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打破技术壁垒 提升我国定向钻进整体技术水平和市场竞争力——“定向钻进高精度中靶系统”成果展示

2013-06-24

该项目成功研制了一套方便可行的高精度近距离中靶系统,应用磁测技术引导定向钻进进入设定的靶区,能实时地指导定向对接井对接连通。研制了GAMMA与测斜二合一系统,采用有缆数据传送模式,完全兼容了原有的测斜仪的接口尺寸,在测斜的同时,实时提供GAMMA API 值。钻井工程师可依据GAMMA API值判断钻进活动是否在矿层内,以此及时调整钻进方向,保证必要的遇矿率。开发出了具有良好预见性的定向钻进轨迹设计方法,结合工程实践,以土耳其BEYPAZARI天然碱矿矿区作为建模示范体,以该矿区地形图和矿区勘探孔岩心资料为基础,采用三维地质建模方法,建立起矿区矿层综合信息数据库和地质模型,利用定向钻进基本原理,选择合适的目标矿层,设计出既符合钻进要求又满足在矿层中钻进的、具有良好预见性的钻进轨迹。

“定向钻进高精度中靶系统”所取得的成果具有完全自主的知识产权,打破了国外公司的技术垄断,使中国地质科学院勘探技术研究所成为国内首家、全球第二家掌握旋转磁测量技术并实现商用的单位,并将国产旋转磁中靶系统首次打入了国际市场,提升了我国定向钻进整体技术水平,为我国的水平定向钻进技术向海外工程市场开拓提供了高科技元素。

一、系统概述

定向钻进高精度中靶系统由地面部分和井下部分组成。地面部分由计算机、打印机、地表接口箱、测量软件、数据连接线等组成;井下部分由测量探管和磁信标接头组成。

系统是用于定向钻井工程中测量钻头和靶点相对位置关系的测量系统。旋转磁信标接头安装于泥浆马达输出轴上,末端连接钻头。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。测井绞车将探管下入目标井内靶点深度处,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,最终将信号传送给计算机,完成数据采集工作。计算机的测量软件通过对采集到的信号进行处理和分析,解析出钻头与靶点之间的空间相对位置关系。

定向钻进高精度中靶系统克服了MWD产生累计误差的固有缺陷。抛开了地磁,以人工营造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。可总结出某一地区某MWD的惯性偏差,提供预纠偏指导。可提前作方向调整,实现一次中靶。测量精度随着对靶点的不断趋近在不断地提升,且操作简便,精确度高,人机界面友好,是一种可用于井组连通与避让作业的高效、精准测量系统。

该系统主要应用于可溶性固体矿产U形井对接测量和煤层气U形井对接测量,如应用于深部矿产定向钻探中的防碰钻进,石油、天然气及煤层气钻井,固体矿产水溶开采钻井、地热钻井工程以及其它钻井和工程。

二、创新点

1.技术思路及关键技术

1)通过建立地面试验平台,充分试验系统各类环境下的磁感强度,总结规律形成先进可靠的方案。

2)采用先进的地质建模软件,建立地下矿层数据库,以此为依据,设计出具有良好预见性的定向钻进轨迹,尽最大可能避免因目的矿层深度不明而产生复打的可能性。

3)采用地质导向GAMMA测井工具与常规的地磁导向系统协同工作,前者判别矿层顶底层边界,后者测量当时坐标,两者结合起来,保证钻进活动最大程度地在矿层内进行。

4)采用人工磁导航测井方法着重控制定向钻进最后060m的钻进轨迹,实现实时量测,指导造斜钻进,精确控制钻进方向,使之准确进入靶区。

5)在施工对接井时,将导磁发生装置置于水平井内的钻头附近,使其与钻头一起旋转并发射磁性信号;与此同时,将导向系统接收装置安装在已完井的竖井内。用竖井内的接收器接收来自水平井内磁发生装置发出的磁信号,并将信号通过连接线缆传送至地表,经信号解调后输出至电脑,由电脑进行参数分析计算,最终计算出磁发生装置与接收装置两点间的连线方位,垂直深度差和两点当前距离。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,及时纠正方向,使其靠近靶点目标。

6)确定采用人工强磁场方式发送磁信号,人工磁场的强度高出天然磁场数百倍,可克服磁衰特性造成的测试距离受限的缺点。

2.系统集成

1具有异类方法检测的优势。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,因此其中靶精度可达各向正负0.3m。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。

2可预校MWD系统误差。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可能产生的惯性偏差,从而对以后的钻井作业提供预纠偏指导。

3可提供比被动磁测系统更大的测量范围。人工磁中靶系统比被动测距系统的测距范围大,可提前作方向调整,实现一次中靶。特别是目标井采用小尺寸套管或非磁性套管时,更具有不可替换的优势。

4愈趋近靶点测量精度愈高。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(060m),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30cm以内。

三、推广应用情

项目生产的样机在土耳其天然气碱钻井工程的三期工程得到了充分的应用,指导完成了23个对接井组的连通任务。与二期施工中采用高价租赁的国外中靶系统相比,节约了大量直接施工成本。在项目验收后一年内勘探技术研究所先后投入生产了6台套磁中靶系统,并销售出5台套,创产值约280多万元。以该成果作为技术基础,中国地质科学院勘探技术研究所承揽并完成了土耳其天然气碱钻井工程的三期工程,创产值约7026万元。

该项目成果在天然碱矿、盐矿和煤层气中得到充分应用,完成了2对工业性入井试验(2009年)和21对井的加强性工业试验(2010年),取得了良好的应用效果。特别是在江西九二盐矿工业性试验中,施工方未使用该系统时曾历经四次中靶失败,应用该系统一次引导后就取得了直接钻进中靶的良好效果。