喬 磊，高德利，代繼樑，車 陽

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

0 引言

我國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+有桿泵”是排水采氣的最佳方式。基于以上煤層氣開發(fā)的特殊性，我國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井眼軌道測量與控制提出了更高的要求。由于隨鉆測量技術（MWD）測量滯后和定位精度低等問題［4-7］，傳統(tǒng)的MWD技術在水平井1700 m井深處累積綜合誤差達31.55 m（圖1中紅色線條表示累積誤差與井深的關系），因此該技術遠不能滿足煤層氣水平井兩井連通的精確軌道測控要求。

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

基于煤層氣特殊的軌跡測控需求，美國VM公司提出了利用近鉆頭旋轉磁場測量技術（RMRS），基本解決了煤層氣水平井兩井對接難題［8-11］，但存在連通成功率低、測量范圍小等問題。2020年筆者深入研究了近鉆頭磁場測量原理和煤層氣對接水平井鉆井工藝，形成系統(tǒng)的磁導向鉆井理論，并分析了鉆頭、地磁等干擾因素對磁定位精度的影響機制，提出了基于微弱磁場信號的卡爾曼定位方法等有效措施，成功解決了煤層氣U型水平井遠距離（110～1 m）精確磁導向技術難題，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型水平井磁導向鉆井理論

磁導向鉆井技術通過實時檢測地下近千米處的人工旋轉磁場的分布特征，經(jīng)軟件處理、控制，實現(xiàn)在鉆井過程中對鄰井井眼空間位置進行高精度定位與導航（如圖2所示），實時調(diào)整水平井井眼軌跡，達到兩井的精確連通［12-13］。

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

依據(jù)ISCWSA國際標準誤差測量模型［14-15］，水平井鉆進至距離排采直井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，方位偏差預測最大為15.64°。煤層氣對接水平井在距離靶區(qū)約100 m范圍開始進行磁導向作業(yè)，實時測量的參數(shù)包括鉆頭與直井的距離（R）、方位偏差（φ），利用磁導向高精度定位數(shù)據(jù)校準水平井軌跡參數(shù)，并進行扭方位作業(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)射裝置在鉆井過程產(chǎn)生三維旋轉磁場（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態(tài)磁場信號采集傳感器，實時采集傳感器位置三維動態(tài)磁場參數(shù)，基于以下磁導測量模型［16-17］進行定位計算：

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

基于以上磁導向測量模型，設計出用于煤層氣水平井連通作業(yè)的DRMTS型遠距離穿針測量系統(tǒng)［18］。該裝備主要由磁源發(fā)射裝置、旋轉磁場采集系統(tǒng)、地面工控機、提升絞車等組成，具體如圖3所示。磁源發(fā)射裝置本體由無磁鋼棒料加工制成，并在其上鑲嵌一些強磁圓柱體，主要作用是在鉆柱旋轉時形成一個“旋轉磁場”，頻率與鉆柱旋轉頻率相同，約為2～5 Hz；陣列磁通門傳感器主要用來探測旋轉磁場信號（H x，H y，H z），并將測量的信號采集、放大，通過電纜傳輸?shù)蕉囱ň?；采集到的磁場信號通過地面無線傳輸系統(tǒng)從直井發(fā)送到水平井接收終端，最后通過以上建立的磁場測量模型和工程軟件實時計算鉆頭與目標井間的距離和方向偏差。

圖3 遠距離穿針測量系統(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型水平井磁導向鉆井方案Table 1 Magnetic ranging plan for“U”type CBM horizontal well intersection

2 磁導向鉆井測量精度的影響因素分析及對策

2.1 井下磁矩降低帶來的誤差及消除算法

在磁導向鉆井距離測量算法中，距離R與該位置磁場大?。℉ x，H y，H z）呈對應反比關系，其中μ需在地面進行準確標定。但是設備入井后，由于磁場受地層、鉆頭、套管等的干擾，下井后的標定系數(shù)μ的數(shù)值與地面不同，為距離測量帶來誤差。

煤層氣水平井的井眼軌跡由一系列離散測點的連線組成，在2個測量點之間的距離小于5 m情況下，定義測點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個相鄰測點的連線，R1為第一個測點與洞穴的連線，R2為第二個測點與洞穴的連線。

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

由于在第一個和第二個測點的測量中，我們可以實時測量鉆進方向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計算公式：

式中：α1、α2——分別為L1與R1、R2的夾角。

2.2 遠距離微弱磁場信號條件下的高精度定位方法

在地面測試實驗中，我們發(fā)現(xiàn)在微弱磁場條件下儀器測量的距離始終不穩(wěn)定，即使在定轉速條件下仍然不穩(wěn)定。導致測量不穩(wěn)定因素的關鍵是磁場采集傳感器精度與信號達到了同一量級，即0.1～1 nT，干擾磁場對測量結果的穩(wěn)定性造成了非常大的影響。針對這一問題，開發(fā)了基于卡爾曼算法的井下定位方法，以消除遠距離條件下弱磁場信號的影響，解決了測量的穩(wěn)定性和可靠性。

鉆進過程中，測取鉆進標記點測量參數(shù)（即距離和方位偏差），通過對所測標記點之前所形成的多個連續(xù)所測磁場信號進行綜合分析，然后對所測得的各標記點的測量參數(shù)進行卡爾曼濾波計算，通過對各標記點的測量參數(shù)進行卡爾曼濾波計算后，消除了各種噪聲、干擾的影響，使濾波輸出逐漸收斂，大幅提高遠場定位精度。圖5為測點與洞穴位置關系圖。

圖5 連續(xù)測量過程測點與洞穴位置關系Fig.5 Relationship between the survey station and the target cavity during continuous survey

連續(xù)測量過程的卡爾曼定位測量計算主要包括以下3個步驟：

（1）數(shù)據(jù)采集。設定水平井鉆頭的鉆進標記點［A0、A1、…、A n］；采集鉆頭在相鄰兩標記點所形成的磁場信號［S1、S2、…、Sn］。

（2）單點計算。根據(jù)單點定位測量模型計算各標記點［A0、A1、…、A n］所對應的測量參數(shù)［Z0、Z1、Z2、…、Zn］。

（3）連續(xù)測量數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波。對各標記點的測量參數(shù)［Z0、Z1、Z2、…、Zn］進行卡爾曼濾波計算，得到鉆頭當前位置的最優(yōu)估計值。

3 煤層氣水平井磁導向鉆井現(xiàn)場試驗與應用

3.1 距離校正算法現(xiàn)場試驗

試驗采用在磁源發(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)對旋轉磁場的干擾。圓盤的直徑為0.5 m，材料為普通鋼材。

圖6中X軸25 m處的點是校正逼近的起始值，由于圓盤的干擾，距離測量結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，當鉆頭前進5 m進尺后，距離測量結果經(jīng)過迭代能夠良好地逼近無干擾下的測量值，后續(xù)的鉆井測量可完全消除井下工況帶來的定位干擾。

圖6 迭代逼近校正算法計算結果對比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)場應用

煤層氣水平井井下穿針測量結果受到磁場采集環(huán)境、Butter濾波帶寬設置等因素影響，在某一井深位置單次測量的洞穴與鉆頭間距離及角度測量結果波動幅值超過了5%。為了提高單點測量精度，去除測量中的噪聲問題，引入卡爾曼濾波方法降低了測量值的波動，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，水平鉆井導向角度測量精度小于1°的技術要求，大幅提高遠場定位精度，取得了較好應用效果。

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

另外在該井距離靶點75～65 m范圍進行了微弱磁場定位試驗，如圖8所示。從圖中可以看出，由于磁場信號的迅速減弱，單次測量誤差波動十分劇烈，距離的均方根誤差分別達到6 m以上，此時直接根據(jù)單次測量結果進行定位沒有實際意義。而卡爾曼濾波方法在信號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處的卡爾曼濾波結果Fig.8 Kalman filter ing results at distance of 75m to the cavity

3.3 磁導向鉆井技術現(xiàn)場試驗與應用

下面以ZP-H1井磁導向鉆井現(xiàn)場應用為例，論述煤層氣水平井磁導向鉆井工藝。DRMTS遠距離穿針工具在951.5～999 m深的井段進行了磁導向定位作業(yè)，完成了鉆頭和洞穴井的距離和方位偏差等測量多項工作。儀器入井后即發(fā)現(xiàn)磁場信號，并開始導向，此時測量的方位偏差為9.2°，圖9中的紅點為MWD常規(guī)定向鉆井時設定的靶點，十字靶點為磁導向定位靶點；通過11次磁導向鉆井測控作業(yè)，在距離洞穴1.5 m時方位偏差調(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，實現(xiàn)了擊中小靶區(qū)的預期目標。

圖9 DRM TS磁導向鉆井過程Fig.9 Guidance process with the DRMTS magnetic ranging system

4 結論

（1）通過測量井下人工旋轉磁場（H x，H y，H z）的分布特征，利用建立的磁定位模型實現(xiàn)對鄰井井眼空間位置進行高精度定位與導航，達到兩井精確連通的目標。

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

（3）遠場條件下磁信號與傳感器精度達到了同一量級，測量的穩(wěn)定性和重復性不能夠有效保證?；诳柭亩ㄎ凰惴山鉀Q弱磁場環(huán)境下測量值的可靠性難題。

（4）在磁導向鉆井的實踐中，驗證了磁導向鉆井理論在煤層氣U型水平井的精確對接領域應用的可行性，定向連通靶區(qū)可控制在?177.8 mm以內(nèi)。