救援井电磁探测系统井下电极装置的设计研究*

□ 张 勇 □ 韩昊辰 □ 黄 哲 □ 孙 琦

1.中国石油大学（北京）石油工程学院 北京 102249

2.中国石油集团 钻井工程技术研究院 北京 102206

3.北京石油机械厂 北京 100083

救援井电磁探测系统井下电极装置的设计研究*

□ 张 勇1，3□ 韩昊辰2，3□ 黄 哲1，2□ 孙 琦2，3

1.中国石油大学（北京）石油工程学院 北京 102249

2.中国石油集团 钻井工程技术研究院 北京 102206

3.北京石油机械厂 北京 100083

救援井是解决井喷、漏油等事故的有效方法，而借助必要的电磁探测系统和定位工具进行救援井与事故井相对距离和方位的精确探测，是救援井技术成功的关键环节，因此，在分析国内外研究现状的基础上，设计了一种用于救援井电磁探测系统井下电极装置。对电极装置结构及原理进行了阐述，并通过建立井下电极的发射电流产生交变磁场的分布模型，分析救援井与事故井相对距离和方位的确定方法以及磁场强度的影响参数。该井下电极装置能够有效、稳定地将发射电流注入地层，其弹性扶正机构的弹性变径以适应井下复杂情况，避免电极装置在井下出现卡阻现象，提高救援井电磁探测系统在井下作业的稳定性。

电磁探测 电极装置 距离和方位 交变磁场 结构设计

救援井技术仍是解决漏油或井下事故等问题的可靠方法，在国内外受到了广泛的关注。其基本原理是在事故井附近的安全区域打一口定向井，使其井眼轨迹与事故井的轨迹在地层的某个层位汇合，将高密度的钻井液或水泥通过救援井注入事故井，以达到油（气）井灭火或控制井喷，避免造成严重的生态灾难和损失。但随着井眼条件越来越复杂、井斜角的增大、水平段长度的增长以及井眼轨迹的不确定性等，救援井与事故井井间相对距离和方位的精确探测是救援井技术成功的关键环节之一。

为了精确探测救援井与事故井的相对位置，采用特殊的救援井电磁探测定位技术，测试计算两口井的相对距离和方位来指导作业，保证救援井与事故井的连通。目前国外研制的Wellspot工具已基本满足救援井与事故井精确连通的工程需求，并在国外的救援井与事故井的连通中得以应用［1-3］。但由于Wellspot导向工具的核心技术仍被保密和垄断，而我国在这方面深入的研究较少，国内自主研发能够克服或适应井眼复杂条件的救援井电磁探测系统及配套工具，是推动我国救援井探测技术发展和应用的基础。为此，在分析和研究Wellspot导向工具以及救援井探测技术工作原理的基础上，设计了一种救援井电磁探测系统井下电极装置，使电磁探测系统在井下作业过程中能够适应井下复杂情况，避免电极装置在井下出现卡阻现象，从而提高作业的稳定性。

1 救援井电磁探测系统工作原理

救援井与事故井连通探测系统的工作原理如图1所示，主要由信号发射源电极和信号接收探管组成。其基本原理是：地面交流电源为井下电极提供高幅、低频交流电，通过井下电极将电流注入地层，并以球形对称的形式往地层中发散；根据安培定律，事故井中套管及周围产生相应电流并在周围产生交变磁场，使救援井中的探管可以检测到事故井周围的低频交变磁场，以及地磁场和重力场，然后发送至地面分析软件。地面分析软件利用接收到的井下数据，确定救援井与事故井的相对距离和方位及探管自身的方位，利用地面显示系统反馈给钻井工程师，指导救援井的进一步施工。

▲图1 救援井与事故井连通探测系统的工作原理

▲图2 井下电极装置结构示意图

2 井下电极装置的结构设计

如图2所示，救援井电磁探测系统井下电极装置由上马龙头、电极传导机构、电极支撑调节机构、弹性扶正机构、下马龙头、地面供电设备组成。上马龙头、下马龙头分别连接在装置上、下两端，与地面连通的铠装电缆通过上马龙头的中心圆形通孔为井下电极装置供电；电极支撑调节机构控制和调节电极传导机构的开合，弹性扶正机构起扶正作用，保证电极装置在井内居中，通过弹性作用以适应井下管径的变化。

地面供电设备包括由220 V交流电源为井下电极装置提供低频交流电流，并分别与隔离变压器输入端和低压变压器输入端相连；隔离变压器用于防止220 V交流电源在井下电极供电时发生短路，隔离变压器输出端与高压整流滤波电路相连，进而将电流转变成300 V直流电，再连接DC/AC变换电路，电流变为电压可调、频率为2 Hz的交流电源后，与电极导轮连通；而220 V交流电经低压变压器及低压整流滤波电路的变换之后，连接支撑电机，进而控制支撑电机工作。

2.1 电极传导机构的设计

电极传导机构由四组夹角为90°均布的电极传导单元构成，每组单元包括电极臂和电极导轮；电极导轮安装在电极臂末端，并绝缘隔开，通过电极臂内部的走线孔，电缆与电极导轮连接，将电流导入井壁和地层。

2.2 电极支撑调节机构的设计

电极支撑调节机构通过控制支撑电机工作带动滚珠丝杠旋转，丝杠螺母轴向滑移，推动顶杆、调节弹簧、滑动推杆轴向移动，将支撑臂撑开；支撑臂的两端分别通过连接销钉与电极臂和限位滑块连接，通过支撑调节机构控制支撑臂和电极臂的开合，以及调节弹簧的缓冲作用，提高井下电极装置的井眼适应能力。

2.3 弹性扶正机构的设计

弹性扶正机构的上连接接头与支撑调节机构连接，内孔螺纹与连接中轴连接，同时压紧压缩弹簧和滑动轴承；连接中轴两端连接上连接接头和下支撑连接接头，起连接支撑作用；滑环限位筒起保护压缩弹簧和限定滑环轴向滑动的作用；压缩弹簧采用矩形弹簧，两端分别与上连接接头、滑环连接；上支撑滑套的内孔与滑动轴承配合，下端夹角为90°的4个方向分别通过活动销与上支撑臂连接，上支撑滑套可以在压缩弹簧作用下沿轴向滑动，调节上支撑臂的开合；上支撑臂两端通过活动销分别与上支撑滑套、下支撑臂连接，下支撑臂两端同样通过活动销分别与上支撑臂、下支撑连接接头连接；滚轮安装在上支撑臂与下支撑臂的末端，并且绝缘隔开，在井下沿井壁滚动；弹性扶正机构能够在压缩弹簧的作用下，调节上支撑臂的开合度，从而适应井下管径的变化。

3 井下电极装置的工作过程及技术优势

3.1 工作过程

救援井电磁探测系统井下电极装置的工作过程如下。

（1）初始状态：电极装置的电极臂处于闭合状态，弹性扶正机构的上支撑臂、下支撑臂均张开，滚轮与井壁贴合，靠装置的自重下入井内目标段。

（2）通过低压整流滤波电路输出的直流电压控制支撑电机工作，带动滚珠丝杠旋转，丝杠螺母轴向滑移，推动顶杆、调节弹簧、滑动推杆轴向移动，将支撑臂撑开，直到电极导轮与井壁贴合，即：支撑电机→滚珠丝杠→丝杠螺母→顶杆→推靠接头→推靠弹簧→滑动推杆→支撑臂。

（3）将高压整流滤波电路和DC/AC交换电路输出的300 V、2 Hz的直流可调电压接通到电极导轮上，将稳定的电流导入井壁和地层中。

（4）控制支撑电机反转，拉杆轴向移动来带动滑动推杆向下滑移，将支撑臂和电极臂收回闭合。

（5）井下电极装置在井内沿井眼下方一定位置，重复（1）～（4）的步骤，进行下一个测量过程。待井下探测作业完毕，关闭地面供电设备，将井下电极装置从井内取出。

3.2 技术优势

该井下电极装置通过四组夹角成90°均布的电极传导单元将低频交变电流有效、稳定地导入地层，通过电极支撑调节机构控制和调节电极传导机构的开合，使电极导轮在井内更好地贴合井壁；弹性扶正机构能够保证电极装置在井内居中良好。这些设计，使井下电极装置适应井下管径的变化，避免电极装置在井下出现卡阻现象，提高了救援井电磁探测系统在井下作业的稳定性，更加适应于深井连通定向钻井工程。

4 间距与方位的确定

救援井与事故井间距和方位的计算模型如图3所示。井下探管主要包括一个三轴加速度传感器和一个三轴磁通门传感器。单位矢量X、Y和Z的方向分别代表三轴磁通门传感器及三轴加速度传感器X、Y和Z轴的方向，三轴加速度传感器用来探测探管处的三轴重力加速度，然后结合救援井的测斜数据确定探管自身的摆放姿态。三轴磁通门传感器用于探测井下探管所在位置的三轴电磁场和事故井套管上聚集的低频交变电流产生的交变磁场，从而确定井下探管和事故井套管的间距和方位［4-7］。

4.1 井间相对距离的确定

图3（a）中，单位矢量n1、n2分别为事故井和救援井的轴向，可通过测斜数据得到。H为事故井套管内电流I（z）在探管处产生的磁场强度，HP为H在三轴磁通门传感器X轴和Y轴磁场分量所在平面上的投影，Hd为H沿Z轴方向的磁场分量。H和井间距矢量r在同一平面内，当HP由三轴磁通门传感器测得后，通过式（1）、式（3）就可确定H和井间距离r的值［4-7］，即：

结合式（1），由毕奥-萨伐尔定律可得：

式中：μ0为真空磁导率。

4.2 井间相对方位的确定

在图3（b）中救援井连通处，G为三轴加速度传感器所测得的探管处重力矢量，GP为G在三轴加速度传感器X轴和Y轴重力分量所在平面上的投影，Gd为G沿Z轴方向的重力矢量的分量，GP在X、Y轴方向的分量为G1和G2，事故井套管内电流产生的磁场强度HP在X、Y轴方向的分量为H1和H2，α为探管处重力矢量分量GP与传感器X轴之间的夹角，β为探管处磁场强度分量HP与重力矢量分量GP之间的夹角，即救援井与事故井井间相对方位角，则有：

▲图3 救援井与事故井间距和方位的计算模型

由两向量夹角公式可得：

因此，通过磁通门传感器和加速度传感器可以测得H1、H2、G1、G2，代入式（5）中求得夹角β，从而确定救援井与事故井的井间相对方位。

5 磁场强度的影响参数分析

救援井中探管所探测事故井周围交变磁场强度是保障救援井电磁探测系统在井下作业的关键，而影响磁场强度的因素主要有井下电极装置上电极的电流I、救援井与事故井的间距r、电极装置与探管间距d、电极装置长度L、电极装置在井下的深度D以及救援井井斜角θ等参数。

在救援井与事故井间距r不变时，地面交流电源为井下电极提供的电流I越大，事故井中套管及周围产生电流以及所产生交变磁场越强，使救援井中的探管检测到事故井周围的低频交变磁场信号强度就越强。电极装置与探管间距d越大，探管所检测到的磁场强度就越小。当救援井与事故井间距r不变时，电极装置的长度L对救援井中探管探测到的磁信号强度基本没有影响。

当电极装置在井下某一测量位置，而电极与探管间距d一定的情况下，磁场强度达到一定强度后，地面供电电流大小的变化对两井间距的测量误差影响很小。当井下电极与探管间距d一定时，两井间距和方位的测量误差随着电极装置在井下的深度D增大而减小，也就是说应用该井下探测电极装置时需置于井下一定深度，以降低测量误差。

▲图4 磁场强度的影响参数分布图

6 结束语

针对救援井与事故井邻井相对距离和方位的精确探测问题，提出了一种救援井电磁探测系统井下电极装置；对该电极装置结构及原理进行了阐述，并通过建立井下电极的发射电流产生交变磁场的分布模型，分析救援井与事故井相对距离和方位的确定方法以及井下电极装置上电极的电流I、救援井与事故井的间距r、电极装置与探管间距d、电极装置长度L、救援井井斜角等参数对磁场强度的影响。该设计旨在迎合国内自主研发能够适应井眼复杂条件的救援井电磁探测系统的配套工具，提高救援井电磁探测系统在井下作业的稳定性；推动我国救援井电磁探测技术发展和应用。

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TH136；TE28

A

1000-4998（2015）04-0073-04

*国家自然科学基金资助项目（编号：51221003）

国家重大科技专项（编号：2011ZX05009-005）

2014年10月