远距离穿针钻井技术与装备

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1、中国石油钻井工程技术研究院远距离穿针钻井技术与装备编者序：煤层气排水采气大多采用水平井/多分支水平井技术。一般由两口井组成，一口是多分支水平井，一口是洞穴直井，两口井相距200米至1000米。钻井过程中，采用远距离穿针技术将水平井与直井在地下连通，后期在洞穴直井中下入有杆泵等井下工具进行排水采气。煤层气是近几年能源领域的一个新兴产业，我国沁水盆地、鄂尔多斯盆地等地的煤层气均已进入开发阶段。但我国煤层气藏普遍具有低压、低渗透的储层特性，成本压力非常大，从提高采收率和经济效益方面考虑，除直井外，开发煤层气最有效的钻井方式是水平分支井和“U”型水平井。远距离穿针技术及装备是实现远距离精

2、确连通两口井的关键技术之一，也是煤层气多分支/“U”型水平井钻井的必需技术。但该技术及装备一直以来被外国公司垄断，服务费和专利使用费居高不下，严重制约了我国煤层气的低成本规模开发。为了解决国内煤层气钻井的瓶颈技术，国家重大专项“大型油气田及煤层气开发”设立重点课题进行远距离穿针钻井装备的攻关研究，并将其列入重大专项十大装备之一；远距离穿针装备主要由磁性短节和测量探管组成；磁性短节随钻柱旋转形成一个“旋转磁场”，通过测量探管采集旋转磁场信号（Hx，Hy，Hz），然后利用建立的磁场测量模型及配套软件计算钻头与靶点的距离和方向偏差。通过“十一五”后三年的技术攻关，项目预期要完成适合6寸

3、井眼的4-3/4远距离穿针装备的研制，基本形成配套的远距离穿针钻井技术。2008年攻关团队从测量基础理论、磁源设计与制作、磁场信号采集系统、地面测试与模拟系统等单元模块开始攻关；2010年7月研制成功4-3/4远距离穿针原理样机；经过不断完善和改进，2011年2月项目组开发出4-3/4远距离穿针工程样机，形成一套远距离穿针测量与控制技术。三年时间里，攻关团队历经百余次实验，研制成功120毫米远距离穿针工具，并形成了一套远距离穿针测量与控制技术。自主研制的远距离穿针技术与装备，在远距离穿针测量基础理论、远距离穿针工艺研究及软件开发、远距离穿针工程样机制造及现场施工工艺等方面均取得突

4、破性进展：创新了5套核心测量模型及方法；研制了1套120毫米远距离穿针重大装备；通过技术集成，基本形成了1项煤层气水平井远距离专有技术；另外进行了2井次的现场应用，并申请2项发明专利和1项实用新型专利。该项目研制的穿针装备与传统的随钻测量方法相比，具有以下优点：一是由于磁性短节和钻头连接到一起，距离小于1米，实现了近钻头测量；二是利用旋转磁场可实时测量钻头与目标靶点的相对距离和方向；三是旋转磁场的引入很大程度消除了靶点标定误差、MWD（随钻测量系统）累积测量误差，提高了钻头中靶率。与目前国内在用的进口产品比较，该装备性能上有两大优势：一是具备井斜偏差测量能力，能够进行三维立体导向

5、连通；二是具备近距离测量能力，1米左右依然可以引导（国外3米~5米），该功能对实现精确连通、提高中靶概率具有重要作用。截至7月26日，这项成果已在山西、陕西等煤层气开发现场应用3口井，穿针系统磁场和重力场等测量数据稳定，数据上传和地面采集快速、准确；在距离70米处可捕捉信号，在距离60米处可进行精确定位导向作业；整套装备可靠性较高，具备了现场应用与商业化的条件，远距离连通钻井装备与技术达到了国际先进水平。由于国外公司对该项技术的严格保密，之前我们对远距离穿针钻井装备的了解和掌握几乎是一片空白。通过深入的可行性研究，团队梳理出必须攻下的几个“制高点”，包括测量算法、高精度磁通门传感

6、器系统、微弱磁场信号的高效滤波方法等。摆在项目攻关团队面前的第一个拦路虎是测量机理和算法，它是制定整套技术方案的基础。为了解决测量机理和算法问题，团队吸纳了国内航空航天领域方面的专家，将航天器轨道控制的理论引入到了钻井领域，在结合磁学、钻井工艺等学科的基础上，通过大量的计算机仿真试验和地面模拟测试，成功建立了远距离穿针测量算法。跨过了基础理论门槛后，团队的研究任务进入到了应用开发阶段。远距离穿针装备的研制需要精度达到0.2nT及以上的磁通门及配套电路，当时我国尚未拥有精度如此高的传感器；由于项目研制周期仅剩3年多时间，当时考虑优先采购国外的磁通门；但是通过与国外厂家联系后，采购事

7、宜对我们也关上了大门；因为该类型的传感器属于军品，对我国为禁售产品。“技术是买不来的”，最终项目组还是走上了依靠国内力量自主研发的道路。通过二年多的攻关，联合国内船舶等行业的研究机构，项目组成功开发出0.2nT磁通门。在解决了硬件问题后，剩下的最后一个难题是微弱磁场信号的提取方法；远距离穿针系统发出的信号大小约为地磁场的万分之一，因此捕捉该微弱信号如同大海捞针。通过深入的理论研究和地面试验，创新了一套动态磁场信号提取及去噪方法，有效解决了信号的采集和提取难题。之前，远距离穿针装备