RMS-I型磁定位系統的研制和應用

李曉軍,王德國,宋朝暉,唐亮,姜建勝

（1.中國石油大學（北京）北京102249;2.中國石油西部鉆探鉆井工程技術研究院新疆克拉瑪依834000）

重質油是油氣資源的重要組成部分，且占較大比重。我國重質油資源豐富，目前在12個盆地發現了70多個重質油田，資源量可達300×108 t以上。蒸汽輔助重力泄油技術（SAGD采油技術），能夠將重質油的采收率提高至60%左右，比常規水平井蒸汽吞吐開采提高了30%，是有效的稠油熱采技術[1]。SAGD技術是一項鉆井新工藝，要用到許多新的鉆井工藝和設備，其中磁場測量定位裝置是設備的關鍵。本文設計出RMS-I型磁定位系統，并對其應用情況展示研究。

1 RMS-I型磁定位系統

RMS-I型磁定位系統主要由精密磁場發生源、三軸磁場探測器、信號傳輸系統及地面解釋計算軟件組成。

1.1 精密磁場發生源研制

精密磁場發生源安裝在鉆頭上部，隨鉆頭一起旋轉，可在區域內產生具有強度和方向的旋轉磁場。如圖1所示，考慮到磁場強度及磁場方向的需求，采用了24個圓柱形稀土磁體在徑向方向對稱分布，發生源本體采用無磁材料加工。

使用有限元分析軟件對精密磁場發生源進行了結構與強度模擬[2]，模擬情況如圖2所示，應力分布主要集中在螺紋根部及螺紋處，磁場發生源本體機構設計滿足現場使用要求。

圖1 精密磁場發生源結構圖Fig.1 Placing signage at precision magnetic field structure

圖2 精密磁場發生源強度分析圖Fig.2 Placing signage at precision magnetic field strength analysis diagram

使用有限元分析軟件對精密磁場發生源磁場強度及分布情況進行了模擬，模擬情況如圖3所示。磁場發生源總磁場強度：5.59×108 nT，如果磁場強度過強會導致儀器損壞，過小將會導致測量誤差超出設計要求和測量距離減小。

1.2 三軸磁場探測器研制

磁場、加速度探測器作為關鍵部件，作用測量的磁場和重力加速度，對采集到的數據進行編碼，形成數據幀，以50～100幀每秒的速度，通過RS485端口發出。同時開發形成了基于DSP架構的采集磁通門傳感器、加速度傳感器的測量系統，具有測量精度高、數據處理速度快，性能穩定的特點。其電路原理如圖4所示。

圖3 精密磁場發生源磁場強度及分布圖Fig.3 Precision placing signage at the magnetic field intensity and distribution of magnetic field

圖4 三軸磁場探測器電路原理圖Fig.4 Three axial magnetic field detector circuit principle diagram

1.3 信號傳輸系統研制

根據磁定位系統對數據傳輸距離、速度、布線的要求，信號傳輸系統采用單總線模式，將探測器傳來的數據調制在電源線上，通過電源線傳送到地面，地面接收器從電源線上解調出數據波形，從而實現快速連接電纜、可靠傳輸數據的目的。

1.4 地面計算軟件

1.4.1 算法確定

自然界的磁現象均可以等效于若干個磁偶極子磁場的疊加,在特定情況下也可以等效為一個磁偶極子。簡單地講,磁偶極子就是一個圓電流，設電流強度為I,圓半徑為R。對一個磁偶極子來說,往往用“磁矩”矢量來表示一個磁偶極子的量級[3]。磁矩的定義為：

如圖5所示：根據畢奧-薩伐爾定律，遠場P（r,θ φ）磁感應強度表達式為：

三分量表達式：

圖5 P點空間磁場示意圖Fig.5 Magnetic field sketch point P space

在實際鉆井過程中,磁源短節隨鉆頭處于動態旋轉狀態,不能直接用靜態磁偶極子模型進行目標靶點定位。但是隨鉆頭旋轉的永磁體所形成的磁場可視為兩個正交偶極子Mc和Ms疊加而成的總磁體Mt。假設鉆頭旋轉角速度為ω，初始時刻永磁體與Z軸方向重合，則任意時刻永磁體轉過的角度為ωt,此時與總磁場Mt等效的正交磁偶極子Mc與Ms分別為：

空間任意點P處的磁場強度由Hc和Hs兩部分構成。以y軸為永磁體旋轉軸,建立基于動態旋轉磁偶極子模型的磁場強度空間傳播模型，

由Mc所產生的磁場強度為：

由Ms所產生的磁場強度為：

當磁偶極子旋轉時,所產生的磁場強度Hc和Hs僅大小發生變化,而方向不變,因此二者外積所得到的矢量方向不隨轉速ω變化,可以用來表征旋轉磁偶極子的固有特征，即：

根據采集得到的三軸磁信號強度，由以下公式求得磁源與探測器的空間距離r,偏移角θ0，相對方位角φ0，從而確定磁源相對與探測器的相對位置（x,y,z），實現動態自動跟蹤磁源目標的目的。

1.4.2 地面計算軟件

地面計算軟件的主要功能是將磁場探測傳來的數據，從USB端口采集到計算機中，進行濾波、地磁信號分離。完成動態跟蹤和精確定位計算，保存并顯示數據。為軌跡控制人員提供施工依據。

開發了基于實時檢測--井下校驗--軌跡偏差計算，滿足軌跡控制工具調整、井眼軌跡平滑要求的人機互動程序，使用C++編程語言編寫，具有鼠標按鈕控制，動態圖形顯示，直觀形象分區、操作流程簡單。同時在軟件中加入了二次濾波程序，提高了測量精度。

1.5 RMS-I型磁定位系統性能參數

RMS--I型磁定位系統，是國內最早投入現場試驗的SAGD雙水平井磁定位系統，至今現場應用超過1 000小時，系統測量精度達到2～5%FS。其主要性能參數如下：探測距離3～65 m，測量精度5～10 m:2%,10～25 m:5%，工作溫度-40～125℃，承壓140 MPa，采樣率50 Hz，波特率9 600 bps，振動20 g，沖擊500 g，適用于成對水平井。

2 現場應用情況

2012年～2013年，先后在新疆油田風城油田進行了15井次的現場試驗和應用。2013年5月～10月，完成了FHW3014井組、FHW337等共計9口井的現場技術服務，累計進尺4 140.38 m，儀器累計入井時間1 017小時。

2.1 FHW 3014井組現場應用情況

FHW3014P/I井屬于風城油田侏羅系齊古組超稠油油藏，位于重18井區南部SAGD開放區，重18井區是由四條斷層所圍的孤立斷塊，為重20井北斷裂、重1井北斷裂，重43井西斷裂以及風重001井斷裂。齊古組頂部構造形態為斷裂切割的南傾單斜，地層傾角5°～8°。目的層齊古組直接超覆沉積在二疊系之上，斷塊內八道灣組地層缺失。FHW3014P/I井組由西部鉆探井下作業公司20947隊承鉆，由西部鉆探定向井技術服務公司提供井眼軌跡控制、隨鉆測量和磁定位技術服務。

FHW3014I水平井于2013年5月4日22:00一開，5日17:10一開完鉆，井深57.92 m，下入Φ339.7 mm表層套管至井深57.60 m固井候凝，5日21:00二開。7日15:00鉆進至井深374 m，其中磁導向井段324.09～371.76 m，實鉆井眼軌跡進入A靶窗，按地質方要求二開完鉆。8日6:00下Φ244.6mm技術套管至井深371.22 m，8日10:00中完固井。9日，三開驗收合格后，I井開始水平段磁導向鉆進，至11日凌晨5:30，鉆至702.23 m完鉆，磁導向井段374.21～668.33 m。

2.2 FHW 2135井組現場應用情況

FHW3125井位于準噶爾盆地風城油田重45井區SAGD開發區。設計井深：斜深1 170.94 m，垂深477.10 m，靶前位移780.2 m，水垂比為3.8:1，是2013年風城區塊水平段最長的一口井。該井由克拉瑪依地質工程公司鉆井13隊承鉆，定向井公司提供軌跡控制技術服務，磁導向儀器采用西部鉆探鉆井院RMS-I型磁導向系統。

FHW3125I水平井于2013年7月16日18:00一開，16日20:00一開完鉆，井深57.11m，下入Φ339.7 mm表層套管至井深56.76 m固井候凝，18日11:20二開，20日0:40鉆進至井深576 m，實鉆井眼軌跡進入A靶窗，20日5:00下入Φ295 mm欠尺寸穩定器通井，洗井起鉆，21日5:00下Φ244.6 mm技術套管至井深575.07 m，21日7:30中完固井。23日16:40，三開驗收合格后，I井開始水平段磁導向鉆進，25日凌晨5:30，鉆至1170.94 m完鉆，磁導向井段576～1143.23 m,累計進尺576.23 m。

3 結論

成功研制出由稀土永磁體磁場源發生器、三軸磁場和加速度探測器、磁定位采集分析軟件、單總線信號傳輸系統組成的RMS-Ⅰ型磁定位系統，并形成配套的測量工藝技術。經過15井次的SAGD成對水平井現場試驗應用，RMS-Ⅰ型磁定位系統性能得到全面的驗證，測量精度達到國外同類儀器先進水平[7]。RMS-Ⅰ型磁定位系統的研制成功，打破了國外公司在這一技術上的長期壟斷與封鎖，為國內油田稠油資源的高效開發提供了有力的技術保障。

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