主動磁測距技術在裸眼落魚井中的重入試驗

吳 艷，余文艷，劉永輝，晉新偉，周 巖，朱寬亮

1中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院 2中國石油冀東油田分公司儲氣庫建設項目部

0 引言

由于地磁場的不確定性、鉆具磁性影響及工具非線性誤差等，造成實際井眼與測量軌跡間存在誤差橢圓，因此，在處理原油泄漏井、井噴失控井等時，實現(xiàn)救援井與目標井眼之間的精準連通必須依賴專業(yè)探測工具對故障井進行精確定位并引導救援井靠近或者重入[1- 7]。主動磁測距技術是一種高精度磁定位技術，在國外公司解決救援井與故障井之間的連通技術方面取得了較好的應用效果[8- 9]，如美國Vector Magnetics公司的Wellspot TM系列工具[10- 11]和SDI公司的Blackshark主動測距系統(tǒng)等。其中，2010年的墨西哥灣原油泄漏事件即為Wellspot TM系列工具實施的成功案例，工具探測范圍大、精度高、應用效果好，但技術服務費用高，供貨周期長。為解決這一問題，國內(nèi)自主研制了首套主動磁測距系統(tǒng)，并在冀東海上儲氣庫NP12- 198井“落魚型”廢棄裸眼重入封堵中進行了現(xiàn)場試驗，拓展了磁測距技術在儲氣庫老眼重入領域的應用，配套形成的軌跡設計及探測方法、作業(yè)流程等，突破復雜老井重入難的困境，對可能需要的老井重入作業(yè)及救援井作業(yè)具有一定的參考和借鑒意義。

1 主動磁測距系統(tǒng)

自主主動磁測距系統(tǒng)通過對故障井中套管、落魚施加一定的激勵，使套管、落魚產(chǎn)生相應的磁場強度，通過分析磁場強度分布規(guī)律來反演新井眼與故障井的相對位置關系。

1.1 作用原理

磁測距系統(tǒng)通過電纜下入新井眼中，如圖1所示，利用井下電磁波發(fā)射電極向地層注入球形對稱分布的電磁波，當故障井中有電導率遠高于地層的套管、落魚或其它金屬管柱，其周圍將產(chǎn)生低頻交變磁場，探管測量單元檢測到故障井管柱磁場強度及其隨兩井井距變化的趨勢，利用傳輸單位將探測到的信息傳遞至地面計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，獲得新井眼與故障井的相對距離、方位等信息，實現(xiàn)對故障井的精準定位[12]。

1.2 定位方法

磁測距系統(tǒng)中探管測量單元可獲得新井眼當前地磁場和重力場，明確探管擺放姿勢，掌握新井眼當前井底姿勢。故障井中管柱產(chǎn)生的低頻交變磁場，會對地磁場產(chǎn)生干擾，視管柱電磁特性穩(wěn)定不變，則探管測得的磁場強度與兩井間距成一一對應的反比關系，即磁場幅值迅速增大且到時較短，說明新井眼正在逐步靠近故障井，反之，若探測的磁場幅值迅速減小且到時變長，則說明新井眼正在逐漸遠離故障井。通過對磁場強度隨兩井間距變化趨勢的分析與處理，即可明確新井眼與故障井的相對姿勢，確定故障井相對新鉆井眼的空間位置，實現(xiàn)對故障井位置的定位及下步導航方向，引導新井眼鉆向故障井目標位置[13- 15]。

圖1 主動磁測距系統(tǒng)基本原理

1.3 引導連通方法

磁測距系統(tǒng)獲取故障井相對新井眼的距離和方位，確定故障井相對新鉆井眼的空間位置，結(jié)合新井眼實測數(shù)據(jù)和故障井原始測斜數(shù)據(jù)科學預判下步軌跡，引導新井眼鉆至預判靶點并逐步逼近故障井直至重入。具體過程見圖2所示。圖中(a，b……n)，(a′，b′……n′)，(a″，b″……n″)分別為新井眼當前測點，磁測距實測該垂深故障井相對位置，故障井原始測斜數(shù)據(jù)該垂深對應的測點數(shù)據(jù)。以新井眼軌跡為基準，根據(jù)磁測距實測數(shù)據(jù)，反演計算該垂深故障井空間坐標，獲得故障井實測測點數(shù)據(jù)，并對故障井原始井眼軌跡進行修正，確定下一步待鉆目標點，圖2中L是預判靶點[16]。

圖2 磁測距工具引導兩井連通過程示意圖

該磁測距系統(tǒng)耐溫125 ℃，抗壓150 MPa，測量精度為0.05 nT，測量距離30 m，測量誤差小于25%。

2 試驗井井況及難點分析

2.1 井況

NP12- 198井為南堡1- 29儲氣庫構(gòu)造高部位的一口側(cè)鉆老井，該井?215.9 mm井眼鉆進至完鉆井深2 633 m時發(fā)生了卡鉆，導致井眼報廢，留置長度約1 162.61 m的落魚，魚頂井深641.73 m，魚底井深1 804.34 m，原井眼報廢后在井深510 m處打水泥塞側(cè)鉆，完成此開發(fā)井的鉆探作業(yè)，但留有一廢棄井眼需處理。

廢棄井眼井深2 463～2 494 m為蓋層，廢棄井眼鉆穿儲氣庫蓋層、貫通儲氣層，破壞了儲氣庫的密封性，不滿足儲氣庫長期安全運行要求，如何重入蓋層、儲層并實施封堵是該井順利處置的瓶頸，高精度的探測定位落魚、摸清老眼軌跡、在落魚底部實現(xiàn)老眼重入是處置本廢棄井的關鍵技術。表1為廢棄井的井眼軌跡數(shù)據(jù)表，落魚底部位為穩(wěn)斜段，最大井斜為34.58°。

表1 NP12- 198井廢棄井眼軌跡數(shù)據(jù)表

2.2 難點分析

廢棄井眼最大井斜34.58°，魚長1 162.61 m，魚底深1 804.34 m，完鉆井深2 630 m，井斜大、落魚深且長度大，國內(nèi)未實施過此等難度的裸眼井重入。

2.2.1 跟蹤及重入難度大

大井斜井眼、超長落魚導致井眼跟蹤及井眼重入難度大。常規(guī)電子測斜儀磁方位測量易受落魚的干擾，無法完成新井眼的軌跡精準控制要求。

2.2.2 井下發(fā)生復雜的風險大

頻繁測斜與軌跡調(diào)整，增加井眼浸泡時間、多次定向增加井壁臺階，易誘發(fā)儀器阻卡復雜故障；重入廢棄井眼后，在最大井斜達34.58°的廢棄井眼中穿行，面臨著劃出新井眼的風險。

3 新井眼設計方案

3.1 總體方案設計

新井眼井眼軌跡分段設計如表2所示。磁測距技術于井深1 200 m左右開始探測新井眼與廢棄井眼的距離，判斷新井眼鉆進趨勢；在井深1 620～1700m為試碰落魚段，當碰魚成功，確定廢棄井眼空間位置后，將此段回填至約1 560 m，調(diào)整新井眼軌跡與廢棄井眼保持空間并行，避免兩井眼井斜差值過大而無法重入，伴行跟蹤落魚直至在落魚底部實現(xiàn)重入。圖3為新井眼與廢棄井眼的連通、重入方案設計示意圖。

表2 新井眼井眼軌跡分段設計

圖3 新井眼與廢棄井眼的連通、重入方案

3.2 重點技術措施

3.2.1 軌跡探測與控制措施

井深1 620 m以上控制新井眼與廢棄井眼漸近，每50 m測距一次；試碰井段新井眼貼近落魚并控制井距為3～0 m，每10 m進行一次磁測距，實現(xiàn)對落魚的定位；井深1 700 m處試碰落魚，達到新井與落魚點對點的連通，確定相對空間位置，進一步校正廢棄井眼軌跡；回填后從側(cè)鉆井深開始跟蹤落魚，在井深1 700～1 800 m井段控制軌跡與落魚間距為2～1 m，每10 m測一次磁導向，重點是控制軌跡不斷接近廢棄井眼，做好重入準備[17- 19]；在井深1 800 m以下控制軌跡與廢棄井眼間距在0.5 m左右，加密磁測距頻率，強化廢棄井眼軌跡校正，實現(xiàn)在落魚底部重入老眼。

3.2.2 隨鉆測量工具

新井眼與廢棄井眼間距大于4 m，采用MWD隨鉆測量新井眼井斜、方位數(shù)據(jù)；新井眼與廢棄井眼間距小于4 m后，則配合使用陀螺測斜儀監(jiān)測井眼軌跡，避免磁化鉆具干擾方位角測量結(jié)果。

3.2.3 鉆井液性能及鉆井參數(shù)

鉆井液摩阻系數(shù)控制在0.08以下，提高鉆井液潤滑性、抑制性和防塌性，并在磁測距作業(yè)前通井保持井壁光滑，裸眼段打入潤滑防塌鉆井液，以確保磁導向工具起下通暢；裸眼沖探過程中，優(yōu)化鉆井參數(shù)，控制鉆壓不超過2 t，排量不低于33 L/s等，以實現(xiàn)加裝動力鉆具沖探廢棄井眼，規(guī)避劃出新井眼的風險。

4 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗過程中共進行了14次主動磁測距作業(yè)，于井深1 683 m碰魚成功，于1 807.8 m引導新井眼重入廢棄井眼。磁測距應用情況如表3所示。

表3 磁測距實測數(shù)據(jù)

4.1 軌跡接近段

軌跡接近段共實施3次磁測距作業(yè)，與廢棄井眼的間距由4.4 m增至6.22 m，高邊方位角由168°增至202°，兩井空間交叉后又分離，此時新井眼位于廢棄井眼下方，下步井段扭方位至廢棄井眼上方或逐步逼近廢棄井眼，實現(xiàn)交叉找眼。

4.2 軌跡漸近、碰魚段

1 520～1 683 m井段為軌跡漸近、碰魚段，共實施6次磁測距作業(yè)。當測深1 683 m時，此時磁總量數(shù)據(jù)由平均50 000 nT降低至44 535 nT，同井深磁場幅值突升至858 nT，計算與廢棄井眼間距為0.38 m(見圖4)，鉆時由3～6 min/m上升至12 min/m，井口返出大量鐵屑，室內(nèi)元素能譜分析判定為G105鋼級鉆桿，與落魚性質(zhì)一致，碰魚成功。而此處新井眼隨鉆陀螺測斜數(shù)據(jù)與廢棄井眼軌跡數(shù)據(jù)計算的間距為8.17 m。根據(jù)反演的目標井空間位置修正廢棄井眼軌跡，并做好下步重入井段定向與軌跡調(diào)整(見圖5)。同時碰魚時鉆具未產(chǎn)生強烈蹩跳，扭矩也沒有發(fā)生大的變化，判斷新井眼與落魚屬于空間相對并行，繼續(xù)伴行跟蹤可以提高井眼重入幾率，并縮短施工周期。

圖4 兩種不同測量儀器的間距圖

圖5 新廢井眼軌跡水平投影圖

4.3 伴行跟蹤段

井深1 683～1 790 m是伴行跟蹤段，共實施5次磁測距作業(yè)，配合陀螺定向，井眼在測深1 790 m與廢棄井眼的距離為0.59 m，見表3。新井眼隨鉆陀螺數(shù)據(jù)與校正后的廢棄井眼軌跡的間距為0.06～0.67 m，與磁測距測量間距基本一致，新井眼軌跡已調(diào)整至即將重入廢棄井眼中。

4.4 重入老眼段

根據(jù)第14次磁測距作業(yè)測試情況，預計新井眼將于1 808 m處重入目標裸眼。鉆進至1 807.8～1 808.8 m時，鉆時突然加快，放空瞬時消耗鉆井液4 m3，氣測錄井全烴值由0.09%升至8.2%，鉆井液密度由1.25 g/cm3降至1.23 g/cm3，鉆時由16 min/m下降至1 min/m，鉆壓由6～8 t下降至2～4 t，工具面無任何反扭角，分析判斷新井眼于井深1 807.8 m、以井斜34.11°與廢棄井眼小角度相交的姿勢重入廢棄井眼。逐步調(diào)整井斜和方位與原軌跡基本一致，鉆至井深1 816～2 560 m放空現(xiàn)象明顯，平均沖劃鉆時1 min/m。為防止揭開廢棄井眼漏失層，沖探至2 560 m提前完鉆，井徑大于240 mm，直接下套管后固井，蓋層段封固良好，滿足儲氣庫封堵要求。對比國內(nèi)同類井例[20]，本井實現(xiàn)了一次重入長達752.2 m的廢棄裸眼井段，沖探周期僅8 d，刷新了國內(nèi)老眼重入后裸眼沖探最快記錄。

5 結(jié)論與認識

(1)主動磁測距技術通過對井中套管、落魚等施加一定的磁激勵，其周圍將產(chǎn)生低頻交變磁場，通過檢測到的磁場強度及返回時間，可以實現(xiàn)對目標井的精準定位，在原油泄漏井、井噴失控井等救援方面有重要應用價值。

(2)主動磁測距技術在NP12- 198井的成功試驗表明該技術在大井斜、長落魚段的定向井中應用仍是可靠的，通過超長落魚伴行跟蹤，仍能夠?qū)崿F(xiàn)井眼軌跡的精確引導。

(3)漸進探測段、試碰段、回填側(cè)鉆伴行段、重入段四個關鍵井段為重入廢棄井眼提供了保障。