RMS-I型磁定位系統(tǒng)的研制和應用

李曉軍,王德國,宋朝暉,唐亮,姜建勝

（1.中國石油大學（北京）北京102249;2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院新疆克拉瑪依834000）

重質油是油氣資源的重要組成部分，且占較大比重。我國重質油資源豐富，目前在12個盆地發(fā)現了70多個重質油田，資源量可達300×108 t以上。蒸汽輔助重力泄油技術（SAGD采油技術），能夠將重質油的采收率提高至60%左右，比常規(guī)水平井蒸汽吞吐開采提高了30%，是有效的稠油熱采技術[1]。SAGD技術是一項鉆井新工藝，要用到許多新的鉆井工藝和設備，其中磁場測量定位裝置是設備的關鍵。本文設計出RMS-I型磁定位系統(tǒng)，并對其應用情況展示研究。

1 RMS-I型磁定位系統(tǒng)

RMS-I型磁定位系統(tǒng)主要由精密磁場發(fā)生源、三軸磁場探測器、信號傳輸系統(tǒng)及地面解釋計算軟件組成。

1.1 精密磁場發(fā)生源研制

精密磁場發(fā)生源安裝在鉆頭上部，隨鉆頭一起旋轉，可在區(qū)域內產生具有強度和方向的旋轉磁場。如圖1所示，考慮到磁場強度及磁場方向的需求，采用了24個圓柱形稀土磁體在徑向方向對稱分布，發(fā)生源本體采用無磁材料加工。

使用有限元分析軟件對精密磁場發(fā)生源進行了結構與強度模擬[2]，模擬情況如圖2所示，應力分布主要集中在螺紋根部及螺紋處，磁場發(fā)生源本體機構設計滿足現場使用要求。

圖1 精密磁場發(fā)生源結構圖Fig.1 Placing signage at precision magnetic field structure

圖2 精密磁場發(fā)生源強度分析圖Fig.2 Placing signage at precision magnetic field strength analysis diagram

使用有限元分析軟件對精密磁場發(fā)生源磁場強度及分布情況進行了模擬，模擬情況如圖3所示。磁場發(fā)生源總磁場強度：5.59×108 nT，如果磁場強度過強會導致儀器損壞，過小將會導致測量誤差超出設計要求和測量距離減小。

1.2 三軸磁場探測器研制

磁場、加速度探測器作為關鍵部件，作用測量的磁場和重力加速度，對采集到的數據進行編碼，形成數據幀，以50～100幀每秒的速度，通過RS485端口發(fā)出。同時開發(fā)形成了基于DSP架構的采集磁通門傳感器、加速度傳感器的測量系統(tǒng)，具有測量精度高、數據處理速度快，性能穩(wěn)定的特點。其電路原理如圖4所示。

圖3 精密磁場發(fā)生源磁場強度及分布圖Fig.3 Precision placing signage at the magnetic field intensity and distribution of magnetic field

圖4 三軸磁場探測器電路原理圖Fig.4 Three axial magnetic field detector circuit principle diagram

1.3 信號傳輸系統(tǒng)研制

根據磁定位系統(tǒng)對數據傳輸距離、速度、布線的要求，信號傳輸系統(tǒng)采用單總線模式，將探測器傳來的數據調制在電源線上，通過電源線傳送到地面，地面接收器從電源線上解調出數據波形，從而實現快速連接電纜、可靠傳輸數據的目的。

1.4 地面計算軟件

1.4.1 算法確定

自然界的磁現象均可以等效于若干個磁偶極子磁場的疊加,在特定情況下也可以等效為一個磁偶極子。簡單地講,磁偶極子就是一個圓電流，設電流強度為I,圓半徑為R。對一個磁偶極子來說,往往用“磁矩”矢量來表示一個磁偶極子的量級[3]。磁矩的定義為：

如圖5所示：根據畢奧-薩伐爾定律，遠場P（r,θ φ）磁感應強度表達式為：

三分量表達式：

圖5 P點空間磁場示意圖Fig.5 Magnetic field sketch point P space

在實際鉆井過程中,磁源短節(jié)隨鉆頭處于動態(tài)旋轉狀態(tài),不能直接用靜態(tài)磁偶極子模型進行目標靶點定位。但是隨鉆頭旋轉的永磁體所形成的磁場可視為兩個正交偶極子Mc和Ms疊加而成的總磁體Mt。假設鉆頭旋轉角速度為ω，初始時刻永磁體與Z軸方向重合，則任意時刻永磁體轉過的角度為ωt,此時與總磁場Mt等效的正交磁偶極子Mc與Ms分別為：

空間任意點P處的磁場強度由Hc和Hs兩部分構成。以y軸為永磁體旋轉軸,建立基于動態(tài)旋轉磁偶極子模型的磁場強度空間傳播模型，

由Mc所產生的磁場強度為：

由Ms所產生的磁場強度為：

當磁偶極子旋轉時,所產生的磁場強度Hc和Hs僅大小發(fā)生變化,而方向不變,因此二者外積所得到的矢量方向不隨轉速ω變化,可以用來表征旋轉磁偶極子的固有特征，即：

根據采集得到的三軸磁信號強度，由以下公式求得磁源與探測器的空間距離r,偏移角θ0，相對方位角φ0，從而確定磁源相對與探測器的相對位置（x,y,z），實現動態(tài)自動跟蹤磁源目標的目的。

1.4.2 地面計算軟件

地面計算軟件的主要功能是將磁場探測傳來的數據，從USB端口采集到計算機中，進行濾波、地磁信號分離。完成動態(tài)跟蹤和精確定位計算，保存并顯示數據。為軌跡控制人員提供施工依據。

開發(fā)了基于實時檢測--井下校驗--軌跡偏差計算，滿足軌跡控制工具調整、井眼軌跡平滑要求的人機互動程序，使用C++編程語言編寫，具有鼠標按鈕控制，動態(tài)圖形顯示，直觀形象分區(qū)、操作流程簡單。同時在軟件中加入了二次濾波程序，提高了測量精度。

1.5 RMS-I型磁定位系統(tǒng)性能參數

RMS--I型磁定位系統(tǒng)，是國內最早投入現場試驗的SAGD雙水平井磁定位系統(tǒng)，至今現場應用超過1 000小時，系統(tǒng)測量精度達到2～5%FS。其主要性能參數如下：探測距離3～65 m，測量精度5～10 m:2%,10～25 m:5%，工作溫度-40～125℃，承壓140 MPa，采樣率50 Hz，波特率9 600 bps，振動20 g，沖擊500 g，適用于成對水平井。

2 現場應用情況

2012年～2013年，先后在新疆油田風城油田進行了15井次的現場試驗和應用。2013年5月～10月，完成了FHW3014井組、FHW337等共計9口井的現場技術服務，累計進尺4 140.38 m，儀器累計入井時間1 017小時。

2.1 FHW 3014井組現場應用情況

FHW3014P/I井屬于風城油田侏羅系齊古組超稠油油藏，位于重18井區(qū)南部SAGD開放區(qū)，重18井區(qū)是由四條斷層所圍的孤立斷塊，為重20井北斷裂、重1井北斷裂，重43井西斷裂以及風重001井斷裂。齊古組頂部構造形態(tài)為斷裂切割的南傾單斜，地層傾角5°～8°。目的層齊古組直接超覆沉積在二疊系之上，斷塊內八道灣組地層缺失。FHW3014P/I井組由西部鉆探井下作業(yè)公司20947隊承鉆，由西部鉆探定向井技術服務公司提供井眼軌跡控制、隨鉆測量和磁定位技術服務。

FHW3014I水平井于2013年5月4日22:00一開，5日17:10一開完鉆，井深57.92 m，下入Φ339.7 mm表層套管至井深57.60 m固井候凝，5日21:00二開。7日15:00鉆進至井深374 m，其中磁導向井段324.09～371.76 m，實鉆井眼軌跡進入A靶窗，按地質方要求二開完鉆。8日6:00下Φ244.6mm技術套管至井深371.22 m，8日10:00中完固井。9日，三開驗收合格后，I井開始水平段磁導向鉆進，至11日凌晨5:30，鉆至702.23 m完鉆，磁導向井段374.21～668.33 m。

2.2 FHW 2135井組現場應用情況

FHW3125井位于準噶爾盆地風城油田重45井區(qū)SAGD開發(fā)區(qū)。設計井深：斜深1 170.94 m，垂深477.10 m，靶前位移780.2 m，水垂比為3.8:1，是2013年風城區(qū)塊水平段最長的一口井。該井由克拉瑪依地質工程公司鉆井13隊承鉆，定向井公司提供軌跡控制技術服務，磁導向儀器采用西部鉆探鉆井院RMS-I型磁導向系統(tǒng)。

FHW3125I水平井于2013年7月16日18:00一開，16日20:00一開完鉆，井深57.11m，下入Φ339.7 mm表層套管至井深56.76 m固井候凝，18日11:20二開，20日0:40鉆進至井深576 m，實鉆井眼軌跡進入A靶窗，20日5:00下入Φ295 mm欠尺寸穩(wěn)定器通井，洗井起鉆，21日5:00下Φ244.6 mm技術套管至井深575.07 m，21日7:30中完固井。23日16:40，三開驗收合格后，I井開始水平段磁導向鉆進，25日凌晨5:30，鉆至1170.94 m完鉆，磁導向井段576～1143.23 m,累計進尺576.23 m。

3 結論

成功研制出由稀土永磁體磁場源發(fā)生器、三軸磁場和加速度探測器、磁定位采集分析軟件、單總線信號傳輸系統(tǒng)組成的RMS-Ⅰ型磁定位系統(tǒng)，并形成配套的測量工藝技術。經過15井次的SAGD成對水平井現場試驗應用，RMS-Ⅰ型磁定位系統(tǒng)性能得到全面的驗證，測量精度達到國外同類儀器先進水平[7]。RMS-Ⅰ型磁定位系統(tǒng)的研制成功，打破了國外公司在這一技術上的長期壟斷與封鎖，為國內油田稠油資源的高效開發(fā)提供了有力的技術保障。

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