井間精確測量工具及應用研究

夏環宇，倪益民，陳洪亮，陳鵬飛，吳事難

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術湛江分公司，廣東湛江 524057）

基于油氣藏特點、生產要求、環境限制、成本控制等技術和經濟的原因，連通井成為部分油氣藏開采的有效手段，另外在一些特殊情況下，也需用到井眼連通技術。因常規井眼軌跡測量方法存在橢圓誤差，該誤差隨著井深增加而增大，造成對地下井眼相對位置的準確判斷難度極高，影響測量精度及連通成功率。目前測距工具（技術）主要針對兩個井眼的相對位置進行測量和計算，消除了橢圓誤差的影響，并保證了較高的精確度。目前該技術發展較為成熟，已廣泛應用于煤層氣U型井、SAGD井、救援等[1-7]井中，其他特殊用途井[8-11]也有少量應用。

1 典型的連通方式

從油氣生產的角度出發，井眼之間的連通通常被泛指為井筒內流體的連通。本文中將被連通的井（老井）稱為目標井，新井稱為接力井。基于連通井的概念，連通方式一般分為兩類：直接連通和間接連通，間接連通典型的有救援井和SAGD井。

1.1 直接連通

直接連通指接力井進入到目標井井眼，根據兩井眼方位關系可以分為順接和對接兩種（圖1、圖2）。其中，順接井在連通點處，兩井夾角小于90°。

圖1 直接連通方式示意圖-順接Fig.1 Schematic diagram of direct connection modes-sequential connection

圖2 直接連通方式示意圖-對接Fig.2 Schematic diagram of direct connection modes-docking

其中，順接井常見于救援井中，對接井主要用于特殊用途。

1.2 間接連通

間接連通指井眼之間并未直接連通，而是通過特定技術手段為井眼之間的流體提供運移通道，該方式的核心是通過流體壓差實現的連通（圖3）。常用輔助連通的技術手段有加熱、壓裂、定向射孔等。

圖3 間接連通方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of indirect connection modes

2 工具原理

傳統軌跡測量方法[12-13]基于地球重力加速度（陀螺）或者地球磁場（MWD），從一口井的井口開始測量，軌跡上某點的實際坐標范圍具有不確定性，普遍認為是以測量結果為中心的橢球形狀，平面內稱為誤差橢圓，而且誤差隨著井深增加逐漸累積，誤差橢圓呈增大的趨勢，這樣在地下，尤其在深井之間的連通幾乎是不可能的。

井間精確測量工具令這一難題有了解決的可能。測距工具基于電磁測量原理，以目標井內金屬（如套管）剩磁或者人工磁場為對象，探測該磁場并利用軟件計算，確定兩口井軌跡上任意兩點的空間相對位置關系，并可保證較高的精度，指導并實現連通作業。如圖4：其中A為目標井軌跡上的一點，B為接力井軌跡上的一點，測距工具可判斷A點和B點中心的直線距離、方位和傾角關系。與常規MWD測量不同的是：MWD測量大地磁場，而測距工具測量目標井某點磁場。

圖4 測距參數示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring principle

3 工具分類

根據測距工具的特性及目標井情況，通常將其分為：主動和被動式、或（目標井）可入和不可入式。

3.1 主動式和被動式

主、被動式測距的區別在于工具是否對自身、鉆井管串或者目標井套管等施加人為電磁影響，可施加影響的為主動式，否則為被動式。

主動測距儀器令測距信號更強，范圍更大，精度更高；被動測距主要利用MWD測距，普遍時效更高。

3.2 可入式和不可入式

根據目標井筒的可入性，又可以將測距工具分為（目標井）可入式和（目標井）不可入式。顧名思義，測距工具可以下入到目標井進行測量的叫可入式工具，否則為不可入式。

可入式工具通常可在目標井中下入測量工具組件，以配合接力井鉆進時的測量工作，提高測距范圍、靈敏度、以及結果的準確性；不可入式工具不能直接進入目標井，可對其施加的人為影響有限，該工具性能通常低于可入式工具，常用于事故井（如救援井）中。

3.3 典型工具介紹

國內外工具種類較多，功能也不盡相同，按主被動分類。主動式工具或技術主要有哈里伯頓旗下的Sperry公司的WellspotTM系統、旋轉電磁測距技術RMRS、單芯電纜電磁測距SWG、主動式電磁測距RGR、MGT技術，中國地質科學院勘探技術研究所（廊坊）的“慧磁”SmartMag測距技術，中石油集團名下西部鉆探鉆井工程院的RMS-Ⅰ型磁定位系統與中國石油鉆井工程技術研究院的DRMTS-Ⅰ遠距離穿針定位系統等；被動式有Sperry公司的PMR磁測距技術、Scientific Drilling的MagTraC技術及Shell[14]的PWT測距技術等。

如圖5所示，工具種類以主動式為主，其中主動式工具通常是可入式的，典型的有RMRS，不可入式較少（如Wellspot）；被動式較少，目前市面上的被動式工具均為目標井不可入式，典型的有Magtrac。目標井可入時，亦可使用不可入式工具，條件允許時，各類工具可按需配合使用，有助于提高連通效率。

圖5 工具分類比例示意圖Fig.5 Schematic diagram of tool classification scale

4 工具核心部件及性能參數

作為一種新型的工具/技術，它具有與常規測斜工具不同的組成部分，其核心部分由磁發射、接收設備和配套軟件組成。

4.1 磁發射和接收設備

因井眼連通的軌跡精確測量要求，井間精確測量工具通常采用特有的磁發射和接收設備，通過人為附加電磁場的方式以增加測距范圍、提高測距靈敏度和測距精度。因部分目標井的特殊性，無法采用人工磁場的測量方式，這類型工具常見于目標井不可入的情況，其性能稍弱于其他井間精確測量工具。磁發射和接收設備分為兩大類。

4.1.1 專有設備

測距工具專有的磁發射和接收設備主要使用在目標井可入式井中（圖6）。典型的磁發射設備有旋轉磁短節、可通電線圈、電纜等，用來產生人工磁場；接收設備主要為磁場、加速度、磁通門等傳感器組成，用于檢測人工磁場并將其轉換為數據傳輸到地面以供分析。

圖6 磁發射和接收裝置及工作示意Fig.6 Schematic diagram of magnetic transmitting and receiving device and operation

4.1.2 MWD+套管剩磁/電流激勵裝置

磁發射和接收設備分別為套管剩磁/電流激勵裝置+MWD，也就是說，在目標井連通段附近，如果有套管或落魚等金屬件，則僅通過MWD的測量數據也可以指導完成連通作業。該種模式下，MWD工具在測斜的同時，將套管剩磁或電流激勵裝置產生人工磁場的數據記錄在內，通過軟件對該數據進行分析、提取和處理，判斷出井間的相對位置關系。以上裝置主要應用于目標井不可入的連通井測距作業中。

4.2 軟件

無論是使用專有設備還是MWD完成測距工作，均需根據目標井內的電磁信號準確判斷兩井軌跡上某點間的相對空間位置關系，通常每種工具均有其配套使用的軟件。軟件的功能主要是鑒別目標井磁場并計算確定磁源的空間位置。值得一提的是，常規井中，MWD收集的主要信號是用作測斜，套管剩磁信號屬于干擾信號，而在測距過程中，套管剩磁為有用信號，需進行信號甄別和處理，保留套管剩磁信號，并在此基礎上進行位置計算。

4.3 工具參數

因井眼連通對軌跡的精確要求，對于測距工具，最重要的參數是測量距離和精度。另外，連通井技術越來越多的應用于深井中，工具耐溫性能也是非常關鍵的。其次，不同的工具在尺寸、耐壓、下入方式、測距時間等均有差別，在作業前需要考慮，按需選取。目前典型井間精確測量工具的參數見表1。

表1 典型工具參數表Table 1 typical tool parameter

4.3.1 測量距離

測量距離是測距工具非常重要的指標，較大的測量距離為測距作業留足軌跡調整的余地，提高一次連通的概率，保證較高的連通成功率。總的來說，主動測距工具的測量距離較大，不同工具測距范圍差異性較大，各工具最大測距在15～198 m（SWG）之間；被動式測量距離相對較小，因其均探測套管剩磁，測距范圍受套管直徑、接箍等影響較大，通常最大測距在5～23 m之間。

4.3.2 精度

地下兩井眼之間的直接連通，要求測距工具在測距范圍內有極高的精度。例如一口接力井的215.9 mm井眼需要重入到目標井244.4 mm套管中，那么若要保證鉆頭完全重入到套管內，工具在重入點的測量誤差不得超過14 mm，約為鉆頭直徑的7%，這是常規測斜工具難以達到的精度要求。

測距工具的精度與兩井距離有關，總的來說，兩井距離越小，電磁信號越強，測量精度也越高，反之亦然。該工具的特性使得其在重入點的測距誤差幾乎為零，可滿足連通需要。

4.3.3 耐溫

隨著深井和高溫高壓井數量的不斷增加，測距工具也將面臨高溫的挑戰。因普通磁測量工具及MWD耐溫有限，所以傳統的測距工具耐溫大約在120 ℃左右。目前，一些廠家研發的電流激勵工具，如WellspotTM等，將工具的耐溫提高到了200 ℃左右。

5 工具的選擇及應用

5.1 工具的選擇

根據以上分析，認為根據連通方式、目標井可入性、接入點管柱情況等，可對連通工具適用性做快速判斷。其他如溫度等參數，也對連通工具的選擇有一定的限制。圖7總結了連通工具選擇步驟，可作為工具初選方面的參考。

圖7 工具選擇步驟圖Fig.7 Selection steps of the tool

5.2 應用實例

某油田一口需要重入的連通目標井，該井為氣井，已投產，井型為大斜度井，最大井斜69°，井深7 591 m，目的層溫度為179.7 ℃。該井井身結構數據見表2。

表2 某井井身結構數據表Table 2 Data sheet of well structure for some wells

根據圖7，該井為可入型目標井；根據新井井位與目標井位置關系，采用順接的連通方式，考慮主被動工具配合使用；接入點管柱為套管，主被動工具均可選用。根據套管層次，連通點宜選擇在244.4 mm或者177.8 mm套管處，避免涉及穿兩層套管的情況；考慮工具耐溫，連通點若選擇在溫度高于120 ℃的位置，則必須考慮使用耐溫的wellspot工具。

6 結論

（1）井間精確測量是關注兩井間相對位置關系的測量方法，井間精確測量工具以其特殊的測量原理使井間精確測量技術成為可能。

（2）根據工具的不同用途，井間精確測量工具分為不同類別，在工具的選用中應根據目標井實際情況進行針對性優選。

（3）井間精確測量工具的核心部件為磁發射和接收設備，工具主要參數為精度和測距，在連通井設計中，以上因素需重點考慮。

（4）連通井工具的選擇需要從連通方式、目標井可入性、接入管柱情況等方面綜合考慮。