【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 MWD 技術(shù)，且有效距離范圍僅為 25m；而RMRS 技術(shù)可不依靠 MWD技術(shù)，且有效距離范圍可達(dá) 80m。到目前為止， MGT 和 RMRS已在全世界的大部分 SAGD 井中得以廣泛應(yīng)用。 磁性接頭生產(chǎn)井蒸汽井信號(hào)接收器信號(hào)傳感器生產(chǎn)井蒸汽井磁性接頭 圖 1 MGT 技術(shù)（左）與 RMRS 技術(shù) （右） 貯油層頂部熱油流入井內(nèi)蒸汽流向分界面并凝聚注入蒸汽一對(duì)水平井冷凝油不斷排出貯油層底部 圖 2 蒸汽助推重力驅(qū)油 技術(shù)（ SAGD） 在定向鉆井過(guò)程中，經(jīng)常需要應(yīng)用導(dǎo)航中靶技術(shù)，以期使鉆進(jìn)進(jìn)入設(shè)定的靶區(qū)。隨北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 著定向鉆井技術(shù)應(yīng)用范圍的日益拓展，鉆進(jìn)靶區(qū)面積越來(lái)越小，這對(duì)傳統(tǒng)的中靶測(cè)量技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 RMRS 作為一種主動(dòng)物探磁測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)直徑小于 1m 的靶區(qū)的導(dǎo)航要求，具有較高的精確度。在土耳其貝帕扎里天然堿礦采集鹵鉆井工程中，利用 RMRS 技術(shù)針對(duì) 26 對(duì) U 形井組實(shí)施中靶導(dǎo)航作業(yè)，取得了 100%的中靶率 [3]。實(shí)踐證明， RMRS 旋轉(zhuǎn)磁測(cè)距中靶系統(tǒng)成熟、可靠，具有較高精度，可實(shí)現(xiàn)小靶區(qū)高精度中靶的目的。 定向鉆井順著煤層的走勢(shì)，大大增加了采氣面積，因而提高了效率。澳大利亞目前有 17 個(gè)煤礦用定向鉆井技術(shù)排放井內(nèi)瓦斯，以確保安全生產(chǎn)。而悉尼的一家公司在 20xx年成功地利用這一技術(shù)在地下 600m 深處開出了一口商業(yè)用煤層氣井。美國(guó)的一些煤礦企業(yè)為了礦井安全和開采煤層氣也熱衷采用定向鉆井技術(shù)。在 20xx 年，美國(guó) 10%的煤層氣井都采用了這項(xiàng)技術(shù)。由于這項(xiàng)技術(shù)的逐步 發(fā)展，美國(guó)和澳大利亞部分企業(yè)的煤層氣產(chǎn)量都得到了提高。據(jù)美國(guó)某鉆探公司的統(tǒng)計(jì)，采用橫井采氣比傳統(tǒng)的單一豎井采氣的初期產(chǎn)量可高出 10 倍，氣井的生產(chǎn)壽命也會(huì)增加。根據(jù)對(duì)某些項(xiàng)目的估算，運(yùn)用定向鉆井技術(shù)采集煤層氣的內(nèi)部回報(bào)率為 15%~18%，明顯高于傳統(tǒng)豎井采集法約 3%的回報(bào)率。 在多井聯(lián)合開采方面， RMRS 技術(shù)也得以應(yīng)用。殼牌公司位于文萊的 Seria 油田擁有大量的產(chǎn)油帶，呈相互交錯(cuò)分布。這些產(chǎn)油帶的產(chǎn)量都很小，不適宜單獨(dú)開采。為了解決這個(gè)問(wèn)題，殼牌文萊公司（ BSP）首次應(yīng)用了一種創(chuàng)新的連通 導(dǎo)引井（ CC）技術(shù)。導(dǎo)引井即供給井，是鉆入油環(huán)的水平井，可以從垂直主井眼側(cè)鉆出多個(gè)導(dǎo)引分支，進(jìn)入不同油環(huán)，其作用類似于水平的地下管道，而從油藏向地面的生產(chǎn)則由連通井來(lái)完成。連通井即生產(chǎn)井，可以連接多口導(dǎo)引井，安裝生產(chǎn)設(shè)施后即可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合開采。在鉆連通導(dǎo)引井的過(guò)程中需攻克的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是提高定位準(zhǔn)確度。普通的井眼監(jiān)測(cè)儀器（如隨鉆測(cè)量 MWD 和 陀螺測(cè)斜儀 Gyroes）不能準(zhǔn)確地完成軌跡控制并達(dá)到近距離射孔的要求。為了使射孔距離控制到最佳，必須使用先進(jìn)的定位和測(cè)距修正技術(shù)。 Vector Magics LLC 公司開發(fā)的兩項(xiàng)先進(jìn)的 定向和測(cè)距技術(shù) ——單電纜導(dǎo)向系統(tǒng)（ SWGS）和旋轉(zhuǎn)電磁測(cè)距系統(tǒng)（ RMRS）解決了上述問(wèn)題。 SWGS 引導(dǎo)連通井的鉆井方向，當(dāng)與引導(dǎo)井的空間距離接近 60 米時(shí)，啟動(dòng)引導(dǎo)井中的 RMRS 測(cè)量，測(cè)量結(jié)果給出傳感器和旋轉(zhuǎn)磁源 之間的相對(duì)位置，引導(dǎo)鉆頭鉆向目標(biāo)。 近年來(lái)，我國(guó) 也 加大 了 煤層氣地面開發(fā)和井下抽采力度 。 與此同時(shí)，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化“ 十一五 ” 規(guī)劃中明確提出，未來(lái) 15 年我國(guó)將啟動(dòng) 16 個(gè)重大科技專項(xiàng)，其中就包括大第一章 緒論 4 型油氣田及煤層氣開發(fā)。事實(shí)上，我國(guó)從上個(gè)世紀(jì) 80 年代初就已開始涉足煤層氣開發(fā)，然而，該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍較為緩慢，面臨的一 個(gè)突出問(wèn)題就是單井產(chǎn)量低，導(dǎo)致成本太高，難以形成工業(yè)規(guī)模。多分支水平井技術(shù)可有效解決上述問(wèn)題，以此為核心的定向鉆井技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)煤層氣開采的主要手段，精確導(dǎo)向定位是該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵 [7]。 磁 性 接 頭水平井洞穴井信 號(hào) 接 收 器 圖 3 煤層氣定向連通井 多分支水平井是指在主水平井眼的兩側(cè)不同位置分別側(cè)鉆出多個(gè)水平分支井眼，也可以在分支上繼續(xù)鉆二級(jí)分支，因其形 狀像羽毛，國(guó)外也將其稱為羽狀水平井等 [8]。多分支水平井集鉆井、完井和增產(chǎn)措施于一體，是開發(fā)低壓、低滲煤層的主要手段。煤層氣多分支水平井工藝集成了煤層造洞穴、兩井對(duì)接、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、水平分支井、欠平衡鉆井等多項(xiàng)先進(jìn)的鉆井技術(shù)，具有技術(shù)含量高和鉆井風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。 20xx 年廊坊分院組織施工的武 M11 羽狀水平井順利完鉆，該井垂深達(dá) 900m，是世界最深的一口煤層氣羽狀水平井。 20xx 年底山西晉城大寧煤礦完成 DNP0 DNP02兩口羽狀水平井，每口井的日產(chǎn)氣量約為 2~3 萬(wàn)方。 20xx 年 2 月中聯(lián)煤公司完成了 DS01井的鉆井施工。與此同時(shí)，華北油田與美國(guó) CDX 天然氣國(guó)際有限公司、長(zhǎng)慶油田、遼河油田、遠(yuǎn)東能源等國(guó)內(nèi)外企業(yè)都已啟動(dòng)了羽狀水平井開發(fā)煤層氣的項(xiàng)目 [9]。多分支水平井是煤層氣高效開發(fā)方式的發(fā)展趨勢(shì)，該技術(shù)的普遍應(yīng)用必將為煤層氣的勘探開發(fā)帶來(lái)突破性進(jìn)展，在我國(guó)掀起開發(fā)煤層氣的熱潮 [10]。 目前美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家 在 應(yīng)用多分支水平井開采煤層氣 方面 取得了良好效益。而我國(guó)仍處于緩慢發(fā)展階段。煤層氣開發(fā)是一項(xiàng)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)的產(chǎn)業(yè)，要掌握其基本賦存規(guī)律和開發(fā)技術(shù)，必須有巨大的前期投入和先進(jìn)儀器設(shè)備。然而，目前我國(guó)的煤層氣勘探開發(fā)和科技投入過(guò)低而且分散，尤其是一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備目前我國(guó)還不具備。有源 交變 磁 場(chǎng) 導(dǎo)向定位方法是煤層氣開發(fā)中引導(dǎo)水平井與洞穴井連通的北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 關(guān)鍵技術(shù)。目前我國(guó)尚未掌握此項(xiàng)技術(shù)，只能高價(jià) 購(gòu)買或 租用國(guó)外設(shè)備，制約了煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 因此急需開展 基于此技術(shù) 的 核心 算法以及相應(yīng)測(cè)控手段的研究 。 數(shù)控測(cè)井系統(tǒng) 簡(jiǎn)介 石油 測(cè)井 技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了 模擬記錄階段 、 數(shù)字測(cè)井階段 、 數(shù)控測(cè)井階段 、 成像測(cè)井階段 等，目前的測(cè)井系統(tǒng)以數(shù)控測(cè)井平臺(tái)為主，輔以成像測(cè)井顯示手段。數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)通常由四部分組成：上位機(jī)、下位機(jī)、數(shù)控測(cè)井支撐系統(tǒng)和井下儀。上位機(jī)和下位機(jī)位于地面之上， 主要通過(guò)串口、并口或 USB 總線等接口實(shí)現(xiàn)通訊，而下位機(jī)和井下儀器則通過(guò)單芯電纜連接，數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)支撐環(huán)境則是數(shù)控測(cè)井得以實(shí)現(xiàn)的支持部分。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如 圖 4 所示。 上 位 機(jī)控 制 接 口供 電系 統(tǒng)通 訊 總 線顯 示 器主 計(jì) 算 機(jī)（ 含 系 統(tǒng) 軟 件 ）打 印 機(jī) 和 示波 器 等模 擬接 口測(cè) 量接 口 1測(cè) 量接 口 N下 位 機(jī)井 下 儀測(cè) 井 電 纜井 下儀 1井 下儀 2井 下儀 N 圖 4 數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 上位機(jī)系統(tǒng)主要以工控機(jī) （ 或便攜電腦 ） 為中心，輔助以打印機(jī)等外部設(shè)備。數(shù)控測(cè)井軟件系統(tǒng)的大部分軟件也包含其中 ， 主要完成對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)各個(gè)接口的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的處理、顯示、存儲(chǔ)、打印和回放等功能。 ? 下位機(jī)系統(tǒng)主要 由通用測(cè)井接口和 各種測(cè)量接口 或?qū)Ｓ脺y(cè)井接口 組成。 測(cè)量接口通過(guò)接口控制單元連接到井下儀器，常用的測(cè)井接口有 聲波 測(cè) 井 接口、碳氧比測(cè) 井 接口、陀螺測(cè)斜接口、 DDL3 組合 測(cè)井 儀接口、自然伽馬能譜測(cè)井接口、第一章 緒論 6 雙側(cè)向測(cè)井接口、密度測(cè)井接口、中子壽命測(cè)井接口等 等。 ? 數(shù)控測(cè)井支撐環(huán)境是數(shù)控測(cè)井得以實(shí)現(xiàn)的支持部分，它主要由絞車、測(cè)井模擬電纜（單芯電纜、七芯電纜）、深度編碼器、張力傳感器、磁記號(hào)器、井下儀器供電電源、上位機(jī)和下位機(jī)供電電源等組成。 ? 井下 儀 負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，然后將 采集到的數(shù)據(jù)傳送到井上 。井下 儀通常由傳感器、信號(hào) 測(cè)量與采集設(shè)備、 供電系統(tǒng)、電纜切換單元 等部分 組成。 常用的井下儀器有聲波儀、 CCL 儀、陀螺測(cè)斜儀、碳氧比能譜測(cè)井儀和 RMRS 磁性導(dǎo)向測(cè)量?jī)x等 [11]。 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位系統(tǒng)繼承了數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)， 本課題借助 我教研室在數(shù)控測(cè)井領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)與成熟技術(shù)， 在磁性導(dǎo)向 鉆井技術(shù) 領(lǐng)域開展 自主化的 創(chuàng)新 性研究 。 課題來(lái)源及意義 課題來(lái)源 目前， 為了 緩解我國(guó) 緊缺的 能源 供應(yīng)，我國(guó)加快 了 對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開發(fā)利用，以尋求提高油井 單井產(chǎn)量和采收率 的方法。另一方面，國(guó)內(nèi)也加大了 對(duì)煤層氣開發(fā)領(lǐng)域的投入 。 然而 ，常規(guī)導(dǎo)向技術(shù)尚不能完 全滿足 復(fù)雜 結(jié)構(gòu)井鉆井過(guò)程中 的 精確 中靶 需求， 迫切需要新的高精度定位技術(shù)，以支撐煤層氣開發(fā)技術(shù)的發(fā)展。 目前大多數(shù)隨鉆測(cè)量方案是基于敏感地球重力場(chǎng)的加速度計(jì)和敏感地磁場(chǎng)的磁通門傳感器的組合，在常規(guī)導(dǎo)向鉆井中，靶區(qū)半徑一般約為 30 米，上述組合能夠滿足需求，而在 煤層氣開發(fā) 中的 對(duì)接連通井， 稠油熱采 中 的 成對(duì)平行井 ， 以及 可溶性鹽鹵礦開采 井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井 過(guò)程 中，對(duì)高精度導(dǎo)向定位技術(shù)提出了較高要求， 如稠油熱采中要求兩井平行 且 間距 保持 固定 。而 在煤層氣開發(fā)和可溶性鹽鹵礦開采中，需將水平井和洞穴井對(duì)接連通，構(gòu)成水平對(duì)接連通井， 但是 洞穴井直 徑較小，靶區(qū)半徑甚至不超過(guò) 1米，僅為常規(guī)定向鉆井靶區(qū)半徑的 1/30?；诘卮艑?dǎo)向的連續(xù)測(cè)斜系統(tǒng)雖然定位精度較高但易受干擾，其完好性不足 ； 慣性導(dǎo)航存在時(shí)間積分漂移誤差， 因而 基于慣導(dǎo) 技術(shù)的速率陀螺測(cè)斜系統(tǒng) 也 不能滿足高精度導(dǎo)向 定位 需求 。 近年來(lái)，雖然光纖陀螺及 MEMS技術(shù)在隨鉆測(cè)量中的研究取得較大進(jìn)展 ， 但此類方法仍然無(wú)法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的高精度導(dǎo)向 定位 需求 , 根本 原因 在于 上述 基于 磁通門或陀螺與加速度計(jì)組合 構(gòu)成的 常規(guī)隨鉆測(cè)量 系統(tǒng)沒(méi)有 將鉆頭和目標(biāo)靶點(diǎn)耦合為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，難以避免誤差積累 ，本質(zhì)上屬于開環(huán)測(cè)量。 北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 在 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井 軌跡控制與引導(dǎo)中， 為減小導(dǎo)向定位誤差， 提高中靶精度， 亟待開展從目標(biāo)靶點(diǎn)引導(dǎo)鉆頭鉆進(jìn)的高精度導(dǎo)向定位新方法研究。 低頻交變磁場(chǎng)可以在地 層中傳播，能夠?qū)⒛繕?biāo)靶點(diǎn)和鉆頭耦合為閉環(huán)系統(tǒng)，利用磁信息進(jìn)行空間 定位 導(dǎo)向。 因此，國(guó)內(nèi) 開展 了 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 定位 技術(shù) 的 研究 。 本課題源于 中國(guó)石油化工集團(tuán)部級(jí)課題“磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究”項(xiàng)目 ，以實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向定位系統(tǒng)為目的，研究本系統(tǒng)軟件算法與硬件平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)。 課題意義 本課題將航空航天導(dǎo)航技術(shù)與石油鉆井技術(shù)相結(jié)合，有源引導(dǎo)技術(shù)與 傳統(tǒng) 磁 導(dǎo)向 技術(shù)相 結(jié)合，常規(guī)測(cè)井技術(shù) 與 隨鉆測(cè)量技術(shù)相結(jié)合， 同時(shí)解決慣性導(dǎo)航精度低、磁導(dǎo)向抗干擾能力低、常規(guī)測(cè)井時(shí)間滯后、隨鉆測(cè)井傳輸速率低等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn) 交變磁場(chǎng) 小信號(hào)的提取與 采集 ， 以及 大容量、高速率 的數(shù)據(jù) 傳輸。 本課題的研究， 能夠 解決 煤層氣產(chǎn)業(yè)單井產(chǎn)量和采收率低 這一難題，提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開采利用率，打破煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，應(yīng)對(duì)日益增加的開采成本及鉆井軌跡精度等需求， 突破國(guó)外技術(shù)封鎖 ， 為解決國(guó)家重大科技專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”的瓶頸問(wèn)題提供了必要硬件技術(shù)支撐，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 RMRS 高精度導(dǎo)向定位系統(tǒng)具有重 要的意義 。 樣機(jī)研制成功后，可投入生產(chǎn)使用，在國(guó)民生產(chǎn)生活方面具有一定的應(yīng)用 價(jià)值。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題針對(duì) 油氣田開采中定向連通井、水平井等 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的導(dǎo)向定位需求， 主要研究有源 交變 磁場(chǎng) 導(dǎo)向 定位 技術(shù) 所依賴的測(cè)控硬件平臺(tái)的 實(shí)現(xiàn)， 涉及井下數(shù)據(jù)采集與通信電路、電源電路的設(shè)計(jì)，地面 測(cè)控 接口及協(xié)議 的設(shè)計(jì) ， 以及 系統(tǒng) 自身 測(cè)量誤差 的 校正方法 研究等。結(jié)合我教研室在測(cè)井領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)與成熟技術(shù)，研制 技術(shù) 完全 自主化的測(cè)控系統(tǒng)樣機(jī)， 實(shí)現(xiàn)高精度的空間引導(dǎo)。 主要研究?jī)?nèi)容如下：首先， 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架，完成功能劃分和接 口定義，明確各子系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)手段 。其次， 研究井下儀系統(tǒng)各子單元的實(shí)現(xiàn)方案，包括 信號(hào) 調(diào)理 單元、 數(shù)據(jù)采集單元、 數(shù)據(jù)通信單元 、供電單元 等，并布線制版，進(jìn)行板級(jí)功能測(cè)試 。 然后，設(shè)計(jì)下位機(jī)與井下儀之間、下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信接口，并制定高效穩(wěn)定的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的解碼、模擬信號(hào)采樣、 FIFO數(shù)據(jù)緩存 等功能 。再者， 搭建測(cè)試平臺(tái)，對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，使系統(tǒng)各模塊間通訊正常，實(shí)現(xiàn)基本導(dǎo)第一章 緒論 8 向定位功能。接著進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，不斷修補(bǔ)系統(tǒng)缺陷。同時(shí)，開展系統(tǒng)測(cè)量誤差研究，最大限度地降低 硬件電路自身對(duì)測(cè)量精度的影響，完成電路測(cè)量的標(biāo)定刻度，并提供軟件誤差補(bǔ)償需要的校準(zhǔn)系數(shù)。 最后， 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的整體測(cè)試，測(cè)試通過(guò)即可交付樣機(jī)，并給出相應(yīng)的精度指標(biāo)范圍 。 論文 結(jié)構(gòu)安排 全文共分 六 章，安排如下： 第一章 是 緒論部分 ， 首先簡(jiǎn)要介紹 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 定位 技術(shù)以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況， 指出了研究有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向系統(tǒng)的必要性， 從而引出本文的主要研究?jī)?nèi)容 。 第二章 提出 有源交變磁場(chǎng)導(dǎo)向 測(cè)控 系統(tǒng) 的 總體設(shè)計(jì)方案 。 第三章 闡述井下儀系統(tǒng)各模塊的具體實(shí)現(xiàn) 。 第四章 闡述地面接口系統(tǒng)各 模塊的 具體 實(shí)現(xiàn)。 第五章 介紹 本系統(tǒng)在場(chǎng)地 實(shí)驗(yàn) 中所暴露出的問(wèn)題以及解決辦法 。 在論文的最后， 總結(jié) 了系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了不足之處，并提出了改進(jìn)意見。 北京航空航天大