套管頭振動(dòng)信號(hào)特征應(yīng)用于油井防碰監(jiān)測(cè)的可行性分析*

劉剛孔得臣孫金劉勍楊全枝

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院;2.中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局鉆井分公司;3.長(zhǎng)江大學(xué))

套管頭振動(dòng)信號(hào)特征應(yīng)用于油井防碰監(jiān)測(cè)的可行性分析*

劉剛1孔得臣2孫金1劉勍3楊全枝1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院;2.中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局鉆井分公司;3.長(zhǎng)江大學(xué))

提出了一種井間防碰監(jiān)測(cè)的新方法，即利用在風(fēng)險(xiǎn)井套管頭上安裝的傳感器監(jiān)測(cè)由套管傳輸?shù)降孛娴你@頭振動(dòng)信號(hào)，分析振動(dòng)波在地層和風(fēng)險(xiǎn)井套管中的傳播規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測(cè)鉆頭是否趨近風(fēng)險(xiǎn)井套管，并評(píng)估鉆頭距風(fēng)險(xiǎn)井套管間的相對(duì)距離。分析結(jié)果表明:在鉆井鉆頭振動(dòng)誘發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)井套管頭振動(dòng)信號(hào)存在一個(gè)特征頻率段，在鉆井鉆頭破巖誘發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)井套管頭振動(dòng)信號(hào)特征與在鉆井鉆頭距風(fēng)險(xiǎn)井套管間的距離有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此利用風(fēng)險(xiǎn)井套管頭振動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)在鉆井鉆頭趨近的方法對(duì)加密調(diào)整井進(jìn)行防碰監(jiān)測(cè)，這在技術(shù)思路上是可行的。

套管頭振動(dòng)信號(hào)井間距離防碰監(jiān)測(cè)可行性分析

1 問(wèn)題的提出

受海上平臺(tái)建造、鉆完井成本、配套設(shè)施投入、地質(zhì)不確定性等因素影響，海上鉆井井位布置和施工受到平臺(tái)面積的嚴(yán)格限制。隨著國(guó)內(nèi)部分海上油田開(kāi)采進(jìn)入中后期，加密調(diào)整井需求不斷提高和擴(kuò)大，平臺(tái)井筒密度越來(lái)越大，部分調(diào)整井設(shè)計(jì)不得不面臨分離系數(shù)小于1的狀況，有些平臺(tái)的井距也從2 m×2 m縮小到1.5 m×1.7 m，井眼防碰問(wèn)題日趨突出［1］。原有的井眼防碰方法及措施［1-3］，如優(yōu)化整體防碰設(shè)計(jì)方案、井眼軌跡測(cè)量和防碰掃描計(jì)算、井眼軌跡控制人工監(jiān)聽(tīng)、提高人員的防碰意識(shí)等，多數(shù)屬于通過(guò)預(yù)測(cè)進(jìn)行防碰，除人工監(jiān)聽(tīng)方法外，沒(méi)有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的手段，已經(jīng)不能完全滿足加密調(diào)整井的防碰需求，主要表現(xiàn)在:①在早期的鉆井過(guò)程中，對(duì)鄰井井眼軌跡參數(shù)的測(cè)量不準(zhǔn)確或由于某些原因?qū)е萝壽E參數(shù)資料不全，使得防碰掃描計(jì)算產(chǎn)生誤差甚至無(wú)法計(jì)算;②防碰掃描用的井眼軌跡數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)斜數(shù)據(jù)得到，具有一定的滯后性，屬于防碰預(yù)測(cè)的方法，且不同方法計(jì)算的井眼軌跡與實(shí)際井眼軌跡存在一定的計(jì)算誤差和預(yù)測(cè)誤差;③人工監(jiān)聽(tīng)的方法只能是一種輔助的手段，且受監(jiān)聽(tīng)人員的經(jīng)驗(yàn)、精力和周圍環(huán)境(風(fēng)雨雷電、海浪、平臺(tái)動(dòng)力設(shè)備等)的影響較大。

鑒于上述原因，有必要研究新的井眼防碰監(jiān)測(cè)方法，使之與現(xiàn)有防碰預(yù)測(cè)和防碰方法互為補(bǔ)充，更早發(fā)現(xiàn)鉆頭對(duì)鄰井套管的趨近或碰撞。為此，本文提出了一種新的防碰監(jiān)測(cè)方法，其基本思路是:利用安裝在鄰井套管頭上的加速度傳感器拾取鉆頭破碎巖石產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)分析鉆頭破巖誘發(fā)的振動(dòng)波沿地層和套管的傳播規(guī)律建立套管頭振動(dòng)信號(hào)特征與鉆頭距套管間距離的關(guān)系，根據(jù)該信號(hào)特征識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆頭趨近風(fēng)險(xiǎn)井套管的監(jiān)測(cè)。

2 套管頭振動(dòng)信號(hào)特征應(yīng)用于油井防碰監(jiān)測(cè)的可行性分析

2.1 振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻變換

由鉆頭振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)是一種復(fù)雜的隨機(jī)信號(hào)，很難在時(shí)域內(nèi)分辨出其頻域特征。通過(guò)傅里葉變換可以把復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)從時(shí)域變換到頻域(也稱為時(shí)頻變換)，了解信號(hào)在不同頻率范圍的分布規(guī)律［2］，更深入地揭示被測(cè)對(duì)象內(nèi)在的頻域本質(zhì)。由于實(shí)際采樣信號(hào)是離散的，并且采樣信號(hào)的樣本長(zhǎng)度是有限的，因此在對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換時(shí)需要采用傅里葉變換的離散算法。設(shè)x(r)為隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)樣本，離散傅里葉變換(DFT)［4］的表達(dá)式為

正變換

逆變換

式(1)、(2)中:X(k)為x(r)的傅里葉變換;N為樣本數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);r為信號(hào)在序列中的位置;k為頻率在序列中的位置;e是自然對(duì)數(shù)的底;j是虛數(shù)單位。

自功率譜密度函數(shù)的定義為單個(gè)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)，為該隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，故其表達(dá)式為［5］

式(3)中:Sxx(k)是自功率譜密度函數(shù);Rxx(r)是對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù);其他符號(hào)意義同前。

通過(guò)對(duì)鉆頭振動(dòng)信號(hào)頻率分布特點(diǎn)的分析和研究，初步得出其一個(gè)特征頻率段為200～300 Hz;通過(guò)研究該頻率段的信號(hào)頻譜特征，得到了部分振動(dòng)信號(hào)的功率譜幅值與井間距離的關(guān)系。根據(jù)某平臺(tái)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，該平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)井L5井與在鉆井L11井距離較近的風(fēng)險(xiǎn)井段在290～450 m。利用功率譜分析方法將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，分析該井段的頻譜特征與井間距離的關(guān)系，得出310、330、350、370 m井深處的功率譜特征如圖1所示。

圖1 某平臺(tái)在鉆井L11井及風(fēng)險(xiǎn)井L5井在井深310～370 m的功率譜特征

2.2 振動(dòng)信號(hào)頻譜特征與最近井間距離的關(guān)系分析

以10 m為一個(gè)井段間隔，以一個(gè)井段內(nèi)功率譜相對(duì)幅值的平均值作為這一井段能量度量。對(duì)于井深290～450 m井段，統(tǒng)計(jì)計(jì)算在鉆井L11井與風(fēng)險(xiǎn)井L5井最近井間距離和L5井套管頭振動(dòng)信號(hào)200～300 Hz功率譜相對(duì)幅值的平均值，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表1，其中功率譜相對(duì)幅值為風(fēng)險(xiǎn)井功率譜幅值與在鉆井功率譜幅值的比值。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)作L11井與L5井最近井間距離隨井深的變化關(guān)系曲線(圖2)，可以看出，L11井與L5井的最近井間距離隨井深的增加先逐漸減小，在350 m附近達(dá)到最小值，之后隨著井深的增加又逐漸增大。圖3為L(zhǎng)5井套管頭振動(dòng)信號(hào)功率譜相對(duì)幅值平均值隨井深的變化關(guān)系圖，可以看出，L5井套管頭振動(dòng)信號(hào)200～300 Hz功率譜相對(duì)幅值平均值隨井深的增加先逐漸增加，在350 m附近達(dá)到最大值，之后隨著井深的增加又逐漸減小，這與最近井間距離隨井深的變化關(guān)系正好相反。

表1 某平臺(tái)在鉆井L11井與風(fēng)險(xiǎn)井L5井最近井間距離和L5井套管頭振動(dòng)信號(hào)200～300 Hz功率譜相對(duì)幅值平均值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1數(shù)據(jù)作L5井套管頭振動(dòng)信號(hào)200～300 Hz功率譜相對(duì)幅值平均值與L11井和L5井最近井間距離的關(guān)系圖(圖4)，可以看出，隨著在鉆井L11井與風(fēng)險(xiǎn)井L5井最近井間距離的增加，L5井套管頭振動(dòng)信號(hào)200～300 Hz功率譜能量會(huì)衰減，衰減趨勢(shì)基本呈指數(shù)形式。

圖4 某平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)井L5井套管頭振動(dòng)信號(hào)功率譜相對(duì)幅值隨在鉆井L11井與風(fēng)險(xiǎn)井L5井最近井間距離的變化關(guān)系

由以上分析可以得出，在套管頭處安裝傳感器能夠感受到鉆頭破巖誘發(fā)的套管振動(dòng)信號(hào)，所拾取的振動(dòng)信息功率譜特征與振動(dòng)波沿井筒和井間地層的傳播距離，特別是與最近井間距離之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，用這種方法識(shí)別鉆頭對(duì)風(fēng)險(xiǎn)套管的趨近在技術(shù)思路上具有可行性，而且經(jīng)過(guò)更深入的研究可以成為一種新的防碰監(jiān)測(cè)手段，再結(jié)合井眼掃描等手段能夠進(jìn)一步提高防碰預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，從而彌補(bǔ)現(xiàn)有防碰手段的不足。

3 結(jié)論

(1)在鉆井鉆頭振動(dòng)誘發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)井套管頭振動(dòng)信號(hào)存在一個(gè)頻率為200～300Hz的特征頻率段，該頻率段振動(dòng)信號(hào)的功率譜相對(duì)幅值與在鉆井鉆頭距風(fēng)險(xiǎn)井套管間的距離存在對(duì)應(yīng)關(guān)系:在鉆井鉆頭距風(fēng)險(xiǎn)井套管間的距離增大時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的功率譜相對(duì)幅值逐漸減小;反之亦然。

(2)利用在風(fēng)險(xiǎn)井套管頭處安裝傳感器可以感受到在鉆井鉆頭破巖誘發(fā)的套管振動(dòng)信號(hào)，用這種方法識(shí)別在鉆井鉆頭對(duì)風(fēng)險(xiǎn)井套管的趨近在技術(shù)思路上是可行的。

［1］魏剛，張春琳，邵明仁．小井距密集叢式定向井防碰技術(shù)［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2010(2):99-101．

［2］伊明，陳若銘，萬(wàn)教育，等．叢式井、分支井鉆井過(guò)程中的井眼防碰計(jì)算及應(yīng)用［J］．新疆石油科技，2006，16(3):1-8．

［3］國(guó)家能源局．SY/T 6396-2009鉆井井眼防碰技術(shù)要求［S］．北京:石油工業(yè)出版社，2009．

［4］李緒鋒．大組叢式井工程設(shè)計(jì)與施工［J］．西部探礦工程，2006，18(3):74-77．

［5］王濟(jì)，胡曉．MATLAB在振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2006．

Feasibility analysis on application of casing head vibration signal in wellbore anti-collision monitoring

Liu Gang1Kong Dechen2Sun Jin1Liu Qing3Yang Quanzhi1
(1．College of Petroleum Engineering of China University of Petroleum，Shandong，266580;2．Drilling Division of SINOPEC Shanghai Offshore Petroleum Bureau，Shanghai，201206;3．Yangtze University，Hubei，434034)

A new wellbore anti-collision monitoring method is presented，which uses the sensor installed on casing head of risk well to monitor the drill bit vibration signal transmitted by the casing，analyzes the propagation pattern of vibration wave between formation and risk casing，forecasts the drill bit approaching the risk casing and evaluates relative distance between drill bit and the risk casing．The analysis results show that the risk casing head vibration signal induced by bit cutting rock has a characteristic frequency range and the vibration signal characteristics are related with the distance between drill bit and the risk casing definitely．So，it is feasible to apply this method in wellbore anticollision monitoring during drilling infill wells．

casing head;vibration signal;inter well distance;anti-collision monitoring;feasibility analysis

2011-08-15改回日期:2011-09-06

(編輯:孫豐成)

*國(guó)家科技重大專項(xiàng)“海上油田叢式井網(wǎng)整體加密及綜合調(diào)整技術(shù)”子課題“海上油田叢式井網(wǎng)整體加密調(diào)整多平臺(tái)鉆井趨近井筒監(jiān)測(cè)方法研究(編號(hào):2011ZX05024-002-010)”、“多枝導(dǎo)流適度出砂及海上油田叢式井網(wǎng)”子課題“整體加密鉆采技術(shù)示范(編號(hào):2011ZX05067-002-006)”研究成果。

劉剛，男，教授，畢業(yè)于原華東石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，一直從事石油工程相關(guān)的教學(xué)、科研工作。地址:山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院工科B座(郵編:266580)。