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人工磁导航定向钻进基本原理和应用

发布时间:2013年05月21日
来源:探矿工程在线

 

人工磁导航定向钻进基本原理和应用

 

胡汉月

(中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊065000

 

1  基本概念

1.1  人工磁导航(Artificial Magnet Guidance)

人工磁是指人工制造的磁元件,又称人造磁铁。由人工磁所营造的磁场被称作人造磁场,它有别于天然磁场(natural magnetic field)。大地磁场是一种巨大的天然磁场,而人工磁场则是在大地磁场内依靠人工构造成的一种局部磁场。

传统定向钻进测控技术采用大地天然磁场进行导航,其在钻杆内部安置MWDMeasuring while drilling)系统,以大地磁场作为磁信标,获取当前钻杆或钻具相对于大地磁场的方位、顶角等状态参数,从而为计算钻头目前位置状态提供数据,引导钻进按照设计的轨迹前进。

MWD导航不同的是,人工磁导航系统虽然也是依靠磁场进行导航,但它参照是并不是大地磁场,而是一个人工营造的磁场。

我们不妨把人工磁导航系统比做一台“地下经纬仪”,它采用磁测技术提供钻头与靶点之间的位置状态信息,引导定向钻进精确进入设计的靶区。

1.2  中靶Target Hitting

所谓“中靶”,原指在射击运动中飞矢或飞行物击中目标。在本系统中是指定向钻进进入设计的靶区。

1.3  对接井(Intersected well pair)技术

对接井技术是利用可溶性矿产的开采特征,采用定向钻探技术和水平井钻井技术,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开采层处定向对接连通,以实现两井或多井连通采矿。典型的U形对接井如图1所示。

1  采卤对接井

与传统的单井水溶采卤相比,不但占地面积仅为前者1/2,而且,生产效率提高了约4倍。

1.4  靶与靶区大小

早期的多数定向对接采卤井是施工一口水平井与已有的垂直井相连通。由于垂直井已生产多年,其矿层溶腔直径达数十米,因此,靶区目标较大。

到后来,一对对接井中的两口井均为新开井,此时,先施工垂直井,然后再施工水平井。在水平井施工期间,垂直井进行水循环建槽。由于盐的溶解性较好,一般经过一、二周的建槽,即可使溶腔达10-20米。对于左右方向10-20、垂直方向2-5的靶区而言,采用有线随钻仪器,其一次中靶率可达80%以上,二次中靶率可达95%以上。

但是,2003年以后,当对接井应用于天然碱矿时,对接的成功率受到了极大的挑战。由于天然碱矿层厚一般在2米以下,又由于其溶解性较盐差,因此,其建槽作业既费时间又费能耗。

随着对接井在天然碱矿中的推广应用,对接工艺对仪器提出了更高的精度要求。近年来,煤层气开发正处于开发阶段。煤层气的开发大量采用组井的地下对接,以实现集中采气。煤层气地层中的靶区不宜太大,否则易引起塌孔等事故,一般在煤层气中实施对接的靶区直径为1米以内。

综合而言,随着对接井的广泛推广应用,各种应用领域也对钻进轨迹的测探技术提出了更为严格的精度要求。

 

2  磁中靶系统的基本方法及其创新性

2.1  人工磁导航中靶系统的基本组成

如图2所示,人工磁导航中靶系统由旋转磁信标、探管、地表接口箱、无线信号传输器和笔记本电脑等组成。

2  U形井对接作业原理

旋转磁信标安装于泥浆马达输出轴上,其末端连通钻头。在泥浆马达驱动下,磁信标与钻头一起旋转,从而产生一个动态的旋转磁场。

探管采用测井绞车下入目标井内靶点深度处,它采集旋转磁信标产生的信号,传输至地表接口箱。

地表接口箱用于向孔底探管提供电源供应,并与探管之间进行数据通讯,最终将信号通过无线信号传输传送给笔记本电脑,进行数据采集工作。

无线信号传输器由一个信号发送器和一个信号接收器及不同功率的天线所组成。它用于在水平井井口处以无线方式获取目标井处的数据流。

笔记本电脑用于收集从无线信号传输器传来的原始信号,然后进行解析,最终计算出磁信标与靶点之间的距离、顶角和方位偏差。

2.2  人工磁导航中靶系统工作原理

磁导航中靶系统是一种采用人工磁信标进行测量的主动测距系统。在钻进过程中,它借助人工营造的磁场作为信标进行定向测量、从而确定当前钻进参数并指导钻进方向。通常,大地磁场是一种有效的天然磁信标,广泛应用于定向钻进测量中。而主动磁测距技术与传统的天然磁导航钻进的不同之处在于采用人工磁信标对钻进轨迹进行测量定位 (见图3)

3  磁导航基本原理图

主动磁测距技术特点是在小范围内采用人工磁信标所构筑的人工磁场进行测距,其强度比天然磁场强数十倍至数百倍(相对距离而变化),通过测量该磁场的矢量参数,可精确计算出钻孔轨迹,对钻头所处的当前位置进行精确定位。

水平井钻进至离目标靶点约70m时,探管开始采集旋转磁信标发出的信号,并将数据传送给笔记本电脑,采用软件分析钻头所处的位置。

总体而言,RMRS只是应用于水平井最后70m的引导式钻进,因此垂直井的钻进和水平井前期钻进工作均保持不变。在钻进至最后70m时,如果因为某些原因造成过大的偏差,以至于螺杆马达的最大纠斜能力不能满足对接要求,那么,继续向前钻进20m,使数据得到进一步验证。然后,根据数据分析结果,退后至距离第二靶点约70-100m处进行分支钻进,同时采集分析结果作预先调整。只要控制得当,再次钻进将实现100%中靶。

由于该系统采用了主动磁信标系统,其产生的强磁信号可穿透地层数十米,而接受探棒仍能捕获信号,因此其测距范围可达70米。提前预知方位及顶角误差,可及时纠斜,达到一次中靶的目的。 

获取当前钻进参数后,可利用水平井中置于无磁钻杆中的MWD 系统提供的信息,操作钻机调整工具面角,及时纠正方向,使其靠近靶点目标。

2.3  常规导向仪器用于中靶钻进之缺陷

国产有线随钻测量系统,以500米井深为例,垂直方向上可能出现的最大偏差为±13.1m,水平方向上可能出现的最大偏差±1.74m;国产无线MWD则分别为±8.7m和±1.3m。如果没有一定范围的溶腔或压井措施,采用常规的国产测井仪器直接连通的可能性并不大。尤其是在采碱地层中,由于含碱地层矿层厚度小(一般在0.5m2m),可溶性较差,建槽周期长,中靶率就更低了。

除此之外,在定向钻进对接井的测井过程中,仪器的误差并不是唯一的,还存在着其它因素同样会引起钻进轨迹偏差。这些因素是地磁异常、工程磁干扰、矿体磁干扰(如铁矿,硫铁矿等)、钻具结构及受力状态、仪器的安装型式、套管鞋磁场对MWD的干扰、无磁钻铤及加杆长度和人为误差等。

传统的定向钻进是采用天然磁场作引导,其MWD测量的累计偏差随着钻进距离的增加而成正比增加,因此,在进行长距离定向对接时,受累计误差的影响,中靶精度很难得到保证。

因此,现有的随钻测量仪器用于高精度对接井中靶施工具有准确率低和中靶成功率低等问题。即使定向钻进工程师在轨迹设计、施工工艺上作出多种富有针对性的技术改进,仍难以从根本上提高中靶率。而人工磁导航技术则试图从导航原理上根本解决中靶问题。  

2.4  人工磁导航技术的创新性

传统MWD地磁系统先天性地存在一定的顶角和方位角误差,一般而言,目前国内使用的MWD方位误差约为±1.5°至±0.5°,顶角误差约为±0.2°至±0.1°,当井距超过500m 、靶区直径小于3m时,依靠这种精度是无法实现准确中靶的。但人工磁中靶系统采用人工强磁信标方法,着重测量近靶点距离和方位,克服了MWD产生累计误差的固有缺陷,可减小地磁异常或矿层弱磁对测井方向造成的偏差,因此其中靶精可低至各向正负1m

传统的MWD系统通常以单多点(EMS)仪进行轨迹复检。但是,以同一种方法进行同一地点的轨迹复检,并不可靠。人工磁中靶系统抛开地磁,以人工强磁场方式检测钻头与靶点之间的方位和距离,具有异类方法检测的优势。

采用传统MWD系统导航钻进,即使实现了连通,其中靶精度也不可获知,对该地区以后的钻井作业没有指导借鉴作用。人工磁中靶系统可总结出某一地区某种型号的MWD可能产生惯性偏差,从而对以后的钻井作业提供预纠偏指导。

尽管该方法本身也存在精度误差,但由于其测量的距离很小(0-70m),而且其测量精度随着对靶点的不断趋近在不断地提升,因此在经过多次方向调整后,最终中靶时其绝对偏差可以控制在各向1m以内。

 

3  人工磁导航中靶系统的应用范围

3.1  深部矿产定向钻探

新一轮国土资源大调查中,一个重要内容就是评价全国矿产资源潜力和重点区域矿产资源远景,建立并实现“数字国土”管理目标。磁导航钻探技术作为一种精度定位钻探技术,可有效地应用于岩心定向钻进、取样定向钻进中,获取地下矿产的精确地理位置,从而为数字填图提供更为精确的数据。

靶区定向钻探。借助靶区(矿区)已有的钻井设置磁量测仪器,对正在进行的钻井施工提供轨迹测量服务,引导其进入靶区。

1)避障防碰。在钻探区域,有时存在一些废弃井或其它地下管道,在钻进时需要避开它们,这时可以借助磁导磁技术,引导钻进避开这些障碍物(见图4)。

4  避障钻孔施工

2)在详勘埋藏深的急倾斜矿体或缓倾斜矿体时,采用丛式井钻探方法进行定向钻探取心。这时可采用磁导航量测技术提供精确的钻进参数。

在羽状井勘探中,用于防碰钻进。

3.2  在石油、天然气及煤层气钻井中的应用

1)蒸汽辅助稠油开采;

2)煤层气对接井施工。在保证地下采煤时的安全同时,还能提高能源的开采与利用率。

3.3  在固体矿产水溶开采钻井中的应用

在盐、碱、以及铁、磷、石英砂等的钻孔水溶或水力开采时,采用定向对接井是一种事半功倍的方法。不但矿山投资小,而且占地面积最少,可开采深度超过500m的地下固体矿产,无疑是一种绿化环保矿山开采方法。

当水溶采矿方法与定向对接井技术相结合起来,一种低投入、高产出、高效率、绿色环保的采矿方法诞生了。

3.4  在地热钻井工程中的应用

钻多孔底定向井多次穿过含水裂隙或沿含水裂隙钻单孔底定向井,可增加热水的开发量。开发地壳深部“干热岩”体的能量  钻两口定向井,用本项目的人工磁导航仪器指引钻进方向,使两口水平井在地下连通,形成一个地下热仓和封闭回路,用一口井向下注冷水,干热岩将冷水加热,另一口井抽出高温蒸气进行发电。与热水井相同,钻多孔底定向井或沿含水裂隙钻单孔底定向井,可增加出水量。

3.5  在其它钻井和工程上的应用

1)在城市高大建筑物、道路及江河等地,钻跨越定向孔铺设电缆或管道(如水下输油管道)。

2)油井灭火时从着火早附近施工另一口通道井,用于灌浆堵塞着火井油气通道。

3)在矿山工程中,钻高要求垂直孔,如坑道通风孔、处理水淹坑道的垂直孔,都要求钻孔垂直进靶区较小的坑道内。

4)用于竖井注浆孔。

5)地下核爆炸试验后,为了快速有效而安全地取样,必须采用定向钻进和设计定向孔,快速准确钻到地下核爆炸区域取样。

 

4  “慧磁”定向钻进中靶引导系统

慧磁” SmartMag钻井中靶引导系统源于中国地质调查局2008年立项的“高精度定向钻进中靶系统研究”项目。该项目旨在通过试验研究建立起定向钻进中靶模型,引导钻进进入靶区,实现精确中靶。

4.1  系统组成及工作原理

在硬件方面,慧磁” SmartMag钻井中靶引导系统由旋转磁信标、探管、地表接口箱和笔记本电脑等组成。在软件方面,SmartMag 钻井中靶引导系统由磁场信号采集与解析程序、结果分析程序和加密程序所组成。如图5所示。

5  慧磁SmartMag钻井中靶引导系统的组成

4.2  技术参数

“慧磁”SmartMag钻井中靶引导系统的主要技术指标如下:最大测量距离:70 m;最大井深:2500 m;最高井温:85 ℃;最小信标直径:90mm;传感器入井直径:55mm

4.3  应用情况

4.3.1  在土耳其BEYPAZARI天然碱采集卤工程

慧磁中靶导向系统第一次应用于实井测量是在土耳其首都安卡拉西北的贝帕扎里。在当地一个20平方公里的丘陵地带下,储藏着近2亿吨的天然碱。2009-2010年勘探技术研究所与当地碱矿合作,完成了23对对接井的施工任务。

井组类型:包括三井井组、四井井组和双通道井组等多种类型。见图6~图8

 

             图6  四井井组                           7  三井井组

8  双通道井组

对接类型:一对一的对接方式只要求打通即可,而一对多连通则不同。前面的井打通后,会影响后续井组的正常钻进,因此要求斜井不与前面的井直接连通,而是偏离1.5m-2.5m的距离,等日后井组循环时,自行溶通。这种对接方式称为避让作业。一般情况下,除了井组的最后一个直井直接连通外,其它直井都应是这种作业方式。

2009930日,在H004LB井组,利用“慧磁”中靶导向系统对V004LBV004U+LA进行避让指导作业,测得斜井从前者右边2.8米通过,从后者右边2.5m通过。首次应用该系统,外人对于避让作业出来的数据存在疑问,毕竟连通才算成功。于是第三直井即V004LA的连通作业具有了重大的意义。随着钻头不断地前进,慧磁导向系统也不断指导钻进修正轨迹。终于在101日凌晨,钻头达到靶点,实现了连通(见图9)。

随着第一次的成功,“慧磁”钻井导向系统开始大量参与到对接工作当中。此后,“慧磁”在该工地共完成了23个井组的中靶作业,全部取得了预期的效果。

4.3.2  国内工程

1)江西九二盐矿

慧磁导向系统在国内首次应用是在20106月江西赣州的九二盐矿。该矿区内有一对老井C308和C307,由于事故原因,到20102月才开始进行定向对接施工。到20105月斜井C308分支四次未能与C307对接。528日,慧磁中靶导向系统对老孔轨迹进行测量,发现轨迹在C307左侧34.7m,第二天分支。62日,在慧磁导向系统的跟进实时测量中,C308顺利与C307对接。

2)衡阳建滔16

湖南衡阳建滔16井,于20107月开始与15井进行对接施工。先后分支多次均失败。2011227日,慧磁导向系统对最后一次分支孔进行轨迹测量,发现斜井轨迹在目标井左侧20.2m。井队重新磨孔分支。直井15井下部溶腔复杂,为安全起见,探管下到了套管以下16m处,即中心管以上20m,并以此为靶点。对于此处是否有溶腔,值得商榷。35日早晨,慧磁导向系统显示钻头距靶点还有13.5m。结果十分意外,钻进了13m后,一切还很正常,再钻进半米后,泥浆突然消失,没有上返,两井连通。

3)广州市龙归硝盐矿

20118月,龙20井组未使用慧磁中靶仪时,二次未能中靶,后启用“慧磁”中靶仪对老孔进行测量,然后后撤分支,一次钻进连通。施工单位为湖南地勘局417地质队。

4)湖北应城盐矿

2011916日~27日,采有“慧磁”共施工3对盐井,均为一次中靶。施工单位为泰安化工地质工程勘察院。

 

5  结语

  截止201110月,“慧磁”中靶导向系统已完成20多对井的对接施工,其优良的精度和稳定的性能,获得了施工人员的高度评价。“慧磁”钻井导向系统的诸多优势可以帮助施工方减少分支次数,一次到达目标区域,减少了螺杆、钻头及人员的费用支出,降低井下仪器的风险;对矿方来讲,应用“慧磁”导向系统,可免去在直井端的建槽的需要,降低了建井成本,避免了卤水对环境的污染,同时也取得了更好的经济效益。

 

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