深水油气勘探救援井精确探测技术研究

吴 瑶毛剑琳李峰飞党瑞荣

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650500；2.中海油研究总院技术研发中心，北京 100027；3.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065）

深水油气勘探救援井精确探测技术研究

吴 瑶1毛剑琳1李峰飞2党瑞荣3

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650500；2.中海油研究总院技术研发中心，北京 100027；3.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065）

深水油气勘探开发已成为石油工业的热点，但井喷等事故时有发生。钻救援井是解决井喷事故的有效方法，其中救援井与事故井相对位置的精确探测是实施救援的关键。利用软件模拟半径为139.7 mm的井喷井，在其附近设置一个1 A电流源和一个接地电极，研究电流源和事故井距离、两电极距离、事故井半径对事故井套管上电流密度的影响。研究结果表明：事故井和救援井距离越近，事故井套管上的电流密度越大，且事故井套管上电流密度最小值的位置点越接近电流源所在处的位置；事故井中电流密度最小值的位置点所在处是由点电流源所在处的位置决定的；事故井半径越小，电流密度的幅值变化就越大，其上的电流密度的幅值也越大。研究结果对海上钻井救援提供了一定的理论依据。

深海钻井；救援井；套管；仿真；点电流源

深水油气勘探开发已成为石油工业的热点［1］，近年来深水井喷事故时有发生，这不仅会造成巨大的人员伤亡和财产损失，还可能引发环境灾难［2］。2010年在Transocean深水地平线钻井平台作业的Macondo井发生井喷，引起钻井平台爆炸起火，平台下面的油井每天泄油795 m3，几天之内浮油面积达9 900 km2，事件影响恶劣、造成巨大人员伤亡经济损失［3］。钻救援井是解决井喷漏油问题的最有效方法，且救援井与事故井相对位置的精确探测是救援井技术成功的关键环节［4］。目前，国内对救援井和事故井相对位置探测的研究较少，而国外一般采用WELLspot导向工具来实现救援井与事故井的精确连通［5-7］，其工作原理是：将绝缘电缆深入救援井内，在电缆底部安装磁探头，在距离磁探头91.44 m的上方安装电极，在地表安装交流电源为该电极供电，电极发射出来的电流汇聚在事故井上，利用磁探头探测由事故井上电流所产生的交变磁场，反演出救援井和事故井的相对方位。因其核心技术保密，故对该领域的自主研究和创新十分必要。笔者在研究探测事故井和救援井的相对位置时，选用一个接地电极和一个点电流源，与事故井构成回路，再研究事故井上汇聚电流的大小以及所产生的磁场大小，为救援井和事故井的探测提供一定的理论依据。

1 原理

救援井即为控制井喷，在事故井一定安全距离位置设计、施工与事故井连通的井［8］。在救援井底使用发射电报与接地电报，由发射电报发出电流信号，探测泄油事故井的套管磁场，探测结果由接地电报接收，以指引钻头向事故井的井眼方向钻进。确定了事故井的方位后便可使救援井与事故井连通，对事故井注入高密度的水泥，达到控制井喷的目的，原理图如图1所示。

图1 救援井与事故井相对距离和方位探测原理图

COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件，广泛应用于多个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程。本文利用COMSOL 软件进行模拟仿真，将事故井模拟为圆柱体，在事故井附近施加电流源，通过该圆柱体上的电流大小及分布规律，推导出救援井和事故井的相对距离和方位，为海上救援提供了一定的理论指导和依据。对电流源通以1 A的电流时，由于事故井的电导率远大于岩层的电导率，根据安培定律，发射的电流将在事故井套管上汇集，此时再根据事故井电流密度的大小来得到电流大小，从而得出和事故井不同距离的磁通密度大小，再利用三轴磁通门接收装置接收到的磁通密度和理论值进行比对，从而在实际应用中得到事故井的方位。

由于J=I/A，即，电流密度等于电流大小除以横截面面积，计算出事故井上每点的电流密度时，载有恒定电流I的事故井，每一线元dz在距离该事故井r处的P点所产生的磁通密度为

B的指向垂直于包含dz与r的平面，再根据事故井长度对dB进行积分，以事故井上端为原点，积分下限为–100，积分上限为0，计算出总的磁通密度。

建立全空间模型如图2所示。模拟的事故井在位于岩层表面垂直向下100 m处至岩层表面均匀取1 000个点，通过研究这1 000个点的电流密度模和电流密度z分量的分布规律来确定事故井和救援井的相对位置。

图2 全空间模型

该模型中事故井套管方向为z轴（单位m），海平面为xoy面。选择合适的模型尺寸对结果的准确性影响很大，原因在于：第一，在靠近地面端要远离事故井，因为事故井喷出的二氧化氢等有害物质对人会造成伤害，但同时救援井的距离也不能太远，否则救援井的钻探工作量较大，斜井段较长；第二，如果计算模型选取的较大，那么网格数量增大，计算量增大，不利于计算；第三，如果选取的模型较小，则不能足够地反应电流在空间中的传播规律。根据上述原则，确定合适的计算模型。模型中上半部分的介质为海水，深度为100 m，下半部分的介质为岩层，深度为400 m，中间一根半径为139.7 mm的圆柱体即为模拟的事故井。事故井由下至上均匀选取1 000个点。海水电导率 为 –3 S/cm，几种典型的岩层电导率，如玄武岩的电导率为10–3～2×10–2S/m；花岗岩的电导率为10–5～2×10–3S/m；砂岩的电导率为10–3～4.02×10–3S/m；因此文中岩层的电导率取0.01S/m，与实际岩层电导率接近。套管（事故井）电导率取 107S/m，在事故井附近布置一个电极接地，岩石层表面垂直向下60 m（海平面垂直向下160 m）处布置一个点电流源，电流大小设置为1 A，事故井和电流源的距离不同，事故井上的电流大小以及分布规律也不同，由事故井上电流分布规律和大小来确定事故井和救援井的相对距离（等于是观测接收电极上的电流大小）。

文中研究了电流源和事故井距离、两电极距离、事故井半径对事故井上电流密度模及电流密度z分量的影响。

2 电流源与事故井距离对电流密度的影响

设计事故井半径为 139.7 mm（为正常油井套管尺寸的2倍），点电流源（海平面垂直向下160 m）和接地电极（海平面垂直向下100 m）垂直距离60 m。图3描述了事故井和电流源（海平面垂直向下160 m）的距离为1 m、10 m、30 m时事故井套管上的电流密度。

图3 电流源与事故井距离1 m、10 m、30 m时事故井上的电流密度模分布规律

图3表明，电流源和事故井的距离越小，套管上的电流密度模值越大。当点电流源和事故井间距1 m，电流密度模的0点位置在第400个点附近，即点电流源所在的深度处。当点电流源和事故井的水平距离为10 m时，电流密度的0点位置在第300个点附近。

随着距离的增大，套管上电流密度的0点将向远离电流源所在处移动，当距离更大时，套管上电流密度模将不再出现0点，且距离越近，事故井上电流密度的幅值越大。事故井上电流密度z分量（垂直于事故井方向）如图4所示。

当事故井和点电流源之间距离为30 m时，z轴分量已无负值，且没有过0点。当事故井和救援井间距1 m和10 m时，电流密度z分量过0点，且当距离越近时，该0点越接近点电流源所在处（点电流源在与事故井上第400个点处平行距离1 m和10 m处）。

图4 事故井上电流密度z分量

电流密度最大值点位于第476个点处，即事故井第47.6 m处，在该处电流密度最大，电流最强，进而所产生的磁通密度最大。在该点布置接收装置有利于接收到较强的信号。

点电流源与事故井距离1 m时，0点上半部分电流密度为+5.52 A/m2，电流为+0.33 A，下半部分电流密度为–0.98 A/m2，电流为–0.06 A；点电流源与事故井距离10 m时，0点上半部分电流为+1.56 A/ m2，电流为+0.09 A，下半部分电流密度为–0.13 A/ m2，电流为–0.008 A；点电流源与事故井距离30 m时，0点上半部分电流密度为 0.49 A/m2，电流为0.03 A ，下半部分电流密度为0 A/m2，电流为 0 A。

表1 点电源与事故井不同距离时的电流代数和

从表1可见，点电流源和事故井距离越近，事故井上汇聚的电流越大，由式（1）得出，产生的磁通密度越大，越有利于数据的观测和接收。

3 电极之间距离对电流密度的影响

图 5 表示事故井半径，电极和套管的距离为1 m时，电极距离的改变对套管上电流密度的影响。

图5 两个电极距离为30 m、60 m、90 m时事故井上电流密度模的分布规律

由图5可知，当2个电极之间的垂直距离改变，对套管上电流密度模的幅值影响不大，主要影响的是套管上电流密度0点的分布。当两电极之间距离为30 m时，套管上电流密度模的最小值在第700个点附近且趋于0；距离为60 m时，套管上电流密度模的最小值在第400个点且趋于0；距离为90 m时，由于只选取了岩层垂直向下100 m作为研究对象，套管上电流密度模最小值显示在图中。进而分析可知，点电流源布置的位置即为事故井上电流密度最小值（最接近0点）所在处。事故井上电流密度z分量如图6所示。

图6 事故井电流密度z分量

由图6可知，当点电流源位于岩层向下30 m时即平行于套管第700个点处时，事故井上的电流密度z分量在第700个点附近过0点。当点电流源位于岩层垂直向下60 m时即平行于套管第400个点时，事故井上电流密度模z分量在第400个点附近过0点。当点电流源位于岩层垂直向下90 m时，电流在第2个点过0点，如图7所示。

图7 两电极距离90 m时事故井低端1 m的电流密度分量

两电极距离30 m时，0点上半部分电流密度大小均值为+4.24 A/m2，横截面积为0.06 m2，电流均值为+0.25 A，0点下半部分电流密度大小均值为–2.05 A/m2，电流均值为–0.123 A。两电极距离60 m时，0点上半部分电流密度大小均值为+5.52 A/m2，电流为+0.33 A，下半部分电流密度均值为–0.98 A/m2，电流为–0.06 A。两电极距离90 m时，上半部分电流密度为 +5.93 A/m2，电流为+0.36 A，下半部分电流密度为 –0.003 A/m2，电流为–0.000 2 A。其中，电流沿着事故井向上为正，向下为负。

显然，两电极距离越远，事故井向上向下的电流抵消的越小，即得到的电流越大，由式（1）得，产生的磁通密度越大，越有利于数据接收和观测。

4 套管半径对电流密度的影响

当点电流源和事故井距离保持1 m，事故井半径变化对其上电流密度的影响如图8所示。

图8 事故井半径为139.7 mm、228.6 mm、330.2 mm电流密度模分布规律

显然，事故井的半径越大，其上电流密度模的幅值越大，且在第400个点左右（点电流源所在处为与事故第400个点平行距离1 m处）电流密度模值为趋近于0。事故井电流密度z分量如图9所示。

图9 事故井电流密度z分量

当事故井半径为139.7 mm、228.6 mm、330.2 mm时，其上电流密度z分量都在第400个点（点电流源位于平行事故井第400个点处）附近过0点，且半径越大，电流密度z分量越大。当半径为139.7 mm时，横截面积为0.06 m2，汇聚在事故井下半部分的电流密度均值为–0.98 A/m2，电流为–0.06 A，上半部分电流密度均值为5.52 A/m2，电流为+0.33 A。当半径为228.6 mm时，横截面积为0.16 m2，上半部分电流密度均值为+2.55 A/m2，电流为+0.41 A，下半部分电流密度为–0.35 A/m2，电流为–0.06 A。当半径为330.2 mm，横截面积为0.34 m2，上半部分电流密度均值为+1.46 A/m2，电流为+0.5 A。下半部分电流密度均值为–0.15 A/m2，电流为–0.05 A。

显然，事故井半径越大，事故井上的电流越大。由式（1）得，磁通密度越大，越有利于数据接收；点电流源和事故井距离越远，磁通密度越小，越不利于数据接收。

5 结论

（1）事故井和救援井距离越近，事故井上的电流密度越大且事故井上电流密度模最小值点越接近点电流源所在处。

（2）事故井电流密度最小值点所在处是由点电流源所在处决定的。

（3）事故井半径越小，电流密度的幅值就越大，所产生的电流也越大、其上的电流密度模的幅值也越大。

（4）两电极距离越远，事故井上汇聚的电流越大，进而所产生的磁通密度越大，更有利于数据的观测和接收。

（5）事故井上汇聚的电流在电流源所在处方向相反，分别沿着事故井向上以及向下，且向上的电流大于向下的电流。

［1］鞠少栋，畅元江，陈国明，等.深水钻井隔水管连接作业窗口分析［J］.石油勘探与开发，2012，39（1）：105-110.

［2］孟会行，陈国明，朱渊，等.深水井喷应急技术分类及研究方向探讨［J］.石油钻探技术，2012，40（6）：27-31.

［3］齐奉忠，刘硕琼，杨成颉，等.BP 墨西哥湾井喷漏油事件给深井固井作业的启示［J］.石油科技论坛，2011，30（5）：44-46.

［4］李翠，高德利.救援井与事故井连通探测方法初步研究［J］.石油钻探技术，2013，41（3）：56-60.

［5］GRACE R D,Blowout and well control handbook ［M］.Oxford;Gulf Professional Publishing,2003：90-102.

［6］LERAAND F,WRIGHT J W,ZACHRY M B,etal.Reliefwell plan-ning and drilling for a North Sea underground blowout ［J］.Journal of Petroleum Technology,1992,44（3）：266-273.

［7］GRACE R D,KUCKES A F，BRANTON J O.Perations at a deep reliefwell,the TXO marshall［R］.SPE 18059,1988：91-93.

［8］郭永峰，纪少君，唐长全.救援井：墨西哥湾泄油事件的终结者［J］.国外油田工程，2010，26（9）：64-65.

（修改稿收到日期 2014-06-20）

〔编辑 薛改珍〕

Research on precise detection technology of relief wells for deepwater petroleum exploration

WU Yao1,MAO Jianlin1,LI Fengfei2,DANG Ruirong3
（1.Institute of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Technology R&D Center,Research Institute of CNOOC,Beijing 100027,China;3.Key Laboratory of Education Ministry for Photoelectric Oil and Gas Logging and Detection,Xi'an Petroleum University,Xi'an 710065,China）

Deepwater oil and gas exploration and development has become a hot spot in oil industry,but accidents like blowout occur from time to time.The drilling of relief well is a very effective way to kill a blowout well.How to accurately determine the relative location of the relief well from the blowout well is a key to the relief.Using software to simulate blowout well with a radius of 139.7 mm,a 1 A current source and a ground electrode were set in its vicinity,then study was conducted on,the effects of the distance between current source and blowout well,the distance between the two electrodes and the radius of the blowout well on the current density on the casing in the blowout well.The research results show that the nearer the blowout well is to the relief well,the greater the current density is on the casing in the blowout well,and that the location of minimum current density on the casing in blowout well is closer to the location of electric current source.The location of the minimum current density in the blowout well is determined by the location of the point current source.The smaller the blowout well radius is,the greater the change of current density amplitude is,and the greater the amplitude of its above current density is.The research findings provide some theoretical basis for drilling offshore relief wells.

deepwater drilling;relief wells;casing;simulation;point current source

吴瑶，毛剑琳，李峰飞，等.深水油气勘探救援井精确探测技术研究［J］.石油钻采工艺，2014，36（4）：26-29，33.

TE243

：A

1000–7393（2014）04–0026–04

10.13639/j.odpt.2014.04.007

国家自然科学基金“基于线源的井间剩余油探测理论和方法”（编号：41174160）；国家科技重大专项“深水钻完井工程技术”（编号：2011ZX0502601）；陕西省自然科学基金“套后储层探测理论与方法研究”（编号：2013JQ5010）；西安石油大学青年科技创新基金“套后储层瞬变电磁响应特征研究”（编号：2013BS008）等资助。

吴瑶，1990年生。硕士研究生，现主要从事电路系统、油气探测理论与技术研究工作。电话：13709295689。