【正文】 以在使用電纜測井工具測井很困難或甚至不可能的環(huán)境條件下進行測井；（2）以使用井下信息傳輸系統(tǒng)在鉆井過程中隨時向地面發(fā)送實時決策信息，根據井下實際地質特征控制鉆具鉆出最優(yōu)化的井眼軌跡（即地質導向鉆井）。27 分支井技術分支井的潛力已經不用置疑。目前分支井的鉆井在某種情況下還存在風險高、成本高的問題。在技術上最大的障礙是主井筒與分支井筒之間的連結與密封問題。石油工業(yè)界認為，如果某些問題得以解決，那么分支井的可靠性及經濟的可行性將發(fā)展成一種標準的實用技術。現在分支井技術在許多石油公司應用很廣泛，許多大的石油服務公司都成立了專門的分支井技術服務部門。特別是海上油田和稠油油田對分支井技術更具吸引力，由此可見，分支井技術將是繼水平井之后的又一重要的提高和改善油田開發(fā)效果及原油采收率的先進技術。目前的分支井類型及應用見圖15 示。圖15 分支井類型及應用 定向隨鉆取芯技術定向造斜取芯技術是在不采用孔底馬達的情況下既能定向又能繩索取芯。它能以較少的鉆進入射點、較短的鉆進軌跡，取得較大的有效信息量，與傳統(tǒng)的垂直或傾斜鉆進取芯作業(yè)方式結合應用，則可在絕大多數場合下（如海面上、地表建筑物密集區(qū)、地層傾滑區(qū)等）滿足地質巖心鉆探工作的需要。在某些特殊地區(qū)，由于受地形及交通等限制，只能在某一特定地點布置鉆機機臺。這時如果采用單純的直孔或直線斜孔鉆進取芯勘探，則很難有效地到達礦床靶區(qū)。如果布置多個工作點進行鉆進，不僅增加了簡易公路及機臺搬遷等28投資費用，而且會增加施工工期，影響整體工作效率。而實施定向鉆進取心技術就很容易鉆到礦床靶區(qū)，并精確提供見礦點的空間坐標，有利于合理評價礦產資源。其基本原理見圖16。圖16 定向取芯技術目前國外只有一家挪威公司DEVICO 擁有，屬于壟斷技術，只作技術服務，已在世界各地建立了六個服務子公司，在勘探領域完成的定向鉆探和定向取心重大工程達十余項。例如，新加坡海底油庫地質勘探、美國、加拿大、香港隧道勘探或坑道都是由該公司采用該項技術完成實施的。應用事例見圖17。圖17 定向造斜取心實例 高精度中靶技術主動磁測距技術是在鉆進過程中借助人工磁體作為信號進行定向測量從而確定當前鉆進參數并指導鉆進方向的一種技術。其技術特點是在小范圍內通過人工磁體所構筑的磁場進行測距，其強度比天然磁場強數十倍至數百倍，在鉆孔離靶點40‐50m 時，通過測量29該磁場的矢量參數，可精確計算出鉆孔軌跡，并計算出鉆頭離靶點井斜角、方位角誤差，對鉆頭所處的當前位置進行精確定位。其技術精度可達上下177。，左右177。圖18 高精度磁中靶技術該儀器由信號源、接收探管、電源接口箱、無線傳輸套件等基本元件組成。磁信號源置于水平井中，接收探管被置于垂直井中。無線傳輸套件用于垂直井與水平井兩端的數據通訊，電源接口箱用于給井下探管提供電源，并將捕獲的信號進行調制，通過傳輸套件發(fā)送給水平井端的筆記本電腦，最終通過軟件對信號進行處理和解析，得出當前點的地理信息，從而指導下一步的鉆進方向。其基本原理見圖18。 旋轉導向鉆井技術旋轉導向系統(tǒng)(RSS)是在鉆柱旋轉鉆進時，隨鉆實時完成導向功能的一種導向式鉆井系統(tǒng)，是20 世紀90 年代以來定向鉆井技術的重大變革。RSS 鉆進時具有摩阻與扭阻小、鉆速高、成本低、建井周期短、井眼軌跡平滑、易調控并可延長水平段長度等特點，被認為是現代導向鉆井技術的發(fā)展方向。在RSS 出現以前，多采用由泥漿馬達驅動的滑動導向鉆井系統(tǒng)實施導向鉆井。該系統(tǒng)的特點是在鉆井過程中鉆柱不旋轉，而是沿井壁軸向滑動，并通過滑動導向工具改變井眼的井斜角和方位角，從而控制井眼軌跡。旋轉導向系統(tǒng)與滑動導向鉆井系統(tǒng)相比，具有鉆速快、井眼質量高、降低壓差卡鉆風險、可清潔井眼等優(yōu)點。旋轉導向系統(tǒng)按其導向方式可分為推靠鉆頭式(Push the Bit)和指向鉆頭式(Point theBit)兩種系統(tǒng)。目前主要有以下四種旋轉導向鉆井系統(tǒng)。（1）AutoTrak X‐treme 系統(tǒng)AutoTrak X‐treme 系統(tǒng)是由井下鉆井馬達驅動的旋轉導向系統(tǒng)。其最大的優(yōu)勢是將普通轉盤式RSS 最高250rpm 的轉速提高到400rpm。該系統(tǒng)由旋轉閉環(huán)導向系統(tǒng)Auto Trac30和高效鉆井馬達X‐treme 組合而成。其特殊設計的模塊化結構可以允許BHA 持續(xù)高速旋轉，而X‐treme 馬達的設計也解決了導向數據通過馬達傳輸的問題，真正實現了精確、實時的近鉆頭導向。（2）Revolution RSSRevolution 旋轉導向系統(tǒng)是一種“指向”式的旋轉導向系統(tǒng)，導向的主要組件為不可旋轉的套筒穩(wěn)定器、近鉆頭旋轉穩(wěn)定器和旋轉傳動軸(drive shaft)。地面導航設施接收到泥漿脈沖傳輸的LWD 信號后確定偏移方向和偏移角度，使傳動軸產生偏移。傳動軸在套筒穩(wěn)定器中運轉，將扭矩和載荷傳遞至鉆頭，“指引”鉆頭向既定方向前進。近鉆頭旋轉穩(wěn)定器起到支點的作用。（3）3D 旋轉導向系統(tǒng)——Pathfinder RSSPathfinder 3D 旋轉導向系統(tǒng)實現了在沖蝕井眼中的定向鉆進。一般的旋轉導向工具依靠與井壁的直接接觸來施加導向力，或者通過這種接觸來維持導向部件的穩(wěn)定。PathfinderRSS 采用特殊設計的導向墊塊最多可以伸長1in，使121/4in 的井眼工具在13in 的井眼中仍能與井壁接觸。（4）PowerDrive 系統(tǒng)PowerDrive 旋轉導向系統(tǒng)是通過高速旋轉同時導向來進行鉆進的，然而高速旋轉下的定位比較困難。斯倫貝謝公司的PowerDrive 采用了在RSS 內部安裝不旋轉組件的方法解決該問題，因其外部鉆桿始終處于旋轉狀態(tài)而大大提高了鉆速。“讓每個接觸井壁的部分都在轉動”的思想是斯倫貝謝旋轉導向系統(tǒng)的核心，也是優(yōu)于其它RSS 系統(tǒng)的根本其基本原理如圖19 示。圖19 旋轉導向鉆井系統(tǒng)原理圖31二、定向鉆進軌跡控制技術中國地質科學院勘探技術研究所 劉志強定向井的井眼軌跡控制理論與技術，是定向井鉆井成套技術中的關鍵環(huán)節(jié)。研究這項理論和技術的目的，就是要使定向井的實鉆軌跡盡量靠近預先設計的理論軌跡，最終準確地鉆入靶點（或靶體）。同時，要盡量加快機械鉆速，降低鉆井成本。簡而言之，在保證成功的前提下追求鉆井的低成本。成功和成本始終是評價定向井井眼軌跡控制技術的兩個重要方面。在定向井施工前，首先需要考慮地質條件、鉆井目的和要求、鉆井工藝技術和施工技術水平等實際情況，設計出該井的井眼軌跡，為鉆井施工提供理論依據。對已完成井眼的井眼軌跡提供精確描述與評價，確定其是否符合設計要求。井眼軌跡的描述對于固井完井、修井作業(yè)等也是一份重要的基礎資料。井眼軌跡描述的基礎是以井口為原點建立坐標系，描述時可以用圖示法，也可以用解析法。兩種方法相輔相成、互為補充，應用時往往兩者兼顧，既利用圖示法形象、直觀的特點，又發(fā)揮解析法參數準確、靈活的優(yōu)勢。井眼軌跡的基本概念描述井眼軸線的形狀及方位的參數可以分為兩大類，一類是監(jiān)測參數，另一類是計算參數。 監(jiān)測參數由監(jiān)測儀器在井眼軌跡每個測點上測得的井深、井斜角、井斜方位角統(tǒng)稱為監(jiān)測參數，也稱為井身測量參數。鉆井中，實際鉆出的井眼軸線是一條空間曲線，為了了解這條空間曲線的形狀，就必須進行井眼軌跡的測量，在鉆井工程術語中稱作測斜。目前，測斜的方法還做不到連續(xù)測量井眼軌跡，只能一個點一個點的測，被測的點稱為測點，測點的標志是該點所在的井深。測斜儀器在每個測點上所測的參數有三個，即該點處井深、井斜角和井斜方位角。這三個32參數就是井眼軌跡的基本參數。1)井深井深是指井口（通常以轉盤面為基準）至測點的井眼長度，也稱之為斜深、測深，井深是用鉆柱或電纜的長度來計量的。井深既是井眼軌跡上某點的標志，又是該點處的井眼軌跡參數之一。井深通常用字母L 表示，單位為m。井深的增量是用下測點的井深減去上測點的井深，井深的增量為井段，以ΔL 表示。如圖1—1 所示，ΔL=LB‐LA。圖1 井斜角及垂深示意圖 圖2 井斜方位角及井斜坐標示意圖2)井斜角井眼方向線與鉛垂線之間的夾角就是井斜角。過井眼軸線上某測點作井眼軸線的切線，該切線指向井眼前進方向的部分稱為井眼方向線。顯然，井眼方向線與鉛垂線都是有向線段。井斜角表示井眼軌跡在該點處相對于重力線的傾斜程度。井斜角常用α表示，單位為（176。）。兩個測點間井斜角的增量等于下測點的井斜角減去上測點的井斜角，用Δα表示，如圖1—1 中，A 點的井斜角為αA，B 點的井斜角為αB，AB 井段的井斜角增量Δα=αB－αA。3)井斜方位角以正北方向線為始邊，順時針方向旋轉到井眼方位線上所轉過的角度，即為井斜方位角。某測點處的井眼方向線在水平面上的投影，稱為井眼方位線或井斜方位線。正北方位線和井眼方位線都是有向線段，都可以用矢量表示。井斜方位角通常用Ф表示，單位為（176。）。規(guī)定：井斜方位角的值可以在0176?！?60176。范圍內變化，順時針為正，逆時針為負。井斜方位角的增量是用下測點的井斜方位角減去33上測點的井斜方位角，用ΔФ表示。如圖1—2 所示，A 點的井斜方位角為ФA，B 點的井斜方位角為ФB，AB 井段的井斜方位角增量ΔФ=ФB－ФA。井斜角和井斜方位角是相互依存的。只有井眼軌跡上某點的井斜角不為零時，才存在方位角，否則就不存在井眼軌跡的傾斜方位問題。因此，完整的“井斜”概念包含著井斜角和井斜方位角兩層含義。4)井斜方位角基準變換在定向鉆井施工的井眼軌跡監(jiān)測中，由于采用了不同正北方向的基準，所以定義了三種方位角，即真方位角、磁方位角和坐標方位角。磁性測斜儀所測得的井斜方位角，是以地球磁北方位為基準的，稱為磁方位角。地磁極與地理極并不吻合，地理子午線和磁子午線之間存在一個夾角，這個夾角稱為磁偏角，用δ表示。磁偏角又分為東磁偏角和西磁偏角。當磁北方位線在真北方位線的東面時，稱為東磁偏角，值為正；當磁北方位線在真北方位線的西面時，稱為西磁偏角，值為負，如圖1—3 所示。真方位角ФT:井眼軌跡在水平投影上的某點指向大地北極的方向線，稱為真北方向線（地理北方向）。井眼軸線上某測點的方向線（切線）在水平面上的投影與真北方向線之間的夾角，稱為該點的真方位角或大地方位角。真方位角ФM:井眼軌跡在水平投影上的某點指向地磁北極的方向線，稱為磁北方向線。井眼軸線上某測點的方向線（切線）在水平面上的投影與磁北方向線之間的夾角，稱為該點的磁方位角。坐標方位角ФC:高斯投影區(qū)內的中央子午線稱作坐標北（網格北）。井眼軸線上某測點的方向線（切線）在水平面上的投影與坐標北之間的夾角，稱為該點的坐標方位角。井斜方位角之間的關系，如圖1－4 所示，其關系式為ФT＝ ФM+δ （1—1）ФC＝ФT－ξ （1—2）ФC＝ФM+δ－ξ （1—3）式中 δ－磁偏角，東磁偏角為正值，西磁偏角為負值（176。）；ξ－高斯平面子午線收斂角，東收斂角為正值，西收斂角為負值（176。）。34圖3 磁偏角示意圖 圖4 各方位角之間的關系各方位角之間的換算以前稱為“方位角校正”，主要換算內容是將磁方位角換算為真方位角。但實際上，這種換算過程既不是對測量誤差的修正也不是對測量儀器的校準，只是將方位角的計算基準由一種轉換為另一種，并不存在“校正”問題，因此稱之為“方位角換算”或“方位角”歸化更為科學。地質、工程設計中的方位角均為地理方位（真北方位），而用磁性儀器所測的井斜方位角是磁方位角，并不是真方位角，所以需要對測得的磁方位角進行換算以求得真方位角。5)子午線收斂角石油天然氣行業(yè)標準定向井軌跡設計與計算（SY/T54352003）規(guī)定“在軌跡計算中，井斜方位角應進行磁偏角和子午線收斂角的換算”，這是我國石油天然氣行業(yè)標準第一次明確規(guī)定了子午線收斂角的換算問題。定向井的井位和目標點都是用坐標值來表示的，坐標值又與坐標系有關系。同一井位，坐標系不同，則坐標值也有很大的區(qū)別。（1）大地坐標系大地坐標系是描述地球上任意一點位置的坐標系，某點的位置在坐標系中用經度、緯度和高程H 來確定，這個坐標系通常稱為地理坐標系。但是，大地坐標系不能給出地球表面上的距離或長度，不便于在鉆井工程中應用。因此，要想在平面上把某點的位置表示出來，這就需要平面坐標系。由于地球表面是球面，不可能展開到平面上，所以要想將井眼軌跡在平面上表示出來，就要使用投影的方法，這就是地圖學中使用的投影法。地圖投影方法很多，我國采用的是高斯－克呂格投影法，圖1－5 所示。（2）子午線收斂角的定義和性質在大地坐標系中，北半球所有子午線均交匯于北極點。過同一緯度線上兩點A 和B分別作子午線的切線，二切線必相交于地軸，二切線之間的夾角，稱為A、B 兩點的子午線收斂角。35在高斯投影坐標系中，任意點都有其坐標北方向，且都與中央子午線方向相同，此坐標北方向稱為“網格北”，用GN 表示。同時，任意點還有其“真北”方向（沿子午線在該點的切線方向），用TN 表示。GN 與TN 之間的夾角，稱為高斯平面子午線收斂角（簡稱子午線收斂角），用字母ξ表示。實鉆井眼軌跡計算要用的就是這個收斂角。子午線收斂角有正負之分，以網格北相對于真北的方向進行判斷。在中央子午線以東，網格北都在真北以東，可稱為東收斂角，值為正；在中央子午線以西，網格北都在真北以西，可稱為西收斂角，值為負。圖5 高斯投影（3）子午線收斂角的計算鉆井工程設計給定的井口位置和目標點的坐標，都是以高斯投影坐標系為基準的。要計算子午線收斂角，首先要進行坐標系的轉換，把高斯投影坐標系轉換成大地坐標系，即可求得井口和目標點的經度和緯度。在完成坐標轉換之后，即可進行子午線收斂角的計算。簡易計算公式ξ=Δλsinψ （1—4）Δλ=λλ0式中 ξ－子午線收斂角，單位（176。）λ