基于套管节箍自动跟踪识别技术的射孔深度控制方法

丛颜

(中石化中原石油工程有限公司 井下特种作业公司，河南 濮阳 457162)

射孔对油田开发具有至关重要的作用，射孔施工的深度控制既是有效进行射孔完井的前提也是油田开发的关键[1]。射孔能够在打通套管和油气层后使油气流出，由于薄油层的射孔施工具有更大的难度，因此也给射孔施工带来了新的难题，当需要进行多个油层的钻取施工时，若射孔深度在地层的射开过程较为完善，能够准确地在油气层的上下界面完成射孔，则可以有效提高油井产能，但是由于目前的射孔作业技术在进行实际射孔深度控制中存在着较大的困难，传统依靠人工进行射孔施工的施工精度较低，使射孔深度存在着较大的误差，成为油田开发与施工人员重点关注并亟待解决的问题[2-3]。射孔定位施工若精度不高，则会使油气层得不到充分的开发，若存在较大误差则会突破油气层的上下界面，误开底水和气顶，直接影响着该地区油田开发的前景，造成油井的破坏，影响油井开采的年限，因此需要深入分析射孔施工中存在的问题，进行射孔深度控制，尽可能地提高射孔施工的精度[4]。在传统的油田射孔作业中，需要识别节箍信号，在这些信号中会存在着一些干扰噪声信号，需要对信号压噪去噪，但对于开采时间在四五十年前的油井而言，往往会出现套管节箍破损等问题，若直接识别幅度会严重影响射孔施工的精度，因此，本文将自动跟踪技术应用于射孔施工中，对套管节箍跟踪识别，控制射孔深度，对射孔施工提供了参考依据，对提高射孔施工水平，保证施工精度和质量具有重要的现实意义。

1 套管节箍自动跟踪识别

1.1 节箍信号特点

在油田作业中，第一个油层下的节箍往往是射孔作业定位与识别射孔深度的参照，对节箍信号的识别、对射孔深度的定位与控制具有重要的影响，若未能有效地识别节箍信号，则会引入更多的错误信号，导致射孔深度的探测精度难以满足射孔作业的要求，影响射孔作业的质量[5]。因此，在射孔作业深度控制中，不仅要及时校正射孔深度，还应正确识别节箍信号。本文基于自动跟踪识别技术，采集节箍信号，分析节箍信号的特征，并通过滤波技术处理节箍信号，从幅度和深度角度出发，在控制干扰信号的同时识别节箍位置。本文所用的节箍信号测量仪器为磁定位器，其测量过程是监测探头在套管中移动，监测探头在套管周围产生了一定磁场，当磁定位器经过节箍时，会引起周围的磁场变化，进而使磁力线发生变化，磁定位器中的探头根据铁磁物质的改变进行线圈切割磁力线，从而形成感应电势，形成节箍信号具体如图1所示。

由图1可知，节箍信号波形会受检测速度的影响，产生不规律的波形，但总体上来说，节箍信号又存在相同特点，其波形都具有主尖峰和副尖峰，主尖峰在节箍中间位置，副尖峰位于信号波形的两侧[6]。主尖峰为单峰信号，对于磁定位器的检测来说，主尖峰比副尖峰的幅度突出，更利于幅度检测，因此，在节箍信号的检测中，能够控制干扰，完成节箍信号的识别，准确定位节箍深度。在非节箍处不存在尖峰信号，为了减少干扰信号对检测的影响，在非节箍处应关闭检测。

1.2 节箍信号滤波处理与识别

在节箍信号的识别中，若能够正确识别出主尖峰信号，就能够得到套管节箍的深度，定位射孔深度。为了保证射孔作业的施工达到深度精度要求，避免出现误射孔现象，需要结合自动跟踪识别技术的优势，自动跟踪信号的幅度和深度，在磁定位器探头进入射孔井段后，采用信号窗口鉴别方法，结合自动获取的信号数据，调整门限电平，动态调整识别窗口，从而判断该节箍信号是否存在异常现象[7]。由于节箍信号的大小与磁定位器的运行速度密切关联，速度应控制在0.3～2 km/h，小于0.3 km/h速度过慢，大于2 km/h速度过快。因此在射孔作业中应适时地调整测速，信号波形随磁定位器测速的变化如图2所示。

由图2可知，在正常测量条件下，节箍信号的波形是较为规律的；在较快的测量速度下的信号，由于不具有足够的反应时间，因此会产生信号的变形，无法实现正常检测；在较慢的测量条件下，波形会在主尖峰处出现畸变，不能保证节箍信号检测的准确性，为了保证节箍信号的有效识别，本文通过速度滤波处理信号。其中，磁定位器的测量速度通过平滑滤波迭代，得到平均速度的累加值，计算公式如式(1)所示：

图2 不同测速状态下节箍信号波形变化示意

(1)

式中：vi，vi-1——当前速度和上一点处理的平均速度的累加值；N——采样点数量；v——磁定位器在检测时的运行速度，从而获取速度滤波系数。

经过在节箍信号的平滑处理完成后，对节箍信号中存在的畸变以及基底的干扰信号都实现了一定的消除，经滤波处理后，本文节箍信号变化规律，波形曲线呈现出均匀平滑的特点[8]。在节箍信号识别过程中，先设置门限电平，随后以信号幅度的变化为依据，调整门限电平，并通过深度计数器不断更新修改后的计算值。获取在信号采集期间累加信号的最大幅度值来实现，再比较主尖峰信号幅度值，以信号最大值作为节箍深度。在已知测井深度的前提下，利用磁定位器继续沿井下方向运动，确定下一节箍位置所在的深度，将该节箍位置的上下50 cm设置为信号窗口的识别范围，其他部分的信号将作为干扰信号，不纳入识别范围，在识别窗口进行多次识别后取跟踪误差，最后的节箍深度选择在误差值最小的位置，并根据深度序列继续深度跟踪，将测井中包括深度等一系列参数的变化数据存储，并以上一点的跟踪数据作为当前数据，完成换向跟踪后跟踪识别测井深度，在套管节箍识别后可以进行射孔作业。

1.3 射孔深度控制

本文基于射孔深度数据处理系统校正射孔深度，并设计射孔施工作业流程。在该系统运行时，施工作业人员可以并行操作自己的业务，并从远程服务器上加载分井信息，进行深度校正的操作，完成射孔施工设计，在标图完成后审核标图，校深取值，处理疑难井，进而继续校深取值，在射孔施工设计完成后，对其进行复核，并判断校深取值和标图审核是否完成，最后审批审核报表和全套资料，审核已经提交的审核节点，具体工作流程如图3所示。

图3 射孔深度数据处理流程示意

由图3可知射孔深度数据处理情况，为了缩小射孔深度误差的范围，需要在射孔作业中进行以下控制，在测井施工作业期间维修保养油井的深度系统，若在定期检查中发现磨损量较大，且具有风险隐患的则应及时更换，校正深度系统和电缆记号，使测井深度数据更加准确[9]。校正各井段的射孔作业，细化校正井段及校正值，为了减小相邻井段的校正值差异，各段校正值应尽量在15 cm以内。测量仪器检测的记录点位置可能会在长时间施工及运行期间出现偏差，需要定期测量，并及时更新连接头和射孔枪之间的长度变化。在射孔作业中重点注意在长井段排炮过程中的长度计算，在测试联作施工阶段，为了进一步把握测量精度，将施工作业读图的读数精度精确到0.1 cm，缩短较深定位短接和第一枪射孔距离[10]。为了便于对管柱的调整，准备好不同规格的短油管，在加压引爆射孔枪之前，通过上提的方式调整管柱，在安全条件下做好管柱定位。由于加压引爆射孔枪时会产生向下的误差，因此要适当将管柱在偏上的位置进行定位，不断修正管柱深度，并在后续施工中，以射后曲线检验结果为依据，进行相应的调整。对于具有定位难度的短节深度的尖峰，在读图较深中通过分别读取方式实现，保持射孔施工时的测量速度接近于滞后值的测速。

2 实验论证分析

2.1 实验准备

本文利用联作测试，在射孔完井后根据测试的要求，准备地面设备，测井仪，磁定位器等专用工具，测试中所需要的工具和设备，需要进行室内性能测试和水压密封试验，在检验合格后进入井场。井场及周围应保障无障碍物，且具有完备的照明系统和电路，规定与套管尺寸相符的标准通井，下入深度应超过本次射孔井底以下30 m。为了控制射孔深度，在试验射孔作业中，电缆输送射孔是将电缆连接射孔枪与校深仪器，一同下放到井筒中，通过测量套管节箍的深度和长度，结合测井资料实现射孔深度的控制，将射孔枪对准目标层，在准确定位射孔深度后加压起爆射孔枪，形成地层到井筒的泄流通道。在油管输送射孔时将射孔枪连同起爆装置一同下放，通过一次校深完成深度校正与控制，通过井口调整管柱，再重复上述射孔方式，运用测井仪测量底层油管节箍深度，综合测井资料控制和校正射孔深度，实现施工作业。本文的射孔深度数据处理系统基于Windows2010平台开发，该系统具备排炮、曲线自动化录入、平差计算等功能，回收现场实测曲线和资料验收曲线，实现磁盘传递数据。具体射孔深度数据处理系统中的资料处理结构如图4所示。

图4 射孔资料处理结构示意

由图4可知，利用扫描仪将综合测井图中的伽玛曲线以图像方式输入到计算机中，进行曲线的数字化处理，再将测井曲线进行数据文件格式的转化后存储，便于在射孔施工现场对图使用，在资料处理中，利用自动化技术实现自动标图和校深，得到渐变的校深表曲线，自动计算射孔排炮单，并进行存储作为现场射孔施工的资料依据，在射孔施工结束后，将磁盘连同实测射孔深度数据交给校深工作人员，在完成现场所测数据的回收后，反映出现场射孔施工的真实情况，检查射孔质量。

2.2 实验结果与结论

首先验证本文的节箍信号滤波处理效果，对特征信号最为明显的频段进行噪声干扰处理，将信号数据分段，为了保证实验效果的准确性，对节箍测点数据进行滤波处理，并分析滤波前后的数据误差，整理得到滤波前后相对误差对比表，本文选取第2次实验中的测点1～4的滤波处理前后的测点位置误差进行分析，具体见表1所列。

表1 第2次实验滤波前后平均相对误差对比 %

由表1可知，在经过滤波处理后，测点位置数据的相对误差明显减小，其结果与实际数据更加接近，由此可见，经过滤波处理后能够提高测量数据的准确性。定位校深是实现油气井精确射孔完井的重要条件，为验证本文方法对射孔深度校正的有效性，预先在本文使用的射孔深度数据处理系统中导入A井和B井的短节箍深度，分别为2 219.23～2 220.98 m和2 869.34～2 876.53 m，射孔井段分别为2 310.45～2 325.78 m和3 084.63～3 097.20 m，射孔厚度分别为8.4 m和4.2 m的基本数据，并将A井和B井校正前后的数据进行对比，具体对比见表2所列。

表2 A井和B井射孔深度校正前后对比 m

由表2可知，经过本文方法对射孔深度的校正，最终A井和B井射孔深度校正为2 219.20～2 220.95 m和2 869.35～2 876.54 m，原本误差值在-4.13～5.83 m，经过本文方法校正后，误差值分别为0.03 m和0.01 m，证明本文方法有效地提供了射孔深度的准确性。根据本文多射孔作业环境下的施工要求，在节箍信号数据识别与采集过程中，设置射孔深度数据采集密度为25点/m，定位射孔作业深度，实现射孔实测，其测试结果见表3所列。

表3 普通射孔磁定位器信号和标准节箍信号对比 Hz

由表3可知，本文方法在射孔深度实测中，能够正常识别节箍信号，确定射孔深度，且本文射孔实测结果与施工设计标准结果的最大误差为0.13 Hz，其实测信号曲线与标准节箍信号曲线较为一致，通过本文方法在研究区域内油田的现场应用，通过自动化跟踪识别技术增强了射孔作业的实时性，有效控制了射孔作业精度。

3 结束语

本文通过分析节箍信号特点，滤波处理与识别节箍信号，控制射孔深度，完成了本文研究，取得了一定的研究成果。由于时间和条件的限制，本文研究还存在着诸多不足，有待于在今后的研究中深入探讨，如没有涉及对伽马曲线的自动对图处理，在射孔施工的中间环节的研究中，还有许多环节需要进行全面分析，尽可能地在各个环节减少施工误差，进而有效保证射孔作业的质量，为更好地进行油气层的开发做好准备，未来还将不断拓宽磁定位曲线的应用领域，利用更加先进的技术进行准确的校深读图，从而更好地控制射孔深度，使油气层开发更加完善，保证油井产能和油田开采的年限。