深水油气勘探救援井精确探测技术研究.pdf

第 36 卷 第 4 期 2014 年 7 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Technology R 3. Key Laboratory of Education Ministry for Photoelectric Oil and Gas Logging and Detection, Xian Petroleum University, Xian 710065, China） Abstract Deepwater oil and gas exploration and development has become a hot spot in oil industry, but accidents like blowout oc- cur from time to time. The drilling of relief well is a very effective way to kill a blowout well. How to accurately determine the relative location of the relief well from the blowout well is a key to the relief. Using software to simulate blowout well with a radius of 139.7 mm, a 1 A current source and a ground electrode were set in its vicinity, then study was conducted on, the effects of the distance between current source and blowout well, the distance between the two electrodes and the radius of the blowout well on the current density on the casing in the blowout well. The research results show that the nearer the blowout well is to the relief well, the greater the current density is on the casing in the blowout well, and that the location of minimum current density on the casing in blowout well is closer to the location of electric current source. The location of the minimum current density in the blowout well is determined by the location of the point current source. The smaller the blowout well radius is, the greater the change of current density amplitude is, and the greater the amplitude of its above current density is. The research findings provide some theoretical basis for drilling offshore relief wells. Key words deepwater drilling; relief wells; casing; simulation; point current source 基金项目国家自然科学基金 “基于线源的井间剩余油探测理论和方法” （编号41174160） ；国家科技重大专项 “深水钻完井工程技术” （编号2011ZX0502601） ；陕西省自然科学基金“套后储层探测理论与方法研究” （编号2013JQ5010） ；西安石油大学青年 科技创新基金“套后储层瞬变电磁响应特征研究” （编号2013BS008） 等资助。 作者简介吴瑶， 1990 年生。硕士研究生， 现主要从事电路系统、 油气探测理论与技术研究工作。电话13709295689。 深水油气勘探开发已成为石油工业的热点［１］， 近年来深水井喷事故时有发生， 这不仅会造成巨大 的人员伤亡和财产损失， 还可能引发环境灾难［２］。 2010 年在 Transocean 深水地平线钻井平台作业的 27 吴 瑶等深水油气勘探救援井精确探测技术研究 Macondo 井发生井喷， 引起钻井平台爆炸起火， 平台 下面的油井每天泄油 795 m3， 几天之内浮油面积达 9 900 km2， 事件影响恶劣、 造成巨大人员伤亡经济 损失［３］。钻救援井是解决井喷漏油问题的最有效 方法， 且救援井与事故井相对位置的精确探测是救 援井技术成功的关键环节［４］。目前， 国内对救援井 和事故井相对位置探测的研究较少， 而国外一般采 用 WELLspot 导向工具来实现救援井与事故井的精 确连通［5-7］， 其工作原理是将绝缘电缆深入救援井 内， 在电缆底部安装磁探头， 在距离磁探头 91.44 m 的上方安装电极， 在地表安装交流电源为该电极供 电， 电极发射出来的电流汇聚在事故井上， 利用磁探 头探测由事故井上电流所产生的交变磁场， 反演出 救援井和事故井的相对方位。因其核心技术保密， 故对该领域的自主研究和创新十分必要。笔者在研 究探测事故井和救援井的相对位置时， 选用一个接 地电极和一个点电流源， 与事故井构成回路， 再研究 事故井上汇聚电流的大小以及所产生的磁场大小， 为救援井和事故井的探测提供一定的理论依据。 1 原理 救援井即为控制井喷， 在事故井一定安全距离 位置设计、 施工与事故井连通的井［８］。在救援井底 使用发射电报与接地电报， 由发射电报发出电流信 号， 探测泄油事故井的套管磁场， 探测结果由接地电 报接收， 以指引钻头向事故井的井眼方向钻进。确 定了事故井的方位后便可使救援井与事故井连通， 对事故井注入高密度的水泥， 达到控制井喷的目的， 原理图如图 1 所示。 图 1 救援井与事故井相对距离和方位探测原理图 COMSOL Multiphysics 是一款大型的高级数值 仿真软件， 广泛应用于多个领域的科学研究以及工 程计算， 模拟科学和工程领域的各种物理过程。本 文利用 COMSOL 软件进行模拟仿真， 将事故井模拟 为圆柱体， 在事故井附近施加电流源， 通过该圆柱体 上的电流大小及分布规律， 推导出救援井和事故井 的相对距离和方位， 为海上救援提供了一定的理论 指导和依据。对电流源通以 1 A 的电流时， 由于事 故井的电导率远大于岩层的电导率， 根据安培定律， 发射的电流将在事故井套管上汇集， 此时再根据事 故井电流密度的大小来得到电流大小， 从而得出和 事故井不同距离的磁通密度大小， 再利用三轴磁通 门接收装置接收到的磁通密度和理论值进行比对， 从而在实际应用中得到事故井的方位。 由于 JI/A， 即， 电流密度等于电流大小除以横 截面面积， 计算出事故井上每点的电流密度时， 载有 恒定电流 I 的事故井， 每一线元 dz 在距离该事故井 r 处的 P 点所产生的磁通密度为 dB μ0Idz 4πr2 （μ0 410 –7 H/m） （1） B 的指向垂直于包含 dz 与 r 的平面， 再根据事 故井长度对 dB 进行积分， 以事故井上端为原点， 积 分下限为–100， 积分上限为0， 计算出总的磁通密度。 建立全空间模型如图 2 所示。模拟的事故井在 位于岩层表面垂直向下 100 m 处至岩层表面均匀取 1 000 个点， 通过研究这 1 000 个点的电流密度模和 电流密度 z 分量的分布规律来确定事故井和救援井 的相对位置。 图 2 全空间模型 该模型中事故井套管方向为 z 轴（单位 m） ， 海 平面为 xoy 面。选择合适的模型尺寸对结果的准确 性影响很大， 原因在于第一， 在靠近地面端要远离 事故井， 因为事故井喷出的二氧化氢等有害物质对 人会造成伤害， 但同时救援井的距离也不能太远， 否 则救援井的钻探工作量较大， 斜井段较长；第二， 如 果计算模型选取的较大， 那么网格数量增大， 计算量 增大， 不利于计算；第三， 如果选取的模型较小， 则 不能足够地反应电流在空间中的传播规律。根据上 述原则， 确定合适的计算模型。模型中上半部分的 介质为海水， 深度为 100 m， 下半部分的介质为岩层， 深度为 400 m， 中间一根半径为 139.7 mm 的圆柱体 即为模拟的事故井。事故井由下至上均匀选取 1 000 个点。海水电导率 为 –3 S/cm， 几种典型的岩层电 导率， 如玄武岩的电导率为 10–3210–2 S/m；花 石油钻采工艺 2014 年 7 月（第 36 卷） 第 4 期28 岗岩的电导率为 10–5210–3 S/m；砂岩的电导率 为 10–34.0210–3 S/m；因此文中岩层的电导率取 0.01S/m， 与实际岩层电导率接近。套管（事故井） 电 导率取 107 S/m， 在事故井附近布置一个电极接地， 岩石层表面垂直向下 60 m（海平面垂直向下 160 m） 处布置一个点电流源， 电流大小设置为 1 A， 事故井 和电流源的距离不同， 事故井上的电流大小以及分 布规律也不同， 由事故井上电流分布规律和大小来 确定事故井和救援井的相对距离（等于是观测接收 电极上的电流大小） 。 文中研究了电流源和事故井距离、 两电极距离、 事故井半径对事故井上电流密度模及电流密度 z 分 量的影响。 2 电流源与事故井距离对电流密度的影响 设计事故井半径为 139.7 mm（为正常油井套管 尺寸的 2 倍） ， 点电流源（海平面垂直向下 160 m） 和 接地电极（海平面垂直向下 100 m） 垂直距离 60 m。 图 3 描述了事故井和电流源（海平面垂直向下 160 m） 的距离为 1 m、 10 m、 30 m 时事故井套管上的电流 密度。 图 3 电流源与事故井距离 1 m、 10 m、 30 m 时 事故井上的电流密度模分布规律 图 3 表明， 电流源和事故井的距离越小， 套管 上的电流密度模值越大。当点电流源和事故井间距 1 m， 电流密度模的 0 点位置在第 400 个点附近， 即 点电流源所在的深度处。当点电流源和事故井的水 平距离为 10 m 时， 电流密度的 0 点位置在第 300 个 点附近。 随着距离的增大， 套管上电流密度的 0 点将向 远离电流源所在处移动， 当距离更大时， 套管上电流 密度模将不再出现 0 点， 且距离越近， 事故井上电流 密度的幅值越大。事故井上电流密度 z 分量（垂直 于事故井方向） 如图 4 所示。 当事故井和点电流源之间距离为 30 m 时， z 轴 分量已无负值， 且没有过 0 点。当事故井和救援井 间距 1 m 和 10 m 时， 电流密度 z 分量过 0 点， 且当 距离越近时， 该 0 点越接近点电流源所在处（点电 流源在与事故井上第 400 个点处平行距离 1 m 和 10 m 处） 。 电流密度最大值点位于第 476 个点处， 即事故 井第 47.6 m 处， 在该处电流密度最大， 电流最强， 进 而所产生的磁通密度最大。在该点布置接收装置有 利于接收到较强的信号。 点电流源与事故井距离 1 m 时， 0 点上半部分电 流密度为 5.52 A/m2， 电流为 0.33 A， 下半部分电 流密度为 –0.98 A/m2， 电流为 –0.06 A；点电流源与 事故井距离 10 m 时， 0 点上半部分电流为 1.56 A/ m2， 电流为 0.09 A， 下半部分电流密度为 –0.13 A/ m2， 电流为 –0.008 A；点电流源与事故井距离 30 m 时， 0 点上半部分电流密度为 0.49 A/m2， 电流为 0.03 A ， 下半部分电流密度为 0 A/m2， 电流为 0 A。 表 1 点电源与事故井不同距离时的电流代数和 点电源与事故井距离1 m10 m30 m 电流（代数和） 0.27 A 0.082 A 0.030 A 从表 1 可见， 点电流源和事故井距离越近， 事故 井上汇聚的电流越大， 由式（1） 得出， 产生的磁通密 度越大， 越有利于数据的观测和接收。 3 电极之间距离对电流密度的影响 图 5 表示事故井半径， 电极和套管的距离为 1 m 时， 电极距离的改变对套管上电流密度的影响。 图 5 两个电极距离为 30 m、 60 m、 90 m 时 事故井上电流密度模的分布规律 图 4 事故井上电流密度 z 分量 29 吴 瑶等深水油气勘探救援井精确探测技术研究 由图 5 可知， 当 2 个电极之间的垂直距离改变， 对套管上电流密度模的幅值影响不大， 主要影响的 是套管上电流密度 0 点的分布。当两电极之间距离 为 30 m 时， 套管上电流密度模的最小值在第 700 个 点附近且趋于 0；距离为 60 m 时， 套管上电流密度 模的最小值在第400个点且趋于0；距离为90 m时， 由于只选取了岩层垂直向下 100 m 作为研究对象， 套管上电流密度模最小值显示在图中。进而分析可 知， 点电流源布置的位置即为事故井上电流密度最 小值（最接近 0 点） 所在处。事故井上电流密度 z 分 量如图 6 所示。 图 6 事故井电流密度 z 分量 由图 6 可知， 当点电流源位于岩层向下 30 m 时 即平行于套管第 700 个点处时， 事故井上的电流密 度 z 分量在第 700 个点附近过 0 点。当点电流源位 于岩层垂直向下 60 m 时即平行于套管第 400 个点 时， 事故井上电流密度模 z 分量在第 400 个点附近 过 0 点。当点电流源位于岩层垂直向下 90 m 时， 电 流在第 2 个点过 0 点， 如图 7 所示。 图 7 两电极距离 90 m 时事故井低端 1 m 的电流密度分量 两电极距离 30 m 时， 0 点上半部分电流密度大 小均值为 4.24 A/m2， 横截面积为 0.06 m2， 电流均值 为 0.25 A， 0 点下半部分电流密度大小均值为 –2.05 A/m2， 电流均值为 –0.123 A。两电极距离 60 m 时， 0 点上半部分电流密度大小均值为 5.52 A/m2， 电流 为 0.33 A， 下半部分电流密度均值为 –0.98 A/m2， 电 流为 –0.06 A。两电极距离 90 m 时， 上半部分电流 密度为 5.93 A/m2， 电流为 0.36 A， 下半部分电流密 度为 –0.003 A/m2， 电流为 –0.000 2 A。其中， 电流沿 着事故井向上为正， 向下为负。 显然， 两电极距离越远， 事故井向上向下的电流 抵消的越小， 即得到的电流越大， 由式（1） 得， 产生的 磁通密度越大， 越有利于数据接收和观测。 4 套管半径对电流密度的影响 当点电流源和事故井距离保持 1 m， 事故井半径 变化对其上电流密度的影响如图 8 所示。 图 8 事故井半径为 139.7 mm、 228.6 mm、 330.2 mm 电流密度模分布规律 显然， 事故井的半径越大， 其上电流密度模的幅 值越大， 且在第 400 个点左右（点电流源所在处为 与事故第 400 个点平行距离 1 m 处） 电流密度模值 为趋近于 0。事故井电流密度 z 分量如图 9 所示。 图 9 事故井电流密度 z 分量 当事故井半径为139.7 mm、 228.6 mm、 330.2 mm 时， 其上电流密度 z 分量都在第 400 个点（点电流源 位于平行事故井第 400 个点处） 附近过 0 点， 且半径 越大， 电流密度 z 分量越大。当半径为 139.7 mm 时， 横截面积为 0.06 m2， 汇聚在事故井下半部分的电流 密度均值为 –0.98 A/m2， 电流为 –0.06 A， 上半部分电 流密度均值为 5.52 A/m2， 电流为 0.33 A。当半径为 228.6 mm 时， 横截面积为 0.16 m2， 上半部分电流密 度均值为 2.55 A/m2， 电流为 0.41 A， 下半部分电流 密度为 –0.35 A/m2， 电流为 –0.06 A。当半径为 330.2 mm， 横截面积为 0.34 m2， 上半部分电流密度均值为 1.46 A/m2， 电流为 0.5 A。下半部分电流密度均值 为 –0.15 A/m2， 电流为 –0.05 A。 （下转第 33 页） 3333王海涛等准噶尔盆地环玛湖凹陷钻井提速技术 技术之后， 机械钻速、 钻井周期、 复杂时率等钻井技 术指标均优于攻关前， 综合提速效果显著。 4 结论及建议 （1） 配套提速钻井技术在准噶尔盆地环玛湖地区 的应用， 大幅度提高了机械钻速， 缩短了钻井周期， 降低了复杂时率和钻井成本， 同时对防漏堵漏钻井 液体系进行了优选研究， 为钻井提速提供了有力保 障， 有助于加快环玛湖地区的勘探步伐。 （2） 优化后的井身结构相对于常规结构采用预留 一层技术套管以及复合井眼的方式， 增加了处理复 杂的应变能力， 确保安全、 顺利成井。 （3） 高效 PDC 钻头在环玛湖地区具有较好的应 用效果， 初步形成了环玛湖地区全井钻头序列， 对重 点攻关层位已经进行了个性化 PDC 钻头的优选， 建 议进一步加强对其他层位个性化钻头的改进工作。 （4）扭力冲击器 PDC 钻头和高速涡轮 孕镶 金刚石钻头复合钻井技术是钻井提速的重要手段， 建议在该地区进一步推广应用， 并优化水力参数和 机械参数， 提高综合使用效果。 参考文献 ［1］ 王果， 刘建华， 丁超， 等 . 控压钻井条件下井身结构优化 设计［J］. 石油学报， 2013， 34 （3） 545-549. ［2］ 何龙 . 川东北地区优快钻井配套技术［J］. 钻采工艺， 2008， 31 （4） 23-26. ［3］ 蒋祖军， 肖国益， 李群生 . 川西深井提高钻井速度配套 技术［J］. 石油钻探技术， 2010， 38 （4） 30-34. ［4］ 刘天科 . 东营凹陷中央隆起带北部深层钻井技术难点 与对策［J］. 石油钻探技术， 2011， 39 （3） 77-80. ［5］ 穆国臣， 陈晓峰， 王雪， 等 . 松南地区深井钻井提速难点 与对策［J］. 石油钻探技术， 2011， 39 （6） 19-22. ［6］ 周祥林， 张金成， 张东清 . TorkBuster 扭力冲击器在元坝 地区的试验应用［J］. 钻采工艺， 2012， 35 （2） 15-19. ［7］ 孙起昱， 张雨生， 李少海， 等 . 钻头扭转冲击器在元坝 10 井的试验［J］. 石油钻探技术， 2010， 38 （6） 84-87. ［8］ 陈志学， 于文华， 朱进祖， 等 . 液动旋冲钻井技术在青西 地区的试验与应用［J］. 石油钻采工艺， 2006， 28 （5） 19-21. ［9］ 吕晓平， 李国兴， 王震宇， 等 . 扭力冲击器在鸭深 1 井志 留系地层的试验应用［J］. 石油钻采工艺， 2012， 34 （2） 36-39. （修改稿收到日期 2014-04-22） 〔编辑 薛改珍〕 （上接第 29 页） 显然， 事故井半径越大， 事故井上的电流越大。 由式（1） 得， 磁通密度越大， 越有利于数据接收；点 电流源和事故井距离越远， 磁通密度越小， 越不利于 数据接收。 5 结论 （1） 事故井和救援井距离越近， 事故井上的电流 密度越大且事故井上电流密度模最小值点越接近点 电流源所在处。 （2） 事故井电流密度最小值点所在处是由点电流 源所在处决定的。 （3） 事故井半径越小， 电流密度的幅值就越大， 所 产生的电流也越大、 其上的电流密度模的幅值也越大。 （4） 两电极距离越远， 事故井上汇聚的电流越大， 进而所产生的磁通密度越大， 更有利于数据的观测 和接收。 （5） 事故井上汇聚的电流在电流源所在处方向相 反， 分别沿着事故井向上以及向下， 且向上的电流大 于向下的电流。 参考文献 ［1］ 鞠少栋， 畅元江， 陈国明， 等 . 深水钻井隔水管连接作 业窗口分析［J］. 石油勘探与开发， 2012， 39 （1） 105- 110. ［2］ 孟会行， 陈国明， 朱渊， 等 . 深水井喷应急技术分类及研 究方向探讨［J］. 石油钻探技术， 2012， 40 （6） 27-31. ［3］ 齐奉忠， 刘硕琼， 杨成颉， 等 . BP 墨西哥湾井喷漏油事 件给深井固井作业的启示［J］. 石油科技论坛， 2011， 30 （5） 44-46. ［4］ 李翠， 高德利 . 救援井与事故井连通探测方法初步研究 ［J］. 石油钻探技术， 2013， 41 （3） 56-60. ［5］ GRACE R D, Blowout and well control handbook ［M］. Oxford; Gulf Professional Publishing, 2003 90-102. ［6］ LERAAND F, WRIGHT J W, ZACHRY M B, etal. Relief- well plan-ning and drilling for a North Sea underground blowout ［J］. Journal of Petroleum Technology, 1992, 44 （3） 266-273. ［7］ GRACE R D, KUCKES A F， BRANTON J O. Perations at a deep reliefwell, the TXO marshall［R］. SPE 18059, 1988 91-93. ［8］ 郭永峰， 纪少君， 唐长全 . 救援井墨西哥湾泄油事件 的终结者［J］. 国外油田工程， 2010， 26 （9） 64-65. （修改稿收到日期 2014-06-20） 〔编辑 薛改珍〕