随钻测量和旋转磁导向技术及在对接井应用

汪凯斌随钻测量和旋转磁导向技术及在对接井应用　２０１０芷　随钻测量和旋转磁导向技术　及在对接井应用　

汪凯斌　（煤炭科学研究总院西安研究院，陕西西安７１００５４）　

摘要：ＡＫ随钻测量的原理出发对随钻测量设备的误差特性进行了分析，指出了随钻测量在实现两　井对接的不足之处，介绍了旋转磁导向的原理及在韩城煤层气开采中的应用情况。　关键词：随钻测量；水平定向钻进；旋转磁导向；对接井　中图分类号：１７６３４．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—７４９Ｘ（２０１０）０４—００８０—０３　

０　引言　近年来，随着煤层瓦斯的开采、利用，在一定程　度上可解决瓦斯给煤矿开采带来的安全隐患，缓解　我国天然气的供需矛盾，减少瓦斯排人空气所引起　的温室效应。通过煤矿井下近钻孔和地面对接孔抽　放瓦斯，可有效地降低煤层回采前的瓦斯含量，并通　过回采过程中采空区抽放瓦斯，结合煤矿生产过程　中的风排瓦斯，能确保煤矿的安全生产¨Ｊ。但地面　瓦斯抽放对接井的设计与施工是难点。为此，本文　介绍了旋转磁导向的原理及应用。　１　随钻测量及测量误差的影响　１．１随钻测量　随钻测量原理：在近水平定向钻进中，随钻测量　主要用来测量钻具的姿态角度（倾角、方位角和工　具面向角）。早期主要采用由石英伺服加速度计和　磁通门磁强计来实现钻具姿态测量；随着现代微电　子机械技术（ＭＥＭＳ）的发展，出现了微硅加速度传　感器和磁强计，这些传感器体积小、全固态、可靠性　高、易于安装、易于批量生产、成本低，已逐渐取代了　体积较大、调理电路复杂的传统加速度计和磁通门　产品。由于随钻测量对尺寸、安装要求非常严格，因　此当今在随钻测量系统中普遍采用ＭＥＭＳ加速度　收稿日期：２０１０—０３—２５　作者简介：汪凯斌（１９７３一），男，陕西周至人，１９９５年毕业于四川大　学自动控制专业，主要从事物探仪器产品的研发、设计工作。　计和ＭＥＭＳ磁强计来进行姿态测量。　根据旋转变换中的欧拉定理，载体在空间的姿　态可用相对于地理坐标系有限次的转动表示，每一　次旋转就相当于一次坐标变换，因此在测得重力场　分量和地磁场分量条件下，则可通过相对重力场和　地磁场的方向结算出钻具的姿态角度　。　随钻测量系统的误差分析：在计算钻具姿态时，　方位角计算公式的成立条件是：在测量地磁场时不　受外界磁场的干扰。因而任何影响地磁接收的因素　都会导致磁强计测量值不准确，特别是钻杆一般由　铁磁性材料构成，磁化后会产生一个较大的干扰磁　场。因此在石油或煤矿定向钻进中，通常将安装有　加速度计和磁强计的测量探管装在无磁钻杆中，以　减小硬磁物质对测量结果的影响。但是无磁钻杆的　前、后段仍然有磁性钻杆的存在，地壳中含有带磁性　矿物、岩石，地下存在的铁质性物质通常都会产生一　个附加的干扰磁场，从而导致计算方位角时会出现　较大误差。此外，随钻测量装置在地下还要忍受较　大的温度变化，也会导致钻具姿态的测量误差增大。　为解决此类问题，随钻测量系统采用各种硬磁和软　磁校正算法以降低干扰磁场的影响；采用温度补偿　技术以减少温度变化对姿态的影响。尽管如此，随　钻测量装置的系统误差仍然较大，表１列出了一些　常用随钻测量系统的系统误差　Ｉ４　Ｊ。　１．２随钻测量误差对对接井作业的影响　定向对接连通井技术：就是利用可溶性或可燃　性矿产的开采特性，采用定向钻探技术和水平井钻　第４期　汪凯斌随钻测量和旋转磁导向技术及在对接井应用　８１　井技术，使地面相距数百米的两井或多井在地下数　百米甚至上千米的目的开采层处定向对接连通，以　实现两井或多井连通采矿　。定向对接连通井技　术早期主要用于井矿盐开采领域，近年来定向对接　连通井技术在石油开采、煤层气开发等领域也有了　较为广泛的应用。与可溶性井盐开采相比，煤层气　开发对定向对接连通井技术有着更高的要求。对石　油钻井而言，其靶区一般为目标油层，其油层厚度由　１　ｍ至数米甚至１０　ｍ不等。而在煤层气地层中，靶　区不宜太大，否则易引起塌孔等事故，一般在煤层气　中，对接的靶区直径为ｌ　ｉｎ左右　。　随钻测量累积误差的影响：对接连通井通常由　水平井和垂直井构成，水平井和垂直井在钻井过程　中都需要对其钻进轨迹进行严格控制，以确保在钻　进结束时水平井与垂直井钻遇，实现对接。然而由　于随钻测量系统具有一定的误差，且该误差有一定　的累加性，导致其实际钻进轨迹与设计轨迹有较大　误差。图１是对接井及其近水平钻进轨迹投影示意　图，其中左下角为近水平钻进的起点，右上角的圆形　为垂直井，右上角的椭圆为考虑到误差影响后的理　论轨迹范围。从图中可看出，如果对接井间的距离　越远，其对接的绝对误差越大，假设两个需要对接的　井间距离为８００　ｒｎ，垂直井井深１　０００　ｍ，随钻测量　系统的理论方位角误差为１．５。，则对接时的方位方　向的误差为２０．９　ｉｎ；倾角误差为０．２。，则倾角方位　向的误差为３．５　ｍ。常用随钻测量系统在井间距为　８００　ｍ，井深为１　０００　ｍ时的累积误差如表１所示。　图１　随钻测量累积误差示意图　在实际定向钻进对接连通井的测井过程中，还　存在着地磁异常、工程磁干扰、矿体磁干扰、钻具结　构、受力状态、仪器的安装形式和人等其它因素会引　起钻进轨迹的偏差。因此钻进轨迹的控制误差往往　会比表１给出的值大，而在煤层气开采领域靶区的　半径通常为１　ｍ左右，由此可见，单依靠随钻测量方　法在工程上很难确保对接连通井的准确对接。　表１　常用随钻测量系统的误差　

２旋转磁导向旋转磁导向仪及其应用　２．１旋转磁导向　旋转磁导向主要是以解决钻进过程中误差的累　积性为目标。在水平钻进过程中，钻进距离越远，离　目标越近，累积误差越大；旋转磁导向将测量点放在　垂直井中，因此就变成钻进距离越远，离目标越近，　测量距离越小，因此在测量系统误差相同下，绝对误　差则越小，从而消除了累积误差，如图２所示。旋转　磁导向就是在钻头后端安装一个永磁铁，在垂直井　中放人一个由三轴加速度计和三轴磁阻传感器组成　的测量仪器，用来测量永磁铁产生的磁场。在水平　钻进过程中，旋转的永磁铁产生一个交变磁场，垂直　井中的测量仪器测量到这个磁场后，经过计算确定　出目前钻进的位置，然后计算出钻进姿态三个角度　的修正值，发给主井的控制人员，控制人员依次为依　据对水平钻进的姿态进行控制，实现两井的对接。　旋转磁导向的原理见图３所示　。　

图２旋转磁导向无累积误差示意图　２．２旋转磁导向仪器及其应用　ＶＥＣＴＯＲ　ＭＡＧＮＥＴＩＣ公司旋转磁导向仪器：旋　转磁导向仪器由探管和加重杆、地面机架、磁接头、　通讯装置、仪器工程车、电缆、绞车和控制器、发电　８２　陕西煤炭　２０１０正　测点（Ｘｏ．Ｙ０，Ｚ０）　口　处安装传感器一　

ｆ导航轨迹ｆ　

图３旋转磁导向原理不意图　机、计算机和软件组成。磁接头用于产生磁信号，安　装水平井中的钻机钻头后，接收探管用绞车被放置　于垂直井中，通讯装置用于垂直井和水平井之间的　数据通信，计算机和软件用来对数据进行分析和处　理，得到近水平钻进钻头所处的位置，然后计算出近　水平钻进的姿态调整参数，用以修正水平钻进的轨　迹。由于旋转磁导向采用永磁铁产生磁信标信号，　其测距范围可达四十多米，可提前预知方位和倾角　误差，以便及时纠斜，达到一次中靶的目的。ＶＥＣ—　ＴＯＲ　ＭＡＧＮＥＴＩＣ公司旋转磁导向仪器的测量探管　外径为４５　ｈｉｍ，长度为１．４　ｍ，井斜精度为０．１５。，方　位精度为０．４。，测深最大可达５　０００　ＩＴＩ　。　旋转磁导向仪器在韩城煤层气对接井中的应　用：２００９年６月胜利定向井公司在陕西省韩城地区　采用ＶＥＣＴＯＲ　ＭＡＧＮＥＴＩＣ公司的旋转磁导向仪器　和美国通用公司的电磁波随钻测量系统成功实现了　高难度远距离水平末端对接井（ＷＬ０５—１Ｈ）的连通　对接，这口井总进尺１　４３８．８１　ＩＴＩ，其中水平段长　６２４．９７　ｉｎ，创出了国内煤层气开采连通距离　８８０．６　ｍ的最长纪录　。为了确保ＷＬ０５—１Ｈ井连　通对接，胜利定向井公司根据陕西省韩城地区５号　煤和１１号煤比较松软，结构强度低，煤层气孔隙小　的特点，采用负压钻井的方法，来保护煤气层储层，　减少或者避免煤层坍塌，最大限度的减少钻井液对　煤气层储层的污染，增加单井煤层气产量的效果。　负压钻井的方法要求在整个钻井过程中煤气层储层　的压力应大于井眼钻井液液注压力，需要采用泡沫　钻井液实现。但是在使用泡沫钻井液的条件下，井　下仪器信号的传输不能再采用钻井液脉冲仪器的传　输方式，胜利定向井公司通过采用通用公司的电磁　随钻测量仪器成功的解决了这一技术难题。　３　结论　随钻测量系统虽然在近水平定向钻井中得到了　广泛应用；但是由于随钻测量系统的误差和误差累　积性，仅依靠随钻测量技术无法保证对接井的准确　连通。而旋转磁导向仪器采用主动磁场测量技术，　将测量点放在垂直井中消除了误差的累积性，可提　前预知方位及倾角误差，及时纠斜，达到一次中靶的　目的。ＷＬ０５—１Ｈ井的对接连通开创性地实现了旋　转磁导向仪器在煤层气领域的成功应用。　参考文献：　［１］徐凤银，李曙光，王德桂．煤层气勘探开发的理　论与技术发展方向［Ｊ］．中国石油勘探，２００８，　（５）：１—４．　［２］徐涛．水平定向钻进随钻测量方法及定位技术　研究［Ｄ］．长沙：国防科学技术大学，２００６．　［３］马哲．随钻测量系统介绍［Ｒ］．西安：通用油田　技术推广报告，２０１０．　［４］　刁宏彦．ＢｌａｃｋＳｔａｒ电磁波无线随钻产品介绍　［Ｒ］．西安：ＢｌａｃｋＳｔａｒ电磁波无线随钻技术推广　报告，２０１０．‘　［５］　向军文，陈晓琳．定向对接连通井技术的发展及　展望［Ｊ］．探矿工程，２００３，３３（１）：２０—２２．　

Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｗｈｉｌｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｏｔａｔｅｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｂｕｔｔｅｄ　ｗｅｌｌｓ　ＷＡＮＧ　Ｋａｉ．ｂｉｎ　（Ｘｉ￣ｚｎ　Ｂｒａｎｃｈ　ｏｆＣｈｉｎａ　Ｃｏａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，　ｎ　７１００５４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｈｕｔｔｅｄ　ｗｅｌｌｓ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｔｅｅｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｇａｓ　ｄｒａｉｎａｇｅ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｗｈｉｌｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｒａｃｋ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｅ／Ｔｏｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｗｈｉｌｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｓｈｏａａｇｅｓ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｗｈｉｌｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｉｎ　ｂｕｔｔｅｄ　ｗｅｌｌｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｒｏｔａｔｅｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ，ｔｈｅ　ａｒｔｉ－　ｃｌｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｒｏｔａｔｅｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｂｅｄ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｗｈｉｌｅ　ｄｒｉｌｉｎｇ；ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｒｏｔａｔｅｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｂｕｔｔｅｄ　ｗｅＨｓ