【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(jìn)行測井；（2）以使用井下信息傳輸系統(tǒng)在鉆井過程中隨時(shí)向地面發(fā)送實(shí)時(shí)決策信息，根據(jù)井下實(shí)際地質(zhì)特征控制鉆具鉆出最優(yōu)化的井眼軌跡（即地質(zhì)導(dǎo)向鉆井）。27 分支井技術(shù)分支井的潛力已經(jīng)不用置疑。目前分支井的鉆井在某種情況下還存在風(fēng)險(xiǎn)高、成本高的問題。在技術(shù)上最大的障礙是主井筒與分支井筒之間的連結(jié)與密封問題。石油工業(yè)界認(rèn)為，如果某些問題得以解決，那么分支井的可靠性及經(jīng)濟(jì)的可行性將發(fā)展成一種標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用技術(shù)?，F(xiàn)在分支井技術(shù)在許多石油公司應(yīng)用很廣泛，許多大的石油服務(wù)公司都成立了專門的分支井技術(shù)服務(wù)部門。特別是海上油田和稠油油田對(duì)分支井技術(shù)更具吸引力，由此可見，分支井技術(shù)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(jìn)技術(shù)。目前的分支井類型及應(yīng)用見圖15 示。圖15 分支井類型及應(yīng)用 定向隨鉆取芯技術(shù)定向造斜取芯技術(shù)是在不采用孔底馬達(dá)的情況下既能定向又能繩索取芯。它能以較少的鉆進(jìn)入射點(diǎn)、較短的鉆進(jìn)軌跡，取得較大的有效信息量，與傳統(tǒng)的垂直或傾斜鉆進(jìn)取芯作業(yè)方式結(jié)合應(yīng)用，則可在絕大多數(shù)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(zhì)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(diǎn)布置鉆機(jī)機(jī)臺(tái)。這時(shí)如果采用單純的直孔或直線斜孔鉆進(jìn)取芯勘探，則很難有效地到達(dá)礦床靶區(qū)。如果布置多個(gè)工作點(diǎn)進(jìn)行鉆進(jìn)，不僅增加了簡易公路及機(jī)臺(tái)搬遷等28投資費(fèi)用，而且會(huì)增加施工工期，影響整體工作效率。而實(shí)施定向鉆進(jìn)取心技術(shù)就很容易鉆到礦床靶區(qū)，并精確提供見礦點(diǎn)的空間坐標(biāo)，有利于合理評(píng)價(jià)礦產(chǎn)資源。其基本原理見圖16。圖16 定向取芯技術(shù)目前國外只有一家挪威公司DEVICO 擁有，屬于壟斷技術(shù)，只作技術(shù)服務(wù)，已在世界各地建立了六個(gè)服務(wù)子公司，在勘探領(lǐng)域完成的定向鉆探和定向取心重大工程達(dá)十余項(xiàng)。例如，新加坡海底油庫地質(zhì)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(xiàng)技術(shù)完成實(shí)施的。應(yīng)用事例見圖17。圖17 定向造斜取心實(shí)例 高精度中靶技術(shù)主動(dòng)磁測距技術(shù)是在鉆進(jìn)過程中借助人工磁體作為信號(hào)進(jìn)行定向測量從而確定當(dāng)前鉆進(jìn)參數(shù)并指導(dǎo)鉆進(jìn)方向的一種技術(shù)。其技術(shù)特點(diǎn)是在小范圍內(nèi)通過人工磁體所構(gòu)筑的磁場進(jìn)行測距，其強(qiáng)度比天然磁場強(qiáng)數(shù)十倍至數(shù)百倍，在鉆孔離靶點(diǎn)40‐50m 時(shí)，通過測量29該磁場的矢量參數(shù)，可精確計(jì)算出鉆孔軌跡，并計(jì)算出鉆頭離靶點(diǎn)井斜角、方位角誤差，對(duì)鉆頭所處的當(dāng)前位置進(jìn)行精確定位。其技術(shù)精度可達(dá)上下177。，左右177。圖18 高精度磁中靶技術(shù)該儀器由信號(hào)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(hào)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(shù)據(jù)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(hào)進(jìn)行調(diào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和解析，得出當(dāng)前點(diǎn)的地理信息，從而指導(dǎo)下一步的鉆進(jìn)方向。其基本原理見圖18。 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(RSS)是在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，隨鉆實(shí)時(shí)完成導(dǎo)向功能的一種導(dǎo)向式鉆井系統(tǒng)，是20 世紀(jì)90 年代以來定向鉆井技術(shù)的重大變革。RSS 鉆進(jìn)時(shí)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(diào)控并可延長水平段長度等特點(diǎn)，被認(rèn)為是現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。在RSS 出現(xiàn)以前，多采用由泥漿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)實(shí)施導(dǎo)向鉆井。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是在鉆井過程中鉆柱不旋轉(zhuǎn)，而是沿井壁軸向滑動(dòng)，并通過滑動(dòng)導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)與滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)相比，具有鉆速快、井眼質(zhì)量高、降低壓差卡鉆風(fēng)險(xiǎn)、可清潔井眼等優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按其導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)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(dá)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。其最大的優(yōu)勢是將普通轉(zhuǎn)盤式RSS 最高250rpm 的轉(zhuǎn)速提高到400rpm。該系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)閉環(huán)導(dǎo)向系統(tǒng)Auto Trac30和高效鉆井馬達(dá)X‐treme 組合而成。其特殊設(shè)計(jì)的模塊化結(jié)構(gòu)可以允許BHA 持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，而X‐treme 馬達(dá)的設(shè)計(jì)也解決了導(dǎo)向數(shù)據(jù)通過馬達(dá)傳輸?shù)膯栴}，真正實(shí)現(xiàn)了精確、實(shí)時(shí)的近鉆頭導(dǎo)向。（2）Revolution RSSRevolution 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是一種“指向”式的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，導(dǎo)向的主要組件為不可旋轉(zhuǎn)的套筒穩(wěn)定器、近鉆頭旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器和旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸(drive shaft)。地面導(dǎo)航設(shè)施接收到泥漿脈沖傳輸?shù)腖WD 信號(hào)后確定偏移方向和偏移角度，使傳動(dòng)軸產(chǎn)生偏移。傳動(dòng)軸在套筒穩(wěn)定器中運(yùn)轉(zhuǎn)，將扭矩和載荷傳遞至鉆頭，“指引”鉆頭向既定方向前進(jìn)。近鉆頭旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定器起到支點(diǎn)的作用。（3）3D 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)——Pathfinder RSSPathfinder 3D 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在沖蝕井眼中的定向鉆進(jìn)。一般的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具依靠與井壁的直接接觸來施加導(dǎo)向力，或者通過這種接觸來維持導(dǎo)向部件的穩(wěn)定。PathfinderRSS 采用特殊設(shè)計(jì)的導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是通過高速旋轉(zhuǎn)同時(shí)導(dǎo)向來進(jìn)行鉆進(jìn)的，然而高速旋轉(zhuǎn)下的定位比較困難。斯倫貝謝公司的PowerDrive 采用了在RSS 內(nèi)部安裝不旋轉(zhuǎn)組件的方法解決該問題，因其外部鉆桿始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)而大大提高了鉆速?！白屆總€(gè)接觸井壁的部分都在轉(zhuǎn)動(dòng)”的思想是斯倫貝謝旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)原理圖31二、定向鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所 劉志強(qiáng)定向井的井眼軌跡控制理論與技術(shù)，是定向井鉆井成套技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究這項(xiàng)理論和技術(shù)的目的，就是要使定向井的實(shí)鉆軌跡盡量靠近預(yù)先設(shè)計(jì)的理論軌跡，最終準(zhǔn)確地鉆入靶點(diǎn)（或靶體）。同時(shí)，要盡量加快機(jī)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(píng)價(jià)定向井井眼軌跡控制技術(shù)的兩個(gè)重要方面。在定向井施工前，首先需要考慮地質(zhì)條件、鉆井目的和要求、鉆井工藝技術(shù)和施工技術(shù)水平等實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出該井的井眼軌跡，為鉆井施工提供理論依據(jù)。對(duì)已完成井眼的井眼軌跡提供精確描述與評(píng)價(jià)，確定其是否符合設(shè)計(jì)要求。井眼軌跡的描述對(duì)于固井完井、修井作業(yè)等也是一份重要的基礎(chǔ)資料。井眼軌跡描述的基礎(chǔ)是以井口為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，描述時(shí)可以用圖示法，也可以用解析法。兩種方法相輔相成、互為補(bǔ)充，應(yīng)用時(shí)往往兩者兼顧，既利用圖示法形象、直觀的特點(diǎn)，又發(fā)揮解析法參數(shù)準(zhǔn)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(shù)可以分為兩大類，一類是監(jiān)測參數(shù)，另一類是計(jì)算參數(shù)。 監(jiān)測參數(shù)由監(jiān)測儀器在井眼軌跡每個(gè)測點(diǎn)上測得的井深、井斜角、井斜方位角統(tǒng)稱為監(jiān)測參數(shù)，也稱為井身測量參數(shù)。鉆井中，實(shí)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(jìn)行井眼軌跡的測量，在鉆井工程術(shù)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(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)的測，被測的點(diǎn)稱為測點(diǎn)，測點(diǎn)的標(biāo)志是該點(diǎn)所在的井深。測斜儀器在每個(gè)測點(diǎn)上所測的參數(shù)有三個(gè)，即該點(diǎn)處井深、井斜角和井斜方位角。這三個(gè)32參數(shù)就是井眼軌跡的基本參數(shù)。1)井深井深是指井口（通常以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn)）至測點(diǎn)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(jì)量的。井深既是井眼軌跡上某點(diǎn)的標(biāo)志，又是該點(diǎn)處的井眼軌跡參數(shù)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(diǎn)的井深減去上測點(diǎn)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(biāo)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(diǎn)作井眼軸線的切線，該切線指向井眼前進(jìn)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(diǎn)處相對(duì)于重力線的傾斜程度。井斜角常用α表示，單位為（176。）。兩個(gè)測點(diǎn)間井斜角的增量等于下測點(diǎn)的井斜角減去上測點(diǎn)的井斜角，用Δα表示，如圖1—1 中，A 點(diǎn)的井斜角為αA，B 點(diǎn)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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)過的角度，即為井斜方位角。某測點(diǎn)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(nèi)變化，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。井斜方位角的增量是用下測點(diǎn)的井斜方位角減去33上測點(diǎn)的井斜方位角，用ΔФ表示。如圖1—2 所示，A 點(diǎn)的井斜方位角為ФA，B 點(diǎn)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(diǎn)的井斜角不為零時(shí)，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(zhǔn)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(zhǔn)，所以定義了三種方位角，即真方位角、磁方位角和坐標(biāo)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(zhǔn)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(gè)夾角，這個(gè)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(dāng)磁北方位線在真北方位線的東面時(shí)，稱為東磁偏角，值為正；當(dāng)磁北方位線在真北方位線的西面時(shí)，稱為西磁偏角，值為負(fù)，如圖1—3 所示。真方位角ФT:井眼軌跡在水平投影上的某點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的磁方位角。坐標(biāo)方位角ФC:高斯投影區(qū)內(nèi)的中央子午線稱作坐標(biāo)北（網(wǎng)格北）。井眼軸線上某測點(diǎn)的方向線（切線）在水平面上的投影與坐標(biāo)北之間的夾角，稱為該點(diǎn)的坐標(biāo)方位角。井斜方位角之間的關(guān)系，如圖1－4 所示，其關(guān)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(fù)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(fù)值（176。）。34圖3 磁偏角示意圖 圖4 各方位角之間的關(guān)系各方位角之間的換算以前稱為“方位角校正”，主要換算內(nèi)容是將磁方位角換算為真方位角。但實(shí)際上，這種換算過程既不是對(duì)測量誤差的修正也不是對(duì)測量儀器的校準(zhǔn)，只是將方位角的計(jì)算基準(zhǔn)由一種轉(zhuǎn)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(xué)。地質(zhì)、工程設(shè)計(jì)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(duì)測得的磁方位角進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)定向井軌跡設(shè)計(jì)與計(jì)算（SY/T54352003）規(guī)定“在軌跡計(jì)算中，井斜方位角應(yīng)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)點(diǎn)都是用坐標(biāo)值來表示的，坐標(biāo)值又與坐標(biāo)系有關(guān)系。同一井位，坐標(biāo)系不同，則坐標(biāo)值也有很大的區(qū)別。（1）大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系是描述地球上任意一點(diǎn)位置的坐標(biāo)系，某點(diǎn)的位置在坐標(biāo)系中用經(jīng)度、緯度和高程H 來確定，這個(gè)坐標(biāo)系通常稱為地理坐標(biāo)系。但是，大地坐標(biāo)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(yīng)用。因此，要想在平面上把某點(diǎn)的位置表示出來，這就需要平面坐標(biāo)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(xué)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(zhì)在大地坐標(biāo)系中，北半球所有子午線均交匯于北極點(diǎn)。過同一緯度線上兩點(diǎn)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(diǎn)的子午線收斂角。35在高斯投影坐標(biāo)系中，任意點(diǎn)都有其坐標(biāo)北方向，且都與中央子午線方向相同，此坐標(biāo)北方向稱為“網(wǎng)格北”，用GN 表示。同時(shí)，任意點(diǎn)還有其“真北”方向（沿子午線在該點(diǎn)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(shí)鉆井眼軌跡計(jì)算要用的就是這個(gè)收斂角。子午線收斂角有正負(fù)之分，以網(wǎng)格北相對(duì)于真北的方向進(jìn)行判斷。在中央子午線以東，網(wǎng)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(wǎng)格北都在真北以西，可稱為西收斂角，值為負(fù)。圖5 高斯投影（3）子午線收斂角的計(jì)算鉆井工程設(shè)計(jì)給定的井口位置和目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，都是以高斯投影坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的。要計(jì)算子午線收斂角，首先要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，把高斯投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系，即可求得井口和目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)度和緯度。在完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后，即可進(jìn)行子午線收斂角的計(jì)算。簡易計(jì)算公式ξ=Δλsinψ （1—4）Δλ=λλ0式中 ξ－子午線收斂角，單位（176。）λ