海上叢式井防碰監(jiān)測技術(shù)

1、項目名稱海上叢式井防碰監(jiān)測技術(shù)先導(dǎo)試驗承擔(dān)單位：勝利石油管理局海洋鉆井公司項目負責(zé)人：史建剛研究開發(fā)年限：_2011_年_4_月至_2013_年_4月勝利石油管理局印制一、國內(nèi)外現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及開題意義（一）國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢維持和提高國內(nèi)油田的油氣產(chǎn)量不但可以滿足日益強勁的石油消費需求，還能夠保證國家能源戰(zhàn)略的安全。目前提高油氣產(chǎn)量的途徑主要包括兩個方面：開發(fā)新的油田區(qū)塊和提高老油田的采收率。叢式鉆井是開發(fā)陸上和海上油氣資源的重要技術(shù)途徑，而加密調(diào)整井對于老油田的井網(wǎng)調(diào)整和提高采收率來說也是十分必要的。而無論是叢式井還是加密調(diào)整井，隨著井網(wǎng)密度的增加，都會面臨井眼碰撞的風(fēng)險。井

2、眼碰撞是指空間上連續(xù)變化的兩個井眼相交于一點，導(dǎo)致井眼相碰的原因是多方面的，如早期鉆井設(shè)計沒有考慮到加密調(diào)整的需求，井間預(yù)留空間??；早期的測量精度低，導(dǎo)致井眼軌跡計算、掃描精度低；受原井眼分布限制，調(diào)整井設(shè)計時活動空間受限；受井筒影響，井下隨鉆測量信息誤差或反映滯后，導(dǎo)致軌跡控制失誤；井眼誤差橢圓相交等。井眼碰撞會帶來嚴重的后果，輕則造成套管變形，重則鉆穿套管，引發(fā)嚴重的井眼事故，還有可能影響油井的正常生產(chǎn)，帶來環(huán)境問題，經(jīng)濟損失十分巨大。尤其是海上叢式井施工時，由于受平臺空間所限，井口距離都非常近，并且布井數(shù)量都比較多，防碰問題非常嚴重。在現(xiàn)有的井眼防碰技術(shù)的基礎(chǔ)上開展“海上叢式井防碰監(jiān)測技

3、術(shù)先導(dǎo)試驗”可以為有效地防止井眼碰撞，保證鉆井作業(yè)的安全實施提供技術(shù)支持。（一）國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢目前，井眼防碰技術(shù)主要有三種：井下電磁測量、隨鉆測量技術(shù)（MWD）、人工監(jiān)聽的方法。1） 井下電磁測量 該技術(shù)具有信號傳輸速率高、測量時間短等特點。通過電測，得到描述井眼軌跡的相關(guān)數(shù)據(jù)，為井間距離的計算和防碰掃描提供依據(jù)。2） 隨鉆測量技術(shù)（MWD）在鉆井工程中，隨鉆測量是定向井井眼軌跡監(jiān)測與控制的一種常用技術(shù)，目前在海上鉆井活動中，幾乎都使用隨鉆測量技術(shù)。MWD一般是指鉆井工程參數(shù)測量，如井斜、方位和工具面等的測量，有時泛指鉆井時所有的井下測量。通過MWD測量并上傳描述井眼軌跡的相

4、關(guān)數(shù)據(jù)，為井間距離的計算和防碰掃描提供依據(jù)。電測法測點多、數(shù)據(jù)上傳快，但只能在一段井眼形成后才能得到數(shù)據(jù)，具有明顯的滯后性，只是也只能作為鄰井井筒數(shù)據(jù)。隨鉆測量可以做到隨鉆井眼軌跡監(jiān)測，但也存在以下不足，一是不能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，一般只是在打完一段井深后（例如一個立柱）進行測量，二是隨鉆測量儀器離鉆頭有一段距離(一般為417 m)，測量結(jié)果具有一定的滯后性。采用以上兩種方式的共同特點是通過測量井眼軌跡參數(shù)為井間距離的防碰掃描計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，都要將測得的數(shù)據(jù)錄入某種分析計算軟件，通過計算得到井眼的軌跡掃描數(shù)據(jù)和防碰分析結(jié)果，過程不夠直接且整體滯后明顯。結(jié)合海洋油田鉆井技術(shù)的特點，裝備好、水平高、鉆

5、速快，以上兩種方式的非實時性或滯后性是這兩種方式的弱點。在井眼防碰應(yīng)用中，也有人提出了通過鄰井套管對電磁場的影響來探測與鄰井的距離的思路，也有通過在已鉆井套管上安裝特定磁性（信號點），在正鉆井通過檢測這種定信號進行井間定位的方法。但該類技術(shù)應(yīng)用存在的最大問題是，如果通過在老井眼內(nèi)安裝信號點進行防碰監(jiān)測，需要在老井停產(chǎn)條件下進行電纜作業(yè)，而且需要安裝多個信號點，既影響油田生產(chǎn)又費用高昂。如果通過磁測量原件的磁通量變化，比如MWD的測量方位角變化來識別鉆頭對井眼的趨近，由于多井筒的同時存在，會造成測量結(jié)果的不確定性6，另外還受到MWD井深滯后的影響。3） 采用人工監(jiān)聽的方法目前比較有效的實時監(jiān)測方

6、法，也是油田在無奈之下所采取的手段，就是人工監(jiān)聽。具體做法是，在小平臺或生產(chǎn)平臺安排12名具有一定井眼的人員，監(jiān)聽叢式井套管頭處由于鉆頭鉆到套管引起的聲音，并告知鉆臺人員及時采取相應(yīng)措施，防止鉆穿套管。但這種方法受到以下幾個因素的影響： 受監(jiān)聽者的經(jīng)驗所限，難以準確分辨哪種聲音是由于鉆頭鉆到套管所產(chǎn)生的； 受監(jiān)聽者體力、耐心和責(zé)任心的影響，很難實現(xiàn)有效的連續(xù)監(jiān)測； 監(jiān)聽環(huán)境受到風(fēng)、雨、高溫、低溫、上部鉆臺漏水、井口出水等等環(huán)境因素的影響大，很難維持在良好（安全的）工作狀態(tài)，嚴重影響監(jiān)聽質(zhì)量； 環(huán)境噪音源多，風(fēng)聲、雨聲、雷聲、水聲、鉆機聲、施工中的敲擊碰撞聲、生產(chǎn)平臺的設(shè)備運轉(zhuǎn)聲，參雜在一起，導(dǎo)

7、致監(jiān)聽者難以分辨和識別。（二）國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢國內(nèi)目前主流的防碰技術(shù)與國外相同，但相比于國外來說，國內(nèi)的MWD儀器相對落后，且關(guān)于井眼碰撞風(fēng)險模型的研究較少。由于國內(nèi)對油氣需求的急劇增加，特別是許多老油區(qū)已經(jīng)進入開發(fā)中后期，加密調(diào)整井的工作量增加很快，防碰問題日益突出，鉆穿鄰井套管問題逐漸顯現(xiàn)。尤其是海上叢式井施工時，由于受平臺空間所限，井口距離都非常近，并且布井數(shù)量都比較多，防碰問題非常嚴重。為了有效地防止井眼碰撞，保證鉆井作業(yè)的安全，對防碰監(jiān)測的需求十分迫切。因此，研究新的井眼防碰監(jiān)測理論和方法、研發(fā)新的井眼防碰技術(shù)及裝備，是油田加密調(diào)整井安全鉆井的需要，迫在眉睫，意義重大

8、，需要采取新的思路，實現(xiàn)新的跨越。（三）與中國石化主業(yè)發(fā)展的關(guān)聯(lián)度中國石化的主營業(yè)務(wù)涵蓋范圍很廣，包括石油和天然氣的勘探、開發(fā)、儲運；石油煉制；石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)、銷售、儲存和運輸?shù)鹊龋狙芯宽椖恐饕c中國石化的上游主營業(yè)務(wù)有關(guān)，即石油和天然氣的勘探開發(fā)。中國石化目前擁有勝利、中原、江漢等一批老油田以及部分海上油田，而老油田大多已進入油氣田開發(fā)的中后期，油井的產(chǎn)能低、含水率高等問題已經(jīng)非常普遍，這些油田均面臨著如何提高采收率的問題，井網(wǎng)改造就是其中一項非常有效的解決方案。在井網(wǎng)改造過程中，鉆加密調(diào)整井是必不可少的。由于老油田在勘探開發(fā)初期沒有考慮到今后加密調(diào)整的需要，導(dǎo)致部分井間預(yù)留空間很小

9、或井眼軌跡數(shù)據(jù)不全，這就給加密調(diào)整井的井眼防碰作業(yè)帶來很大的挑戰(zhàn)，必須研究如何在加密調(diào)整井的鉆井過程中減少井眼碰撞的發(fā)生。尤其是海上叢式井施工時，由于受平臺空間所限，井口距離都非常近，并且布井數(shù)量都比較多，防碰問題非常嚴重。在現(xiàn)有的井眼防碰技術(shù)的基礎(chǔ)上開展“海上叢式井防碰監(jiān)測技術(shù)先導(dǎo)試驗”可以為有效地防止井眼碰撞，保證鉆井作業(yè)的安全實施提供技術(shù)支持。（四）項目的創(chuàng)新性經(jīng)過大量詳盡的國內(nèi)外文獻調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外尚沒有類似的用于叢式井防碰的地面監(jiān)測的成熟技術(shù)的先例，本項目主要包括以下幾點創(chuàng)新性:1） 一種基于檢測套管地面振動信號，識別因鉆頭趨近監(jiān)測井套管使檢測信號特征改變，根據(jù)變化規(guī)律，預(yù)測鉆頭趨近

10、或碰撞風(fēng)險鄰井的防碰監(jiān)測理論； 2） 一套用于叢式井防碰地面監(jiān)測的系統(tǒng)，包括振動信號的采集、處理和分析系統(tǒng)；3） 一套防碰預(yù)警模型，與傳統(tǒng)的技術(shù)手段相結(jié)合共同指導(dǎo)定向井的防碰作業(yè)；二、研究開發(fā)的目標、內(nèi)容、技術(shù)方法和路線、技術(shù)經(jīng)濟指標（一）技術(shù)目標建立海上叢式井防碰監(jiān)測技術(shù)，為解決海上油田叢式井網(wǎng)加密鉆井過程中的防碰問題提供技術(shù)支持。 （二）技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容主要包括以下四個方面：1） 叢式井防碰監(jiān)測可行性研究；2） 叢式井防碰地面監(jiān)測裝置研究；3） 基于監(jiān)測套管振動信號評價鉆頭碰撞（趨近）鄰井套管的信號特征及規(guī)律研究；4） 通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用，形成叢式井的防碰監(jiān)測技術(shù)；技術(shù)關(guān)鍵：

11、1） 叢式井防碰監(jiān)測方法；2） 叢式井防碰監(jiān)測信號分析技術(shù)；3）叢式井防碰監(jiān)測裝備。（三）技術(shù)方法、路線及其可行性分析1） 技術(shù)方法和路線鉆頭破碎巖石的過程中會產(chǎn)生振動波，而振動波可以通過地層和鄰井的套管傳遞到鄰井套管頭上，通過安裝在正鉆井和風(fēng)險鄰井套管頭部位的加速度計，采集通過地層和套管傳播到套管頭傳感器的鉆頭破巖時（趨近叢式井套管時）產(chǎn)生的振動波，利用信號的采集、傳輸裝備將信號傳輸給計算機，采用所編制的數(shù)據(jù)處理、分析軟件對振動信號進行分析處理，當信號的時域、頻域特征超過防碰報警閥值時，系統(tǒng)軟件發(fā)出報警信息，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)判斷鉆頭趨近和對鄰井套管的碰撞的預(yù)警或警報功能。本課題主要是采用理論分析

12、、數(shù)值計算、現(xiàn)場應(yīng)用檢驗的方式研究，以井間振動信號傳播規(guī)律的研究為基礎(chǔ)，運用振動信號處理和分析方法的相關(guān)理論，通過理論分析和室內(nèi)、現(xiàn)場試驗分析結(jié)果建立防碰報警模型，確定防碰報警閥值，形成監(jiān)測裝備和技術(shù)。相關(guān)資料和文獻的調(diào)研設(shè)計室內(nèi)實驗方案室內(nèi)和現(xiàn)場試驗結(jié)果分析研發(fā)防碰監(jiān)測據(jù)采集分析軟件理論分析室內(nèi)和現(xiàn)場試驗分析振動波在井間地層、管柱中的傳播規(guī)律振動波的處理和分析方法 建立井眼防碰預(yù)警模型設(shè)計現(xiàn)場試驗方案理論分析、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗形成叢式井防碰監(jiān)測技術(shù)圖 1-1 技術(shù)路線流程圖2）可行性分析根據(jù)現(xiàn)場防碰工作的經(jīng)驗，當正鉆井的鉆頭靠近叢式井的套管時，人耳可以聽到從套管傳來的振動聲，因此這就給了我們一

13、種啟示，即通過研究振動波來進行防碰方法的研究。課題組通過前期的工作研究發(fā)現(xiàn)，當正鉆井的鉆頭與鄰井的趨近程度不同時，通過傳感器采集到的振動波的特征是不同的，并且有一定的規(guī)律可循，這說明可以通過對套管上的振動信號的采集、分析和處理得到鄰井與鉆頭的趨近程度等相關(guān)的信息，從而為井眼的防碰工作提供理論依據(jù)，降低鉆井過程中發(fā)生井眼碰撞的風(fēng)險。（四）技術(shù)經(jīng)濟指標1）形成叢式井防碰監(jiān)測技術(shù)2）完成3-8口井的防碰監(jiān)測試驗；三、知識產(chǎn)權(quán)狀況（一）已有知識產(chǎn)權(quán)情況（專利號、專利申請?zhí)枴⑸暾埲?、專利名稱） （二）相關(guān)國內(nèi)外專利檢索結(jié)果（檢索主題詞、檢索數(shù)據(jù)庫名稱、相關(guān)專利號、專利申請?zhí)枴⑸暾埲?、專利名稱） （三）國

14、內(nèi)外文獻查詢結(jié)果（文獻名稱、來源、發(fā)表人） （四）中國授權(quán)或公開的相關(guān)專利分析（給出本研究目前是否和國內(nèi)已公開專利相沖突的分析結(jié)論，對有相沖突可能的專利，給出專利號、專利申請?zhí)枴⑸暾埲?、專利名稱，法律狀態(tài)、專利權(quán)利要求，提出的創(chuàng)新或規(guī)避對策）（五）國外公開文獻和未在中國申請的相關(guān)國外專利分析（概述這些文獻和專利的創(chuàng)新和效果，提出本課題予以借鑒、利用的設(shè)想）四、市場前景分析（一）國內(nèi)外市場現(xiàn)狀和需求分析隨著國內(nèi)外油田的逐步深入開發(fā)，密集叢式井已得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但由于井距之間的減小，井眼碰撞問題已成為制約油田勘探開發(fā)的關(guān)鍵性因素。此外，為提高陸上和海上老油田的原油采收率，需要鉆加密調(diào)整井進

15、行井網(wǎng)改造，國內(nèi)有些老油田甚至已經(jīng)進行了三次井網(wǎng)加密措施，如何在老油田的井網(wǎng)加密過程中有效地避免井眼碰撞是鉆井過程中必須要考慮的問題。（二）經(jīng)濟效益和社會效益預(yù)測在國內(nèi)乃至全球范圍內(nèi)強勁的石油消費需求下，叢式井和老油田的加密調(diào)整井是提高油氣產(chǎn)量的重要技術(shù)措施。在老油田的井網(wǎng)加密過程中有效地避免井眼碰撞是鉆井過程中必須要考慮的問題，同時也是確保加密調(diào)整方案順利實施、確保鉆井和生產(chǎn)井套管安全的關(guān)鍵性問題；一旦因軌跡控制失誤，在鉆井鉆頭碰到生產(chǎn)井套管，輕者造成套管變形，重者鉆穿套管，給油田生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失，因此，井眼防碰擁有廣闊的市場應(yīng)用前景，會在給油田安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持的同時，產(chǎn)生可觀的經(jīng)

16、濟效益。五、開題條件（一）技術(shù)準備1）前期已進行與定向井防碰技術(shù)相關(guān)的國內(nèi)外文獻調(diào)研，并分析了項目實施的可行性；2）課題組相關(guān)人員已經(jīng)掌握相關(guān)的振動信號采集和分析處理技術(shù)以及定向井防碰掃描技術(shù)；3）課題組現(xiàn)已擁有一定的技術(shù)基礎(chǔ)。（二）人員情況職 責(zé)姓 名單 位性別職務(wù)職稱從事專業(yè)承擔(dān)的主要研究任務(wù)組長史建剛勝利海洋鉆井公司男總經(jīng)理鉆井工程組織領(lǐng)導(dǎo)落實經(jīng)費副組長張金龍勝利海洋鉆井公司男副總經(jīng)理鉆井工程分工及經(jīng)費控制技術(shù)首席顧洪成勝利海洋鉆井公司男首席專家鉆井工程現(xiàn)場技術(shù)總負責(zé)技術(shù)負責(zé)胥洪彪勝利海洋鉆井公司男科長專家油田化學(xué)研究指導(dǎo)及協(xié)調(diào)主要研究人員劉傳清勝利海洋鉆井公司男主任師油田化學(xué)現(xiàn)場試驗王

17、 飛勝利海洋鉆井公司男責(zé)任師油田化學(xué)現(xiàn)場試驗盧運才勝利海洋鉆井公司男主任師油田化學(xué)室內(nèi)研究周延平勝利海洋鉆井公司男責(zé)任師油田化學(xué)現(xiàn)場實驗趙秀英勝利海洋鉆井公司女責(zé)任師油田化學(xué)室內(nèi)研究武曉華勝利海洋鉆井公司男主管師鉆井工程現(xiàn)場實驗胡明生勝利海洋鉆井公司男責(zé)任師油田化學(xué)室內(nèi)研究協(xié)作單位：現(xiàn)中國石油大學(xué)（華東），劉剛，教授，博士，先后參加國家重大專項3項，支撐計劃1項，國家“八五”和“九五”項目的科研攻關(guān)項目2項，中石化科研公關(guān)項目1項，山東省基金項目1項。主持完成塔里木油田、克拉瑪依油田、勝利油田、江蘇油田橫向研究課題12項。公開發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文31篇，其中有3篇被EI收錄。獲國家實用新型專利6項

18、。（三）現(xiàn)有儀器設(shè)備及實驗室條件1）振動信號采集和分析系統(tǒng)包括加速度傳感器、內(nèi)置放大器和濾波器的數(shù)據(jù)采集儀，電纜等硬件系統(tǒng)以及振動信號采集、分析及報警軟件系統(tǒng)。2）室內(nèi)模擬井筒現(xiàn)已建設(shè)成初步的實驗室，通過采集人工激發(fā)的振動信號來模擬鉆頭的振動，從而研究振動波在模擬井筒中的傳播規(guī)律，建立室內(nèi)條件下的振動波傳播規(guī)律模型。*人員情況系指專題負責(zé)人和主要參加人的姓名、職務(wù)、專業(yè)技術(shù)職稱及主要科技成就。18六、計劃進度和考核目標（按月度寫出安排, 跨年度的內(nèi)容分年度填寫;承擔(dān)單位應(yīng)包括協(xié)作單位。）年 份序 號工 作 內(nèi) 容試驗規(guī)模及應(yīng)達到的指標起止時間（ 月- 月）試驗地點驗收方式*備注承擔(dān)單位及負責(zé)人

19、20111防碰監(jiān)測技術(shù)可行性研究形成監(jiān)測裝備試驗樣機2011.42011.12中國石油大學(xué)匯報，專家評議海洋鉆井公司 史建剛中國石油大學(xué)，劉剛20122防碰監(jiān)測理論和方法研究、防碰監(jiān)測裝備構(gòu)建形成防碰監(jiān)測基本方法防碰監(jiān)測裝備研制2012.12012.6中國石油大學(xué)匯報，專家評議海洋鉆井公司 史建剛中國石油大學(xué)，劉剛20123現(xiàn)場試驗形成防碰監(jiān)測現(xiàn)場裝備2012.62012.12勝利油田海上平臺匯報，專家評議海洋鉆井公司 史建剛20134防碰監(jiān)測技術(shù)完善形成防碰監(jiān)測理論及技術(shù)2013.12013.4勝利油田海上平臺匯報，現(xiàn)場應(yīng)用，專家驗收海洋鉆井公司 史建剛* 驗收方式指鑒定、評議、審查、其他。* 除備注外的各欄目應(yīng)全部填報。七 項目經(jīng)費預(yù)算表1 項目經(jīng)費預(yù)算表金額單位：萬元行次合計科研直接費用科研待分攤費用管理部門費用職工薪酬（僅用于直屬研究院）1=2+3+12其中：工資2 其中：技術(shù)獎酬金3 社會保險費4 福利費用5 職工教育經(jīng)費6 工會經(jīng)費7 住房費