海上丛式井防碰监测技术

项目名称海上丛式井防碰监测技术先导试验承担单位：胜利石油管理局海洋钻井公司项目负责人：史建刚研究开发年限：_2011_年_4_月至_2013_年_4月胜利石油管理局印制一、国内外现状、发展趋势及开题意义（一）国外相关产业和技术现状、发展趋势维持和提高国内油田的油气产量不但可以满足日益强劲的石油消费需求，还能够保证国家能源战略的安全。目前提高油气产量的途径主要包括两个方面：开发新的油田区块和提高老油田的采收率。丛式钻井是开发陆上和海上油气资源的重要技术途径，而加密调整井对于老油田的井网调整和提高采收率来说也是十分必要的。而无论是丛式井还是加密调整井，随着井网密度的增加，都会面临井眼碰撞的风险。井眼碰撞是指空间上连续变化的两个井眼相交于一点，导致井眼相碰的原因是多方面的，如早期钻井设计没有考虑到加密调整的需求，井间预留空间小；早期的测量精度低，导致井眼轨迹计算、扫描精度低；受原井眼分布限制，调整井设计时活动空间受限；受井筒影响，井下随钻测量信息误差或反映滞后，导致轨迹控制失误；井眼误差椭圆相交等。井眼碰撞会带来严重的后果，轻则造成套管变形，重则钻穿套管，引发严重的井眼事故，还有可能影响油井的正常生产，带来环境问题，经济损失十分巨大。尤其是海上丛式井施工时，由于受平台空间所限，井口距离都非常近，并且布井数量都比较多，防碰问题非常严重。在现有的井眼防碰技术的基础上开展“海上丛式井防碰监测技术先导试验”可以为有效地防止井眼碰撞，保证钻井作业的安全实施提供技术支持。（一）国外相关产业和技术现状、发展趋势目前，井眼防碰技术主要有三种：井下电磁测量、随钻测量技术（MWD）、人工监听的方法。1） 井下电磁测量 该技术具有信号传输速率高、测量时间短等特点。通过电测，得到描述井眼轨迹的相关数据，为井间距离的计算和防碰扫描提供依据。2） 随钻测量技术（MWD）在钻井工程中，随钻测量是定向井井眼轨迹监测与控制的一种常用技术，目前在海上钻井活动中，几乎都使用随钻测量技术。MWD一般是指钻井工程参数测量，如井斜、方位和工具面等的测量，有时泛指钻井时所有的井下测量。通过MWD测量并上传描述井眼轨迹的相关数据，为井间距离的计算和防碰扫描提供依据。电测法测点多、数据上传快，但只能在一段井眼形成后才能得到数据，具有明显的滞后性，只是也只能作为邻井井筒数据。随钻测量可以做到随钻井眼轨迹监测，但也存在以下不足，一是不能实现连续监测，一般只是在打完一段井深后（例如一个立柱）进行测量，二是随钻测量仪器离钻头有一段距离(一般为417 m)，测量结果具有一定的滞后性。采用以上两种方式的共同特点是通过测量井眼轨迹参数为井间距离的防碰扫描计算提供基础数据，都要将测得的数据录入某种分析计算软件，通过计算得到井眼的轨迹扫描数据和防碰分析结果，过程不够直接且整体滞后明显。结合海洋油田钻井技术的特点，装备好、水平高、钻速快，以上两种方式的非实时性或滞后性是这两种方式的弱点。在井眼防碰应用中，也有人提出了通过邻井套管对电磁场的影响来探测与邻井的距离的思路，也有通过在已钻井套管上安装特定磁性（信号点），在正钻井通过检测这种定信号进行井间定位的方法。但该类技术应用存在的最大问题是，如果通过在老井眼内安装信号点进行防碰监测，需要在老井停产条件下进行电缆作业，而且需要安装多个信号点，既影响油田生产又费用高昂。如果通过磁测量原件的磁通量变化，比如MWD的测量方位角变化来识别钻头对井眼的趋近，由于多井筒的同时存在，会造成测量结果的不确定性6，另外还受到MWD井深滞后的影响。3） 采用人工监听的方法目前比较有效的实时监测方法，也是油田在无奈之下所采取的手段，就是人工监听。具体做法是，在小平台或生产平台安排12名具有一定井眼的人员，监听丛式井套管头处由于钻头钻到套管引起的声音，并告知钻台人员及时采取相应措施，防止钻穿套管。但这种方法受到以下几个因素的影响： 受监听者的经验所限，难以准确分辨哪种声音是由于钻头钻到套管所产生的； 受监听者体力、耐心和责任心的影响，很难实现有效的连续监测； 监听环境受到风、雨、高温、低温、上部钻台漏水、井口出水等等环境因素的影响大，很难维持在良好（安全的）工作状态，严重影响监听质量； 环境噪音源多，风声、雨声、雷声、水声、钻机声、施工中的敲击碰撞声、生产平台的设备运转声，参杂在一起，导致监听者难以分辨和识别。（二）国内相关产业和技术现状、发展趋势国内目前主流的防碰技术与国外相同，但相比于国外来说，国内的MWD仪器相对落后，且关于井眼碰撞风险模型的研究较少。由于国内对油气需求的急剧增加，特别是许多老油区已经进入开发中后期，加密调整井的工作量增加很快，防碰问题日益突出，钻穿邻井套管问题逐渐显现。尤其是海上丛式井施工时，由于受平台空间所限，井口距离都非常近，并且布井数量都比较多，防碰问题非常严重。为了有效地防止井眼碰撞，保证钻井作业的安全，对防碰监测的需求十分迫切。因此，研究新的井眼防碰监测理论和方法、研发新的井眼防碰技术及装备，是油田加密调整井安全钻井的需要，迫在眉睫，意义重大，需要采取新的思路，实现新的跨越。（三）与中国石化主业发展的关联度中国石化的主营业务涵盖范围很广，包括石油和天然气的勘探、开发、储运；石油炼制；石油化工产品的生产、销售、储存和运输等等，而本研究项目主要与中国石化的上游主营业务有关，即石油和天然气的勘探开发。中国石化目前拥有胜利、中原、江汉等一批老油田以及部分海上油田，而老油田大多已进入油气田开发的中后期，油井的产能低、含水率高等问题已经非常普遍，这些油田均面临着如何提高采收率的问题，井网改造就是其中一项非常有效的解决方案。在井网改造过程中，钻加密调整井是必不可少的。由于老油田在勘探开发初期没有考虑到今后加密调整的需要，导致部分井间预留空间很小或井眼轨迹数据不全，这就给加密调整井的井眼防碰作业带来很大的挑战，必须研究如何在加密调整井的钻井过程中减少井眼碰撞的发生。尤其是海上丛式井施工时，由于受平台空间所限，井口距离都非常近，并且布井数量都比较多，防碰问题非常严重。在现有的井眼防碰技术的基础上开展“海上丛式井防碰监测技术先导试验”可以为有效地防止井眼碰撞，保证钻井作业的安全实施提供技术支持。（四）项目的创新性经过大量详尽的国内外文献调研，发现国内外尚没有类似的用于丛式井防碰的地面监测的成熟技术的先例，本项目主要包括以下几点创新性:1） 一种基于检测套管地面振动信号，识别因钻头趋近监测井套管使检测信号特征改变，根据变化规律，预测钻头趋近或碰撞风险邻井的防碰监测理论； 2） 一套用于丛式井防碰地面监测的系统，包括振动信号的采集、处理和分析系统；3） 一套防碰预警模型，与传统的技术手段相结合共同指导定向井的防碰作业；二、研究开发的目标、内容、技术方法和路线、技术经济指标（一）技术目标建立海上丛式井防碰监测技术，为解决海上油田丛式井网加密钻井过程中的防碰问题提供技术支持。 （二）技术内容和技术关键技术内容主要包括以下四个方面：1） 丛式井防碰监测可行性研究；2） 丛式井防碰地面监测装置研究；3） 基于监测套管振动信号评价钻头碰撞（趋近）邻井套管的信号特征及规律研究；4） 通过现场数据采集和应用，形成丛式井的防碰监测技术；技术关键：1） 丛式井防碰监测方法；2） 丛式井防碰监测信号分析技术；3）丛式井防碰监测装备。（三）技术方法、路线及其可行性分析1） 技术方法和路线钻头破碎岩石的过程中会产生振动波，而振动波可以通过地层和邻井的套管传递到邻井套管头上，通过安装在正钻井和风险邻井套管头部位的加速度计，采集通过地层和套管传播到套管头传感器的钻头破岩时（趋近丛式井套管时）产生的振动波，利用信号的采集、传输装备将信号传输给计算机，采用所编制的数据处理、分析软件对振动信号进行分析处理，当信号的时域、频域特征超过防碰报警阀值时，系统软件发出报警信息，实现监测系统判断钻头趋近和对邻井套管的碰撞的预警或警报功能。本课题主要是采用理论分析、数值计算、现场应用检验的方式研究，以井间振动信号传播规律的研究为基础，运用振动信号处理和分析方法的相关理论，通过理论分析和室内、现场试验分析结果建立防碰报警模型，确定防碰报警阀值，形成监测装备和技术。相关资料和文献的调研设计室内实验方案室内和现场试验结果分析研发防碰监测据采集分析软件理论分析室内和现场试验分析振动波在井间地层、管柱中的传播规律振动波的处理和分析方法 建立井眼防碰预警模型设计现场试验方案理论分析、室内和现场试验形成丛式井防碰监测技术图 1-1 技术路线流程图2）可行性分析根据现场防碰工作的经验，当正钻井的钻头靠近丛式井的套管时，人耳可以听到从套管传来的振动声，因此这就给了我们一种启示，即通过研究振动波来进行防碰方法的研究。课题组通过前期的工作研究发现，当正钻井的钻头与邻井的趋近程度不同时，通过传感器采集到的振动波的特征是不同的，并且有一定的规律可循，这说明可以通过对套管上的振动信号的采集、分析和处理得到邻井与钻头的趋近程度等相关的信息，从而为井眼的防碰工作提供理论依据，降低钻井过程中发生井眼碰撞的风险。（四）技术经济指标1）形成丛式井防碰监测技术2）完成3-8口井的防碰监测试验；三、知识产权状况（一）已有知识产权情况（专利号、专利申请号、申请人、专利名称） （二）相关国内外专利检索结果（检索主题词、检索数据库名称、相关专利号、专利申请号、申请人、专利名称） （三）国内外文献查询结果（文献名称、来源、发表人） （四）中国授权或公开的相关专利分析（给出本研究目前是否和国内已公开专利相冲突的分析结论，对有相冲突可能的专利，给出专利号、专利申请号、申请人、专利名称，法律状态、专利权利要求，提出的创新或规避对策）（五）国外公开文献和未在中国申请的相关国外专利分析（概述这些文献和专利的创新和效果，提出本课题予以借鉴、利用的设想）四、市场前景分析（一）国内外市场现状和需求分析随着国内外油田的逐步深入开发，密集丛式井已得到了越来越广泛的应用，但由于井距之间的减小，井眼碰撞问题已成为制约油田勘探开发的关键性因素。此外，为提高陆上和海上老油田的原油采收率，需要钻加密调整井进行井网改造，国内有些老油田甚至已经进行了三次井网加密措施，如何在老油田的井网加密过程中有效地避免井眼碰撞是钻井过程中必须要考虑的问题。（二）经济效益和社会效益预测在国内乃至全球范围内强劲的石油消费需求下，丛式井和老油田的加密调整井是提高油气产量的重要技术措施。在老油田的井网加密过程中有效地避免井眼碰撞是钻井过程中必须要考虑的问题，同时也是确保加密调整方案顺利实施、确保钻井和生产井套管安全的关键性问题；一旦因轨迹控制失误，在钻井钻头碰到生产井套管，轻者造成套管变形，重者钻穿套管，给油田生产造成巨大的经济损失，因此，井眼防碰拥有广阔的市场应用前景，会在给油田安全生产提供技术支持的同时，产生可观的经济效益。五、开题条件（一）技术准备1）前期已进行与定向井防碰技术相关的国内外文献调研，并分析了项目实施的可行性；2）课题组相关人员已经掌握相关的振动信号采集和分析处理技术以及定向井防碰扫描技术；3）课题组现已拥有一定的技术基础。（二）人员情况职 责姓 名单 位性别职务职称从事专业承担的主要研究任务组长史建刚胜利海洋钻井公司男总经理钻井工程组织领导落实经费副组长张金龙胜利海洋钻井公司男副总经理钻井工程分工及经费控制技术首席顾洪成胜利海洋钻井公司男首席专家钻井工程现场技术总负责技术负责胥洪彪胜利海洋钻井公司男科长专家油田化学研究指导及协调主要研究人员刘传清胜利海洋钻井公司男主任师油田化学现场试验王 飞胜利海洋钻井公司男责任师油田化学现场试验卢运才胜利海洋钻井公司男主任师油田化学室内研究周延平胜利海洋钻井公司男责任师油田化学现场实验赵秀英胜利海洋钻井公司女责任师油田化学室内研究武晓华胜利海洋钻井公司男主管师钻井工程现场实验胡明生胜利海洋钻井公司男责任师油田化学室内研究协作单位：现中国石油大学（华东），刘刚，教授，博士，先后参加国家重大专项3项，支撑计划1项，国家“八五”和“九五”项目的科研攻关项目2项，中石化科研公关项目1项，山东省基金项目1项。主持完成塔里木油田、克拉玛依油田、胜利油田、江苏油田横向研究课题12项。公开发表学术研究论文31篇，其中有3篇被EI收录。获国家实用新型专利6项。（三）现有仪器设备及实验室条件1）振动信号采集和分析系统包括加速度传感器、内置放大器和滤波器的数据采集仪，电缆等硬件系统以及振动信号采集、分析及报警软件系统。2）室内模拟井筒现已建设成初步的实验室，通过采集人工激发的振动信号来模拟钻头的振动，从而研究振动波在模拟井筒中的传播规律，建立室内条件下的振动波传播规律模型。*人员情况系指专题负责人和主要参加人的姓名、职务、专业技术职称及主要科技成就。18六、计划进度和考核目标（按月度写出安排, 跨年度的内容分年度填写;承担单位应包括协作单位。）年 份序 号工 作 内 容试验规模及应达到的指标起止时间（ 月- 月）试验地点验收方式*备注承担单位及负责人20111防碰监测技术可行性研究形成监测装备试验样机2011.42011.12中国石油大学汇报，专家评议海洋钻井公司 史建刚中国石油大学，刘刚20122防碰监测理论和方法研究、防碰监测装备构建形成防碰监测基本方法防碰监测装备研制2012.12012.6中国石油大学汇报，专家评议海洋钻井公司 史建刚中国石油大学，刘刚20123现场试验形成防碰监测现场装备2012.62012.12胜利油田海上平台汇报，专家评议海洋钻井公司 史建刚20134防碰监测技术完善形成防碰监测理论及技术2013.12013.4胜利油田海上平台汇报，现场应用，专家验收海洋钻井公司 史建刚* 验收方式指鉴定、评议、审查、其他。* 除备注外的各栏目应全部填报。七 项目经费预算表1 项目经费预算表金额单位：万元行次合计科研直接费用科研待分摊费用管理部门费用职工薪酬（仅用于直属研究院）1=2+3+12其中：工资2 其中：技术奖酬金3 社会保险费4 福利费用5 职工教育经费6 工会经费7 住房费用8 劳务费9 非货币性福利10 辞退福利11 其他12劳动保护费13财产保险费14租赁费15修理费16材料1796水费18电费19其他动力及燃料20图书资料费212技术协作费2240外购技术费23专业培训费24评审费253咨询费263续表1 项目经费预算表金额单位：万元行次合计科研直接费用科研待分摊费用管理部门费用专利费27分析计量测试费2836办公费29差旅费305会议费313通讯费32车辆使用费33印刷费345出国人员经费35其他3610科技经费预算合计37=1+13+14+36203折旧费（仅用于中国石化所属单位）38无形资产摊销（仅用于中国石化所属单位）39项目研发费用预算合计40=37+38+39203仪器设备购置费（仅用于中国石化所属单位）41计算机软硬件购置费（仅用于中国石化所属单位）42工业性试验项目的装置建设费（仅用于中国石化所属单位）43资本性支出预算合计44=41+42+43表2 预计经费来源表单位：万元来 源下达方支付其 它*合 计金 额203203*：其它是指国家（科技攻关、863、973、国家自然科学基金等）支持的与本项目有关的经费以及项目承担单位自筹部分的经费。八、经费使用计划任务下达方拨款计划表 单位：万元单 位 名 称用款总额2011年2012年2013年 年 年海洋钻井公司2031009013合 计 2031008023九、申请单位审查意见 申请单位工程技术科长（签字） 年 月 日 申请单位工程技术负责人(签字) 申请单位 盖章年 月 日