煤層氣連通井導向鉆井鉆頭定位方法

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；.中國石油大學（華東）石油工程學院

煤層氣連通井導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.中國石油大學（華東）石油工程學院

基于低頻交變磁場的特性，構建了近鉆頭磁源的低頻交變磁場數學模型。根據隨鉆測量儀器（MWD）的測量原理，建立測量坐標系，并推導出磁源坐標系向測量坐標系轉換的解算方法，從而形成了測量坐標系下的鉆頭定位方法。在此基礎上設計并制作了精確連通導向儀器和工具，配套了磁導向連通井的鉆井工藝，并進行了現場應用，結果表明：在常規導向鉆具組合基礎上增加近鉆頭磁短節形成磁導向鉆具組合，利用參數優化和軌跡實時測量和軌跡姿態控制，在730 m水平段實現了連接誤差小于1 m，使水平井和直井精確連通，為煤層氣的開發提供了技術支撐。

煤層氣；連通井；水平井；磁性導向；導向定位；隨鉆測量

連通井鉆井技術一般是指1口水平井和1口直井連通組成井組來開采煤層氣或地下可溶性礦的工藝技術［1］。以煤層氣開發為例，直井加水平井的組合是最佳開發模式。直井在目的層通過擴孔使井眼直徑達1 m左右［2-4］，這就要求2口井連通的誤差不超過1 m，而常規測量儀器無法滿足這樣的井眼軌跡控制精度要求，為了提高連通成功率，國內外在綜合考慮各種導向方法基礎上，主要是采用磁性導向技術［5-12］。國內對磁性導向儀器的測量原理和規律探索較多［13-14］，但對于實際操作過程中最重要的鉆頭如何定位的計算方法卻少有涉及，因此文中根據低頻交變磁場的特性，以常規MWD儀器為基礎通過導向解算，建立了磁導向鉆進時鉆頭的定位方法，現場試驗，2口井成功連通，達到了預期效果。

1 低頻交變磁場導向原理Guidance mechanics of the low-frequency alternating magnetic field

自然界的磁現象均可以等效于若干個磁偶極子磁場疊加［15］，參考畢奧-薩伐爾定律，并結合宗艷波等人提出的旋轉磁偶極子的信號傳播模型［16］，建立近鉆頭磁源數學模型和參考場模型，如圖1所示。

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

圖1中，w為近鉆頭旋轉軸，Mc、Ms為彼此正交的一對磁偶極子，磁矩大小分別為Mc、Ms，A·m2，三者之間兩兩垂直，構成直角坐標系。P為測量單元的傳感器所在位置，P點與原點的距離為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分別是磁場強度Hcs與旋轉軸w之間的場強俯仰角，矢量r與旋轉軸w之間的俯仰角，矢量r在uv平面內的方位角，°。則任一點的磁場強度可以表示為

根據幾何關系，經過數學變換，最終可得如下關系：

（1）當 0＜∠φ0＜π/2時，r、Hcs、w共面，∠α與∠φ0之間滿足關系

（2）當∠φ0≈0時，r、Hcs、w共面，∠α與∠φ0之間滿足關系

（3）當∠φ0≈0時，r與w重合

2 低頻交變磁場導向鉆頭定位方法Leading guidance method of bit in the lowfrequency alternating magnetic field

構建以測量儀器為基準的地理基準坐標系，就需要進行坐標系的轉換和解算。坐標模型如圖2所示。

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

圖中近鉆頭（源端）位置為O點，w為旋轉軸向，指向鉆進方向，Ou和Ov在鉆具徑向平面內，彼此正交，建立源端坐標系uvw。P所在的測量坐標系隨探管姿態變化，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，彼此正交。QXYZ是參考基準地理坐標系，QX軸指向地磁北，QY軸指向地磁西，QZ軸為地垂線，指向天。坐標系符合右手螺旋規則。

測量坐標系xyz可以看作是由地理坐標系XYZ 經3次坐標旋轉后得到的，第1次旋轉，轉得方位角A，第2次旋轉，轉得傾斜角I，第3次旋轉，轉得工具面角T，如圖3所示。

圖3　探管坐標系xyz與地理坐標系XYZ之間的關系Fig. 3 Relationship between the probe coordinate systems and geographic coordinate systems

以上變化過程的轉換矩陣為

由重力矢量和地磁場矢量的關系，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H向量在OX 和OZ軸上的分量，A/m。

所以傾斜角、工具面角、方位角分別可求得

同理，源端坐標系uvw與地理基準坐標系XYZ之間的轉換矩陣為

其中OXYZ坐標系經過旋轉方位角A'、傾斜角I'，同時鉆頭不斷旋轉，故不考慮工具面。A'、I'可通過近鉆頭端的MWD配合提供，根據前一時刻測得的數據解算獲知。從而

在此基礎上結合實測的各場強分量可確定當前鉆頭位置，從而可確定近鉆頭端O相對于目標端P的空間位置關系，最終實現鉆向目標靶區。

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

連通井導向定位測量系統包括源端磁鋼、目標端井下測量系統、目標端地面系統。其中源端近鉆頭磁鋼隨鉆鋌同步旋轉，產生交變磁場，由此產生的磁場可以被目標端井下系統中的高靈敏度磁傳感器捕獲，目標端井下系統還攜帶有加速度傳感器，與磁傳感器配合使用，可測得目標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信息以及地磁場信息、加速度信息，一起上傳至地面系統，地面系統采用文中的導向定位算法進行數據的解算、處理和顯示，從而得到源端磁極系的空間位置信息，從而對源端鉆鋌的走向精確定位。定向工程師根據這些數據不斷修正待鉆井眼軌跡，在兼顧地質導向數據確保在煤層中鉆進的基礎上，通過調整動力鉆具的鉆進姿態，使井眼軌跡朝造穴井洞穴方向鉆進，直到最終連通。

4 現場應用Field application

DFS-C04-H2是彬長礦區的1口水平連通井，二開著陸點井深649.36 m，三開煤層進尺729.72 m。該井在水平段通過采用磁導向鉆井技術，與DFSC04-V1排采直井順利連通。

4.1鉆具組合

bottom hole assembly

設計水平井段長729.72 m，而根據地面試驗結果，磁導向系統的測量距離在70 m左右，因此在水平段采用2種鉆具組合。

（1）常規的導向鉆具組合，根據設計和實時監測伽馬數據，及時判斷鉆頭位置，隨時調整井眼軌跡。為了最大限度地在煤層中鉆進，將實際靶點范圍限制在上下0.5 m，并對井底及待鉆井眼軌跡位置進行預測。所用導向鉆具組合為?149.2 mmPDC鉆頭+?120 mm螺桿+?120 mm無磁鉆桿+?120 mmMWD（含伽馬）+?120 mm無磁鉆桿+?73 mm鉆桿+?73 mm加重鉆桿+?73 mm鉆桿。

（2）磁導向鉆具組合，在距離連通直井70 m左右時，下入磁導向鉆具，通過直井中下入的測量儀器隨時監測鉆頭所處位置和姿態，根據監測結果不斷判斷連通能力和調整井眼軌跡，保證順利連通，所用磁導向鉆具組合為?149.2 mmPDC鉆頭+強磁接頭+?120 mm螺桿+?73 mm無磁鉆桿+?73 mmMWD +?73 mm無磁鉆鋌+?89 mm鉆桿+?73 mm加重鉆桿+?73 mm鉆桿。

4.2應用效果

Application effect

該井在距離靶點68.29 m處儀器測量到有效信號，此時方位偏差4.46°，垂深偏差1.19 m，每鉆進3 m測量1次數據進行方位偏差與垂深偏差的修正，磁導向測量數據見表1。

表1　磁導向系統測量的鉆頭位置與目標端位置的偏差Table 1 The deviation of bit position measured by magnetic guidance system and target end position

鉆進過程中根據磁導向系統測得的偏差數據不斷修正目標點的位置鉆進至距離為13.93 m時，方位偏差修正至0.73°，垂深偏差修正至2.81 m，經計算復合鉆進即可連通。最終鉆進至1398.5 m時DFSC04-H2井口無鉆井液返出，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，同時從表1測量結果來看，磁導向測量鉆頭位置結果仍然存在一定誤差，這一方面是由于測量儀器本身系統誤差，這部分無法消除；另一方面是由于地磁場對測量場強造成的干擾，建議今后在MWD儀器上下各接1根無磁鉆桿。

5 結論Conclusions

（1）根據低頻交變磁場導向原理，針對水平對接連通井的特點和儀器定位需要，提出了以MWD儀器為基礎的磁導向系統鉆頭定位計算方法。

（2）應用結果表明，在磁性導向的鉆頭精確定位方法指導下，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采提供了重要的技術支撐。

（3）現場施工過程中發現，由于地磁影響會對方位的測量結果產生一定影響，為了降低對方位的干擾，建議在MWD儀器上下各接1根無磁鉆桿。

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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

中國石油化工集團公司科技攻關項目“磁性導向鉆井技術研究”（編號：JP10006）。

曹向峰（1979-），2001年畢業于大慶石油學院石油工程系，中國石油大學（華東）石油工程學院在讀博士研究生，一直從事鉆井技術研究及現場服務工作，高級工程師。通訊地址：（257017）山東省東營市勝利石油鉆井工藝研究院。電話：0546-8791421。E-mail： caoxiangfeng.slyt@sinopec.com

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