熊斌輝

（中海油研究總院，北京 100027）

聲波定向隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)及其運(yùn)用

熊斌輝①

（中海油研究總院，北京 100027）

摘 要：常規(guī)的鉆井導(dǎo)向技術(shù)測(cè)量是鉆頭的空間方位，誤差與鉆井深度成正比，不能滿足隨鉆井眼直接對(duì)接要求。與常規(guī)鉆井導(dǎo)向技術(shù)不同，聲波定向隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)是在靶點(diǎn)測(cè)量安裝在鉆挺的聲波發(fā)生器的聲波時(shí)差確定鉆頭與靶點(diǎn)的相對(duì)方向。鉆頭與靶點(diǎn)越近，測(cè)量精度越高，對(duì)接時(shí)誤差小于1 cm。對(duì)接鉆井技術(shù)省事、省時(shí)、省錢，在對(duì)接鉆井、防碰鉆井、重疊鉆井、平行鉆井等各種特殊鉆井領(lǐng)域有廣泛地運(yùn)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隨鉆對(duì)接；聲波時(shí)差；相對(duì)方位

隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)是一種特殊的鉆井導(dǎo)向技術(shù)，它要求在鉆進(jìn)過(guò)程中調(diào)整鉆進(jìn)方向，讓兩口井完成直接對(duì)接。

目前廣泛運(yùn)用的鉆井導(dǎo)向技術(shù)測(cè)量的是鉆頭的空間方位，如MWD和LWD[1]。任何測(cè)量都存在誤差，MWD和LWD也不例外，隨著鉆進(jìn)越來(lái)越深，測(cè)量誤差累加值就越來(lái)越大。

MWD：Measure While Drilling。MWD就是一邊鉆進(jìn)一邊測(cè)量井眼軌跡參數(shù)。定向井是從井口測(cè)量井徑的傾向和傾角變化來(lái)確定鉆頭的位置。地下不是真空，巖石的密度和磁性是存在變化的，變化引起的測(cè)量相對(duì)誤差（進(jìn)口儀器＜1 °，國(guó)產(chǎn)儀器＜2 °）雖然很小，如果有1%相對(duì)誤差，千米累積就是10 m，0.1%就是1 m。而井眼是分米級(jí)的，顯然不能直接對(duì)接。必須擴(kuò)大靶點(diǎn)，鉆后對(duì)接。

LWD：Logging While Drilling。LWD就是MWD+測(cè)井。LWD不僅一邊鉆進(jìn)一邊測(cè)量井眼軌跡，還根據(jù)需要進(jìn)行測(cè)井，如 ：測(cè)伽馬確定巖性，測(cè)電阻率確定油層[2]，等等。

E-mail：xiongbh@cnooc.com.cn。

① 熊斌輝，隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)（JWD）第一發(fā)明人，專利申請(qǐng)?zhí)朇N2010102991015。

LWD通過(guò)增加了測(cè)井工具，使其有了識(shí)別地層的能力，使鉆井能夠追蹤特定地層或油氣層。在垂直地層的方向上導(dǎo)向精度有一定提高。如果在標(biāo)志性地層內(nèi)鉆進(jìn)，而標(biāo)志性地層又很薄，垂向精度是夠了。但在平行地層的方向上LWD導(dǎo)向精度沒(méi)有變化，還是做不到隨鉆對(duì)接。

由于不能直接對(duì)接，前人根據(jù)靶點(diǎn)的巖石性質(zhì)不同，想出許多通過(guò)擴(kuò)大靶點(diǎn)實(shí)行鉆后對(duì)接的辦法。如果靶點(diǎn)巖石軟，容易垮塌，如泥巖可以用機(jī)械擴(kuò)徑。如果靶點(diǎn)巖石很硬很脆，如硅質(zhì)頁(yè)巖，可以壓裂，用裂縫溝通。如果靶點(diǎn)巖石溶于水，如鹽巖，可以用水力噴射，定向擴(kuò)徑。如果靶點(diǎn)巖石易燃，如煤，可以用火攻[3]。但都不如直接鉆通省事、省時(shí)、省錢。

為了克服導(dǎo)向累計(jì)誤差，達(dá)到隨鉆對(duì)接的目的，前人想到在被對(duì)接井接收鉆頭的信號(hào)，探測(cè)鉆頭相對(duì)位置的辦法。如SmartMag定向中靶系統(tǒng)和井下雷達(dá)鉆頭定位技術(shù)。

SmartMag定向中靶系統(tǒng)的信號(hào)源為鉆頭后的磁信標(biāo)，磁信標(biāo)與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在靶點(diǎn)測(cè)量磁信標(biāo)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該技術(shù)雖然克服了傳統(tǒng)MWD產(chǎn)生累計(jì)誤差的固有缺陷，但該技術(shù)兩個(gè)缺陷，第一，超過(guò)60 m磁信標(biāo)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)太弱，不適合大進(jìn)尺對(duì)接；第二，對(duì)接精度只有1 m，而一般井徑0.2 m左右，并沒(méi)有能力實(shí)現(xiàn)真正意義上的對(duì)接[4]。

井下雷達(dá)鉆頭定位技術(shù)是“在已鉆的被動(dòng)相交井內(nèi)，沿井眼軸線布置一系列聲波（振動(dòng)波）接收器，接收在鉆的主動(dòng)相交井內(nèi)的鉆頭等產(chǎn)生的聲波和振動(dòng)波，將信號(hào)傳至地面，通過(guò)建模計(jì)算出鉆頭相對(duì)已鉆井眼的空間位置”[3]。雖然名為雷達(dá)，其實(shí)測(cè)量的不是雷達(dá)波，是聲波信號(hào)。其原理與頁(yè)巖氣微地震監(jiān)測(cè)是一樣的，測(cè)量4個(gè)以上檢波器的到時(shí)就能計(jì)算鉆頭的位置（天然地震監(jiān)測(cè)也是這個(gè)原理）。

1　聲波定向隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)工作原理與系統(tǒng)的組成

與常規(guī)鉆井導(dǎo)向技術(shù)不同，聲波定向隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)測(cè)量的不是鉆頭的空間方位，而是測(cè)量鉆頭與靶點(diǎn)的相對(duì)方位。地層中穿透能力最強(qiáng)的是聲波，所以用聲波來(lái)傳遞信息，如圖1所示。在鉆頭后面裝聲波發(fā)生器，在被對(duì)接井靶點(diǎn)裝檢波器。左右檢波器的聲波信號(hào)到時(shí)差（以下簡(jiǎn)稱聲波時(shí)差），顯示了鉆頭的偏向。左邊先到，鉆頭偏左；右邊先到，鉆頭偏右；同時(shí)到，正對(duì)靶點(diǎn)。聲波定向隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)由五個(gè)系統(tǒng)組成。

圖1　隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)工作原理圖

1.1聲波激發(fā)系統(tǒng)

聲波激發(fā)系統(tǒng)就是裝在鉆鋌后面的一個(gè)特殊的聲波發(fā)生器。將聲波發(fā)生器裝在鉆鋌后面，接受系統(tǒng)裝在被對(duì)接井靶點(diǎn)上。聲波發(fā)生器的信號(hào)與鉆進(jìn)噪音在地層傳輸過(guò)程中同時(shí)衰減。如果反過(guò)來(lái)，將聲波接收系統(tǒng)裝在鉆鋌后面，鉆進(jìn)噪音就在旁邊，噪音不衰減，信號(hào)衰減。噪音就要蓋過(guò)信號(hào)。

為了區(qū)分聲波發(fā)生器信號(hào)與鉆進(jìn)噪音。有必要對(duì)鉆進(jìn)噪音進(jìn)行分析，選擇特定頻段以區(qū)分鉆井噪音（圖2）。用聲波編碼器控制聲波發(fā)生器激發(fā)時(shí)間，以便聲波接收器將不同時(shí)間的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

圖2　隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)濾波原理圖

鉆桿是剛性的，轉(zhuǎn)彎不能太急，不能等到太近了再轉(zhuǎn)彎。利用MWD技術(shù)（如果要在特定礦層或地層完成對(duì)接要用LWD技術(shù)）可以保證鉆井導(dǎo)向誤差小于1%，對(duì)接井一般不長(zhǎng)于5 000 m，誤差在50 m以內(nèi)。100 m偏轉(zhuǎn)50 m彎角才26.6°，目前鉆井技術(shù)可以鉆45°彎角，有足夠的余量，聲波發(fā)生器只要有效距離大于100 m，就能克服50 m的誤差滿足隨鉆對(duì)接的需要。

聲波測(cè)井儀發(fā)射與接收的距離很短，需要的能量很小。對(duì)接鉆井有效距離是其100倍，能量要大得多。VSP測(cè)井是井下激發(fā)，地面測(cè)量。距離又比對(duì)接測(cè)井遠(yuǎn)得多。一個(gè)介于二者之間的放大版的聲波測(cè)井儀震源就是聲波激發(fā)系統(tǒng)的聲波發(fā)生器。

鉆頭振動(dòng)發(fā)出的聲波是能量、頻率不可控的連續(xù)噪音。既難以確保有效距離，又難以確保一定能夠從中拾取一個(gè)單一信號(hào)。所以本技術(shù)棄用鉆頭振動(dòng)做信號(hào)源，如井下雷達(dá)鉆頭[3]，要設(shè)計(jì)專用的聲波發(fā)生器。

1.2聲波監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)

在被對(duì)接井的對(duì)接點(diǎn)——靶點(diǎn)及其上下各安裝地震1組，共3組檢波器。上下檢波器不受井眼大小限制，相隔較遠(yuǎn)，測(cè)量上下偏差較容易。

每組檢波器由4個(gè)間隔90 °的4個(gè)檢波器，探頭緊貼四周井壁（圖3），如同4只耳朵360 °監(jiān)聽(tīng)，筆者形象地稱之為4耳檢波器。如果裝2耳檢波器則必須左右各一，正對(duì)來(lái)井方向，4耳檢波器則無(wú)所謂方位，均能夠探測(cè)左右偏差。如果偏左則左耳先聽(tīng)到，反之右耳先聽(tīng)到。

圖3　隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)4耳檢波器截面圖

微地震技術(shù)測(cè)量鉆頭位置，只測(cè)量到時(shí)，不測(cè)量聲波時(shí)差，所以它是單檢波器，如井下雷達(dá)鉆頭[3]與本技術(shù)的信號(hào)接收系統(tǒng)是不一樣的。

1.3信號(hào)處理系統(tǒng)

對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻率濾波，放大有效信號(hào)，壓制鉆井噪音（圖2）。將信號(hào)頻率段的聲波留下，非頻率段噪音全部排除。對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行解碼，以確定各個(gè)檢波器接收的為同一點(diǎn)激發(fā)的聲波，然后測(cè)量各檢波器接收到的同一點(diǎn)激發(fā)的聲波到時(shí)差。保證各檢波器接收的為同一信號(hào)是本技術(shù)區(qū)別其它隨鉆對(duì)接技術(shù)（如井下雷達(dá)鉆頭[3]）的關(guān)鍵所在。

1.4鉆井控制系統(tǒng)

根據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)計(jì)算的聲波時(shí)差和地層速度，設(shè)計(jì)進(jìn)尺—聲波時(shí)差衰減軌跡。給一個(gè)初始偏轉(zhuǎn)量，如果聲波時(shí)差減小比預(yù)期小，增加偏轉(zhuǎn)量；如果聲波時(shí)差減小比預(yù)期大，減小偏轉(zhuǎn)量。通過(guò)偏轉(zhuǎn)讓聲波時(shí)差為零，并保持聲波時(shí)差為零，直到完成對(duì)接。

本技術(shù)與其它對(duì)接鉆井技術(shù)的區(qū)別在于，是定方向，而不是定位置，沒(méi)有建模計(jì)算。因此就避免建模和計(jì)算誤差。很多參數(shù)復(fù)雜的計(jì)算導(dǎo)致的誤差比井徑大得多。

1.5信號(hào)傳輸系統(tǒng)

利用現(xiàn)有成熟信息傳輸技術(shù)建立如下信息傳輸通道：被對(duì)接井對(duì)接點(diǎn)的監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)—對(duì)接井井口信號(hào)處理系統(tǒng)—對(duì)接井井口鉆井控制系統(tǒng)—對(duì)接井鉆頭（圖1）。

2　聲波定向隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)誤差分析

聲波定向隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)是根據(jù)聲波時(shí)差來(lái)確定方向的，聲波時(shí)差測(cè)量誤差導(dǎo)致的最大方向偏差就是該技術(shù)的最大誤差。

測(cè)井儀時(shí)間測(cè)量精度早已達(dá)到1 μs。目前儀器保證雙耳聲波時(shí)差精度在1 μs以內(nèi)是完全能夠做到的。由此將聲波時(shí)差測(cè)量最大誤差定為1 μs。

隨鉆對(duì)接一般在比較簡(jiǎn)單的構(gòu)造單元進(jìn)行，在100 m的有效距離內(nèi)可以近似地看成均勻介質(zhì)。在均勻介質(zhì)中地層速度越高，1 μs空間偏差越大。井徑越小，探測(cè)方向的能力越差。如果高速地層小井眼1 μs誤差都能夠完成對(duì)接，對(duì)接鉆井就是有效的。

最常見(jiàn)的高速沉積巖為灰?guī)r，地層速度平均6 mm/μs，普通井的井徑200～300 mm，小井眼井徑為120 mm。因此筆者以灰?guī)r小井眼為模型，正演鉆頭相對(duì)靶點(diǎn)的直距范圍0～1 000 m橫向偏差范圍0.1～64 m的聲波時(shí)差，可按以下公式計(jì)算，相應(yīng)的鉆頭方位計(jì)算圖見(jiàn)圖4。

式中：R — 半井徑；

L — 直距；

D — 橫向偏差；

S1 — 左距；

T1 — 左行時(shí)；

S2 — 右距；

T2 — 右行時(shí)；

ΔT — 雙耳聲波時(shí)差；V — 地層速度。

圖4　鉆頭方位計(jì)算圖

表1　偏差—直距聲波時(shí)差表

根據(jù)以上公式，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和圖5。致密灰?guī)r120 mm井徑1 μs雙耳聲波時(shí)差橫向偏差—直距關(guān)系為：橫向偏差0.1 m，直距2 m；橫向偏差0.5 m，直距10 m；橫向偏差1 m，直距20 m；橫向偏差2 m，直距40 m；橫向偏差4 m，直距80 m；橫向偏差8 m，直距160 m；橫向偏差32 m，直距640 m；橫向偏差64 m，直距1 280 m。

直距≥2 m，致密灰?guī)r1 μs的橫向偏差∶直距=1∶20。

圖5　等橫向偏差直距—聲波時(shí)差圖（灰?guī)r）

對(duì)于設(shè)定的致密灰?guī)r120 mm井徑極端條件，斜率1∶20之內(nèi)的變化超過(guò)了該技術(shù)精度，是該技術(shù)探測(cè)不到的。如果地層速度降低一半，比如砂泥巖，在井徑不變的條件下，可測(cè)量的斜率就能夠達(dá)到1∶40。斜率1∶20高于鉆進(jìn)轉(zhuǎn)彎能力一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以隨鉆對(duì)接技術(shù)不會(huì)因精度不夠而來(lái)不及轉(zhuǎn)彎。

以1 μs的誤差向靶心鉆進(jìn)，在靶心點(diǎn)的偏差對(duì)于高速地層如灰?guī)r也不過(guò)6 mm，低速的泥巖才3 mm，遠(yuǎn)小于120 mm的小井眼。

3　隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)運(yùn)用

3.1U型對(duì)接井

U型對(duì)接井是最常見(jiàn)的對(duì)接井，鉆井方法如圖1。運(yùn)用非常廣泛，采鹽鹵、采煤層氣等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用U型井。鹽鹵U型井是為了注水形成鹽鹵，煤層氣U型井是為了方便水平井反排壓裂液和排出地層水。水平井是生產(chǎn)井，生產(chǎn)的煤層氣向上走，在水平井井口產(chǎn)氣。水向下流，由直井排出。直井排水降低液面，使得煤層流體壓力低于煤層吸附氣解吸壓力，生產(chǎn)煤層氣。

3.2防碰鉆井

由于地形、地貌、交通、非常規(guī)油氣和多層開(kāi)發(fā)等地面和地下原因，為了降低成本，需要高密度鉆井，有時(shí)候甚至C井要從A、B兩井中間穿過(guò)去（圖6）。這時(shí)候就需要在A、B兩井裝4耳檢波器，同時(shí)接受聲波信號(hào)。左邊先到就向右偏，同時(shí)到達(dá)在中間。如果不考慮地層垮塌的情況下，只要兩井間隔大于3倍井徑，大約1 m，就可以從中間穿過(guò)去。

圖6　防碰鉆井原理圖

3.3平行鉆井

均勻布井是為了更有效采油氣。比如頁(yè)巖氣井就是單井場(chǎng)雙向多平行井（圖7）。頁(yè)巖氣目的層是海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系，如硅質(zhì)頁(yè)巖層系，構(gòu)造穩(wěn)定，地層等厚，巖性均一。在已鉆井中等間距安裝一系列檢波器，監(jiān)聽(tīng)聲波發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)。檢波器接受到聲波發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)的時(shí)間，鉆頭距離檢波器越來(lái)越近，聲波時(shí)差越來(lái)越?。辉絹?lái)越遠(yuǎn)時(shí)，聲波時(shí)差越來(lái)越大。極小值計(jì)算出的距離就是兩口井之間的直距。每一個(gè)檢波器的直距相等則兩口井就平行鉆井。直距變小了，鉆井向外偏；反之鉆井向內(nèi)偏。

圖7　平行鉆井俯視圖

3.4重疊鉆井

多層開(kāi)發(fā)，或雙水平井作業(yè)。比如稠油或油砂熱采。如果加熱后原油密度高于水，注蒸汽在上，油重流動(dòng)到下面的井（圖8）；反之注蒸汽在下，油輕浮動(dòng)到上面的井。在已鉆井中等間距安裝一系列4耳檢波器，等左右時(shí)差鉆進(jìn)即保證重疊鉆井。等直距鉆井就能夠保證兩井平行。

圖8　重疊鉆井側(cè)視圖

4　結(jié)論

（1）聲波定向隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)與其它鉆井導(dǎo)向技術(shù)不同，測(cè)量的不是鉆頭的絕對(duì)空間方位，而是用聲波測(cè)量鉆頭與靶點(diǎn)的相對(duì)方向，引導(dǎo)鉆頭指向靶點(diǎn)。

（2）聲波定向隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)的關(guān)鍵在于接受清晰的同一聲波信號(hào)。為此設(shè)計(jì)窄頻聲波發(fā)生器，濾波壓制噪音，以及聲波脈沖編碼和解碼，以確保得到的聲波時(shí)差是同一信號(hào)。

（3）隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)精度受聲波走時(shí)精度控制，隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)可探測(cè)斜率1∶20，比鉆進(jìn)轉(zhuǎn)彎能力高一個(gè)數(shù)量級(jí)，完全能夠保障隨鉆對(duì)接。

（4）隨鉆對(duì)接鉆井技術(shù)可以廣泛運(yùn)用于U型對(duì)接井、防碰鉆井、平行鉆井和重疊鉆井等多種多樣特殊鉆井，在非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域有廣泛地運(yùn)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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美能源部開(kāi)發(fā)新化學(xué)方法 一小時(shí)內(nèi)海藻變?cè)?/p>

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)能源部開(kāi)發(fā)的一種新化學(xué)方法，可以在不到1小時(shí)的時(shí)間里把海藻轉(zhuǎn)變成原油，司機(jī)很快就有可能把這種用有機(jī)體制成的燃料注入到他們的汽車?yán)铩?/p>

美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的工程師開(kāi)發(fā)的這種化學(xué)方法，能在注入收獲的海藻（像濃豌豆湯一樣濃稠的翠綠色漿糊）數(shù)分鐘后，生產(chǎn)出有用的原油?，F(xiàn)在總部設(shè)在猶他州的一家生物燃料公司已經(jīng)獲得該技術(shù)的許可，正在建設(shè)可用于大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)工廠。

該研究成果發(fā)表在最近的《藻類研究》雜志上。在生產(chǎn)過(guò)程中，像泥漿的濕海藻被泵入到一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器的前端。該系統(tǒng)啟動(dòng)并開(kāi)始運(yùn)行后，不到1小時(shí)就會(huì)流出原油、水和含磷副產(chǎn)品，而這些副產(chǎn)品可以重復(fù)利用，用來(lái)培育更多海藻。再經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)提純工藝，就能把“原藻油”轉(zhuǎn)變成航空燃料、汽油或者是柴油燃料。該系統(tǒng)在大約350 ℃、3 000 psi（20 685 kPa）的高溫高壓環(huán)境下運(yùn)行，并結(jié)合水熱液化和催化水熱氣化反應(yīng)等過(guò)程。負(fù)責(zé)該實(shí)驗(yàn)室研究工作的道格拉斯·埃利奧特表示，建造這種高壓系統(tǒng)并非易事，而且造價(jià)也不會(huì)便宜，這是該技術(shù)面臨的一大障礙。

摘編自《北京日?qǐng)?bào)》2014年1月15日

中圖分類號(hào)：TE243

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2014.01.086

收稿日期：2013-04-25；改回日期：2013-09-18

作者簡(jiǎn)介：熊斌輝，男，1963年生，高級(jí)工程師，1984年畢業(yè)于南京大學(xué)，1987年獲南京大學(xué)碩士學(xué)位，長(zhǎng)期從事石油天然氣勘探研究工作。

文章編號(hào)：1008-2336（2014）01-0086-06

Joint While Drilling Technology by Acoustic Orientation and Its Applications

XIONG Binhui
（CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China）

Abstract:The conventional drilling oriented technology, which measures bit place while drilling, has large errors, and the errors are proportional to drilling depth. Therefore, the conventional drilling oriented technology cannot meet the requirements for borehore butt joint directly while drilling. Different from the conventional drilling oriented technology, joint while drilling technology by acoustic orientation can determine the relative direction of bit with target by measure the acoustic travel time from sonic source at the target. The nearer the bit from target is, the higher of the measure precision is. Its error is lower than 1 cm. The joint while drilling technology is high in eff i ciency, and can be use widely in special drillings, including joint drilling, colliding preventing drilling, overlapping drilling, and parallel drilling.

Key words:Joint While Drilling; acoustic travel time; relative orientation