曹向峰管志川王智鋒孫峰.勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

煤層氣連通井導(dǎo)向鉆井鉆頭定位方法

曹向峰1，2管志川2王智鋒1孫峰1
1.勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

基于低頻交變磁場(chǎng)的特性，構(gòu)建了近鉆頭磁源的低頻交變磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)隨鉆測(cè)量?jī)x器（MWD）的測(cè)量原理，建立測(cè)量坐標(biāo)系，并推導(dǎo)出磁源坐標(biāo)系向測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的解算方法，從而形成了測(cè)量坐標(biāo)系下的鉆頭定位方法。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作了精確連通導(dǎo)向儀器和工具，配套了磁導(dǎo)向連通井的鉆井工藝，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明：在常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合基礎(chǔ)上增加近鉆頭磁短節(jié)形成磁導(dǎo)向鉆具組合，利用參數(shù)優(yōu)化和軌跡實(shí)時(shí)測(cè)量和軌跡姿態(tài)控制，在730 m水平段實(shí)現(xiàn)了連接誤差小于1 m，使水平井和直井精確連通，為煤層氣的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。

煤層氣；連通井；水平井；磁性導(dǎo)向；導(dǎo)向定位；隨鉆測(cè)量

連通井鉆井技術(shù)一般是指1口水平井和1口直井連通組成井組來(lái)開(kāi)采煤層氣或地下可溶性礦的工藝技術(shù)［1］。以煤層氣開(kāi)發(fā)為例，直井加水平井的組合是最佳開(kāi)發(fā)模式。直井在目的層通過(guò)擴(kuò)孔使井眼直徑達(dá)1 m左右［2-4］，這就要求2口井連通的誤差不超過(guò)1 m，而常規(guī)測(cè)量?jī)x器無(wú)法滿(mǎn)足這樣的井眼軌跡控制精度要求，為了提高連通成功率，國(guó)內(nèi)外在綜合考慮各種導(dǎo)向方法基礎(chǔ)上，主要是采用磁性導(dǎo)向技術(shù)［5-12］。國(guó)內(nèi)對(duì)磁性導(dǎo)向儀器的測(cè)量原理和規(guī)律探索較多［13-14］，但對(duì)于實(shí)際操作過(guò)程中最重要的鉆頭如何定位的計(jì)算方法卻少有涉及，因此文中根據(jù)低頻交變磁場(chǎng)的特性，以常規(guī)MWD儀器為基礎(chǔ)通過(guò)導(dǎo)向解算，建立了磁導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的定位方法，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，2口井成功連通，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 低頻交變磁場(chǎng)導(dǎo)向原理Guidance mechanics of the low-frequency alternating magnetic field

自然界的磁現(xiàn)象均可以等效于若干個(gè)磁偶極子磁場(chǎng)疊加［15］，參考畢奧-薩伐爾定律，并結(jié)合宗艷波等人提出的旋轉(zhuǎn)磁偶極子的信號(hào)傳播模型［16］，建立近鉆頭磁源數(shù)學(xué)模型和參考場(chǎng)模型，如圖1所示。

圖1　近鉆頭磁源模型及參考場(chǎng)模型Fig. 1 Model of near bit magnetism source and reference field

圖1中，w為近鉆頭旋轉(zhuǎn)軸，Mc、Ms為彼此正交的一對(duì)磁偶極子，磁矩大小分別為Mc、Ms，A·m2，三者之間兩兩垂直，構(gòu)成直角坐標(biāo)系。P為測(cè)量單元的傳感器所在位置，P點(diǎn)與原點(diǎn)的距離為r。θ1、θ2、φ1、φ2分別是OP在xy平面上的投影與x軸的夾角，OP在yz平面上的投影與y軸的夾角，z軸與OP的夾角，x軸與OP的夾角，°。α、φ0、θ0分別是磁場(chǎng)強(qiáng)度Hcs與旋轉(zhuǎn)軸w之間的場(chǎng)強(qiáng)俯仰角，矢量r與旋轉(zhuǎn)軸w之間的俯仰角，矢量r在uv平面內(nèi)的方位角，°。則任一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以表示為

根據(jù)幾何關(guān)系，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換，最終可得如下關(guān)系：

（1）當(dāng) 0＜∠φ0＜π/2時(shí)，r、Hcs、w共面，∠α與∠φ0之間滿(mǎn)足關(guān)系

（2）當(dāng)∠φ0≈0時(shí)，r、Hcs、w共面，∠α與∠φ0之間滿(mǎn)足關(guān)系

（3）當(dāng)∠φ0≈0時(shí)，r與w重合

2 低頻交變磁場(chǎng)導(dǎo)向鉆頭定位方法Leading guidance method of bit in the lowfrequency alternating magnetic field

構(gòu)建以測(cè)量?jī)x器為基準(zhǔn)的地理基準(zhǔn)坐標(biāo)系，就需要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和解算。坐標(biāo)模型如圖2所示。

圖2　近鉆頭和3軸磁傳感器的坐標(biāo)模型Fig. 2 Space model of magnetic pickup near bit and 3axis

圖中近鉆頭（源端）位置為O點(diǎn)，w為旋轉(zhuǎn)軸向，指向鉆進(jìn)方向，Ou和Ov在鉆具徑向平面內(nèi)，彼此正交，建立源端坐標(biāo)系uvw。P所在的測(cè)量坐標(biāo)系隨探管姿態(tài)變化，其中縱軸Pz為探管的軸向，指向探管上端，Px和Py軸在徑向平面內(nèi)，彼此正交。QXYZ是參考基準(zhǔn)地理坐標(biāo)系，QX軸指向地磁北，QY軸指向地磁西，QZ軸為地垂線(xiàn)，指向天。坐標(biāo)系符合右手螺旋規(guī)則。

測(cè)量坐標(biāo)系xyz可以看作是由地理坐標(biāo)系XYZ 經(jīng)3次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后得到的，第1次旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)得方位角A，第2次旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)得傾斜角I，第3次旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)得工具面角T，如圖3所示。

圖3　探管坐標(biāo)系xyz與地理坐標(biāo)系XYZ之間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between the probe coordinate systems and geographic coordinate systems

以上變化過(guò)程的轉(zhuǎn)換矩陣為

由重力矢量和地磁場(chǎng)矢量的關(guān)系，可得

式中，gx，gy，gz分別是重力加速度g向量在Ox、Oy和Oz上的分量，m/s2。Hh和Hv是地磁場(chǎng)H向量在OX 和OZ軸上的分量，A/m。

所以?xún)A斜角、工具面角、方位角分別可求得

同理，源端坐標(biāo)系uvw與地理基準(zhǔn)坐標(biāo)系XYZ之間的轉(zhuǎn)換矩陣為

其中OXYZ坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)方位角A'、傾斜角I'，同時(shí)鉆頭不斷旋轉(zhuǎn)，故不考慮工具面。A'、I'可通過(guò)近鉆頭端的MWD配合提供，根據(jù)前一時(shí)刻測(cè)得的數(shù)據(jù)解算獲知。從而

在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)測(cè)的各場(chǎng)強(qiáng)分量可確定當(dāng)前鉆頭位置，從而可確定近鉆頭端O相對(duì)于目標(biāo)端P的空間位置關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)鉆向目標(biāo)靶區(qū)。

3 雙井精確連通導(dǎo)向儀器的工作原理及系統(tǒng)的組成Mechanics and composition of accurate connection guiding instruments

連通井導(dǎo)向定位測(cè)量系統(tǒng)包括源端磁鋼、目標(biāo)端井下測(cè)量系統(tǒng)、目標(biāo)端地面系統(tǒng)。其中源端近鉆頭磁鋼隨鉆鋌同步旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以被目標(biāo)端井下系統(tǒng)中的高靈敏度磁傳感器捕獲，目標(biāo)端井下系統(tǒng)還攜帶有加速度傳感器，與磁傳感器配合使用，可測(cè)得目標(biāo)井中傳感器所在位置的井斜、方位和高邊信息。將磁傳感器捕獲的交變磁場(chǎng)信息以及地磁場(chǎng)信息、加速度信息，一起上傳至地面系統(tǒng)，地面系統(tǒng)采用文中的導(dǎo)向定位算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算、處理和顯示，從而得到源端磁極系的空間位置信息，從而對(duì)源端鉆鋌的走向精確定位。定向工程師根據(jù)這些數(shù)據(jù)不斷修正待鉆井眼軌跡，在兼顧地質(zhì)導(dǎo)向數(shù)據(jù)確保在煤層中鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整動(dòng)力鉆具的鉆進(jìn)姿態(tài)，使井眼軌跡朝造穴井洞穴方向鉆進(jìn)，直到最終連通。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Field application

DFS-C04-H2是彬長(zhǎng)礦區(qū)的1口水平連通井，二開(kāi)著陸點(diǎn)井深649.36 m，三開(kāi)煤層進(jìn)尺729.72 m。該井在水平段通過(guò)采用磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)，與DFSC04-V1排采直井順利連通。

4.1鉆具組合

bottom hole assembly

設(shè)計(jì)水平井段長(zhǎng)729.72 m，而根據(jù)地面試驗(yàn)結(jié)果，磁導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量距離在70 m左右，因此在水平段采用2種鉆具組合。

（1）常規(guī)的導(dǎo)向鉆具組合，根據(jù)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伽馬數(shù)據(jù)，及時(shí)判斷鉆頭位置，隨時(shí)調(diào)整井眼軌跡。為了最大限度地在煤層中鉆進(jìn)，將實(shí)際靶點(diǎn)范圍限制在上下0.5 m，并對(duì)井底及待鉆井眼軌跡位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。所用導(dǎo)向鉆具組合為?149.2 mmPDC鉆頭+?120 mm螺桿+?120 mm無(wú)磁鉆桿+?120 mmMWD（含伽馬）+?120 mm無(wú)磁鉆桿+?73 mm鉆桿+?73 mm加重鉆桿+?73 mm鉆桿。

（2）磁導(dǎo)向鉆具組合，在距離連通直井70 m左右時(shí)，下入磁導(dǎo)向鉆具，通過(guò)直井中下入的測(cè)量?jī)x器隨時(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭所處位置和姿態(tài)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果不斷判斷連通能力和調(diào)整井眼軌跡，保證順利連通，所用磁導(dǎo)向鉆具組合為?149.2 mmPDC鉆頭+強(qiáng)磁接頭+?120 mm螺桿+?73 mm無(wú)磁鉆桿+?73 mmMWD +?73 mm無(wú)磁鉆鋌+?89 mm鉆桿+?73 mm加重鉆桿+?73 mm鉆桿。

4.2應(yīng)用效果

Application effect

該井在距離靶點(diǎn)68.29 m處儀器測(cè)量到有效信號(hào)，此時(shí)方位偏差4.46°，垂深偏差1.19 m，每鉆進(jìn)3 m測(cè)量1次數(shù)據(jù)進(jìn)行方位偏差與垂深偏差的修正，磁導(dǎo)向測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　磁導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量的鉆頭位置與目標(biāo)端位置的偏差Table 1 The deviation of bit position measured by magnetic guidance system and target end position

鉆進(jìn)過(guò)程中根據(jù)磁導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)得的偏差數(shù)據(jù)不斷修正目標(biāo)點(diǎn)的位置鉆進(jìn)至距離為13.93 m時(shí)，方位偏差修正至0.73°，垂深偏差修正至2.81 m，經(jīng)計(jì)算復(fù)合鉆進(jìn)即可連通。最終鉆進(jìn)至1398.5 m時(shí)DFSC04-H2井口無(wú)鉆井液返出，泵入20 m3水后在直井有清水溢出，表明直井與水平井連通成功，同時(shí)從表1測(cè)量結(jié)果來(lái)看，磁導(dǎo)向測(cè)量鉆頭位置結(jié)果仍然存在一定誤差，這一方面是由于測(cè)量?jī)x器本身系統(tǒng)誤差，這部分無(wú)法消除；另一方面是由于地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)造成的干擾，建議今后在MWD儀器上下各接1根無(wú)磁鉆桿。

5 結(jié)論Conclusions

（1）根據(jù)低頻交變磁場(chǎng)導(dǎo)向原理，針對(duì)水平對(duì)接連通井的特點(diǎn)和儀器定位需要，提出了以MWD儀器為基礎(chǔ)的磁導(dǎo)向系統(tǒng)鉆頭定位計(jì)算方法。

（2）應(yīng)用結(jié)果表明，在磁性導(dǎo)向的鉆頭精確定位方法指導(dǎo)下，兩井連通，表明此方法精確可靠，為煤層氣和可溶性礦的高效開(kāi)采提供了重要的技術(shù)支撐。

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于地磁影響會(huì)對(duì)方位的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定影響，為了降低對(duì)方位的干擾，建議在MWD儀器上下各接1根無(wú)磁鉆桿。

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（修改稿收到日期 2015-10-23）

〔編輯 薛改珍〕

Drill bit positioning method based on connected well guidance for coalbed methane
CAO Xiangfeng1， 2， GUAN Zhichuan2， WANG Zhifeng1， SUN Feng1

1. Drilling Technology Research Institute， Shengli Petroleum Engineering Co. Ltd.， Dongying， Shandong 257017， China；

2. Petroleum Engineering College， China University of Petroleum （East China）， Qingdao， Shandong 266580， China

On the basis of the features of low-frequency alternating magnetic field， the mathematical model of low-frequency alternating magnetic field near the magnetic source in drill bit has been set up. According to the measurement principle of measurementwhile-drilling （MWD） tool， the measurement coordinate system has been set up， and the method for conversion from magnetic source coordinate system to measurement coordinate system has been derived， so as to form the drill bit positioning method under measurement coordinate system. On this basis， the accurate connection guiding instruments and tools have been designed and made， the drilling process for magnetic guiding connected well has been developed， and the field application has been carried out. The results indicate that：by adding the near-drill-bit magnetic tool to conventional combination of drilling tools， optimizing the parameters， carrying out realtime measurement of trajectory and controlling the trajectory posture， the connection error less than 1m has been achieved in the 730m horizontal section， so that the horizontal well and vertical well can be connected accurately， and the technical support has been provided for the development of coalbed methane.

coalbed methane； connected well； horizontal well； magnetic guidance； guide position； measurement while drilling

CAO Xiangfeng， GUAN Zhichuan， WANG Zhifeng， SUN Feng. Drill bit positioning method based on connected well guidance for coalbed methane［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 151-155.

TE21

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0151 -05

10.13639/j.odpt.2016.02.004

中國(guó)石油化工集團(tuán)公司科技攻關(guān)項(xiàng)目“磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”（編號(hào)：JP10006）。

曹向峰（1979-），2001年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程系，中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院在讀博士研究生，一直從事鉆井技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工作，高級(jí)工程師。通訊地址：（257017）山東省東營(yíng)市勝利石油鉆井工藝研究院。電話(huà)：0546-8791421。E-mail： caoxiangfeng.slyt@sinopec.com

引用格式：曹向峰，管志川，王智鋒，孫峰. 煤層氣連通井導(dǎo)向鉆井鉆頭定位方法［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：151-155.