煤層氣水平井磁導(dǎo)向鉆井理論與實(shí)踐

喬 磊，高德利，代繼樑，車 陽(yáng)

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249；2.西南石油大學(xué)，四川 成都610500）

0 引言

我國(guó)擁有豐富的煤層氣資源，但煤層滲透率一般小于1 mD，地層壓力系數(shù)0.9～1.0。從提高采收率和經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，煤層氣水平井、多分支水平井是最佳的開發(fā)模式［1-3］。另外考慮到低含水的特性，螺桿泵或“抽油機(jī)+有桿泵”是排水采氣的最佳方式?；谝陨厦簩託忾_發(fā)的特殊性，我國(guó)煤層氣水平井通常需額外打1口直井，并將該井與水平井/多分支水平井連通（如圖1所示），以便于下入螺桿泵、有桿泵等排水采氣，并通過(guò)U型井筒間斷性清洗井底沉積的煤粉，保證排采期間井筒的暢通性。煤層氣水平井兩井連通的特殊工藝對(duì)井眼軌道測(cè)量與控制提出了更高的要求。由于隨鉆測(cè)量技術(shù)（MWD）測(cè)量滯后和定位精度低等問(wèn)題［4-7］，傳統(tǒng)的MWD技術(shù)在水平井1700 m井深處累積綜合誤差達(dá)31.55 m（圖1中紅色線條表示累積誤差與井深的關(guān)系），因此該技術(shù)遠(yuǎn)不能滿足煤層氣水平井兩井連通的精確軌道測(cè)控要求。

圖1 煤層氣U型水平井MWD測(cè)量誤差分布Fig.1 Distribution of MWD measurement errors for CBM U horizontal wells

基于煤層氣特殊的軌跡測(cè)控需求，美國(guó)VM公司提出了利用近鉆頭旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)（RMRS），基本解決了煤層氣水平井兩井對(duì)接難題［8-11］，但存在連通成功率低、測(cè)量范圍小等問(wèn)題。2020年筆者深入研究了近鉆頭磁場(chǎng)測(cè)量原理和煤層氣對(duì)接水平井鉆井工藝，形成系統(tǒng)的磁導(dǎo)向鉆井理論，并分析了鉆頭、地磁等干擾因素對(duì)磁定位精度的影響機(jī)制，提出了基于微弱磁場(chǎng)信號(hào)的卡爾曼定位方法等有效措施，成功解決了煤層氣U型水平井遠(yuǎn)距離（110～1 m）精確磁導(dǎo)向技術(shù)難題，連通靶區(qū)可有效控制在排采直井?177.8 mm井筒范圍內(nèi)。

1 煤層氣U型水平井磁導(dǎo)向鉆井理論

磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)地下近千米處的人工旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的分布特征，經(jīng)軟件處理、控制，實(shí)現(xiàn)在鉆井過(guò)程中對(duì)鄰井井眼空間位置進(jìn)行高精度定位與導(dǎo)航（如圖2所示），實(shí)時(shí)調(diào)整水平井井眼軌跡，達(dá)到兩井的精確連通［12-13］。

圖2 磁導(dǎo)向鉆井工藝原理Fig.2 Dr illing with magnetic r anging

依據(jù)ISCWSA國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)誤差測(cè)量模型［14-15］，水平井鉆進(jìn)至距離排采直井100 m處MWD水平方向累積誤差最大為28.37 m，垂深誤差為3.17 m，方位偏差預(yù)測(cè)最大為15.64°。煤層氣對(duì)接水平井在距離靶區(qū)約100 m范圍開始進(jìn)行磁導(dǎo)向作業(yè)，實(shí)時(shí)測(cè)量的參數(shù)包括鉆頭與直井的距離（R）、方位偏差（φ），利用磁導(dǎo)向高精度定位數(shù)據(jù)校準(zhǔn)水平井軌跡參數(shù)，并進(jìn)行扭方位作業(yè)，最終將井眼軌跡水平方向偏差控制在0.17 m以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)煤層氣水平井與排采直井的精確連通，如表1所示。

在圖2中，近鉆頭的磁源發(fā)射裝置在鉆井過(guò)程產(chǎn)生三維旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（H x，H y，H z）；在排采直井的玻璃鋼套管或洞穴中放置一組動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)信號(hào)采集傳感器，實(shí)時(shí)采集傳感器位置三維動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)參數(shù)，基于以下磁導(dǎo)測(cè)量模型［16-17］進(jìn)行定位計(jì)算：

式中：μ——校正系數(shù)，需地面標(biāo)定，無(wú)量綱；a——定義向量與鉆進(jìn)方向的夾角；θ——鉆進(jìn)方向與洞穴直井的偏差角。

基于以上磁導(dǎo)向測(cè)量模型，設(shè)計(jì)出用于煤層氣水平井連通作業(yè)的DRMTS型遠(yuǎn)距離穿針測(cè)量系統(tǒng)［18］。該裝備主要由磁源發(fā)射裝置、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)采集系統(tǒng)、地面工控機(jī)、提升絞車等組成，具體如圖3所示。磁源發(fā)射裝置本體由無(wú)磁鋼棒料加工制成，并在其上鑲嵌一些強(qiáng)磁圓柱體，主要作用是在鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)形成一個(gè)“旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)”，頻率與鉆柱旋轉(zhuǎn)頻率相同，約為2～5 Hz；陣列磁通門傳感器主要用來(lái)探測(cè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)信號(hào)（H x，H y，H z），并將測(cè)量的信號(hào)采集、放大，通過(guò)電纜傳輸?shù)蕉囱ň冢徊杉降拇艌?chǎng)信號(hào)通過(guò)地面無(wú)線傳輸系統(tǒng)從直井發(fā)送到水平井接收終端，最后通過(guò)以上建立的磁場(chǎng)測(cè)量模型和工程軟件實(shí)時(shí)計(jì)算鉆頭與目標(biāo)井間的距離和方向偏差。

圖3 遠(yuǎn)距離穿針測(cè)量系統(tǒng)組成及原理示意Fig.3 Schematic diagram of the long distance rangingsystem for well intersection

表1 煤層氣U型水平井磁導(dǎo)向鉆井方案Table 1 Magnetic ranging plan for“U”type CBM horizontal well intersection

2 磁導(dǎo)向鉆井測(cè)量精度的影響因素分析及對(duì)策

2.1 井下磁矩降低帶來(lái)的誤差及消除算法

在磁導(dǎo)向鉆井距離測(cè)量算法中，距離R與該位置磁場(chǎng)大?。℉ x，H y，H z）呈對(duì)應(yīng)反比關(guān)系，其中μ需在地面進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定。但是設(shè)備入井后，由于磁場(chǎng)受地層、鉆頭、套管等的干擾，下井后的標(biāo)定系數(shù)μ的數(shù)值與地面不同，為距離測(cè)量帶來(lái)誤差。

煤層氣水平井的井眼軌跡由一系列離散測(cè)點(diǎn)的連線組成，在2個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離小于5 m情況下，定義測(cè)點(diǎn)間的連線為一條直線。建立如圖4所示的三角形，其中L1為2個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)的連線，R1為第一個(gè)測(cè)點(diǎn)與洞穴的連線，R2為第二個(gè)測(cè)點(diǎn)與洞穴的連線。

圖4 距離校正算法示意Fig.4 Schematic diagram of iterative approximation algorithm

由于在第一個(gè)和第二個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量中，我們可以實(shí)時(shí)測(cè)量鉆進(jìn)方向L1與R1及R2連線的角度偏差，根據(jù)三角形的正弦原理，可得R2計(jì)算公式：

式中：α1、α2——分別為L(zhǎng)1與R1、R2的夾角。

2.2 遠(yuǎn)距離微弱磁場(chǎng)信號(hào)條件下的高精度定位方法

在地面測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)在微弱磁場(chǎng)條件下儀器測(cè)量的距離始終不穩(wěn)定，即使在定轉(zhuǎn)速條件下仍然不穩(wěn)定。導(dǎo)致測(cè)量不穩(wěn)定因素的關(guān)鍵是磁場(chǎng)采集傳感器精度與信號(hào)達(dá)到了同一量級(jí)，即0.1～1 nT，干擾磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性造成了非常大的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，開發(fā)了基于卡爾曼算法的井下定位方法，以消除遠(yuǎn)距離條件下弱磁場(chǎng)信號(hào)的影響，解決了測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。

鉆進(jìn)過(guò)程中，測(cè)取鉆進(jìn)標(biāo)記點(diǎn)測(cè)量參數(shù)（即距離和方位偏差），通過(guò)對(duì)所測(cè)標(biāo)記點(diǎn)之前所形成的多個(gè)連續(xù)所測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行綜合分析，然后對(duì)所測(cè)得的各標(biāo)記點(diǎn)的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算，通過(guò)對(duì)各標(biāo)記點(diǎn)的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算后，消除了各種噪聲、干擾的影響，使濾波輸出逐漸收斂，大幅提高遠(yuǎn)場(chǎng)定位精度。圖5為測(cè)點(diǎn)與洞穴位置關(guān)系圖。

圖5 連續(xù)測(cè)量過(guò)程測(cè)點(diǎn)與洞穴位置關(guān)系Fig.5 Relationship between the survey station and the target cavity during continuous survey

連續(xù)測(cè)量過(guò)程的卡爾曼定位測(cè)量計(jì)算主要包括以下3個(gè)步驟：

（1）數(shù)據(jù)采集。設(shè)定水平井鉆頭的鉆進(jìn)標(biāo)記點(diǎn)［A0、A1、…、A n］；采集鉆頭在相鄰兩標(biāo)記點(diǎn)所形成的磁場(chǎng)信號(hào)［S1、S2、…、Sn］。

（2）單點(diǎn)計(jì)算。根據(jù)單點(diǎn)定位測(cè)量模型計(jì)算各標(biāo)記點(diǎn)［A0、A1、…、A n］所對(duì)應(yīng)的測(cè)量參數(shù)［Z0、Z1、Z2、…、Zn］。

（3）連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波。對(duì)各標(biāo)記點(diǎn)的測(cè)量參數(shù)［Z0、Z1、Z2、…、Zn］進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算，得到鉆頭當(dāng)前位置的最優(yōu)估計(jì)值。

3 煤層氣水平井磁導(dǎo)向鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 距離校正算法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用在磁源發(fā)射裝置前端加裝鐵質(zhì)圓盤的方法，模擬井下鉆頭等鐵磁物質(zhì)對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的干擾。圓盤的直徑為0.5 m，材料為普通鋼材。

圖6中X軸25 m處的點(diǎn)是校正逼近的起始值，由于圓盤的干擾，距離測(cè)量結(jié)果較未干擾情況下的值大近2 m；從20 m的位置開始迭代逼近。從圖6可看出，當(dāng)鉆頭前進(jìn)5 m進(jìn)尺后，距離測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)迭代能夠良好地逼近無(wú)干擾下的測(cè)量值，后續(xù)的鉆井測(cè)量可完全消除井下工況帶來(lái)的定位干擾。

圖6 迭代逼近校正算法計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.6 Results of interference-free measurement vs those by iterative approximation correction algorithm

3.2 卡爾曼定位算法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

煤層氣水平井井下穿針測(cè)量結(jié)果受到磁場(chǎng)采集環(huán)境、Butter濾波帶寬設(shè)置等因素影響，在某一井深位置單次測(cè)量的洞穴與鉆頭間距離及角度測(cè)量結(jié)果波動(dòng)幅值超過(guò)了5%。為了提高單點(diǎn)測(cè)量精度，去除測(cè)量中的噪聲問(wèn)題，引入卡爾曼濾波方法降低了測(cè)量值的波動(dòng)，利用卡爾曼濾波后，消除了各種噪聲、干擾的影響，使濾波輸出逐漸收斂，水平鉆井導(dǎo)向角度測(cè)量精度小于1°的技術(shù)要求，大幅提高遠(yuǎn)場(chǎng)定位精度，取得了較好應(yīng)用效果。

下面以ZP02井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行卡爾曼濾波測(cè)量模型的評(píng)價(jià)。在該井的連續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，在某一時(shí)刻t，鉆頭洞穴的位置參數(shù)的標(biāo)定值分別為：距離40.47 m，方位角164.34°，井斜角90.23°。由單點(diǎn)定位算法計(jì)算得到測(cè)量位置參數(shù)為：距離38.57 m，方位角162.66°，井斜角88.37°。采用連續(xù)測(cè)量的卡爾曼濾波模型的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，單次測(cè)量值受到噪聲及雜波的影響起伏波動(dòng)較大，而經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后，濾波輸出逐漸收斂。輸出距離40.06 m，誤差為0.41 m。由上述計(jì)算結(jié)果可知，井下卡爾曼濾波算法精度遠(yuǎn)高于單點(diǎn)定位算法精度。

另外在該井距離靶點(diǎn)75～65 m范圍進(jìn)行了微弱磁場(chǎng)定位試驗(yàn)，如圖8所示。從圖中可以看出，由于磁場(chǎng)信號(hào)的迅速減弱，單次測(cè)量誤差波動(dòng)十分劇烈，距離的均方根誤差分別達(dá)到6 m以上，此時(shí)直接根據(jù)單次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定位沒(méi)有實(shí)際意義。而卡爾曼濾波方法在信號(hào)微弱的情況下依然具有較好的收斂性質(zhì)。

圖7 距離洞穴40.47 m處的卡爾曼濾波結(jié)果Fig.7 Kalman filtering results at distance of 40.47m to the cavity

圖8 距離洞穴75 m處的卡爾曼濾波結(jié)果Fig.8 Kalman filter ing results at distance of 75m to the cavity

3.3 磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用

下面以ZP-H1井磁導(dǎo)向鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為例，論述煤層氣水平井磁導(dǎo)向鉆井工藝。DRMTS遠(yuǎn)距離穿針工具在951.5～999 m深的井段進(jìn)行了磁導(dǎo)向定位作業(yè)，完成了鉆頭和洞穴井的距離和方位偏差等測(cè)量多項(xiàng)工作。儀器入井后即發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)信號(hào)，并開始導(dǎo)向，此時(shí)測(cè)量的方位偏差為9.2°，圖9中的紅點(diǎn)為MWD常規(guī)定向鉆井時(shí)設(shè)定的靶點(diǎn)，十字靶點(diǎn)為磁導(dǎo)向定位靶點(diǎn)；通過(guò)11次磁導(dǎo)向鉆井測(cè)控作業(yè)，在距離洞穴1.5 m時(shí)方位偏差調(diào)整為-0.72°，靶心距為19 mm，成功擊中煤層頂部1.4 m處的玻璃鋼套管，實(shí)現(xiàn)了擊中小靶區(qū)的預(yù)期目標(biāo)。

圖9 DRM TS磁導(dǎo)向鉆井過(guò)程Fig.9 Guidance process with the DRMTS magnetic ranging system

4 結(jié)論

（1）通過(guò)測(cè)量井下人工旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（H x，H y，H z）的分布特征，利用建立的磁定位模型實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰井井眼空間位置進(jìn)行高精度定位與導(dǎo)航，達(dá)到兩井精確連通的目標(biāo)。

（2）距離校正方法可良好地逼近無(wú)干擾下的測(cè)量值，完全消除了井下磁場(chǎng)受地層、鉆頭、套管等干擾對(duì)磁定位的影響。

（3）遠(yuǎn)場(chǎng)條件下磁信號(hào)與傳感器精度達(dá)到了同一量級(jí)，測(cè)量的穩(wěn)定性和重復(fù)性不能夠有效保證?；诳柭亩ㄎ凰惴山鉀Q弱磁場(chǎng)環(huán)境下測(cè)量值的可靠性難題。

（4）在磁導(dǎo)向鉆井的實(shí)踐中，驗(yàn)證了磁導(dǎo)向鉆井理論在煤層氣U型水平井的精確對(duì)接領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，定向連通靶區(qū)可控制在?177.8 mm以內(nèi)。