一种超声波井眼防碰监测系统及监测方法与流程

本发明涉及油气钻探
技术领域：
，具体涉及一种利用超声波实时监测两井之间距离的技术监测装置及监测方法。
背景技术：
：随着各油田开发力度的逐步加大，老区剩余油、边际油藏开发成为增储上产的重要途径，使得各油田增加调整井、滚动开发井、丛式井，钻探各种特殊类型井逐步增多，井网变密，井与井之间的距离缩小，上下分层开采井增多，城区丛式井开发力度加大等，同时在老区高密度井缝隙中寻找薄油藏、难动用油藏，也成为油田增储上产的重要措施。随着特殊工艺井在各大油田广泛应用，丛式井数量越来越多，井与井之间的距离越来越小，在钻丛式井或老区调整井的过程中，直井段、斜井段发生两井相碰的现象有所增加，报废进尺，重复施工现象时有发生，井眼相碰带来的环境问题和经济损失可能是灾难性的。因此对井眼轨迹进行防碰评价和规避井眼交碰风险也越来越重要。防碰问题是确保密集井口丛式井组安全、快速施工的核心问题。防碰工作贯穿密集井口丛式井组钻前准备、工程设计和施工的各个环节。在钻井过程中,地质目标和地层造斜率的不确定性给丛式井施工带来了一定难度,存在着不可预知的风险,而如何确保钻头与临井之间的距离保持在安全距离之内成为丛式井开发的关键问题。对于井眼密度较大的井区，井眼轨迹间的防碰问题确保密集井口丛式井组安全、快速施工的核心问题，现有的方法只能通过扫描方法计算两井之间的距离，理论计算与实际存在误差。技术实现要素：本发明的一个目的针对现有的扫描方法计算两井之间的距离，理论计算与实际存在误差的问题，提供一种利用超声波实时监测两井之间距离的监测系统及监测方法，用于超声波井眼防碰监测。本发明提供的超声波井眼防碰监测系统，包括位于井下的超声波监测装置和地面控制系统。所述超声波监测装置包括圆柱形本体，本体顶部设置提丝，提丝顶部设置用于连接地面绞车的吊环。优选的结构方式：所述圆柱形本体的上端设有母扣，所述提丝上设有公扣，通过丝扣将本体与提丝连接，提丝顶部设置吊环，该吊环连接地面绞车，实现整个超声波监测装置的上提和下放。所述圆柱形本体表面固定设置有至少3个等间距分布的扶正器，优选设置4个条形扶正器，条形扶正器的轴线与圆柱形本体的轴线平行。在其中两个相邻的扶正器之间的本体表面开设安装槽一，槽内安装电控伸缩装置，电控伸缩装置包括水平设置的电动推杆和与电动推杆垂直的肋板，电动推杆底端与安装槽一底面螺栓固定连接，电动推杆前端固定连接肋板，肋板上开设安装槽二，槽内安装超声波换能器。超声波换能器用于产生超声横波(sh波)和接收被反射回来的横波。超声波横波只能在固体介质中传播，在液体和空气中无法传播被反射回来。超声横波在传播过程中不发生波形转化，整个传播过程中都是单纯sh波，这样的特点使sh波在传播过程中不存在其他波形的干扰，在传播过程中随着传播距离的增大，该波形的衰减比其他波要小的多。所以该波形最适合用来探测两井之间的距离。所述电控伸缩装置与地面控制系统连接以控制电动推杆的伸长和缩短。当电动推杆处于缩短状态时，超声波换能器的水平凸出高度小于与之相邻的两个扶正器的水平高度，当电动推杆处于伸长状态时，超声波换能器的水平凸出高度等于与之相邻的两个扶正器的水平高度，超声波换能器紧贴井内套管壁。地面控制系统控制超声波换能器发射横波并接收被反射回来的反射波，通过监测横波发射时间和被反射回来的时间差，结合横波在地层中的传播速度，来计算两井之间的距离。与超声波换能器相邻的两个扶正器由硬质材料制成，其余的扶正器由弹性材料制成。所述圆柱形本体上部设有电缆线孔，电缆通过该电缆线孔连接地面控制系统与井下超声波监测装置。一种利用上述超声波井眼防碰监测系统进行防碰监测的监测方法，主要技术方案是：相邻两井通过防碰扫描得到两井之间距离最近区域(垂深)，采用绞车将超声波监测装置下放于与正钻井相邻的邻井中，下到指定垂深(两井距离最近时垂深)，超声波换能器支撑到邻井套管壁上，通过地面控制系统控制超声波监测装置垂直邻井套管壁发射横波，在此入射条件下，横波在传播过程中遇到正钻井内的钻井液无法继续传播，而被原路反射回去，地面控制系统通过监测横波发射到横波被反射回来的时间差t，以及横波在地层中的传播速度v，计算两井之间的距离s，计算公式为针对不同类型的井段，采用不同的监测工作模式。具体如下：(1)对于直井段井眼防碰监测，采用实时监测工作模式，步骤如下：s1、根据mwd测得正钻井的井斜角和井斜方位角，通过轨迹计算软件计算需要测量点的垂深a。s2、根据步骤s1计算出的垂深a，采用绞车将超声波监测装置下放到垂深a。s3、通过地面控制系统控制电动推杆开启，使超声波换能器紧贴邻井套管壁，然后超声波换能器发射横波，同时接收反射回来的反射波，并将发射波和反射波信号传送至地面控制系统，计算两井之间的距离。s4、完成步骤s1-s3后，通过地面控制系统控制电动推杆关闭，通过绞车下放超声波监测装置，下放速度与正钻井钻进速度同步，下放2米停止下放，重复步骤s3，然后进行步骤s4，如此循环步骤s3和s4；实现直井段连续测量两井距离。s5、测量完成后，通过地面控制系统控制电动推杆关闭，启动绞车上提超声波监测装置，提离井口。(2)对于造斜段井眼防碰监测，采用精确测量模式，步骤如下：s1、根据mwd测得正钻井井底的井斜角、井斜方位角，通过轨迹计算软件计算轨迹参数。s2、利用防碰扫描，计算正钻井与邻井之间的最近距离，找到正钻井和邻井距离最近点的垂深a及井斜方位角b，再计算邻井监测方位角c；如果当前井所测方位在0-180°时，c＝360°-b；如果当前井所测方位在180°-360°之间，c＝b。s3、利用罗盘在邻井井口测得方位角c的位置d，使超声波换能器的位置对准位置d。s4、根据步骤s3的要求下入超声波监测装置到垂深a。s5、通过地面控制系统控制电动推杆打开，使超声波换能器紧贴邻井套管壁，然后超声波换能器发射横波，同时接收反射回来的反射波，并将发射波和反射波信号传送至地面控制系统，计算两井之间的距离，结束后，上提超声波监测装置提离井口，进行下一个点的监测，重复s1-s5。(3)对于井眼交碰风险较大的井段防碰监测，采用实时监测+单点精确测量两种模式相结合的方式，步骤如下：s1、根据mwd测得正钻井的井斜角、井斜方位角，通过轨迹计算软件计算需要测量点的垂深a。s2、根据步骤s1计算的垂深a，采用绞车将超声波监测装置下放到垂深a。s3、通过地面控制系统控制电动推杆开启，使超声波换能器紧贴邻井套管壁，然后超声波换能器发射横波，同时接收反射回来的反射波，并将发射波和反射波信号传送至地面控制系统，计算两井之间的距离。s4、完成步骤s1-s3后，通过地面控制系统控制电动推杆关闭，通过绞车下放超声波监测装置，下放速度与正钻井钻进速度同步，下放2米停止下放，重复步骤s3，然后进行步骤s4，如此循环步骤s3和s4，实现实时监测。s5、实时监测过程中，如果两井有交碰趋势即两井之间的距离持续减小，则切换精确测量模式，上提超声波监测装置，提离井口，按如下步骤进行：s51、根据mwd测得正钻井井底的井斜角、井斜方位角，通过轨迹计算软件计算轨迹参数；s52、利用防碰扫描，计算正钻井与邻井之间的最近距离，找到正钻井和邻井距离最近点的垂深a及井斜方位角b，再计算邻井监测方位角c；如果当前井所测方位在0-180°时，c＝360°-b；如果当前井所测方位在180°-360°之间，c＝b；s53、利用罗盘在邻井井口测得方位角c的位置d，使超声波换能器的位置对准位置d；s54、根据步骤s3的要求下入超声波监测装置到垂深a；s55、通过地面控制系统控制电动推杆打开，使超声波换能器紧贴邻井套管壁，然后超声波换能器发射横波，同时接收反射回来的反射波，并将发射波和反射波信号传送至地面控制系统，计算两井之间的距离，结束后，上提超声波监测装置提离井口，进行下一个点的监测，重复s1-s5。与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明提供的超声波监测井眼防碰撞监测系统的装置结构简单，成本低，实时监测邻井距离，预防相邻两井井眼碰撞，监测结果准确性比现有的扫描方法更高。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1、超声波横波sh波和sv波振动方向示意图，(a)sh波振动方向示意图；(b)sv波振动方向示意图。图2、超声波监测邻井距离原理示意图。图3、超声波井眼防碰撞监测系统示意图。图4、超声波监测装置结构示意图。图5、超声波监测装置的电控伸缩装置结构示意图。图6、超声波监测装置俯视图。图7、相邻两口井井口方位示意图。图中标号：1-超声波监测装置、2-地面控制系统、3-钻井液、4-钻具、5-发射波、6-反射波、11-圆柱形本体、12-提丝、13-吊环、14-扶正器、15-安装槽一、16-电动推杆、17-肋板、18-螺栓、19-安装槽二、20-超声波换能器、21-螺栓、22-电缆线孔。具体实施方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。一、本发明的超声波监测井眼防碰撞监测系统的监测原理如下：横波直探头:由负责发射超声和负责接收超声两部分组成，根据发射和接收的时间差可以计算并得到邻井与正钻井的距离。超声波探头是一种可逆的声电转化原件。正压电效应：电信号转化为超声波信号的过程为超声波发射过程。逆压电效应：超声波信号转化为电信号的过程为超声波接收过程。超声波横波分为sh波和sv波，如图1所示，检测行业中的定义为：如果横波的振动方向与工件表面平行则称为sh波(图1a)；如果横波的振动方向与工件表面垂直则称为sv波(图1b)。超声横波sv波在传播过程中会发生波形转化，检测过程中检测波会转化成折射纵波、折射横波sh波，在检测过程中，各种波会互相干扰，波的衰减程度大。所以该波不适合用来检测两井之间的距离。相比于sv波,sh波在传播过程中不会发生波形转化，检测过程中是单纯的sh波，在检测过程中，波的衰减程度小。所以该波适合用来检测两井之间的距离。如图2所示，本发明采用超声横波探头，垂直邻井套管表面入射超声横波，横波在地层中传播，遇到正钻井的钻井液，不能继续传播，而被钻井液原路反射回去。地面控制系统通过监测横波发射到横波被反射回来的时间差t，以及横波在地层中的传播速度v，计算两井之间的距离s，计算公式为超声波(横波、纵波)传播速度见表1。表1、超声波横波、纵波的传播速度介质纵波速度(m/s)横波传播速度(m/s)密度(kg/)半径(cm)井内流体1500-10006探管5900330078007水泥28001700190010地层360022002300∞二、本发明提供的超声波井眼防碰监测系统的装置结构如下：如图3所示，超声波井眼防碰监测系统包括下放于邻井中的超声波监测装置1和地面控制系统2。图中，3是钻井液，4是钻具，5是发射波，6是反射波。所述超声波监测装置1的结构如图4-6所示，其包括圆柱形本体11，本体顶部设置提丝12，提丝顶部设置用于连接地面绞车的吊环13。优选的结构方式：所述圆柱形本体的上端设有母扣，所述提丝上设有公扣，通过丝扣将本体与提丝连接，提丝顶部设置吊环，该吊环连接地面绞车，实现整个超声波监测装置的上提和下放。所述圆柱形本体11表面固定设置有4个条形扶正器14，条形扶正器的轴线与圆柱形本体的轴线平行。在其中两个相邻的扶正器之间的本体表面开设安装槽一15，槽内安装电控伸缩装置，电控伸缩装置包括水平设置的三个电动推杆16和与电动推杆垂直的肋板17。作为一个举例，电动推杆可以采用山东巾牛传动科技有限公司生产的电动推杆，或者其他结构相似的电动推杆。电动推杆底端与安装槽一底面螺栓18固定连接，三个电动推杆前端均固定连接肋板17，肋板上开设安装槽二19，槽内通过螺栓21固定安装超声波换能器20。超声波换能器前端部分凸出于肋板表面。超声波换能器用于产生超声横波(sh波)和接收被反射回来的横波。超声波横波只能在固体介质中传播，在液体和空气中无法传播被反射回来。超声横波在传播过程中不发生波形转化，整个传播过程中都是单纯sh波，这样的特点使sh波在传播过程中不存在其他波形的干扰，在传播过程中随着传播距离的增大，该波形的衰减比其他波要小的多。所以该波形最适合用来探测两井之间的距离。所述电控伸缩装置与地面控制系统连接以控制电动推杆的伸长和缩短。三个电动推杆同步进行伸缩。当电动推杆关闭电动推杆处于缩短状态时，肋板与圆柱形本体的表面重合，超声波换能器的水平凸出高度小于与之相邻的两个扶正器的水平高度。当电动推杆开启时处于伸长状态，超声波换能器的水平凸出高度等于与之相邻的两个扶正器的水平高度，超声波换能器恰好紧贴井内套管壁。此时，地面控制系统控制超声波换能器发射横波并接收被反射回来的反射波，通过监测横波发射时间和被反射回来的时间差，结合横波在地层中的传播速度，来计算两井之间的距离。与超声波换能器相邻的两个扶正器由硬质材料制成，其余的扶正器由弹性材料制成。在外力的作用下不容易变形，这样的设计，在上提或下放该装置时能较好的保护超声传感器，其余两个扶正器材料硬度小，在外力的作用下容易变形。所述圆柱形本体上部设有电缆线孔22，电缆通过该电缆线孔连接地面控制系统与井下超声波监测装置。三、利用上述超声波井眼防碰监测系统进行防碰监测的监测方法，主要技术方案是：采用绞车将超声波监测装置下放于与正钻井相邻的邻井中，下到指定垂深(两井距离最近时垂深)，超声波换能器支撑到邻井套管壁上，通过地面控制系统控制超声波监测装置垂直邻井套管壁发射横波，横波在传播过程中遇到正钻井内的钻井液无法继续传播，而被原路反射回去，地面控制系统通过监测横波发射到横波被反射回来的时间差t，以及横波在地层中的传播速度v，计算两井之间的距离s，计算公式为针对不同类型的井段，采用不同的监测工作模式。具体如下：(1)在直井段井眼防碰至关重要，做好直井段防碰工作是各项工作的基础，直井段井斜角较小，此时方位角变化很大，方位角的变化对测量不产生影响。对于直井段井眼防碰监测，采用实时监测工作模式，步骤如下：s1、根据mwd测得正钻井的井斜角和井斜方位角，通过轨迹计算软件计算需要测量点的垂深a。s2、根据步骤s1计算出的垂深a，采用绞车将超声波监测装置下放到垂深a。s3、通过地面控制系统控制电动推杆开启，使超声波换能器紧贴邻井套管壁，然后超声波换能器发射横波，同时接收反射回来的反射波，并将发射波和反射波信号传送至地面控制系统，计算两井之间的距离。s4、完成步骤s1-s3后，通过地面控制系统控制电动推杆关闭，通过绞车下放超声波监测装置，下放速度与正钻井钻进速度同步，下放2米停止下放，重复步骤s3，然后进行步骤s4，如此循环步骤s3和s4；实现直井段连续测量两井距离。s5、测量完成后，通过地面控制系统控制电动推杆关闭，启动绞车上提超声波监测装置，提离井口。(2)当正钻井在造斜段与邻井存在交碰风险，防碰绕障工作尤其重要，此时既要保证造斜率达到设计要求，还要考虑与邻井的交碰风险，mwd测得数据存在误差，轨迹计算软件计算结果也存在误差，此时，精确测量相邻两井之间的距离尤为重要。对于造斜段井眼防碰监测，采用精确测量模式，步骤如下：s1、根据mwd测得正钻井井底的井斜角、井斜方位角，通过轨迹计算软件计算轨迹参数。s2、利用防碰扫描，计算正钻井与邻井之间的最近距离，找到正钻井和邻井距离最近点的垂深a及井斜方位角b，再计算邻井监测方位角c；如图7所示，分两种情况：(1)如果当前井所测方位在0-180°(右半球时)时，c＝360°-b；(2)如果当前井所测方位在180°-360°之间(左半球时)，c＝b。需要注意的是，如果正钻井方位在0-180，此时还按照正钻井方位下入监测装置，装置朝向与正钻井正好相反。s3、利用罗盘在邻井井口测得方位角c的位置d，使超声波换能器的位置对准位置d。s4、根据步骤s3的要求下入超声波监测装置到垂深a。s5、通过地面控制系统控制电动推杆打开，使超声波换能器紧贴邻井套管壁，然后超声波换能器发射横波，同时接收反射回来的反射波，并将发射波和反射波信号传送至地面控制系统，计算两井之间的距离，结束后，上提超声波监测装置提离井口，进行下一个点的监测，重复s1-s5。(3)对于井眼交碰风险较大的井段采用实时监测+单点精确测量两种模式相结合的方式，实时监测的目的实现对相邻井眼的交碰趋势监测，对于有交碰趋势的井段采用精确测量模式，精确测量两井之间的距离。步骤如下：s1、根据mwd测得正钻井的井斜角、井斜方位角，通过轨迹计算软件计算需要测量点的垂深a。s2、根据步骤s1计算的垂深a，采用绞车将超声波监测装置下放到垂深a。s3、通过地面控制系统控制电动推杆开启，使超声波换能器紧贴邻井套管壁，然后超声波换能器发射横波，同时接收反射回来的反射波，并将发射波和反射波信号传送至地面控制系统，计算两井之间的距离。s4、完成步骤s1-s3后，通过地面控制系统控制电动推杆关闭，通过绞车下放超声波监测装置，下放速度与正钻井钻进速度同步，下放2米停止下放，重复步骤s3，然后进行步骤s4，如此循环步骤s3和s4，实现实时监测。s5、实时监测过程中，如果两井有交碰趋势即两井之间的距离持续减小，则切换精确测量模式，上提超声波监测装置，提离井口，按如下步骤进行：s51、根据mwd测得正钻井井底的井斜角、井斜方位角，通过轨迹计算软件计算轨迹参数；s52、利用防碰扫描，计算正钻井与邻井之间的最近距离，找到正钻井和邻井距离最近点的垂深a及井斜方位角b，再计算邻井监测方位角c；如果当前井所测方位在0-180°时，c＝360°-b；如果当前井所测方位在180°-360°之间，c＝b；s53、利用罗盘在邻井井口测得方位角c的位置d，使超声波换能器的位置对准位置d；s54、根据步骤s3的要求下入超声波监测装置到垂深a；s55、通过地面控制系统控制电动推杆打开，使超声波换能器紧贴邻井套管壁，然后超声波换能器发射横波，同时接收反射回来的反射波，并将发射波和反射波信号传送至地面控制系统，计算两井之间的距离，结束后，上提超声波监测装置提离井口，进行下一个点的监测，重复s1-s5。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。当前第1页1 2 3