭趨近進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖6 不同鉆井工況條件下A7H井頻域曲線圖

圖7 7：06—7：36時(shí)間段內(nèi)A7H井重構(gòu)時(shí)域信號(hào)圖

從圖7（a）可以看出，在7：11以前，采集的振動(dòng)信號(hào)整體較為平坦，沒(méi)有大的沖擊脈沖，說(shuō)明此時(shí)正鉆井A16鉆頭沒(méi)有趨近A7H井筒，此時(shí)沒(méi)有井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)；在7：11以后，采集的振動(dòng)信號(hào)幅值突然增大，而且有逐漸增大的趨勢(shì)，井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提示預(yù)警，停鉆后定向井工程師使用compass進(jìn)行防碰掃描發(fā)現(xiàn)井間中心距由1．69m減少到1．21m，表明正鉆井鉆頭這在向風(fēng)險(xiǎn)鄰井趨近，系統(tǒng)預(yù)警正確。從圖7（b）可以看出，在7：27以后重新開(kāi)鉆，由于更改了鉆井軌跡設(shè)計(jì)，采集的振動(dòng)信號(hào)逐漸降低，表明正鉆井A16井鉆頭遠(yuǎn)離A7H井套管，此時(shí)碰撞風(fēng)險(xiǎn)慢慢降低；在7：32以后，井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)消除。整個(gè)A16井鉆進(jìn)防碰監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中，鉆頭振動(dòng)波井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多次預(yù)警，而且其準(zhǔn)確性得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)防碰段鉆井施工起到了很好的輔助作用。

為分析采集信號(hào)變化與井間距離的關(guān)系，對(duì)正鉆井A16與監(jiān)測(cè)井A7H在100～300m井深范圍內(nèi)采集的振動(dòng)信號(hào)使用帶通濾波器進(jìn)行200～400Hz通頻帶濾波，并重構(gòu)信號(hào)，統(tǒng)計(jì)A16井與A7H井在不同井深下的井間距離和采集到振動(dòng)信號(hào)幅值。由于實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井參數(shù)（鉆壓、鉆速）的變化、所鉆巖層巖性不同都會(huì)影響對(duì)鉆頭振動(dòng)信號(hào)，而且隨著井深的增加，鉆頭振動(dòng)信號(hào)在套管—井內(nèi)液體—水泥環(huán)系統(tǒng)傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減，為盡可能消除以上因素的干擾，我們采用相對(duì)幅值，即將監(jiān)測(cè)井信號(hào)幅值比上在鉆井信號(hào)幅值，作為正鉆井鉆頭趨近鄰井套管距離的一種度量標(biāo)準(zhǔn)。以在鉆井和監(jiān)測(cè)井之間的井間距離為橫坐標(biāo)，相對(duì)幅值為縱坐標(biāo)，繪制監(jiān)測(cè)井A7H與在鉆井A16的相對(duì)幅值隨compass掃描井間距的變化，如圖8所示。

圖8 A16井趨近A7H井的時(shí)域信號(hào)相對(duì)幅值隨井間距變化圖

從圖8中可以看出隨著A16井鉆頭趨近A7H井井筒時(shí)（井深100～150m，井間距1．5m減少到1．1 m），時(shí)域信號(hào)的相對(duì)幅值有增大趨勢(shì)（相對(duì)幅值1．5增加到2．3），當(dāng)在鉆井A16鉆頭遠(yuǎn)離鄰井A7H井筒時(shí)（井深150m之后），時(shí)域信號(hào)的相對(duì)幅值逐漸降低，井深270m之后井間距進(jìn)一步變大，但時(shí)域信號(hào)的相對(duì)幅值變化不大，主要原因可能是淺層泥巖層對(duì)振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)衰減作用。對(duì)多口井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、分析結(jié)果表明，把監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)的相對(duì)幅值作為鉆頭趨近鄰井井筒的一種標(biāo)準(zhǔn)，可以在井間距離較近時(shí)對(duì)鉆頭趨近鄰井套管進(jìn)行預(yù)警。

3 結(jié)論

根據(jù)鉆頭振動(dòng)波方法，研發(fā)了井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)不同工況下采集的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，得到了以下結(jié)論：

1）在不同工況下鄰井采集的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)波形明顯不同，正常鉆進(jìn)時(shí)振動(dòng)信號(hào)波形存在沖擊特征。

2）在鄰井井口可以采集到鉆頭趨近時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，鄰井采集的鉆頭振動(dòng)信號(hào)頻帶很寬，主要集中在200～400Hz。

3）200～400Hz頻段的監(jiān)測(cè)井與在鉆井的重構(gòu)信號(hào)的相對(duì)幅值與井間距呈正相關(guān)性，當(dāng)鉆頭趨近時(shí)，相對(duì)幅值增大，反之降低，相對(duì)幅值可以作為一種判斷鉆頭趨近的標(biāo)準(zhǔn)。

4）基于鉆頭振動(dòng)波監(jiān)測(cè)的井眼防碰方法是可行性的，研發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，防碰預(yù)警效果好，有利于推廣應(yīng)用。

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