“导航”利器精确对接向更复杂地下空间进军
2023-06-08
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来源：[互联网]
[中国石油新闻中心2023-06-07]5月31日，第二十三届中国国际石油石化技术装备展览会在北京举行，“MGD磁导向钻井技术与工具”在1800多家参展商的近万种展品中脱颖而出，荣获CIPPE展品创新金奖。“MGD磁导向钻井技术与工具”是“十一五”以来，由工程技术研究院联合国内六家单位研发、具有完全自主知识产权的一种高精度井下测量、定位及导航技术，共有两大系列四类工具。该技术主要通过实时获取数千米井下旋转永磁体、交变电流、磁性套管等产生的人工磁场分布特征，结合磁导向理论模型计算，实现对相邻井眼空间位置的“厘米级”高精度定位与导航。
随着国家油气勘探开发的深入推进，复杂结构井建井成为提高单井产量、降低综合成本、防范重大风险的核心手段，在非常规油气开发、地下储气库建设、长输管道非开挖铺设、清洁能源利用以及深层井喷失控井救援等方面需求迫切。常规随钻测量难以解决复杂结构井建井“厘米级”井眼轨迹控制的难题，自主研发磁导向钻井技术是打破国外垄断、实现高水平科技自立自强的现实路径。
1.1精准对接是建设U型“地下锅炉”的基础
U型井是由一口水平井与直井连通构成的井组，可通过点火燃烧或直接取热的方式开发煤炭和地热资源，在煤炭地下气化（UCG）中可实现受控后退式点火；在地热开发中可实现取热不取水。与压裂、射孔相比，井眼对接是最直接、有效的连通方式。
1.2精密平行是搭建水平井“地下炼厂”的前提
平行井是由两口以上相互平行的水平井构成的井组，可对稠油、低熟页岩油原位炼化开采，在稠油开发中可降黏提采50%；在低熟页岩油原位转化中可减少污染80%。与常规水平井相比，水平段间距最小误差由10米降至0.3米。
1.3精确导钻是铺设非开挖“地下管网”的保障
非开挖是在入土和出土小面积开挖情况下，铺设、更换和修复各种地下管线的施工新技术，不会破坏绿地、植被、建筑物，不会影响居民的正常生活和工作秩序。与传统开挖施工相比，施工速度提高60%，综合成本降低40%，入土和出土点偏差在1米以内。
1.4精细处置是保障“地下粮仓”密封完整的关键
救援井是在发生井下复杂、通道丢失时，通过伴行跟踪实现目标井重入的一种技术，尤其适用于处置储气库疑难老井封堵、老油田涌水冒油、井喷失控等问题。与常规钻井相比，救援井目标靶区范围不明确，轨迹控制的空间多维度偏差需要小于0.1米。
2.主要难点
太空对接不易，入地连通更难。由于地下介质复杂，技术卡点多，自主研发难度巨大。
一是地下介质和轨迹更复杂，干扰强。
与太空相比，地下存在地层、钻具、钻井液等多层介质，各类磁性参数无法直接实时获取；井眼轨迹有静态坐标、当前姿态和相对位置等多个维度，任一维度的偏差都会对定位结果造成影响；定位信息传递过程易受地磁场和铁质管材的干扰。
二是弱磁信号采集精度低，卡点多。
磁场在空间中快速衰减，获取弱磁的核心部件传感器被国外禁售。攻关前我国的传感器精度仅为1纳特，无法采集到0.05纳特的微弱信号，制约了探测范围和精度。在盐膏层和油基钻井液环境下，普通激励信号无法聚集到远距离的目标井上，常规通信最远只能传导1200米。
三是定位导控工艺和算法空白，难度大。
磁导向钻井轨迹导向控制工艺与工具、井型高度关联，导向工程师难以提前设计目标靶点，这对导控人员和设备的精度提出了更高的要求。实验室研发环节中需要多次标定测试，工程应用环节中需要反复摸索尝试，大量数据堆积的同时，核心技术人员不足，无法充分发挥数据的作用，需开发强大的一体化软件。
3.技术创新
历时十余年，工程技术研究院攻关形成了以磁导向应用基础理论、有源磁导向工具和无源磁导向工具为核心的软硬件协同先进的磁导向钻井技术体系。
■创新点1：创新了高精度磁导向应用基础理论，突破了地下“厘米级”精确定位瓶颈。建立了旋转磁源、交变电流、高频电磁波反射等系列磁定位模型，创新了在十余种工况场景下的仿真模拟算法，构建了磁导向测试和标定物理模拟平台。
（1）旋转磁场定位。揭示了井下磁场的套管屏蔽和强度衰减规律，利用旋转磁场定位方法，在国内率先克服了电磁干扰，解决了水平井对接及平行钻进轨迹测控的难题。
（2）交变电流定位。建立了交变电流条件下的高精度定位方法，创新成为国内非开挖精确导向标准，支撑了超远距离穿越和精确出土等不同工况。
（3）电磁波反射定位。基于高频电磁波反射、磁干扰条件下的距离校正等方法，实现电磁波自发自收精准定位，将测距精度提高60%，解决了目标井无人工磁源时的探测难题。
■创新点2：发明了三类有源磁导向定位技术，解决了两井精确对接、平行钻进等的轨迹测控难题。攻克了弱磁高精度传感器、大量程磁场接收装置、随钻三维立体导向软件等核心卡点，研发了远距离穿针、双水平井和非开挖磁导向工具，与国外相比，近距离测量能力提高了66%。
（1）远距离穿针磁导向工具。探测范围达120米，测距误差在5%以内。攻克了弱磁高精度传感器、抗冲击磁源短节卡点，独创的“点对点”穿针工艺和随钻三维立体导向连通软件，解决了煤层气、地热等U型水平井两井精确对接的难题。
（2）双水平井磁导向工具。探测范围在0.7至38米，测距误差在5%以内。大量程高精度磁场采集装置以及智能一键式数据分析、处理软件系统，无需人工参与即可完成“测、控、导”多个环节，解决了稠油、低熟页岩油等平行水平井的轨迹测控难题。
（3）非开挖磁导向工具。探测范围在120米，测距误差在2%以内。使用创新研发的复合激励电源和不易饱和磁芯，配套形成了定向测控、磁靶导向、线圈导向、握手对接四种模式于一体的随钻测控系统，解决了长输油气管道铺设过程中的轨迹测控难题。
■创新点3：研制了国内首台无源磁导向工具，破解了复杂老井封堵、疑难环保井治理、井喷失控井救援等重大技术难题。突破了大功率激励、全姿态测距等技术瓶颈，创新研发了大斜度井辅助下入系统。与国外同类产品相比，测量范围提高16%，作业效率提高50%，关键技术指标处于国际领先水平。
（1）地面地下联动的激励系统。“直流电源+逆变模块”组合和异型激励输出，使方位测量精度显著提高；井底升压和聚焦系统将信号幅值提升3倍，解决了高电阻率环境信号衰减快、方位测量不收敛的难题。
（2）超高温高精度测量系统。采用首创的电磁波梯度采集组件，实现了全姿态测距；采用隔热及芯片优选技术将工具的耐温性能提升到200摄氏度；集成陀螺一趟测系统减少一趟起下钻时间，效率提高50%，破解了距离测量不准确、传感器耐温性能不足和测量时效低的难题。
（3）大斜度井辅助下入系统。首创的由旁通短节、绝缘短节等配套的钻具辅助下入系统，实现持续激励及采集，解决了在40度以上大井斜或井眼垮塌、缩径复杂条件下的测量问题，并为实现随钻磁导向奠定了基础。
与国外产品相比较，该技术具有四大特点：一是具备量程大、弱磁检测精度高、测斜精度高的技术优势，能够用于远距离穿针、SAGD双水平井、非开挖定向穿越和救援井探测，降低了设备生产、使用及维护成本；二是具备短距离测量能力，国外设备在小于3米的范围内由于采集系统超量程而失去测量功能，而自主研发的磁导向系列工具在1米左右距离时依然可以定位，这对于远距离对接井实现精确连通、提高中靶概率具有重要作用；三是具备井斜、方位偏差测量和复杂井况的探测能力，能够进行三维立体导向连通作业，也能在直井、大斜度井、水平井中测量定位，增加了工具的适用场景并提升了下入效率。
经中国石油和化工联合会院士、专家组评审鉴定认为，该成果整体达到国际先进水平，其中关键技术指标处于国际领先。同时新华社、科技日报、光明日报等9家媒体在主力版面以《“煤海穿针”让低渗煤层气“扬眉吐气”》《“煤海穿针”让“矿井杀手”变天使》《中国开采煤层气实现地下“天宫对接”》《中石油“煤海穿针”开采煤层气》等报道进行宣传，新华网、人民网等41家网站转载报道。远距离穿针磁导向工具获中国国际高新技术交易会优秀产品奖和中国产学研合作创新成果奖；非开挖磁导向工具入选集团公司首台（套）重大技术装备；无源磁导向工具入选北京市新技术新产品。
该技术与系列工具已获得授权专利43件、软件著作权5项，发表论文38篇、专著4部，制定技术规范5项，核心成果先后获省部级奖9个。
5.使用价值
目前，“MGD磁导向钻井技术与工具”在煤层气、地热、稠油、管道、储气库等领域规模化应用364井次，在大庆、辽河、吉林、冀东等7个油气田规模化应用，工程作业成功率达100%。
其中，远距离穿针磁导向钻井技术，成功对接直径为0.17米的玻璃钢套管，解决了沁水等煤层气田“煤海穿针”的轨迹测控需求；非开挖磁导向工具创造了穿越2520米距离最远的国内纪录，参与建设的中俄东线管道工程还获国家优质工程金奖；无源磁导向技术在吉林油田实现了国内“从0到1”的突破，在冀东油田开创了全球首例无磁信标的“水泥塞”型老井成功封堵的先例，在辽河油田创造了成功实施国内最复杂落鱼和两条无轨迹落鱼封堵作业等多项国内施工纪录，突破国内掩埋井口定位深度和范围极限，为储气库新增工作气量近60亿立方米提供硬支撑。
6.应用前景
大力支撑国家重点储气库建设。预计“十四五”期间继续在冀东、华北、吉林等油田储气库的20余口井应用该技术，新增9座可行建库库址，加快国内储气库的安全、高效建设，为2030年建成六大储气中心、1000亿立方米天然气调峰能力提供支撑。
高效推进老油田压舱石工程。重点根治井口涌水、冒油、漏气等环保顽疾，形成鱼头探测、管外开窗、补贴修复等一揽子疑难井的解决方案，维持周围水井注水量和采油井产量，预计该技术近5年在大庆、吉林等东部老油田有望应用上千井次以上，建成2至3个老井治理示范基地。
创新引领行业绿色转型发展。推动石油企业践行“清洁替代”部署，克服地热取热不取水的难题，使得一批资源型城市得以转型，预计“十四五”期间该技术在全国应用近百口井；解决中低成熟页岩油转化和煤炭地下气化难题，将焦炭和二氧化碳等污染物留在地下，形成页岩油和深煤层“地下炼厂”模式。