董胜伟 申瑞臣 乔 磊 江 涛 黎 红 高美丽

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300457）

煤层气多分支水平井和“U”型井可以大范围沟通煤层裂缝系统，扩大煤层降压范围，大幅度提高单井产量和采收率，适用于对我国煤层气进行经济有效的开发［1］。连通技术是两种钻井技术中的一项关键技术，对测量仪器的精度和工作方式提出了新的要求。传统随钻测斜仪MWD 由于工作方式的局限，会产生较大的测量误差［2］，而旋磁定位工具MTS 在一定距离内具有较高的精度，可以完成煤层气井连通的作业要求。

1 连通作业的工艺过程及作用

1.1 连通作业的工艺过程

连通工具用于储层相互连通的一个井组中，它的工艺过程为：在该井组施工时，首先在预抽工作面的合适位置钻一口直井，并在煤层部位造一个洞穴，其目的是在保证煤层段井壁稳定的前提下，增大靶区的面积，提高连通作业成功的几率，洞穴的直径一般在0.5 m 左右，高约2～5 m；然后，在离直井一定距离（多分支水平井约为200 m，“U”型井约为 1 000 m）处钻一口中曲率水平井，进入煤层后沿煤层钻进，并在洞穴处和直井连通［3］。

1.2 连通的主要作用

（1）进行充气欠平衡钻井的充气作业。国内煤层普遍具有低压、低渗的特点，而欠平衡钻井技术可以较好地保护储层，因此得到了广泛应用。煤层气多分支水平井常用的注气方法为洞穴井井筒注气法和油管注气法，两种方法都是在直井中进行注气作业。

（2）为后期下泵排水采气提供通道。煤层含水量较低，螺杆泵或有杆泵是排水采气的最佳方式。在斜井或水平井中下泵进行排采作业，容易引起偏磨，而洞穴直井可以尽量保持垂直作业。

2 MTS 的测量原理

MTS 是为满足近距离高精度测量的需要而研制的主动磁性测量工具，是对常规MWD 测量的有力补充和校准，它的硬件主要由3 部分组成：永磁短节、测量探管和上位机。永磁短节长约0.5 m，由横行排列的多个永磁体组成，安放在钻头和马达之间，旋转起来可提供旋转磁场。测量探管长度约为2 m，由扶正器、传感器组件和加重杆等3 部分组成，通过电缆下放到直井井底的洞穴处，可探测到永磁短节产生的磁场。上位机在地面接收探管测得的信号，通过对磁场参数的测量计算得到两者的相对距离和方位，引导水平井钻进，其测量精度受到传感器精度和测量工况的制约。

测量探管有效测量部件包括磁通门传感器和重力加速度计。磁通门传感器探测直流地磁场和旋转的永磁短节产生的交流磁场。重力加速度计和磁通门直流磁场的测值是用来测量直井中探管本身所处的位置及自身的状态（垂直度、居中性和稳定性），交流磁场的测值是用来测量永磁短节和探管的相对距离和偏差角。

随着马达传动轴带着钻头的转动，如图1 所示，在永磁体周围将产生一个时变磁场，洞穴处的传感器可实时测量u、v、w 方向的磁场强度Hu、Hv、Hw。通过定义新向量及坐标转换，将u、v、w 坐标系转换到X、Y、Z 坐标系，并得到一个新向量HN（图2）。由于α 通过测量可得到，代入式（1）后即可求得偏差角θ，并可得到钻头与洞穴的距离R［4］。

式中，α 为向量HN与钻进方向的夹角，°；θ 为钻进方向与洞穴之间的方位角偏差，°；R 为钻头与洞穴的距离，m；P 为磁源短节总磁矩，A·m2；H 为总磁场强度的模，Gs；μ0为煤层介质磁导率，H/m；

图1 MTS 现场施工示意图

图2 洞穴与钻头角度偏差关系

3 MWD 和MTS 测量误差分析

3.1 测量滞后

使用MWD 对井眼轨迹实时测量时，MWD 被安放在钻头后大约15 m 左右的无磁钻铤中。这就意味着，利用标准的MWD 测量系统对井眼的井斜角和方位角进行测量时，在得到井眼轨迹数据之前已经钻进了15 m 的距离，这就造成了测量数据的滞后。而MTS 的永磁短节紧接在钻头后面，属于近钻头测量，有效消除了测量滞后效应的产生。

3.2 工作方式及误差传播对比

根据ISCWSA（The industry steering committee for wellbore survey accuracy）的推荐井位不确定模型，在对井眼轨迹中的各测点进行测量时，测量分支l 的第k 个测点的第i 个误差源的井位误差是误差向量ei,l,k的累加。井位误差不确定性可以通过协方差矩阵来表示［5］

式中，ρ（εil1,k1,εi,l2,k2）为第i 个误差源在第l1个测量分支第k1个测点处的和第l2个测量分支在第k2个测点处的相关系数。

MWD 对井眼轨迹进行测量时，可全程使用，而每一次的测量都是建立在上一次测量数据的基础之上。现假设MWD 在测量过程中测量精度保持不变，并且只用MWD 的一个系列产品进行测量，那么MWD 测量的井位不确定性可由下式表示

式中，CK为所有i 个误差源在第K 个测点的井位不确定性，通过一个协方差矩阵来表示；ei,k为由独立误差源i 在k 测点引起的位置向量的误差向量。

由式（4）可知，在MWD 测量精度保持不变的情况下，对井眼轨迹中的每一点不确定性的计算是之前所有点的累加。这就造成误差传播，从而形成累积误差，致使测量误差越来越大，导致完成连通作业施工成功的几率很低。

利用MTS 进行连通作业时，受其测量距离短的限制，只能在距目标点100 m 左右时配合MWD 开始使用。该工具是对钻头和洞穴这两点之间的相对位置进行随钻测量，每次测量都是独立进行的。根据井位不确定误差理论，MTS 的测量所得的井位误差不确定性可由下式表示

式中，CK为所有j 个误差源在第K 个测点的井位误差不确定性；ej为由独立误差源j 在k 测点引起的位置向量的误差向量。

由式（5）可知，使用MTS 进行测量时，轨迹中的每一点位置的确定都是相对于目标点测量计算得到的，每次误差都是当时单点处存在的测量误差，误差不传播、不累积。随着测量距离渐近，传感器的精度越来越大，随之误差越来越小，有效提高了连通施工的成功率。

3.3 误差椭球描述

用误差椭球分析连通作业过程中测量误差传播的特征，可形象地对作业成功率进行考量，根据Brooks 建立误差椭球的方法可对MWD 和MTS 在连通作业井段的测量误差椭球进行以下定性描述［6］。

（1）MWD 的误差椭球可由图3（a）来表示，随着钻进的进行，误差具有累积效应，致使误差椭球不断增大。

（2）MTS 系统的误差椭球可由图3（b）来表示，随着钻进的进行，MTS 测量探管精度不断提高，对原来MWD 的误差进行不断收敛校正，致使误差椭球不断减小。

图3 MWD 和MTS 误差椭球示意图

4 现场实例

MTS 远距离穿针工具成功实现了郑试平6H 井与郑试平6V 井第1 次精确连通钻井技术服务。该井在煤层段水平井主井眼的钻进过程中发生了严重煤层垮塌及埋钻，鱼头位于主井眼距离洞穴8 m处。为了完成该井煤层段进尺任务，唯一的方法是在洞穴顶部的Ø177.8 mm 玻璃钢套管进行二次连通作业，作业难度大幅上升，靶区范围由原来的0.5 m×3.8 m 矩形靶缩小至点靶，且连通段地层位于顶板泥岩中，侧钻补救、憋压连通等进行再次连通的成功可能性很小。在连通作业服务团队的通力协作和配合下，通过精细轨道测量与控制，一次性圆满完成了该井的连通任务。

远距离穿针工具在距离洞穴51.76～1.5 m井段进行了磁定位施工作业，入井后即发现磁场信号并开始导向，此时测量的方位偏差为9.2°；在距离洞穴1.5 m 时方位偏差调整为-1.7°，靶心距为4.5 cm，成功击中煤层顶部1.4 m 处的玻璃钢套管。连通作业施工中定位测量过程见图4。

图4 MTS 定位过程图

图4 中，上方为井眼轨迹和待钻方位线，下方为轨迹中各测点定义的目标靶点。由所示坐标系中可以看出，钻进中的每个测点都会定义一个独立的目标靶点。随着钻井的推进，测量到的洞穴位置由初始的西23 m 逐渐过渡到真正的靶点西25.3 m，并呈现出重叠度由小逐渐变大的趋势，即随着磁源与探管越来越近，靶区越来越小，测量误差逐渐减小，连通概率越来越大。

5 结论

（1）受钻具组合及仪器结构的影响，使用MWD进行轨迹测量会引起测量滞后，而MTS 属于近钻头测量，能够实时有效消除测量滞后效应。

（2）使用MWD 进行测量时，轨迹中每一点的坐标都是对之前测点坐标的累加，有累积误差的存在，致使轨迹误差越来越大，仅用MWD 进行随钻测量施工成功率很低；而MTS 测量时，轨迹中的每一点都是钻头相对于已知目标点的单独测量，而且随着测量距离渐近，仪器的测量误差越来越小，连通概率不断增大，在完成连通作业中可在一定距离内对MWD 的测量提供有力补充和校准。

［1］ 高德利，鲜保安.煤层气多分支井身结构设计模型研究［J］.石油学报，2007，28（6）：113-117.

［2］ KUCKES A F, HAY R T, MCMAHON J, et al. New electromagnetic surveying/ranging method for drilling parallel horizontal twin wells［R］. SPE 27466, 1996.

［3］ 乔磊，申瑞臣，黄洪春，等.煤层气多分支水平井钻井工艺研究［J］.石油学报，2007，28（3）：112-115.

［4］ 乔磊，孟国营，范迅，等.煤层气水平井组远距离连通机理模型研究［J］.煤炭学报，2011，36（2）：199-202.

［5］ WILLIAMSON H S. Accuracy prediction for directional MWD ［R］. SPE 56702, 1999.

［6］ BROOKS A G, WILSON H.An improved method for computing wellbore position uncertainty and its application to collision and target intersection probability analysis［R］. SPE 36863, 1996.