李峰飞　叶吉华　阳文学（.中海油研究总院，北京 0008；.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳　58067）

电磁探测定位系统及其在救援井设计中的应用

李峰飞1叶吉华2阳文学2
（1.中海油研究总院，北京 100028；2.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳518067）

由于井眼轨迹不确定性的存在，要实现救援井与事故井的连通必须借助相应的探测定位工具，因此电磁探测定位系统的研究对于救援井方案设计及作业具有重要意义。研究分析了电磁探测定位系统的基本原理，分析了电磁探测定位系统事故井套管汇集电流计算方法及其流动分布特征；研究了救援井与事故井之间相对距离及相对方位的计算方法；结合电磁探测定位系统的实际应用，研究分析了事故井套管参数、切入角、井斜角、地层等参数对电磁探测定位系统测量效果及应用的影响；以电磁探测定位系统研究分析为基础，完成了南海某超深水井救援井设计中测距及连通相关工作。可以为救援井电磁探测定位系统研制提供相应的理论基础，并为救援井电磁探测定位系统在救援井设计、作业中的应用提供参考。

救援井；电磁探测定位；距离；方位

救援井技术经历了从最原始的打减压井泄压，到目前直接连通事故井实施动态压井的快速发展。轨迹测量技术及轨迹计算方法误差的存在，导致井眼轨迹存在相应的不确定性，给救援井直接连通事故井带来较大困难，必须依赖专门的探测定位系统实现事故井的定位［1-3］。

2010年美国墨西哥湾漏油事件后，国内外一般要求深水钻井设计具备救援井设计方案以控制严重事故发生。2013年中海油南海某超深水井水深达2 454.4 m，要求设计完善的救援井方案。因未针对救援井探测定位工具进行过专门研究，在进行救援井方案设计过程中面临测距工具选型、测距作业方案设计等多项难题。针对该井救援井方案设计中相关问题，结合国家重大专项26中救援井电磁探测定位工具研制课题，笔者对救援井电磁探测定位系统进行了深入研究和分析，分析了电磁探测系统的基本原理，研究了救援井和事故井相对距离、方位的计算方法，研究了切入角、井斜角等钻井参数对于电磁探测定位系统的影响，并将部分研究成果用于指导该井救援井方案设计。通过本文的研究可以解决深水救援井方案设计中测距相关技术问题，并为我国自主研发救援井电磁探测定位系统提供理论和应用支撑。

1　救援井电磁探测定位系统研究

国外一般使用Wellspot系列工具进行救援井和事故井的探测定位，引导救援井连通事故井实施压井并最终控制事故井。2010年美国墨西哥湾漏油事故救援井作业即采用了该工具。Wellspot系列工具包含标准工具、电磁场梯度测量工具RGR和近钻头测距短节WSAB，其中标准工具和RGR工具可以通过裸眼下入救援井进行测量，也可以通过钻柱内下入救援井进行测量。RGR、WSAB基于标准Wellspot工具研制，均具有梯度测量模式和标准工作模式，其中梯度测量模式主要用于近距离高精度测量。工具性能参数及应用模式见表1所示［4-11］。

表1　电磁探测定位系统

1.1救援井电磁探测定位系统基本原理

救援井电磁探测定位系统主要由地面系统、发射电极、测量单元、电缆4部分组成。通过井下发射电极向地层注入低频大电流交流电，该电流将以球状对称向外发射并最终流向布置在井口附近的接收电极，形成回路。由于事故井中套管（钻杆、落鱼）导电率远远高于地层的导电率，注入地层的部分电流将在套管上汇集，形成沿事故井套管向上或向下流动的汇集电流。该电流产生以事故井套管为中心的环形交变电磁场，电磁场的方向及大小分别遵循安培定则和毕奥-萨伐尔定律。救援井中的测量单元检测该电磁场通过电缆传输至地面，进行计算分析后即可获得救援井和事故井之间相对的距离和方位，引导救援井连通事故井［10-11］。

1.2事故井套管汇聚电流计算模型

对该模型做出如下假设：（1）地层均匀且导电性均匀；（2）套管直径不变，导电性均匀，无限长；（3）套管半径远小于救援井至事故井的距离R；（4）发射电极距离较远可以忽略不计。

假设无套管存在时，在距离发射电极R处，电流密度j0，电势φ0，电场E0有如下关系

对于有套管的情况，设σf、σc、σcy分别为地层、套管、等效套管电导率，r0、t分别为套管半径及壁厚，re为事故井套管等效地层半径，Rcy为套管等效圆柱体半径，且Rcy= r0，则有

以O点为坐标原点，以事故井套管轴线为Z轴构建坐标系。结合电场相关计算理论，在距离O点下方距离z处源电势U（z）有如下关系［12-15］

式（6）、（7），I（0λRcy）、K（0λRcy）分别表示零阶第1类和第2类变形贝塞尔函数，I（1λRcy）、K（1λRcy）分别表示零阶第1类和第2类变形贝塞尔函数的导数，λ为沿Z轴方向的波数。对于事故井套管沿轴线z处的电场E（z）有

则对于事故井套管沿轴线z处的电流I（z）有

在实际测距作业过程中，Rcy≤R，λε有如下近似计算

设x=λR，将式（11）带入式（8），结合式（5）、（10）进行化简后则

设σc=10（7Ω·m）–1，σf=5（Ω·m）–1。以Ø244.47 mm套管为例，取r0=122 mm，t=12 mm。取I0=20 A时，R分别为20 m、40 m、60 m、80 m；取R=50 m时，I0分别为1 A、5 A、10 A、20 A。两种情况下，对式（12）进行积分后绘制汇集电流沿事故井套管轴线分布（图1、图2）。

图1　距离对汇集电流的影响

图2　发射电流对汇集电流的影响

由图1、2可知，事故井汇集电流沿O点分别向上向下流动，在套管两端趋于0，对称分布；R越大汇集电流越小；I0越大汇集电流约大，呈线性关系。以R=50 m，I0=20 A为例，套管汇集电流最大约在O点下方100 m处，最大汇集电流约550 mA。

1.3救援井与事故井相对距离及方位计算

救援井及事故井空间位置关系如图3所示，对测量单元建立XYZ空间坐标系，X、Y轴位于测量单元法平面上，Z轴沿测量单元轴线。测量单元包含1个三轴加速度传感器和1个三轴磁通门传感器，传感器分别沿X、Y、Z三轴布置。

图3　救援井与事故井空间位置关系计算模型

由毕奥-萨法尔定律，沿事故井套管轴线Z流动的汇集电流I（z）在测量单元处产生相应的电磁场H（z）如式（13）所示，μ为真空磁导率

图3中，n1、n2=分别表示测量单元及事故井轴线方向的单位矢量；H为事故井套管上感应电流I在测量单位轴线处所产生的电磁场，矢量r为电磁场H?的法向矢量，Hp为H在测量单元法平面上的分量；G?为重力矢量，Gp为重力矢量在测量单元法平面上的分量；a为由测量单元指向事故井轴线的矢量，其方向可用于表示救援井和事故井之间的相对方位关系。对各矢量进行矢量运算，则

结合式（14），考虑空间矢量分解关系，救援井和事故井之间相对位置矢量r有

由式（12）计算获得理论汇集电流大小，然后结合式（14）~（20），对各矢量进行分解合成，即可计算获得救援井与事故井之间的相对距离|r|。

结合各矢量空间位置关系，H⊥n1，H⊥r，H⊥a，Hd⊥a，由上述关系，则：a⊥Hp。绘制各矢量在测量单元法平面上的关系如图4所示。

Hx、Hy、Gx、Gy分别为磁通门传感器和加速度传感器测得的磁场分矢量?Hp和重力分矢量Gp在X轴和Y轴上的分量

图4　测量单元法平面

图中θ1、θ2有如下关系

联合式（21）~（26），求θ1、θ2

由式（27）、（28）计算获得θ1和θ2后：首先，由θ1确定测量单元的空间位置；然后，根据θ2确定Hp 的方向，并按照右手螺旋法则顺时针旋转90°即可计算获得救援井与事故井的相对方位。

2　电磁探测定位系统应用分析

由式（27）、（28）可知救援井和事故井相对方位可通过磁通门传感器及加速度传感器测量数据计算获得。在现有传感器精度下，一般可以获得±3°的相对方位误差，满足救援井作业需要。

由式（20）可知，电磁探测定位系统受汇集电流大小及磁通门传感器测量精度影响，在一定距离之外磁通门传感器将无法准确测量电磁信号。在实际测距作业中，越远探测到事故井将越有利于后期的定向及连通作业。为优化救援井测距作业，需要对救援井电测探测定位系统实际应用中可能的影响因素进行分析。

2.1切入角及井斜角的影响

2.1.1切入角的影响取σc=107（Ω·m）–1，σf=5（Ω·m）–1，r0=122 mm，t=12 mm，I0=20 A，R=30 m，L=30 m，取切入角α为0°、30°、60°、90°。研究切入角对汇集电流和最大探测距离的影响。随着切入角α的增加，在保持测量单元与事故井距离位置不变的情况下发射电极将远离事故井，所能引起的汇集电流将逐渐减小。随切入角α增加，电磁场H在测量单元法平面产生的磁场分量Hp将逐渐减小，当α=90°时，由于电磁场在测量单元法平面无分量将导致其测距距离为0。随切入角增加电磁测距系统最大探测距离将逐渐减小，在救援井测距作业过程中一般要求救援井以较小的切入角靠近事故井并最终实现连通，一般要求不超过45°。

2.1.2井斜角的影响电磁探测定位工具通过电缆下入救援井，当救援井井斜超过一定角度后无法将工具下至井底进行探测定位作业。因此，救援井钻井作业一般要求井斜不超过60°以满足测距工具下入要求。

2.2目标套管的影响

取σc=107（Ω·m）–1，σf=5 （Ω·m）–1，t=12 mm，I0=20A，R=30 m，L=30 m，α=0°，分析Ø177.8 mm、Ø244.47 mm、Ø339.7 mm 等3种规格套管上汇集电流沿轴线Z的分布如图5所示。以Ø244.47 mm套管为例，其他条件不变，分析壁厚t=10、12、13 mm时汇集电流沿轴线Z的分布如图6所示。

图5　套管尺寸对汇集电流的影响

图6　套管壁厚对汇集电流的影响

由图5及图6可知，目标套管半径越到，壁厚越大所能汇集的电流也越大，越利于探测。如救援井作业条件允许一般以更大的套管段作为探测目标。

2.3其他参数的影响

2.3.1测量点距目标根部长度的影响在实际测距作业中，事故井套管长度有限，其根部在发射电极下方长度不可能无限长，这将对电流的汇集产生相应的影响。以最大探测距离50 m为例，绘制随着根部长度变化最大探测距离变化如图7所示。由图可知，为保证良好的测量效果，初始测量点宜选择在目标根部以上400 m。在实际救援井设计及作业时，应尽量保证事故井套管在测距段有足够的长度。

图7　端部距离对最大探测距离的影响

2.3.2地层特性的影响地层电导率在正常范围对探测距离影响不大。但是，当钻遇不均匀或含有磁铁矿地层时，会导致汇集电流计算不准确和电磁场测量异常，最大探测距离及测量精度都将大大降低。因此，在救援井设计及作业时测距段应尽量避开类似地层。

2.3.3钻井液类型的影响由于油基钻井液导电性较差，导致发射电极注入地层电流减小，将减小工具的最大测量距离约一半左右。为保证良好的探测效果，救援井测距作业段宜选用水基钻井液。

3　在南海某超深水井救援井方案设计中的应用

南海某超深水井水深2 454.4 m，设计井深4 000 m，Ø339.7 mm套管设计下深3 840 m。设计无落鱼情况下以Ø339.7 mm套管为探测目标的救援井设计方案。结合前文研究内容，完成了该超深水井备用救援井方案测距及连通方案设计。

3.1连通点分析

对于电磁探测定位工具必须以连续的套管、落鱼作为探测目标。如图8，连通点位置主要有2种选择：当有全井段目标时，设计连通点在喷层顶部附近；当无全井段目标时，设计连通点在事故井最后一层套管鞋或落鱼根部。该超深水井备用救援井方案无落鱼，以Ø339.7 mm套管作为电磁测距工具的探测目标。因此，设计连通点为Ø339.7 mm套管鞋。

3.2测距作业方案设计

3.2.1测距工具选择结合选择连通点，设计救援井轨迹以5°左右的切入角接近事故井，满足电磁探测定位工具对切入角及井斜角的要求。考虑救援井连通成功率，选择RGRⅡ和WSAB工具完成测距作业。由表1，RGRⅡ因探测距离远负责前期远距离寻找。接近事故井套管后，选择RGRⅡ配合WSAB使用，提高探测精度，引导救援井连通事故。

3.2.2测距方案设计将测距作业分为2个阶段：前期远距离测距和近距离测距。前期远距离测距阶段选用RGRⅡ工具，主要负责在相对距离较远时寻找事故井套管，并引导救援井接近事故井至9 m左右。近距离测距阶段选用RGRⅡ和WSAB配合使用，主要负责引导救援井连通事故井，此时可以直接将RGRⅡ通过钻柱内部下入配合WSAB近钻头短节实现近钻头和钻柱内测距，避免将整个钻柱起出简化测距流程，同时使用WSAB短节提高测量精度。

结合测距工具的基本原理，设计前期远距离测距间隔30 m左右，近距离测距间隔10 m左右。因单纯的RGRII测距需要将钻具全部提出井底，所需时间较长，因此设计RGRII工具测距作业不超过5次。WSAB模式下，无需提出全部钻具，较RGRII模式可以节省大量的测距时间，同时为避免提前连通可视现场工况适当增加测距次数。

图8　连通点选择

根据上述思路，结合该超深水井与备用救援井井眼轨迹设计，在救援井3 350 m处两井相对井距约50 m，设计此处为初始测距点。共设计进行测距作业15次，其中RGRII测距作业5次， WSAB配合RGRII测距作业10次，根据现场实际作业情况可适当增加或减小测距作业次数。

3.3连通方案选择

实现救援井与事故井之间的连通主要的方案有：直接连通（进裸眼、钻穿套管）、射孔连通、压裂连通、定向射孔+压裂连通。结合救援井测距作业，设计不同工况下连通方案设计选择图板如表2所示。

以该超深水井救援井设计为例，设计以Ø339.7mm套管鞋为连通目标，属于套管段连通，易选择直接或射孔连通。针对该救援井方案选择了救援井电磁探测定位工具实现事故井的定位，同时设计了非常完善的测距作业方案，因此选择直接连通方式作为该超深水井的首先连通方案。

表2　救援井连通方案选择

4　结论

（1）救援井与传统定向井本质上的不同主要是增加了测距作业、连通作业和压井作业，其中测距作业是救援井作业的核心，直接关系到救援井成功与否。目前常用的测距工具为电磁和静磁探测定位工具，电磁探测定位系统以其大的测量距离和测量精度在实际的救援井作业中得到更为广泛的应用。

（2） 针对救援井电磁测距工具的基本原理和应用分析进行了详细研究，推导了电磁探测定位工具距离测量和方位计算的方法，分析了切入角、地层、套管、钻井液类型等参数对于电磁探测定位工具应用的影响。并结合实际工况分析了，从电磁探测定位作业角度考虑在救援井设计和作业中的注意事。

（3）结合所研究的救援井电磁测距工具，分析了救援井轨迹、连通点选择、测距工具选择、测距作业流程设计等，所研究内容在南海超深水井备用救援井方案设计中获得成功应用。

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〔编辑付丽霞〕

Application of electromagnetic detection and location system in the design of relief well

LI Fengfei1, YE Jihua2, YANG Wenxue2
（Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

Due to uncertainties of wellbore track, appropriate detection and location tools must be used to connect the relief well and the accident well. Thus, the research of electromagnetic detection and location system is important to the design and operation of relief wells. This paper studies the basic principle of electromagnetic detection and location system (EDLS) and analyzes the calculation method of casing collection current in accident wells using the EDLS and its distribution characteristics; the paper also investigates the calculation methods of relative distance and relative direction between the relief well and the accident well; in combination with the practical applications of the EDLS, the effects of casing parameters, cutting angle, hole drift angle, and formation and other parameters in the accident well on the measurement effects and applications of the EDLS are analyzed; building on the analysis of the EDLS, the distance measurement and connection in the design of a super deepwater relief well in the South China Sea is finished. This paper can provide a theoretical basis for the development of EDLS for relief wells and offer a reference for the application of EDLS in the design and operations of relief wells.

relief well; electromagnetic detection and location; distance; direction

TE53

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0154 – 06

10.13639/j.odpt.2015.01.040

“十二五”国家科技重大专项“深水钻完井技术”（编号：2011ZX05026-001）。

李峰飞，1983年生。2010年毕业于中国地质大学（武汉）钻井工程专业，现从事钻完井相关研究工作，高级工程师。电话：010-84525497。E-mail：liff2@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：李峰飞，叶吉华，阳文学. 电磁探测定位系统及其在救援井设计中的应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：154-159.