复杂结构井磁导向钻井技术进展

高德利，刁斌斌

(石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京))，北京 102249)



复杂结构井磁导向钻井技术进展

高德利，刁斌斌

(石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京))，北京 102249)

复杂结构井可以有效提高复杂油气田单井产量和最终采收率，磁导向钻井技术是复杂结构井钻井的核心技术之一。总结了近年来磁导向钻井技术的主要研究进展，包括邻井距离随钻电磁探测系统、螺线管组随钻测距导向系统及三电极系救援井与事故井连通探测系统等主要研究成果，重点论述了磁导向钻井的技术原理及井下磁信标、弱磁探测仪、测距算法及纠偏控制方法等关键技术，并介绍了磁导向钻井技术在SAGD双水平井、连通井、救援井及丛式井钻井防碰中的现场应用情况。其中，邻井距离随钻电磁探测系统已在稠油SAGD双水平井钻井中得以成功应用，不仅在注入井水平段实现了磁导向水平钻进，而且在造斜井段也实现了磁导向钻进。分析认为，需加强多学科协同创新研究，以进一步提高磁导向钻井系统的耐温性能或研发新型耐高温磁导向钻井系统，实现磁导向钻井技术在复杂结构井的推广应用，提高钻井效率，保证钻井作业安全。

复杂结构井；水平井；定向钻井；邻井距离；测距工具；磁导向钻井

以水平井为基本特征的复杂结构井，是高效开发低渗透、非常规及海洋油气等复杂油气田的主要井型[1]。利用水平井、加密井和丛式井开发低渗透、页岩油气、致密油气等低品位油气资源，利用双水平井、U形水平井等开发稠油、油砂及天然气水合物等固态油气资源，利用连通井开发煤层气、盐矿等，在国内外均取得了良好的开发效果。复杂结构井钻井过程中要求精确测量邻井距离，以使相邻两口井连通或按设计间距定向钻进，仅仅依靠传统的测斜工具与邻井距离扫描计算难以满足实际的测控精度要求。理论和实践证明，磁导向钻井技术可以避免井眼轨迹测量误差的累积，能够满足邻井距离精确测控的技术要求，已成为复杂结构井钻井的核心技术之一。

研究磁导向钻井技术，最初是为了引导救援井与事故井的有效连通。救援井的井眼轨迹控制难度较大，传统测斜工具获得的井眼位置往往存在累积误差[2-4]，难以实现救援井与事故井的精确连通。1980年，C.L.West及A.F.Kuckes等人[5-6]研发了ELREC(extended lateral range electrical conductivity)工具，并多次成功引导救援井与事故井的有效连通，表现出磁导向钻井技术在连通控制作业方面的优越性。1985年，A.F.Kuckes等人成立了Vector Magnetics公司，磁导向钻井技术进入了快速发展阶段，ELREC工具也改称为Wellspot工具。1990年，Vector Magnetics公司申请了SWG(single wire guidance)工具的专利，并成功应用于定向钻井邻井防碰中[7-9]。1992年，A.F.Kuckes等人[10]提出利用交变磁场和静磁场强度梯度确定救援井与事故井的矢量距离的方法，并研发了Wellspot RGR工具，与Wellspot工具相比，测距精度有所提高。1993年，Vector Magnetics公司与Sperry Sun Drilling Services公司合作，共同研发了MGT(magnetic guidance tool)工具，这也是首个用于稠油SAGD双水平井磁导向钻井的电磁探测工具[11-12]。迄今，国外约95%的SAGD双水平井在钻井时应用了MGT工具，并在21世纪初应用MGT工具钻成了世界上第一口U形水平井[13-14]。为了实现SAGD双水平井磁导向钻井的近钻头探测，A.G.Nekut等人[15]又研发出RMRS(rotating magnet ranging system)工具，并于2001年进行了成功试验。但是，由于RMRS工具在测距时间、耐温性能和工具成本等方面不如MGT工具[13]，所以RMRS工具在SAGD双水平井磁导向钻井中并没有得到很好的推广应用。之后，RMRS工具的功能得到进一步扩展，可以用于煤层气(coalbed methane，CBM)水平连通井磁导向钻井中[16]。2010年，在墨西哥“深水地平线”钻井平台井喷事故处理中，Vector Magnetics公司利用Wellspot工具和WSAB(wellspot at bit)工具成功引导了救援井与事故井的有效连通，充分体现了磁导向钻井技术的重要作用[17]。另外，其他相关技术服务公司也对磁导向技术进行了研究，例如，Scientific Drilling International公司研发了MagTraC工具[18]。

我国自2004年在煤层气开发工程中引进并应用RMRS工具以来，积极开展了磁导向钻井技术的研究，在井下磁信标、弱磁探测仪、测距算法及纠偏控制等方面取得了一系列研究成果，并在SAGD双水平井、煤层气连通井等复杂结构井磁导向钻井中得到成功应用。

1　井下磁信标

井下磁信标是磁导向钻井系统的信号源，包括主动磁信标和被动磁信标。Wellspot工具、Wellspot RGR工具和WSAB工具的磁信标是聚集了电流的事故井套管，MGT工具的磁信标是通电螺线管，RMRS工具的磁信标是永磁短节，这些磁信标都属于主动磁信标。主动磁信标产生的磁场一般比较强，而且可以比较准确地计算其大小。因此，利用主动磁信标作为信号源的磁导向钻井系统一般都具有测距范围大、精度高的特点。被动磁信标主要指邻井套管，其磁场主要来源于机械加工、磁探伤和地磁场的磁化。因此，被动磁信标的磁场很微弱，而且难于估算。目前，MagTraC工具采用被动磁信标作为信号源。

井下磁信标周围空间的磁场分布，是研究磁导向钻井技术的理论基础。笔者及其团队自2006年开始对磁导向钻井技术进行研究，并陆续取得一系列研究成果：2008年，利用计算任意形状永磁体磁场的积分表达式，给出了井下管柱形永磁体的三维空间磁场分布计算公式[19]；2011年，基于磁偶极子模型，推导了计算旋转永磁短节远场磁场分布的表达式，给出了获得磁短节等效磁矩的连续和不连续测量法，并指出连续测量法更易于现场应用[20]；2014年，利用镜像电流分析法，揭示了井下电磁源磁场强度在井下套管铁磁环境下的衰变机理[21]；2015年，建立了井下螺线管的电流层模型，并用离散模型给出了螺线管磁场的计算方法[22]。另外，宗艳波等人[23]也基于磁偶极子模型，得到了计算旋转磁短节远场磁场分布不同形式的表达式。

在我国磁导向钻井作业中，永磁短节的使用较为广泛。然而，永磁短节紧邻钻头，降低了下部钻具组合的破岩和造斜能力，且不利于控制井眼轨迹。为此，朱昱等人[24]分析了磁短节内部永磁体几何参数对磁短节磁场强度的影响，为永磁体结构的优化提供了理论依据；刁斌斌等人[25]提出了一种更有利于井眼轨迹控制的磁短节，并定量分析了其机械强度和对下部钻具组合的影响。

在以永磁短节为井下磁信标的磁导向钻井过程中，有时永磁短节表面会吸附大量钻井磨损产生的铁屑，从而严重影响了测量精度。笔者提出了以正交两列螺线管组作为井下磁信标的思路，可以通过断电的手段，使表面吸附的铁屑自动脱落，该螺线管组可以产生类似于旋转磁短节产生的交变磁场，其测距算法与使用磁短节的算法基本相同[26]。笔者进一步提出了一种利用双螺线管组作为井下磁信标的方法[27-28]，其设计方法与单螺线管组基本类似，但尚未获得工程应用与验证，有待进一步深入研究。

2　井下弱磁探测仪

井下弱磁探测仪用来检测井下磁信标产生的微弱磁场，并将接收到的磁信号从井下传输到地面计算机，为磁导向钻井测距计算软件提供必要数据。目前，我国主要研究了可用于探测旋转磁短节磁场的井下弱磁探测仪，其基本功能主要包括[1]：1)实时测得探管自身的井斜角和方位角，以确定探管自身的姿态；2)实时测得磁短节在测量点的磁场强度矢量；3)通过实时测量系统硬件所在位置的温度，对因温度产生的探管测量误差进行修正；4)测量信号能够及时通过电缆传到地面，并通过地面采集处理系统进行实时分析。井下磁信号的主要特征为[29]：1)井下磁信号属微弱信号，其幅度随传播距离的三次方急速衰减，在所需测距范围内，信号幅度从几千纳特急速衰减至几纳特；2)井下磁信号具有超低频、窄带、频变等特征，其频率会随着钻头转速的改变在2.0～4.0 Hz范围内变化；3)井下磁信号中含有大量电磁干扰和噪声，当测量距离超过30 m之后，有用信号已基本上被干扰和噪声所淹没。

为了检测磁短节产生的交变磁场，笔者等人[30]发明了一种用于邻井距离随钻电磁探测的测量仪。梁华庆等人[29,31-32]根据磁短节在井下所产生磁场的特点，提出了信号采集系统的设计方案，设计了基于低噪声、低零漂放大器的通带平滑的窄带滤波放大电路，并提出了一种基于离散傅里叶变换(DFT)双峰值的信号提取算法，可自动跟踪锁定井下交变磁场信号频率，精确提取信号的幅值，有效解决了强干扰、大噪声背景下微弱频变磁场信号的高精度检测问题。在此基础上，笔者等人[33-34]进一步设计了井下弱磁探测仪的整体结构，研制了井下探管和地面接口箱，同时研发了数据采集软件，形成了可现场应用的井下弱磁探测仪。

3　磁导向钻井测距算法

磁导向钻井测距算法，是指利用由井下磁信标产生的磁信号、随钻测斜数据和井口坐标等数据，确定正钻井与已钻井空间相对位置的计算方法，也是磁导向钻井系统地面软件的核心算法。笔者等人在磁导向钻井技术研究过程中，对磁导向钻井测距算法进行了重点研究。

王德桂、高德利[19,35]由管柱形磁体的空间磁场规律模型得到了管柱形磁源与探管之间矢量距离的基本计算公式。该公式可用于连通井和SAGD双水平井磁导向钻井，避免了磁导率的复杂计算。同时，他们还分析了管柱形磁源在岩层中的磁干扰规律。笔者等人[36-38]研究了利用旋转磁短节产生的交变磁场确定邻井距离的计算方法，该方法可用于SAGD双水平井和连通井磁导向钻井。基于磁短节的磁偶子模型，用数学方法论证了探管记录的轴向磁信号两个振幅最大值之间的距离等于双水平井水平段间距的结论，给出了当双水平井水井段平行时利用探管检测的磁信号计算双水平井水平段相对方位的计算公式，介绍了测距导向算法应用于双水平井中的主要步骤，同时进行了实例验证[37]。在稠油SAGD双水平井磁导向钻井中，磁导向钻井系统的井下探管要下入筛管完井的生产井中，因此探管检测数据将受到严重的铁磁干扰。为了满足现场需求，笔者给出了一种消除井下管柱铁磁干扰的校正方法，并在稠油SAGD双水平井磁导向钻井中得到了成功应用[33]。笔者等人[38]进一步介绍了双水平井造斜井段的测距算法，指出可以利用电磁信号等数据，通过坐标变换，结合水平段磁测距计算求得造斜井段磁短节到探管的方向，并把两口井造斜井段的空间位置分解为共面会聚/发散和异面两种情况，用α和β分别表征两口井的会聚/发散程度和异面程度。其中，两口井共面会聚/发散时磁短节到探管径向距离r01和两口井异面时磁短节到探管径向距离r02的计算公式为：

(1)

(2)

其中

(3)

(4)

(5)

k=-768tan4α-1 551tan2α-768

(6)

式中：w1和w2分别为两口井共面会聚/发散工况下，Bw的幅值达到两个最大值时磁短节所在井深，m；i为虚数单位；w3和w4分别为两口井异面工况下，Bw的幅值达到两个最大值时磁短节所在井深，m；Bw为探管处由磁短节产生磁场的磁感应强度在正钻井井眼延伸方向上的分量，T。

上述方法需要磁短节随钻头旋转钻进一段距离，不仅测量时间长，而且也会影响测距计算结果的精度。为此，笔者提出了一种利用两个磁通门传感器同时检测旋转磁短节产生的磁信号来确定双水平井间距的方法，并给出了相应的计算公式[39]。

同时，笔者等人也对其他磁信标的磁导向算法进行了初步研究：当螺线管长度不大于测量距离的五分之一时，可以用磁偶极子模型分析螺线管产生的磁场，并给出了考虑双水平井不平行程度的测距算法[40]；研究了Wellspot工具的工作原理和测距算法，并研制了试验样机，分析了井下电极注入地层的交变电流、井下电极与探管间距等因素对测量精度的影响[40-41]；提出了利用三电极系向地层中注入电流的思路，可以显著增加套管上聚集的电流，给出了相应的测距算法，分析了该探测系统探测精度的影响因素，并与救援井与事故井单电极连通探测系统进行了对比分析，为我国研发具有自主知识产权的救援井与事故井连通探测系统奠定了基础[42-44]；开展了丛式井随钻电磁防碰技术研究，提出了利用磁化相邻已钻井套管实现随钻防碰的思路，揭示了邻井套管被磁化后的磁场分布规律，提出了相应的邻井距离计算方法，分析了影响探管处磁感应强度的因素，并研制了丛式井随钻电磁防碰系统的原理样机，验证了该方法的可行性[45-46]。

此外，国内其他学者对磁导向钻井测距算法也进行了研究。宗艳波等人[23,47]利用旋转磁短节产生磁场的特征信号，给出了确定钻头到目标靶点的算法，而该特征信号可以通过希尔伯特变换对三轴可测磁信号进行相位解调和幅度解调而获得，并进行了试验研究。田雨等人[48]给出的有源交变磁场导向定位方法和曹向峰等人[49]介绍的旋转磁场测距导向系统的导向定位算法，均与宗艳波等人所用算法类似。

4　磁导向钻井纠偏控制计算方法

对于双水平井、连通井和救援井等复杂结构井磁导向钻井而言，邻井距离的测控方法不同于传统的井眼轨迹测斜与控制方法。现以稠油SAGD双水平井磁导向钻井为例，注入井水平段的井眼轨迹与生产井实钻井眼轨迹平行且相距一定距离，在磁导向钻井过程中，可以测得钻头到生产井的垂直距离和左右偏移，而钻头处的井斜角和方位角不能直接测得，因而注入井的实钻井眼轨迹纠偏控制计算难以直接应用基于测斜数据的传统纠偏控制计算方法。

笔者等人依据注入井采用传统井眼轨迹控制技术井段的测斜数据和磁导向井段的两井垂直间距及左右偏移，利用多项式拟合的方法，获得了注入井当前井底的井斜角和方位角；以生产井井口位置为原点，分别以正北、正东和重力方向作为N轴、E轴和V轴(垂深)的正向，建立笛卡尔坐标系ONEV，在该坐标系中，将生产井的水平段实钻井眼轨迹上任意一点的V轴坐标减去设计间距，其他坐标保持不变，得到的点都可能是纠偏目标点。实际上，符合实际情况最优的纠偏目标点只有一个，因而可以通过试算的方法确定纠偏目标点，结合传统的定向钻井纠偏控制方法确定注入井磁导向钻井井段的纠偏井眼轨迹，以及下一步钻进所需的造斜工具装置角和纠偏井段的长度，基本计算流程如图1所示[50]。鉴于SAGD双水平井的复杂性和特殊性，可应用生产井靶区钻遇率、注入井垂直距离合格率、注入井水平距离合格率、SAGD双水平井平行度和注入井井眼轨迹离散点分布状况等5个参数，综合评价稠油SAGD双水平井磁导向钻井的井眼轨迹质量[51]。

相比传统的定向井井眼轨迹控制，连通井磁导向钻井连通控制也具有自己的特点，主要表现在中靶精度要求高和磁短节对井眼轨迹控制影响较大。在水平井与直井连通中，一旦井眼轨迹控制不当，错过水平井与洞穴的连通，则需要回填后侧钻进行下一次尝试；在定向井(或水平井)与水平井连通中，如果不能实现一次性连通，则需要将垂深抬高进行下一次尝试。乔磊等人[52]认为水平连通井的磁导向钻井井眼轨迹控制主要参数为方位角，并基于连通井段磁测距和方位偏差，结合稳斜扭方位或全力扭方位模式建立了水平井与直井连通的井眼轨迹控制模型。席宝滨、高德利等人[53-54]结合水平井对接连通的特点，提出了连通过程中井眼轨迹控制计算方法，并将定向井(或水平井)与水平井的连通过程类比于飞机的降落过程，采用稳斜扭方位模式建立了其井眼轨迹控制模型。

图1　稠油SAGD双水平井磁导向钻井纠偏控制计算流程Fig.1　Deviation control calculation of magnetic guidance drilling in SAGD horizontal wells for heavy oil development

5　工程应用

5.1SAGD双水平井

1996年，国内在辽河油田杜84块首次进行了SAGD双水平井的先导试验并获得成功，但由于应用传统的测斜工具，两口水平井的水平段空间相对位置未完全达到设计要求，导致投产后产量与预测产量有较大差异[55]。2008年，辽河油田首先引进Halliburton公司的MGT磁导向钻井技术，成功解决了稠油SAGD双水平井钻井井眼轨迹精细控制的难题；同年，新疆油田采用MGT工具顺利钻成了4对SAGD双水平井，在风城油田重32井区建立了首个SAGD双水平井试验区[56]。2009年，MGT磁导向钻井技术又在风城油田重37井区进行了成功应用[57]。

笔者等人自主研发的邻井距离随钻电磁探测系统[58-59]，于2012年在新疆风城油田多组稠油SAGD双水平井的注入井水平段磁导向钻井中得以成功应用，2013年又率先在造斜井段实施了磁导向钻井，并取得了良好的应用效果。

5.2连通井

为了实现煤层气资源的高效开发，我国于2004年完成了第一口煤层气多分支水平连通井，并首次应用了RMRS[60]。在煤层气钻井施工时，一般先钻一口直井并采用洞穴完井，该直井既便于后续的水平井连通作业，又可用于排水采气生产井。在该基础上实施主水平井连通作业，当主水平井钻至距洞穴50 m时，采用磁导向钻井系统引导主水平井与直井洞穴精确连通。之后，该技术在我国煤层气、盐矿、碱矿和芒硝矿等矿产资源开采中得到推广应用[61-73]。

近年来，我国自主研发了可用于连通作业的邻井距离随钻电磁探测系统、DRMTS远距离穿针工具及SmartMag钻井中靶导向系统。其中，DRMTS工具已在多个煤层气主水平井连通作业中获得应用[74-76]，SmartMag工具在盐矿和碱矿开采钻井中取得了良好的效果[77-80]。

5.3救援井

文23-6X井是冀中坳陷霸县凹陷文安斜坡文23断块上的一口开发井，2005年3月6日，该井在钻至井深2 704.52 m时发生漏失，强行起钻4柱后发生地层垮塌，钻具卡死，采取爆炸松扣只起出钻杆9柱加1个单根，后用反扣倒出2根钻杆，鱼顶预计在井深284.53 m左右，鱼底在井深2 584.00 m左右，多次探鱼头无果，无法进行打捞作业，致使该井报废。由于该井关系到文23储气库的成败，因此，华北油田于2010年决定对该井进行修复，耗时4个月，钻新井眼6个，但未发现鱼头。2013年，华北油田在国内首次引进MagTraC工具，尝试钻文23-6J平行救援井，从鱼底下部连通文23-6X井，历时近6个半月，钻了5个井眼，第5个井眼在井深2 587.50 m处碰到落鱼，在2 573.00～2 584.00 m和2 666.00～2 668.00 m两个井段贴近老井眼，与老井眼距离都不大于1.50 m，然后定方位复合射孔挤水泥，经负压测试验证，文23-6X井封堵成功，达到了文23气藏建库要求[81]。

5.4丛式井防碰

在我国，磁导向钻井技术在丛式井防碰中的应用尚属空白。在国外，虽然关于磁导向钻井技术用于丛式井防碰的相关文献很少，但在实际工程中已有较多应用。文献[9]介绍了Vector Magnetics公司研发的SWG工具在高密度丛式井防碰中的应用，该工具的硬件主要包括产生磁场的测井电缆和井下电磁探管，电缆末端接一电极放入已钻井中，通入已知电流强度的低频交变电流或直流电后，电缆周围产生一定强度的磁场，并可由井下探管检测到该磁场，同时传输到地面进行测距计算，从而确定正钻井到相邻已钻井的矢量距离。另外，Scientific Drilling International公司研发的MagTraC工具，也在丛式井防碰工程中成功应用了300多井次，与SWG工具相比，应用MagTraC工具时，在已钻井中不需要下入其他仪器，不会影响已钻井的正常作业，因而在丛式井防碰中更具优势。

6　结　论

1) 在复杂结构井定向钻井中，对邻井距离测控的要求越来越高，磁导向钻井技术可以有效提高复杂结构井邻井距离测控的精度和效率，具有良好的推广应用前景。

2) 井下磁信标、井下弱磁探测仪、测距算法及纠偏控制等软硬件，是磁导向钻井的关键技术，在国内外受到广泛关注，其研发与工程应用已经取得了重要进展。

3) 在高温高压钻井工况下，磁导向钻井目前面临的主要技术瓶颈是井下探测仪器的耐高温性能，有必要进一步加强多学科协同创新研究，以提高磁导向钻井系统的耐温性能或研发新型耐高温磁导向钻井系统。

4)在磁导向钻井中，地层、铁磁物质等复杂因素对电磁探测信号的影响较大，今后有必要进行大量的模拟试验与理论分析，科学认识其影响规律，不断提高邻井距离电磁探测精度，以满足各种复杂地质条件下实际工程的技术要求。

[1]高德利.复杂结构井优化设计与钻完井控制技术[M].东营：中国石油大学出版社，2011:1-14.

GAO Deli.Optimized design and control techniques for drilling & completion of complex-structure we11s[M].Dongying：China University of Petroleum Press,2011：1-14.

[2]WOLFF C J M,de WARDT J P.Borehole position uncertainty analysis of measuring methods and derivation of systermatic error model[R].SPE 9223,1981.

[3]WILLIAMSON H S.Accuracy prediction for directional measurement while drilling[R].SPE 67616,2000.

[4]TORKILDSEN T,HAVARDSTEIN S T,WESTON J L,et al.Prediction of wellbore position accuracy when surveyed with gyroscopic tools[R].SPE 90408,2008.

[5]KUCKES A F.Plural sensor magnetometer arrangement for extended lateral range electrical conductivity logging：US4323848[P].1982-04-06.

[6]WEST C L,KUCKES A F,RITCH H J.Successful ELREC logging for casing proximity in an offshore Louisiana blowout[R].SPE 11996,1983.

[7]KUCKES A F.Borehole guidance system having target wireline：US5074365[P].1991-12-24.

[8]TARR B A,KUCKES A F,AC M V.Use of new ranging tool to position a vertical well adjacent to a horizontal well[R].SPE 20446,1990.

[9]MALLARY C R,WILLIAMSON H S,PITZER R,et al.Collision avoidance using a single wire magnetic ranging technique at Milne point,Alaska[R].SPE 39389,1998.

[10]KUCKES A F.Alternating and static magnetic field gradient measurements for distance and direction determination:US5305212[P].1994-04-19.

[11]KUCKES A F.Method and apparatus for measuring distance and direction by movable magnetic field source：US5485089[P].1996-01-16.

[12]KUCKES A F,HAY R T,McMAHON J,et al.New electromagnetic surveying/ranging method for drilling parallel horizontal twin wells[R].SPE 27466,1996.

[13]VANDAL B,GRILLS T,WILSON G.A comprehensive comparison between the magnetic guidance tool and the rotating magnet ranging service：Canadian International Petroleum Conference,Calgary,Alberta,June 8-10,2004 [C].

[14]DEAN L,FERNANDO B.U-tube wells—connecting horizontal wells end to end case study：installation and well construction of the world's first U-tube well[R].SPE 92685,2005.

[15]NEKUT A G,KUCKES A F,PITZER R G.Rotating magnet ranging—a new drilling guidance technology：SPE/CIM Eighth One-Day Conference on Horizontal Well Technology,Calgary,Alberta,Canada，November 7，2001[C].

[16]RACH N M.New rotating magnet ranging systems useful in oil sands,CBM developments[J].Oil & Gas Journal,2004,102(8)：47-49.

[17]李峰飞，蒋世全，李汉兴，等.救援井电磁探测工具分析及应用研究[J].石油机械，2014,42(1)：56-61.

LI Fengfei,JIANG Shiquan,LI Hanxing,et al.Analysis of electromagnetic probe for relief well[J].China Petroleum Machinery,2014,42(1)：56-61.

[18]DUNCAN L.MWD ranging—a hit and a miss[J].Oil Gas-European Magazine,2013,39(1)：24-26.

[19]王德桂，高德利.管柱形磁源空间磁场矢量引导系统研究[J].石油学报，2008,29(4)：608-611.

WANG Degui,GAO Deli.Study of magnetic vector guide system in tubular magnet source space[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(4)：608-611.

[20]刁斌斌，高德利，吴志永.磁短节等效磁矩的测量[J].石油钻采工艺，2011,33(5)：42-45.

DIAO Binbin,GAO Deli,WU Zhiyong.Measurement of magnetic sub equivalent moment[J].Oil Drilling & Production Technology,2011,33(5)：42-45.

[21]朱昱，高德利.井下电磁源磁场在铁磁环境下的衰变机理研究[J].石油矿场机械，2014，43(8)：1-7.

ZHU Yu,GAO Deli.Study on the magnetic field decay mechanism of downhole electromagnetic source in the ferromagnetic environment[J].Oil Field Equipment,2014，43(8)：1-7.

[22]朱昱.井下电磁信号源及其分布规律研究[D].北京：中国石油大学(北京)，2015.

ZHU Yu.Research on downhole electromagnetic source and magnetic field distributions[D].Beijing：China University of Petroleum(Beijing),2015.

[23]宗艳波，张军，史晓锋，等.基于旋转磁偶极子的钻井轨迹高精度导向定位方法[J].石油学报，2011,32(2)：335-339.

ZONG Yanbo,ZHANG Jun,SHI Xiaofeng,et al.A high-precision guidance method of wellbore trajectory based on the rotary magnetic dipole[J].Acta Petrolei Sinica,2011,32(2)：335-339.

[24]朱昱，高德利.旋转磁导向系统井下磁源优化设计[J].石油钻探技术，2014,42(3)：102-106.

ZHU Yu,GAO Deli.Design optimization of downhole magnetic source for rotary magnetic ranging system[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(3)：102-106.

[25]刁斌斌，高德利，岑兵，等.双水平井随钻磁导向系统井下磁源设计[J].石油机械，2016,44(4)：106-111.

DIAO Binbin,GAO Deli,CEN Bing,et al.Design of downhole magnetic source of magnetic guidance system for drilling twin parallel horizontal wells[J].China Petroleum Machinery,2016,44(4)：106-111.

[26]高德利，刁斌斌.一种螺线管组随钻电磁测距导向系统:ZL201010145020.X[P].2014-04-01.

GAO Deli,DIAO Binbin.A electromagnetic ranging system based on a solenoid assembly while drilling：ZL201010145020.X[P].2014-04-01.

[27]高德利，刁斌斌.一种双螺线管组随钻电磁测距导向系统:ZL201010193984.1[P].2013-01-16.GAO Deli,DIAO Binbin.A electromagnetic ranging system based on dual solenoid assemblies while drilling：ZL201010193984.1[P].2013-01-16.

[28]DIAO Binbin,GAO Deli.Study on a ranging system based on dual solenoid assemblies，for determining the relative position of two adjacent wells[J].Computer Modeling in Engineering & Sciences,2013,90(1)：77-90.

[29]时东海，梁华庆，史超.旋转磁场井间测距信号采集系统的设计与实现[J].电子设计工程，2013,21(23)：123-127.

SHI Donghai,LIANG Huaqing,SHI Chao.Design of signal acquisition circuits for rotating magnetic ranging system[J].Electronic Design Engineering,2013,21(23)：123-127.

[30]高德利，吴志永.一种用于邻井距离随钻电磁探测的测量仪：ZL200910210078.5[P].2012-10-31.

GAO Deli,WU Zhiyong.A measuring instrument for adjacent well distance electromagnetic detection while drilling:ZL200910210078.5[P].2012-10-31.

[31]梁华庆，耿敏，高德利.一种用于旋转磁场井间测距的频变信号消噪方法及装置：ZL201210165021.X[P].2013-12-04.

LIANG Huaqing,GENG Min,GAO Deli.A frequency-varying signal de-noising method and device for rotating magnet ranging system:ZL201210165021.X[P].2013-12-04.

[32]梁华庆，耿敏，时东海，等.旋转磁场井间随钻测距导向系统中微弱频变信号的检测方法[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2013,37(4)：83-87,99.

LIANG Huaqing,GENG Min,SHI Donghai,et al.A weak and frequency-varying signal detection method for rotating magnet ranging system[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2013,37(4)：83-87,99.

[33]GAO Deli,DIAO Binbin,WU Zhiyong,et al.Research into magnetic guidance technology for directional drilling in SAGD horizontal wells[J].Petroleum Science,2013,10(4)：500-506.

[34]吴志永，高德利，刁斌斌.SAGD双水平井随钻磁导向系统的研制及应用[J].电子测试，2014(21)：107-109.

WU Zhiyong,GAO Deli,DIAO Binbin.Dual horizontal well drilling SAGD development and application of magnetic guidance system[J].Electronic Test,2014(21)：107-109.

[35]王德桂.底部钻具动态特性和磁特性的测量研究[D].北京：中国石油大学(北京)，2008.

WANG Degui.Study on measurements of dynamic and magnetic characteristics for BHA[D].Beijing：China University of Petroleum(Beijing),2008.

[36]高德利，刁斌斌，张辉.一种利用探管接收磁短节产生的磁信号确定钻头与直井靶点相对位置的方法：ZL200910210079.X[P].2012-08-22.

GAO Deli,DIAO Binbin,ZHANG Hui.A method for obtaining the relative position between drilling bit and target point using the magnetic signals received by downhole probe tube and generated by magnetic sub：ZL200910210079.X[P].2012-08-22.

[37]刁斌斌，高德利，吴志永.双水平井导向钻井磁测距计算方法[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2011,35(6)：71-75.

DIAO Binbin,GAO Deli,WU Zhiyong.Magnet ranging calculation method of twin parallel horizontal wells steerable drilling[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2011,35(6)：71-75.

[38]DIAO Binbin,GAO Deli.A magnet ranging calculation method for steerable drilling in build-up sections of twin parallel horizontal wells[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2015,27(3)：1702-1709.

[39]DIAO Binbin,GAO Deli.A new rotating magnet ranging method for drilling twin parallel horizontal SAGD wells[J].Petroleum Science and Technology,2013,31(24)：2643-2651.

[40]李翠，高德利.救援井与事故井连通探测方法初步研究[J].石油钻探技术，2013,41(3)：56-61.

LI Cui,GAO Deli.Preliminary research on detection method for connecting relief well to blowout well[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(3)：56-61.

[41]李翠.救援井与事故井连通探测方法研究[D].北京：中国石油大学(北京)，2014.

LI Cui.Research on detection method for making relief well connected to blowout well[D].Beijing：China University of Petroleum(Beijing),2014.

[42]李翠，高德利，刁斌斌，等.基于三电极系的救援井与事故井连通探测系统[J].石油学报，2013,34(6)：1181-1188.

LI Cui,GAO Deli,DIAO Binbin,et al.A detection system based on three-electrode array for connecting a relief well to failure well[J].Acta Petrolei Sinica,2013,34(6)：1181-1188.

[43]LI Cui,GAO Deli,WU Zhiyong,et al.A method for the detection of the distance & orientation of the relief well to a blowout well in offshore drilling[J].Computer Modeling in Engineering & Sciences,2012,89(1)：39-55.

[44]WU Zhiyong,GAO Deli,LI Cui,et al.Experiment research on detection tool for making relief well connect to blowout well in simulation well[J].Electronic Journal of Geotechnical Engineering,2014,19：1945-1956.

[45]吴志永.丛式井随钻电磁防碰系统设计研究[D].北京：中国石油大学(北京)，2015.

WU Zhiyong.Research into the electromagnetic anti-collision system while drilling in cluster wells[D].Beijing：China University of Petroleum(Beijing),2015.

[46]WU Zhiyong,GAO Deli,DIAO Binbin.An investigation of electromagnetic anti-collision real-time measurement for drilling cluster wells[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2015,23(3)：346-355.

[47]宗艳波.旋转磁场定向测距随钻测量仪的研制与试验[J].石油钻探技术，2012,40(6)：110-114.

ZONG Yanbo.Development and field test of rotating magnetic MWD range finder[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(6)：110-114.

[48]田雨，王成林.有源交变磁场导向定位方法及实验研究[J].电子测量技术，2011,34(10)：4-7.

TIAN Yu,WANG Chenglin.Rotating magnetic guidance method and its experiments for measurement while drilling[J].Electronic Measurement Technology,2011,34(10)：4-7.

[49]曹向峰，管志川，刘庆龙，等.旋转磁场测距系统构成及导向定位算法研究[J].石油机械，2015,43(11)：54-58.

CAO Xiangfeng,GUAN Zhichuan,LIU Qinglong,et al.Components of rotating magnet ranging system and its positioning algorithm[J].China Petroleum Machinery,2015,43(11)：54-58.

[50]童泽亮.双水平井定向钻井工艺研究[D].北京：中国石油大学(北京)，2014.

TONG Zeliang.Study on directional drilling control in SAGD horizontal wells[D].Beijing：China University of Petroleum(Beijing),2014.

[51]王鹏.SAGD双水平井轨迹控制工艺及标准化研究[D].北京：中国石油大学(北京)，2015.

WANG Peng.Study on trajectory control and standardization in SAGD horizontal wells[D].Beijing：China University of Petroleum(Beijing),2015.

[52]乔磊，孟国营，范迅.煤层气水平井连通井组轨道设计与控制方法[J].煤炭学报，2013,38(2)：284-287.

QIAO Lei,MENG Guoying,FAN Xun.Design and control methods of remote intersection wells for development of coal-bed methane[J].Journal of China Coal Society,2013,38(2)：284-287.

[53]XI Baobin,GAO Deli.Control technique on navigating path of intersection between two horizontal wells[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2014,21(11)：304-315.

[54]席宝滨.U形井水平对接技术基础研究[D].北京：中国石油大学(北京)，2015.

XI Baobin.Basic research on horizontal intersection technology for U-shaped wells[D].Beijing：China University of Petroleum(Beijing),2015.

[55]林晶，宋朝晖，罗煜恒，等.SAGD水平井钻井技术[J].新疆石油天然气，2009,5(3)：56-60,68.

LIN Jing,SONG Zhaohui,LUO Yuheng,et al.SAGD horizontal drilling technology[J].Xinjiang Oil & Gas,2009,5(3)：56-60,68.

[56]杨睿，关志刚，蒋刚，等.新疆风城油田SAGD平行水平井钻井技术[J].石油机械，2009,37(8)：79-82.

YANG Rui,GUAN Zhigang,JIANG Gang,et al.Drilling technology of dual horizontal wells for SAGD of Fengcheng Oilfield,Xinjiang[J].China Petroleum Machinery,2009,37(8)：79-82.

[57]陈若铭，陈勇，罗维，等.MGT导向技术在SAGD双水平中的应用及研制[J].新疆石油天然气，2011,7(3)：25-28,37.

CHEN Ruoming,CHEN Yong,LUO Wei,et al.Application of magnetic guidance technology in SAGD double horizontal well and development[J].Xinjiang Oil & Gas,2011,7(3)：25-28,37.

[58]高德利，刁斌斌，吴志永.一种邻井平行间距随钻电磁探测系统：201010127557.3[P].2010-03-19.

GAO Deli,DIAO Binbin,WU Zhiyong.A electromagnetic detection system for determining adjacent well parallel distance while drilling：201010127557.3[P] .2010-03-19.

[59]高德利，刁斌斌.一种确定邻井平行段的相对空间位置的方法：ZL201010127554.X[P].2013-03-13.

GAO Deli，DIAO Binbin.A method for determining the relative position of two adjacent well parallel sections：ZL201010127554.X[P].2013-03-13.

[60]张卫东，魏韦.煤层气水平井开发技术现状及发展趋势[J].中国煤层气，2008,5(4)：19-22.

ZHANG Weidong,WEI Wei.Status of coalbed methane horizontal well technology and trend of development[J].China Coalbed Methane,2008,5(4)：19-22.

[61]龚志敏，段乃中.岚M1-1煤层气多分支水平井充气钻井技术[J].石油钻采工艺，2006,28(1)：15-18.

GONG Zhimin,DUAN Naizhong.Technology of drilling mixed with gas for Lan M1-1 coalbed gas multi-branch horizontal well[J].Oil Drilling & Production Technology,2006,28(1)：15-18.

[62]乔磊，申瑞臣，黄洪春，等.武M1-1煤层气多分支水平井钻井工艺初探[J].煤田地质与勘探，2007,35(1)：34-36.

QIAO Lei,SHEN Ruichen,HUANG Hongchun,et al.A preliminary study on drilling technique of Wu M1-1 CBM multi-branched horizontal well[J].Coal Geology & Exploration,2007,35(1)：34-36.

[63]王洪光，肖利民，赵海艳.连通水平井工程设计与井眼轨迹控制技术[J].石油钻探技术，2007,35(2)：76-78.

WANG Hongguang，XIAO Limin，ZHAO Haiyan.Design of interconnecting horizontal wells and wellbore trajectory control technique[J].Petroleum Drilling Techniques，2007,35(2):76-78.

[64]董建辉，王先国，乔磊，等.煤层气多分支水平井钻井技术在樊庄区块的应用[J].煤田地质与勘探，2008,36(4)：21-24.

DONG Jianhui,WANG Xianguo,QIAO Lei,et al.Application of CBM multi-branch horizontal well for drilling technology in Fanzhuang Block[J].Coal Geology & Exploration,2008,36(4)：21-24.

[65]黄勇，姜军.U型水平连通井在河东煤田柳林地区煤层气开发的适应性分析[J].中国煤炭地质，2009,21(增刊1)：32-36,43.

HUANG Yong,JIANG Jun.Adaptability analysis of U shaped horizontal connected wells in CBM exploitation in Liulin Area,Hedong Coalfield[J].Coal Geology of China,2009,21(supplement 1)：32-36,43.

[66]田中兰，乔磊，苏义脑.郑平01-1煤层气多分支水平井优化设计与实践[J].石油钻采工艺，2010,32(2)：26-29.

TIAN Zhonglan,QIAO Lei,SU Yinao.Optimum design and field practice of multi-branch horizontal CBM Well ZHP01-1[J].Oil Drilling & Production Technology,2010,32(2)：26-29.

[67]杨力.和顺地区煤层气远端水平连通井钻井技术[J].石油钻探技术，2010,38(3)：40-43.

YANG Li.Remote-end horizontal communication drilling technology for coal bed methane in Heshun Block[J].Petroleum Drilling Techniques，2010，38(3):40-43.

[68]王彦祺.和顺区块煤层气远端连通水平井钻井关键技术研究[J].中国煤层气，2010,7(1)：18-21.

WANG Yanqi.Research on CBM remote horizontal connected drilling key technology in Heshun Block[J].China Coalbed Methane,2010,7(1)：18-21.

[69]洪常久.水平对接井技术在天然碱矿中的应用[J].煤炭技术，2008,27(6)：142-143.

HONG Changjiu.Application of level docking wells in nature alkaline mine[J].Coal Technology,2008,27(6)：142-143.

[70]吴敬涛，杨彦明，周继坤，等.连通水平井钻井技术在芒硝矿中的应用[J].石油钻探技术，1999,27(4)：7-9.

WU Jingtao，YANG Yanming，ZHOU Jikun，et al.Application of interconnected horizontal well drilling technology in mirabilite[J].Petroleum Drilling Techniques，1999，27(4)：7-9.

[71]周铁芳，向军文.采卤对接井钻井技术及在井矿盐开采中的应用[J].中国井矿盐，1996,27(1)：16-19.

ZHOU Tiefang,XIANG Junwen.Subsurface intersected brine development well drilling technique and its application in well and rock salt development[J].China Well and Rock Salt,1996,27(1)：16-19.

[72]余茂良.对接井在江西岩盐矿床的应用[J].中国井矿盐，1997,28(2)：25-28.

YU Maoliang.Application of horizontal docking well technology in Jiangxi rock salt deposit[J].China Well and Rock Salt,1997,28(2)：25-28.

[73]陈霄.浅析水平对接井技术在盐井中的应用[J].中国井矿盐，2012,43(3)：14-16.

CHEN Xiao.Brief analysis on the application of horizontal docking well technology in the salt well[J].China Well and Rock Salt,2012,43(3)：14-16.

[74]SHEN Ruichen,QIAO Lei,FU Li,et al.Research and application of horizontal drilling for CBM[R].SPE 155890,2012.

[75]TIAN Zhonglan,SHEN Ruichen,QIAO Lei.One new needle technology of remote intersection between two wells and application in Chinese coalbed methane basin[R].SPE 155892,2012.

[76]罗亮，王继峰，顾黎明，等.DRMTS煤层气远距离穿针装备及现场应用[J].长江大学学报(自科版)，2015,12(8)：51-52.

LUO Liang,WANG Jifeng,GU Liming,et al.DRMTS coal-seam methane(CBM)remote intersection equipment and its field application[J].Journal of Yangtze University(Natural Science Edition),2015,12(8)：51-52.

[77]胡汉月，向军文，刘海翔，等.SmartMag定向中靶系统工业试验研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2010,37(4)：6-10.

HU Hanyue,XIANG Junwen,LIU Haixiang,et al.Industrial test research on SmartMag target-hitting guidance system[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2010,37(4)：6-10.

[78]陈剑垚，胡汉月.SmartMag定向钻进高精度中靶系统及其应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2011,38(4)：10-12.

CHEN Jianyao,HU Hanyue.Experience on application of SmartMag high precision drilling guidance system[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2011,38(4)：10-12.

[79]胡汉月，向军文，陈剑垚.“慧磁”SmartMag钻井中靶导向系统加强性工业试验研究[J].中国井矿盐，2011,42(3)：12-15.

HU Hanyue,XIANG Junwen,CHEN Jianyao.The enhanced industrial test research on smart mag Target-Hitting guide system[J].China Well and Rock Salt,2011,42(3)：12-15.

[80]向军文，胡汉月.国产定向对接井精确中靶技术在盐矿中的应用[J].中国井矿盐，2010,41(5)：16-18.

XIANG Junwen,HU Hanyue.The application of accurate target technology of domestic directional butted-wells in salt mine[J].China Well and Rock Salt,2010,41(5)：16-18.

[81]熊腊生，李振选，刘明峰，等.文23-6J 平行救援井钻井技术[J].石油钻采工艺，2014,36(4)：22-25.

XIONG Lasheng,LI Zhenxuan,LIU Mingfeng,et al.Drilling technology for parallel relief well of Well Wen 23-6J[J].Oil Drilling & Production Technology,2014,36(4)：22-25.

[编辑陈会年]

Development of the Magnetic Guidance Drilling Technique in Complex Well Engineering

GAO Deli,DIAO Binbin

(KeyLabofPetroleumEngineeringoftheMinistryofEducation,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249,China)

A complex well that display the characteristics of horizontal wells is an advanced well type and it effectively enhances single-well productivity and ultimate recovery in complicated oil and gas fields.The magnetic guidance drilling technique is one of the core techniques in complex well engineering.This paper presents the development of magnetic guidance drilling techniques,which involve the electromagnetic ranging tool for determining adjacent well distance while drilling,the electromagnetic ranging system based on a solenoid assembly while drilling,the ranging system based on three-electrode array for guiding a relief well to intersect a blowout well.This paper focuses on the introduction of technical principles,downhole magnetic beacons,downhole weak magnetic detectors,ranging algorithms,well trajectory control and other key techniques related to magnetic guidance drilling.The electromagnetic ranging system for the determination of adjacent well distance while drilling has been used successfully in the magnetic guidance drilling of twin horizontal SAGD wells for heavy oil development.It has been confirmed that the ranging system can be used to guide the well trajectory in directional drilling not only in horizontal sections but also in the building up sections.By strengthening coordinated researches involving multiple disciplines,the temperature-resistance performances of the magnetic guidance drilling systems can be further enhanced,and innovative high-temperature magnetic guidance drilling system can be developed.The application of magnetic guidance drilling techniques in complex wells can effectively enhance drilling efficiency and promote safety performances of such drilling operations.

complex well; horizontal well; directional drilling; adjacent well distance; ranging tool; magnetic guidance drilling

2016-08-12。

高德利(1958—)，男，山东禹城人，1982年毕业于华东石油学院钻井工程专业，1984年获西南石油学院石油矿场机械专业工学硕士学位，1990年获石油大学油气田开发工程专业工学博士学位，教授，中国科学院院士，主要从事油气井力学与控制工程研究。系本刊编委。E-mail：gaodeli@cup.edu.cn。

国家自然科学基金创新研究群体项目“复杂油气井钻井与完井基础研究”(编号：51221003)、国家自然科学基金青年基金项目“复杂条件下磁定位导向钻井技术的理论和方法研究”(编号：51304221)及国家科技重大专项课题“复杂结构井优化设计与控制关键技术”(编号：2011ZX05009-005)联合资助。

◀专家视点▶doi:10.11911/syztjs.201605001

TE249；TE927

A

1001-0890(2016)05-0001-09