套管頭振動信號特征應用于油井防碰監測的可行性分析*

劉剛孔得臣孫金劉勍楊全枝

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院;2.中國石化集團上海海洋石油局鉆井分公司;3.長江大學)

套管頭振動信號特征應用于油井防碰監測的可行性分析*

劉剛1孔得臣2孫金1劉勍3楊全枝1

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院;2.中國石化集團上海海洋石油局鉆井分公司;3.長江大學)

提出了一種井間防碰監測的新方法，即利用在風險井套管頭上安裝的傳感器監測由套管傳輸到地面的鉆頭振動信號，分析振動波在地層和風險井套管中的傳播規律，進而預測鉆頭是否趨近風險井套管，并評估鉆頭距風險井套管間的相對距離。分析結果表明:在鉆井鉆頭振動誘發的風險井套管頭振動信號存在一個特征頻率段，在鉆井鉆頭破巖誘發的風險井套管頭振動信號特征與在鉆井鉆頭距風險井套管間的距離有明確的對應關系，因此利用風險井套管頭振動信號預測在鉆井鉆頭趨近的方法對加密調整井進行防碰監測，這在技術思路上是可行的。

套管頭振動信號井間距離防碰監測可行性分析

1 問題的提出

受海上平臺建造、鉆完井成本、配套設施投入、地質不確定性等因素影響，海上鉆井井位布置和施工受到平臺面積的嚴格限制。隨著國內部分海上油田開采進入中后期，加密調整井需求不斷提高和擴大，平臺井筒密度越來越大，部分調整井設計不得不面臨分離系數小于1的狀況，有些平臺的井距也從2 m×2 m縮小到1.5 m×1.7 m，井眼防碰問題日趨突出［1］。原有的井眼防碰方法及措施［1-3］，如優化整體防碰設計方案、井眼軌跡測量和防碰掃描計算、井眼軌跡控制人工監聽、提高人員的防碰意識等，多數屬于通過預測進行防碰，除人工監聽方法外，沒有實時監測的手段，已經不能完全滿足加密調整井的防碰需求，主要表現在:①在早期的鉆井過程中，對鄰井井眼軌跡參數的測量不準確或由于某些原因導致軌跡參數資料不全，使得防碰掃描計算產生誤差甚至無法計算;②防碰掃描用的井眼軌跡數據通過測斜數據得到，具有一定的滯后性，屬于防碰預測的方法，且不同方法計算的井眼軌跡與實際井眼軌跡存在一定的計算誤差和預測誤差;③人工監聽的方法只能是一種輔助的手段，且受監聽人員的經驗、精力和周圍環境(風雨雷電、海浪、平臺動力設備等)的影響較大。

鑒于上述原因，有必要研究新的井眼防碰監測方法，使之與現有防碰預測和防碰方法互為補充，更早發現鉆頭對鄰井套管的趨近或碰撞。為此，本文提出了一種新的防碰監測方法，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生的振動信號，通過分析鉆頭破巖誘發的振動波沿地層和套管的傳播規律建立套管頭振動信號特征與鉆頭距套管間距離的關系，根據該信號特征識別實現對鉆頭趨近風險井套管的監測。

2 套管頭振動信號特征應用于油井防碰監測的可行性分析

2.1 振動信號的時頻變換

由鉆頭振動產生的信號是一種復雜的隨機信號，很難在時域內分辨出其頻域特征。通過傅里葉變換可以把復雜的振動信號從時域變換到頻域(也稱為時頻變換)，了解信號在不同頻率范圍的分布規律［2］，更深入地揭示被測對象內在的頻域本質。由于實際采樣信號是離散的，并且采樣信號的樣本長度是有限的，因此在對數字信號進行傅里葉變換時需要采用傅里葉變換的離散算法。設x(r)為隨機振動信號樣本，離散傅里葉變換(DFT)［4］的表達式為

正變換

逆變換

式(1)、(2)中:X(k)為x(r)的傅里葉變換;N為樣本數據個數;r為信號在序列中的位置;k為頻率在序列中的位置;e是自然對數的底;j是虛數單位。

自功率譜密度函數的定義為單個隨機振動信號的功率譜密度函數，為該隨機振動信號自相關函數的傅里葉變換，故其表達式為［5］

式(3)中:Sxx(k)是自功率譜密度函數;Rxx(r)是對應的自相關函數;其他符號意義同前。

通過對鉆頭振動信號頻率分布特點的分析和研究，初步得出其一個特征頻率段為200～300 Hz;通過研究該頻率段的信號頻譜特征，得到了部分振動信號的功率譜幅值與井間距離的關系。根據某平臺的實際監測數據分析，該平臺風險井L5井與在鉆井L11井距離較近的風險井段在290～450 m。利用功率譜分析方法將時域信號轉化為頻域信號，分析該井段的頻譜特征與井間距離的關系，得出310、330、350、370 m井深處的功率譜特征如圖1所示。

圖1 某平臺在鉆井L11井及風險井L5井在井深310～370 m的功率譜特征

2.2 振動信號頻譜特征與最近井間距離的關系分析

以10 m為一個井段間隔，以一個井段內功率譜相對幅值的平均值作為這一井段能量度量。對于井深290～450 m井段，統計計算在鉆井L11井與風險井L5井最近井間距離和L5井套管頭振動信號200～300 Hz功率譜相對幅值的平均值，并將統計結果列于表1，其中功率譜相對幅值為風險井功率譜幅值與在鉆井功率譜幅值的比值。

根據表1數據作L11井與L5井最近井間距離隨井深的變化關系曲線(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附近達到最小值，之后隨著井深的增加又逐漸增大。圖3為L5井套管頭振動信號功率譜相對幅值平均值隨井深的變化關系圖，可以看出，L5井套管頭振動信號200～300 Hz功率譜相對幅值平均值隨井深的增加先逐漸增加，在350 m附近達到最大值，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系正好相反。

表1 某平臺在鉆井L11井與風險井L5井最近井間距離和L5井套管頭振動信號200～300 Hz功率譜相對幅值平均值計算結果

根據表1數據作L5井套管頭振動信號200～300 Hz功率譜相對幅值平均值與L11井和L5井最近井間距離的關系圖(圖4)，可以看出，隨著在鉆井L11井與風險井L5井最近井間距離的增加，L5井套管頭振動信號200～300 Hz功率譜能量會衰減，衰減趨勢基本呈指數形式。

圖4 某平臺風險井L5井套管頭振動信號功率譜相對幅值隨在鉆井L11井與風險井L5井最近井間距離的變化關系

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的套管振動信號，所拾取的振動信息功率譜特征與振動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應關系，用這種方法識別鉆頭對風險套管的趨近在技術思路上具有可行性，而且經過更深入的研究可以成為一種新的防碰監測手段，再結合井眼掃描等手段能夠進一步提高防碰預測、監測的準確性，從而彌補現有防碰手段的不足。

3 結論

(1)在鉆井鉆頭振動誘發的風險井套管頭振動信號存在一個頻率為200～300Hz的特征頻率段，該頻率段振動信號的功率譜相對幅值與在鉆井鉆頭距風險井套管間的距離存在對應關系:在鉆井鉆頭距風險井套管間的距離增大時，振動信號的功率譜相對幅值逐漸減小;反之亦然。

(2)利用在風險井套管頭處安裝傳感器可以感受到在鉆井鉆頭破巖誘發的套管振動信號，用這種方法識別在鉆井鉆頭對風險井套管的趨近在技術思路上是可行的。

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

［2］伊明，陳若銘，萬教育，等．叢式井、分支井鉆井過程中的井眼防碰計算及應用［J］．新疆石油科技，2006，16(3):1-8．

［3］國家能源局．SY/T 6396-2009鉆井井眼防碰技術要求［S］．北京:石油工業出版社，2009．

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

［5］王濟，胡曉．MATLAB在振動信號處理中的應用［M］．北京:中國水利水電出版社，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)

*國家科技重大專項“海上油田叢式井網整體加密及綜合調整技術”子課題“海上油田叢式井網整體加密調整多平臺鉆井趨近井筒監測方法研究(編號:2011ZX05024-002-010)”、“多枝導流適度出砂及海上油田叢式井網”子課題“整體加密鉆采技術示范(編號:2011ZX05067-002-006)”研究成果。

劉剛，男，教授，畢業于原華東石油學院鉆井工程專業，一直從事石油工程相關的教學、科研工作。地址:山東省青島市經濟技術開發區長江西路66號中國石油大學(華東)石油工程學院工科B座(郵編:266580)。