煤层气连通井导向钻井钻头定位方法

曹向峰管志川王智锋孙峰.胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院；.中国石油大学（华东）石油工程学院

煤层气连通井导向钻井钻头定位方法

曹向峰1，2管志川2王智锋1孙峰1
1.胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院；2.中国石油大学（华东）石油工程学院

基于低频交变磁场的特性，构建了近钻头磁源的低频交变磁场数学模型。根据随钻测量仪器（MWD）的测量原理，建立测量坐标系，并推导出磁源坐标系向测量坐标系转换的解算方法，从而形成了测量坐标系下的钻头定位方法。在此基础上设计并制作了精确连通导向仪器和工具，配套了磁导向连通井的钻井工艺，并进行了现场应用，结果表明：在常规导向钻具组合基础上增加近钻头磁短节形成磁导向钻具组合，利用参数优化和轨迹实时测量和轨迹姿态控制，在730 m水平段实现了连接误差小于1 m，使水平井和直井精确连通，为煤层气的开发提供了技术支撑。

煤层气；连通井；水平井；磁性导向；导向定位；随钻测量

连通井钻井技术一般是指1口水平井和1口直井连通组成井组来开采煤层气或地下可溶性矿的工艺技术［1］。以煤层气开发为例，直井加水平井的组合是最佳开发模式。直井在目的层通过扩孔使井眼直径达1 m左右［2-4］，这就要求2口井连通的误差不超过1 m，而常规测量仪器无法满足这样的井眼轨迹控制精度要求，为了提高连通成功率，国内外在综合考虑各种导向方法基础上，主要是采用磁性导向技术［5-12］。国内对磁性导向仪器的测量原理和规律探索较多［13-14］，但对于实际操作过程中最重要的钻头如何定位的计算方法却少有涉及，因此文中根据低频交变磁场的特性，以常规MWD仪器为基础通过导向解算，建立了磁导向钻进时钻头的定位方法，现场试验，2口井成功连通，达到了预期效果。

1 低频交变磁场导向原理Guidance mechanics of the low-frequency alternating magnetic field

自然界的磁现象均可以等效于若干个磁偶极子磁场叠加［15］，参考毕奥-萨伐尔定律，并结合宗艳波等人提出的旋转磁偶极子的信号传播模型［16］，建立近钻头磁源数学模型和参考场模型，如图1所示。

图1　近钻头磁源模型及参考场模型Fig. 1 Model of near bit magnetism source and reference field

图1中，w为近钻头旋转轴，Mc、Ms为彼此正交的一对磁偶极子，磁矩大小分别为Mc、Ms，A·m2，三者之间两两垂直，构成直角坐标系。P为测量单元的传感器所在位置，P点与原点的距离为r。θ1、θ2、φ1、φ2分别是OP在xy平面上的投影与x轴的夹角，OP在yz平面上的投影与y轴的夹角，z轴与OP的夹角，x轴与OP的夹角，°。α、φ0、θ0分别是磁场强度Hcs与旋转轴w之间的场强俯仰角，矢量r与旋转轴w之间的俯仰角，矢量r在uv平面内的方位角，°。则任一点的磁场强度可以表示为

根据几何关系，经过数学变换，最终可得如下关系：

（1）当 0＜∠φ0＜π/2时，r、Hcs、w共面，∠α与∠φ0之间满足关系

（2）当∠φ0≈0时，r、Hcs、w共面，∠α与∠φ0之间满足关系

（3）当∠φ0≈0时，r与w重合

2 低频交变磁场导向钻头定位方法Leading guidance method of bit in the lowfrequency alternating magnetic field

构建以测量仪器为基准的地理基准坐标系，就需要进行坐标系的转换和解算。坐标模型如图2所示。

图2　近钻头和3轴磁传感器的坐标模型Fig. 2 Space model of magnetic pickup near bit and 3axis

图中近钻头（源端）位置为O点，w为旋转轴向，指向钻进方向，Ou和Ov在钻具径向平面内，彼此正交，建立源端坐标系uvw。P所在的测量坐标系随探管姿态变化，其中纵轴Pz为探管的轴向，指向探管上端，Px和Py轴在径向平面内，彼此正交。QXYZ是参考基准地理坐标系，QX轴指向地磁北，QY轴指向地磁西，QZ轴为地垂线，指向天。坐标系符合右手螺旋规则。

测量坐标系xyz可以看作是由地理坐标系XYZ 经3次坐标旋转后得到的，第1次旋转，转得方位角A，第2次旋转，转得倾斜角I，第3次旋转，转得工具面角T，如图3所示。

图3　探管坐标系xyz与地理坐标系XYZ之间的关系Fig. 3 Relationship between the probe coordinate systems and geographic coordinate systems

以上变化过程的转换矩阵为

由重力矢量和地磁场矢量的关系，可得

式中，gx，gy，gz分别是重力加速度g向量在Ox、Oy和Oz上的分量，m/s2。Hh和Hv是地磁场H向量在OX 和OZ轴上的分量，A/m。

所以倾斜角、工具面角、方位角分别可求得

同理，源端坐标系uvw与地理基准坐标系XYZ之间的转换矩阵为

其中OXYZ坐标系经过旋转方位角A'、倾斜角I'，同时钻头不断旋转，故不考虑工具面。A'、I'可通过近钻头端的MWD配合提供，根据前一时刻测得的数据解算获知。从而

在此基础上结合实测的各场强分量可确定当前钻头位置，从而可确定近钻头端O相对于目标端P的空间位置关系，最终实现钻向目标靶区。

3 双井精确连通导向仪器的工作原理及系统的组成Mechanics and composition of accurate connection guiding instruments

连通井导向定位测量系统包括源端磁钢、目标端井下测量系统、目标端地面系统。其中源端近钻头磁钢随钻铤同步旋转，产生交变磁场，由此产生的磁场可以被目标端井下系统中的高灵敏度磁传感器捕获，目标端井下系统还携带有加速度传感器，与磁传感器配合使用，可测得目标井中传感器所在位置的井斜、方位和高边信息。将磁传感器捕获的交变磁场信息以及地磁场信息、加速度信息，一起上传至地面系统，地面系统采用文中的导向定位算法进行数据的解算、处理和显示，从而得到源端磁极系的空间位置信息，从而对源端钻铤的走向精确定位。定向工程师根据这些数据不断修正待钻井眼轨迹，在兼顾地质导向数据确保在煤层中钻进的基础上，通过调整动力钻具的钻进姿态，使井眼轨迹朝造穴井洞穴方向钻进，直到最终连通。

4 现场应用Field application

DFS-C04-H2是彬长矿区的1口水平连通井，二开着陆点井深649.36 m，三开煤层进尺729.72 m。该井在水平段通过采用磁导向钻井技术，与DFSC04-V1排采直井顺利连通。

4.1钻具组合

bottom hole assembly

设计水平井段长729.72 m，而根据地面试验结果，磁导向系统的测量距离在70 m左右，因此在水平段采用2种钻具组合。

（1）常规的导向钻具组合，根据设计和实时监测伽马数据，及时判断钻头位置，随时调整井眼轨迹。为了最大限度地在煤层中钻进，将实际靶点范围限制在上下0.5 m，并对井底及待钻井眼轨迹位置进行预测。所用导向钻具组合为Ø149.2 mmPDC钻头+Ø120 mm螺杆+Ø120 mm无磁钻杆+Ø120 mmMWD（含伽马）+Ø120 mm无磁钻杆+Ø73 mm钻杆+Ø73 mm加重钻杆+Ø73 mm钻杆。

（2）磁导向钻具组合，在距离连通直井70 m左右时，下入磁导向钻具，通过直井中下入的测量仪器随时监测钻头所处位置和姿态，根据监测结果不断判断连通能力和调整井眼轨迹，保证顺利连通，所用磁导向钻具组合为Ø149.2 mmPDC钻头+强磁接头+Ø120 mm螺杆+Ø73 mm无磁钻杆+Ø73 mmMWD +Ø73 mm无磁钻铤+Ø89 mm钻杆+Ø73 mm加重钻杆+Ø73 mm钻杆。

4.2应用效果

Application effect

该井在距离靶点68.29 m处仪器测量到有效信号，此时方位偏差4.46°，垂深偏差1.19 m，每钻进3 m测量1次数据进行方位偏差与垂深偏差的修正，磁导向测量数据见表1。

表1　磁导向系统测量的钻头位置与目标端位置的偏差Table 1 The deviation of bit position measured by magnetic guidance system and target end position

钻进过程中根据磁导向系统测得的偏差数据不断修正目标点的位置钻进至距离为13.93 m时，方位偏差修正至0.73°，垂深偏差修正至2.81 m，经计算复合钻进即可连通。最终钻进至1398.5 m时DFSC04-H2井口无钻井液返出，泵入20 m3水后在直井有清水溢出，表明直井与水平井连通成功，同时从表1测量结果来看，磁导向测量钻头位置结果仍然存在一定误差，这一方面是由于测量仪器本身系统误差，这部分无法消除；另一方面是由于地磁场对测量场强造成的干扰，建议今后在MWD仪器上下各接1根无磁钻杆。

5 结论Conclusions

（1）根据低频交变磁场导向原理，针对水平对接连通井的特点和仪器定位需要，提出了以MWD仪器为基础的磁导向系统钻头定位计算方法。

（2）应用结果表明，在磁性导向的钻头精确定位方法指导下，两井连通，表明此方法精确可靠，为煤层气和可溶性矿的高效开采提供了重要的技术支撑。

（3）现场施工过程中发现，由于地磁影响会对方位的测量结果产生一定影响，为了降低对方位的干扰，建议在MWD仪器上下各接1根无磁钻杆。

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（修改稿收到日期 2015-10-23）

〔编辑 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

中国石油化工集团公司科技攻关项目“磁性导向钻井技术研究”（编号：JP10006）。

曹向峰（1979-），2001年毕业于大庆石油学院石油工程系，中国石油大学（华东）石油工程学院在读博士研究生，一直从事钻井技术研究及现场服务工作，高级工程师。通讯地址：（257017）山东省东营市胜利石油钻井工艺研究院。电话：0546-8791421。E-mail： caoxiangfeng.slyt@sinopec.com

引用格式：曹向峰，管志川，王智锋，孙峰. 煤层气连通井导向钻井钻头定位方法［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：151-155.