CN117948120A - 一种水平参考井高精度磁测距导向钻井方法、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种水平参考井高精度磁测距导向钻井方法、系统，所述方法包括：确定井系统的部署；根据所述井系统的部署依次完成直井/定向井和水平井非目标地层井段的钻探；下入测距系统，所述测距系统包括位于所述直井/定向井的动态磁场采集仪和位于钻头后的磁场发生仪；根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探。本发明的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法、系统，设置井系统和测距系统，可以通过前期钻探的直井或定向井的实钻资料，利用磁测距系统，引导水平井水平段的钻探方向，解决钻探源岩油气密集型水平井组中第一口水平参考井井眼轨迹精确控制问题。
Description
技术领域
本发明属于油气钻井领域，特别涉及一种水平参考井高精度磁测距导向钻井方法、系统。
背景技术
随着油气开发进入新领域，对钻井工艺要求越来越高，对井眼轨迹定位精度的要求也越来越高。如蒸汽辅助重力泄油的平行井钻井技术需要钻探相对平行的成对水平井，又如原位转化开发油气资源时需钻探批量相对平行的水平井组。完成诸如此类特殊井，一般需要进行磁测距，测量井眼之间的空间距离和方位并加以调整控制，以保证井眼轨迹之间的空间位置的准确性。完成此类作业，目前的磁测距方法主要有：在一口已经完成的井中放置磁场检测装置，另外一口正钻井中安装已知强度和已知磁场模式磁场，通过对磁场的测量计算出两口井之间的相对距离，从而指导钻井作业，如美国专利第5485089号和5589775号。这种方法在蒸汽辅助重力泄油的平行井钻井中得到广泛应用，实现了垂向成对水平井5m间距条件下垂向误差±0.5m，横向误差±1m的控制精度。但这种方法首先要钻探一口水平参考井以指导第二口水平井的井眼轨迹控制作业。此方法并不能保证第一口水平参考井的井眼轨迹控制精度。在源岩油气勘探开发中，常规开发方式并不能实现油气的商业开发，需要采用特殊工艺改变源岩有机质的状态以实现有机质的产出。一般来说，需要在较薄的目的层钻探多层密集型水平井井网，井网间距小且相互之间的间距精度要求高，且全部的轨迹需要在目的层内，对井眼轨迹控制要求极高。尤其是钻探出精度较高的第一口水平参考井至关重要。现有的定向钻井方法，因存在轨迹测量椭圆误差的影响，井下的实际控制无法保证控制精度。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，所述方法包括：
确定井系统的部署；
根据所述井系统的部署依次完成直井/定向井和水平井非目标地层井段的钻探；
下入测距系统，所述测距系统包括位于所述直井/定向井的动态磁场采集仪和位于钻头后的磁场发生仪；根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探。
进一步的，所述井系统的部署包括：
一口水平井和N口与所述水平井目标地层井段近似垂直的直井/定向井，其中，所述N≥1；
所述水平井部署包括井口位置、造斜点、目标地层水平井段不少于2个的靶窗点和根据所述目标地层水平井段第一个靶窗点A和最后一个靶窗点B所确定的目标地层水平井段方位角。
进一步的，确定所述目标地层靶窗点还包括钻探导眼井对所述靶窗点位置进行修正。
进一步的，所述直井/定向井的目标地层的井段与水平井的目标地层水平井段靶窗点所确定的水平井段轨道横向距离为1m～20m；
所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离大于200m；
所述井口位置与所述目标地层水平井段靶窗点A的水平距离为100～800m。
所述直井/定向井的目标地层的井段与水平井的目标地层水平井段靶窗点所确定的水平井段轨道横向距离为1m～20m；
所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离大于200m；
所述井口位置与所述目标地层水平井段靶窗点A的水平距离为100～800m。
进一步的，所述直井/定向井的目标地层的井段包括垂直段或斜井段，若为定向井，则所述斜井段的方位角与所述目标地层水平井段靶窗点确定的方位角的差值小于20°。
进一步的，所述直井/定向井的数量N通过所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离和测距系统的有效磁信号探测距离参数确定。
进一步的，N＝|[L/(2L0)+0.5]|
其中，L表示所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数，|[…]|表示对公式计算的值四舍五入取整。
进一步的，所述N口与所述水平井目标地层井段垂直的直井/定向井的部署包括：
若未钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0、3L0、5L0、…、(2N-1)L0的大小排列；
若钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0+Ld、3L0+Ld、5L0+Ld、…、(2N-1)+Ld的大小排列；
其中，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数；Ld表示稳定非测距参数。
进一步的，所述磁场发生仪包括天然磁石、磁铁和通电螺线线圈；
所述磁场发生仪的磁场强度大于地磁强度和钻柱剩余磁场强度。
进一步的，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探包括：
动态磁场采集仪领先磁场发生仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系引导钻头朝着偏移于所述动态磁场采集仪既定的距离的方向进行定向导向钻井作业；
磁场发生仪位于动态磁场采集仪侧边，采用钻具组合的稳定方向钻探能力，快速穿过动态磁场采集仪侧边距离；
磁场发生仪领先动态磁场采集仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系确定磁场发生仪的位置变化，继续引导钻头的钻探方向。
进一步的，所述磁场发生仪领先动态磁场采集仪引导钻头钻探还包括避免所述磁场发生仪和钻具零部件磁性的磁信号干扰。
进一步的，所述避免所述磁场发生仪和钻具零部件磁性的磁信号干扰包括：
加大所述磁场发生仪的磁场强度，或；
所述钻具零部件组合中底部有效磁信号探测距离参数范围采用非磁性材料钻具，或；
增加水平井水平段与所述直井或定向井井眼轨道之间的距离，使其大于3m。
本发明实施例中还提供一种水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，所述系统包括：部署单元、第一钻探单元、下入单元和第二钻探单元，
部署单元，用于确定井系统的部署；
第一钻探单元，用于根据所述井系统的部署依次完成直井/定向井和水平井非目标地层井段的钻探；
下入单元，用于下入测距系统，所述测距系统包括位于所述直井/定向井的动态磁场采集仪和位于钻头后的磁场发生仪；
第二钻探单元，用于根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探。
进一步的，所述部署单元部署井系统包括：
一口水平井和N口与所述水平井目标地层井段近似垂直的直井/定向井，其中，所述N≥1；
所述水平井部署包括井口位置、造斜点、目标地层水平井段不少于2个的靶窗点和根据所述目标地层水平井段第一个靶窗点A和最后一个靶窗点B所确定的目标地层水平井段方位角。
进一步的，所述直井/定向井的目标地层的井段与水平井的目标地层水平井段靶窗点所确定的水平井段轨道横向距离为1m～20m；
所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离大于200m；
所述井口位置与所述目标地层水平井段靶窗点A的水平距离为100～800m。
进一步的，所述直井/定向井的数量N通过所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离和测距系统的有效磁信号探测距离参数确定。
进一步的，N＝|[L/(2L0)+0.5]|
其中，L表示所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数，|[…]|表示对公式计算的值四舍五入取整。
进一步的，所述N口与所述水平井目标地层井段垂直的直井/定向井的部署包括：
若未钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0、3L0、5L0、…、(2N-1)L0的大小排列；
若钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0+Ld、3L0+Ld、5L0+Ld、…、(2N-1)+Ld的大小排列；
其中，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数；Ld表示稳定非测距参数。
进一步的，所述测距系统还包括信息传输系统、地面信息处理仪、导向软件系统，
所述信息传输系统，用于将所述动态磁场采集仪采集的磁场信息传送给地面信息处理仪，所述磁场信息包括所述磁场发生仪产生动态旋转的磁场强度、磁场方向及其变化；
所述地面信息处理仪，用于将所述采集的磁场信息转化为数字信号，并将所述数字信号发送给导向软件系统；
所述导向软件系统，用于根据所述数字信号确定所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系，并根据所述相互位置关系确定钻头的位置指导钻井作业。
进一步的，第二钻探单元用于根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动完成水平井目标地层井段的钻探包括：
动态磁场采集仪领先磁场发生仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系引导钻头朝着偏移于所述动态磁场采集仪既定的距离的方向进行定向导向钻井作业；
磁场发生仪位于动态磁场采集仪侧边，采用钻具组合的稳定方向钻探能力，快速穿过动态磁场采集仪侧边距离；
磁场发生仪领先动态磁场采集仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系确定磁场发生仪的位置变化，继续引导钻头的钻探方向。
进一步的，所述磁场发生仪领先动态磁场采集仪引导钻头钻探还包括避免所述磁场发生仪和钻具零部件磁性的磁信号干扰。
本发明的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法、系统，设置井系统和测距系统，根据磁测距方法，可以通过前期钻探的直井或定向井的实钻资料，利用磁测距系统，引导水平井水平段的钻探方向，可解决钻探源岩油气密集型水平井组中第一口水平参考井井眼轨迹精确控制问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例中的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法流程示意图；
图2示出了本发明实施例中的井系统构成示意图；
图3示出了本发明实施例中的水平井多靶点轨道示意图；
图4示出了本发明实施例中的导眼井示意图；
图5示出了本发明实施例中的未钻导眼井时直井或定向井部署示意图；
图6示出了本发明实施例中的钻导眼井时直井或定向井部署示意图；
图7示出了本发明实施例中的测距系统构成示意图；
图8示出了本发明实施例中的磁场发生仪安装位置示意图；
图9示出了本发明实施例中的非磁性套管下入位置示意图；
图10示出了本发明实施例中的快速通过动态磁场采集仪侧面井段示意图；
图11示出了本发明实施例中的钻头领先动态磁场采集仪钻井方式示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种水平参考井高精度磁测距导向钻井方法、系统，用于解决或部分解决钻探源岩油气密集型水平井组中第一口水平井井眼轨迹精确控制问题。
本发明实施例中提供一种水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，图1示出了本发明实施例中的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法流程示意图，图1中，所述方法包括：确定井系统的部署；根据所述井系统的部署依次完成直井/定向井和水平井非目标地层井段的钻探；下入测距系统，所述测距系统包括位于所述直井/定向井的动态磁场采集仪和位于钻头后的磁场发生仪；根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探。
具体的，所述井系统的部署包括：一口水平井和N口与所述水平井目标地层井段垂直的直井/定向井，其中，所述N≥1；所述水平井部署包括井口位置、造斜点、目标地层水平井段不少于2个的靶窗点和根据所述目标地层水平井段第一个靶窗点A和最后一个靶窗点B所确定的目标地层水平井段方位角。
具体的，确定所述目标地层靶窗点还包括钻探导眼井对所述靶窗点位置进行修正。
具体的，所述直井/定向井的目标地层的井段与水平井的目标地层水平井段靶窗点所确定的水平井段轨道横向距离为1m～20m；所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离大于200m；所述井口位置与所述目标地层水平井段靶窗点A的水平距离为100～800m。
具体的，所述直井/定向井的目标地层的井段包括垂直段或斜井段，若为定向井，则所述斜井段的方位角与所述目标地层水平井段靶窗点确定的方位角的差值小于20°。
具体的，所述直井/定向井的数量N通过所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离和测距系统的有效磁信号探测距离参数确定。
N＝|[L/(2L0)+0.5]|
其中，L表示所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数，|[…]|表示对公式计算的值四舍五入取整。
具体的，所述N口与所述水平井目标地层井段垂直的直井/定向井的部署包括：
若未钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0、3L0、5L0、…、(2N-1)L0的大小排列；
若钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0+Ld、3L0+Ld、5L0+Ld、…、(2N-1)+Ld的大小排列；
其中，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数；Ld表示稳定非测距参数。
具体的，所述磁场发生仪包括天然磁石、磁铁和通电螺线线圈；
所述磁场发生仪的磁场强度大于地磁强度和钻柱剩余磁场强度。
具体的，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动完成水平井目标地层井段的钻探包括：
动态磁场采集仪领先磁场发生仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系引导钻头朝着偏移于所述动态磁场采集仪既定的距离的方向进行定向导向钻井作业；
磁场发生仪位于动态磁场采集仪侧边，采用钻具组合的稳定方向钻探能力，快速穿过动态磁场采集仪侧边距离；
磁场发生仪领先动态磁场采集仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系确定磁场发生仪的位置变化，继续引导钻头的钻探方向。
具体的，所述磁场发生仪领先动态磁场采集仪引导钻头钻探还包括避免所述磁场发生仪和钻具零部件磁性的磁信号干扰。
具体的，所述避免所述磁场发生仪和钻具零部件磁性的磁信号干扰包括：
加大所述磁场发生仪的磁场强度，通常大于地磁强度(0.5-0.6高斯)，或；
所述钻具零部件组合中底部有效磁信号探测距离参数范围内采用非磁性材料钻具，或；
增加水平井水平段与所述直井或定向井井眼轨道之间的距离，使其大于3m。
本发明实施例中，还对水平参考井高精度磁测距导向钻井方法的具体步骤进行具体的说明：
图2示出了本发明实施例中的井系统构成示意图，图2中，所述井系统包括一口待钻探的水平井1、一口以上的直井或定向井2。直井或定向井2的目的层分别位于水平井的水平段设计轨道11的附近。由于水平井1的水平井段控制精度较高，采用常规定向控制技术手段难以保证钻井精度，需要利用一口或多口直井或定向井2，引导其水平段11井眼轨迹钻井作业。水平井具有井口位置12、造斜点KOP(Kick Off Point)、水平井段钻井时第一个钻达的靶窗点A点、水平井段钻井时最后钻达的靶窗点B点，A和B两点所确定的方位角Φ四个关键参数，这些参数均由地质油藏人员提供。计算井口与A点的水平距离，即为靶前距R；计算A点和B点的水平距离，即为水平井段的长度L。R一般在100～800m之间，L一般在200m以上。
图3示出了本发明实施例中的水平井多靶点轨道示意图，水平井在A和B靶点间可以没有其它靶点，即设计轨道为A和B之前为直线段，也可以根据实际地质需要，如地层的上下起伏，增加靶点限制A和B之间的轨道。图3中，增加的靶点为A1、A2、A3、B1，本发明实施例中，增加靶点的个数和位置只是示例性说明，对靶点的个数和位置并不做具体的限制。
图2和图3中，直井或定向井2包含有地质目标地层以上的井段23和地质目标地层的井段24。地质目标地层以上的井段若为近似垂直线，则该井为一直井21；若不为近似垂直线，则该井为定向井22。
为避免水平井和直井或定向井之间井眼轨迹交碰，直井或定向井的地质目标地层的井段与水平井的A和B之间的轨道存在一定的横向距离d，一般大于1m小于20m；横向距离可以为统一值d，也可以不同的直井或定向井采用不同的值(d1、d2…)。直井或定向井的地质目标地层的井段可以为垂直段，也可以为斜井段，若为斜井段，其方位角和A和B两点所确定的方位角Φ近似相同，二者差值一般小于20°。
直井或定向井2，其井口23可以与水平井的井口位12于同一个钻井平台上(井口距离一般小于100m)，也可以位于不同的钻井平台上，具体由地面条件确定。直井或定向井2的井口25可以在一个钻井平台上，也可以位于不同的钻井平台上。直井或定向井2和水平井1在同一个钻井平台上，则直井或定向井2的井口和水平井1的井口间距应满足钻机作业和测距系统作业的最小距离，可由钻机型号和测距系统作业机型号确定，一般需要大于10m。
本发明实施例中，水平井钻井过程中如地质油藏对目标地层资料存在一定的不确定性，可以钻探导眼井，图4示出了本发明实施例中的导眼井示意图，进入造斜点后，不直接按照一定弧度或角度定向造斜向着A靶点钻进，而是直接钻探近似垂直井眼131或斜直井眼132穿过目标地层，以掌握目标地层的展布情况或地层资料情况，核查设计的A靶点是否位于目标地层内并对其进行修正。待获取目标地层资料后，再对钻探的导眼井进行注水泥回填，重新从造斜点KOP开始造斜，朝着调整后的A靶点定向造斜钻探。如地质油藏掌握清楚目标地层资料，可以不钻探导眼井。
本发明实施例中，直井或定向井2的数量N需要考虑远距离磁导向钻井设备的有效磁信号探测距离参数L0、水平井水平井段的长度L，具体方法如下：
获取远距离磁导向钻井设备的有效磁信号探测距离参数L0，一般由远距离磁导向钻井设备供应商提供，部分情形下可通过地面试验取得；
计算N值，为水平井水平井段的长度L除以有效磁信号探测距离参数L0的值四舍五入取整。参考如下：
N＝|[L/(2L0)+0.5]|
本发明实施例中，直井或定向井2的数量N的确定包括以下两种：
未钻导眼井，图5示出了本发明实施例中的未钻导眼井时直井或定向井部署示意图，图5中，N口直井或定向井的在目标地层中的位置在水平井设计轨道上的投影点距离A的距离近似按照L0、3L0、5L0、…、(2N-1)L0的大小排列；
如钻探导眼井，图6示出了本发明实施例中的钻导眼井时直井或定向井部署示意图，图6中，N口直井或定向井的在目标地层中的位置在水平井设计轨道上的投影点距离A的距离近似按照L0+Ld、3L0+Ld、5L0+Ld、…、(2N-1)+Ld的大小排列。Ld表示稳定非测距参数，有三种确定方法：一是可由地质油藏根据地层展布确定的相对稳定的稳定展布空间距离确定；二是近似取值为L0；三是根据地层的设计的井眼轨道、定向钻井测量仪器的测量精度、目标地磁环境、目标轨迹控制精度要求，应用现有定向钻井误差椭圆计算方法，分析目标轨迹控制精度要求下的安全钻探距离确定取值为30～150m，此分析方法为现有技术，不再赘述。
本发明实施例中还对测距系统的组成进行具体的说明，图7示出了本发明实施例中的测距系统构成示意图，图7中，测距系统3包括磁场发生仪31、动态磁场采集仪32、信息传输系统33、地面信息处理仪34、导向软件系统35组成。
磁场发生仪31可在一定的磁场模式下产生一定磁场强度，并且可以被磁场强度探测仪32检测到。更具体的，磁场发生仪32可以为一种天然磁石，可以为具有一定磁场强度的磁铁，也可以为一组磁铁或磁石按照一定的规则布置安装形成一个某种特定的磁体装置中，还可以为一个通电后产生一定强度磁场的螺线线圈磁场发生仪；磁场强度相比地磁强度、钻柱剩余磁场强度要大。图8示出了本发明实施例中的磁场发生仪安装位置示意图，图8中，磁场发生仪31通常安装在水平井钻井过程中钻具组合钻头311的后面，随着钻具的旋转产生动态旋转磁场；磁场发生仪31也可根据特殊需要安装在井下动力钻具312的后面，工作中跟随钻具的旋转而旋转，产生动态变化的磁场。
动态磁场采集仪32为一探测附近磁场分布强度和方向的仪器，也叫探管，可探测出周围三轴(三个不同方向)磁场强度。本案中主要采集磁场发生仪31产生动态旋转磁场强度、磁场方向及其变化情况，并将其采集的信息通过信息传输系统33传送到地面信息处理仪器34。
动态磁场采集仪32主要安装在已钻直井或定向井目标地层井段中，通过连接装置与地面井口连接。连接装置包括油管、连续油管、钢丝绳等。
信息传输系统33负责将收到的信息通过有线电缆或无线信号方式传送到地面信息处理仪34。
地面信息处理仪34将接收到的动态磁场采集仪信息处理形成数字信息，供导向软件系统35计算分析，确定磁场发生仪31与动态磁场采集仪32在地下的相互位置关系，包括距离、方位等，进而进一步根据地磁和定向井或直井、水平段已钻井段的定向钻井测量数据确定磁场发生仪在地下的具体位置。
根据测距系统获取的磁场发生仪在地下的具体位置可以确定钻头的位置，进而指导后续的钻井作业。
本发明实施例中对三维井眼磁测距方法的步骤进行具体的说明：
步骤(1)：按照井系统完成直井或定向井2的部署钻探
直井钻探顺序无固定要求，可按照地面钻井平台、井口位置、地面条件等具体因素确定。
直井或定向井钻井作业，应采用高精度随钻定向测量仪器设备和计算方法，降低其井眼轨迹椭圆误差，随钻测量仪器的井斜测量误差小于0.1°，方位测量的误差小于1°。
直井或定向井可以在目标地层进行全部井或部分井进行取心作业，以获取目标地层在水平井段范围内的地质资料，确定地层走向及变化情况。
直井或定向井完井方式可以为裸眼完井、筛管完井、套管完井方式，具体完井方式根据采油气需要、钻井工程安全需要、地质地层井壁稳定性确定。若为筛管完井或套管完井，则需要在目标地层的井段安装下入非磁性套管25，图9示出了本发明实施例中的非磁性套管下入位置示意图。非磁性套管包括玻璃钢套管、非磁性合金钢套管、铝合金套管等。所属的非磁性套管的长度在5～20m之间，至少大于5m，一般在10～15m之间。
步骤(2)：完成水平井非目标地层井段的钻探
采用高精度随钻定向测量仪器和计算方法，降低其井眼轨迹椭圆误差，随钻测量仪器的井斜测量误差小于0.1°，方位测量的误差小于1°。
步骤(3)：下入测距系统
进入目标地层时，提前在钻具组合中提前安装磁场发生仪31。磁场发生仪通常安装在钻头311后面，也可根据特殊需要安装在井下动力钻具312后面，工作中跟随钻具的旋转而旋转，产生动态变化的磁场。
动态磁场采集仪通过连接装置下入在离钻头最近的直井或定向井中，使得动态磁场采集仪位于下入直井或定向井的目标地层井段中部位置。若下入的直井或定向井为筛管完井或套管完井，则动态磁场采集仪在非磁性套管25内部。若下入的直井或定向井为裸眼完井，则动态磁场采集仪在裸眼井眼里。工作中动态磁场采集是静止的，其相对位置也是固定的。
步骤(4)：按照动态磁场采集仪领先钻头的方式开始钻井
此时，动态磁场采集仪或探管位于钻头的前方，如图7所示，二者之间无磁性钻具干扰。利用测距系统实时测量动态磁场采集仪和磁场发生仪的距离和方位，由于实际动态磁场采集仪静止而具有固定位置，所测量的距离和方位的变化即可确定磁场发生仪的位置变化，从而推断出钻头的位置变化。进而引导钻头的钻探方向。
由于井系统中，水平井和直井和定向井在空间存在一定的距离，利用测距系统实时测量动态磁场采集仪和磁场发生仪实际距离和方位变化情况后，需要引导钻头朝着偏移于量动态磁场采集仪既定的距离的方向进行定向导向钻井作业。
所述的按照动态磁场采集仪领先钻头的方式开始钻井，动态磁场采集仪或探管位于钻头的前方，利用测距系统实时测量动态磁场采集仪和磁场发生仪的距离和方位，利用测距系统实时测量动态磁场采集仪和磁场发生仪实际距离和方位变化情况后，需要引导钻头朝着偏移于所述的量动态磁场采集仪既定的距离的方向进行定向导向钻井作业。
步骤(5)：快速通过动态磁场采集仪侧面井段
随着磁测距系统引导钻头不断的钻进，动态磁场采集仪和磁场发生仪的实际距离不断减少，当磁场发生仪位于动态磁场采集仪侧边时，图10示出了本发明实施例中的快速通过动态磁场采集仪侧面井段示意图，图10中，动态磁场采集仪测量磁场发生仪的磁场变化的测量精度降低，存在测量精度不可信的情形。此时，由于LL井段较短，可以不再进行磁测距定向作业，采用钻具组合的稳定方向能力，快速钻井，穿过动态磁场采集仪侧边距离LL。
步骤(6)：按照钻头领先动态磁场采集仪的方式钻井
通过动态磁场采集仪侧面井段后，此时钻头领先动态磁场采集仪，图11示出了本发明实施例中的钻头领先动态磁场采集仪钻井方式示意图，图11中，由于钻头后方存在钻具零部件，并具有一定的磁性，与磁场发生仪一起产生旋转的动态磁场并被动态磁场采集仪探测到。需要通过以下方式避免二者的磁信号干扰：一是加大磁场发生仪磁场强度，以显著区别于钻具磁场强度；二是水平井钻具组合中底部L0范围采用非磁性材料钻具；三是增加水平井水平段与直井或定向井井眼轨道之间的距离，使其大于3m。
利用测距系统实时测量动态磁场采集仪和磁场发生仪的距离和方位，由于实际动态磁场采集仪静止而具有固定位置，所测量的距离和方位的变化即可确定磁场发生仪的位置变化，从而推断出钻头的位置变化。进而继续引导钻头的钻探方向。
随着测距系统引导钻头不断的钻进动态磁场采集仪和磁场发生仪的实际距离不断增加，动态磁场采集仪所检测到的磁场发生仪的信号越来越弱，直至无法检测到信号，进而无法继续引导钻头钻进方向。
步骤(7)：更换动态磁场采集仪位置
随着测距系统引导钻头不断的钻进动态磁场采集仪和磁场发生仪的实际距离不断增加，动态磁场采集仪所检测到的磁场发生仪的信号越来越弱，直至无法检测到信号，需要更换动态磁场采集仪位置，采用和前述相同的方式放入邻近的直井或定向中，采用动态磁场采集仪领先钻头的方式继续引导钻头钻进。
步骤(8)：继续循环(4)(5)(6)(7)步骤引导钻头钻进直至完成水平井作业。
通过以上方法，通过前期钻探的直井或定向井的实钻资料，利用磁测距系统，引导水平井水平段的钻探方向，可解决钻探源岩油气密集型水平井组中第一口水平参考井井眼轨迹精确控制问题。
本发明实施例中还提供一种水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，所述系统包括：部署单元、第一钻探单元、下入单元和第二钻探单元，
部署单元，用于确定井系统的部署；
第一钻探单元，用于根据所述井系统的部署依次完成直井/定向井和水平井非目标地层井段的钻探；
下入单元，用于下入测距系统，所述测距系统包括位于所述直井/定向井的动态磁场采集仪和位于钻头后的磁场发生仪；
第二钻探单元，用于根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探。
具体的，所述部署单元部署井系统包括：
一口水平井和N口与所述水平井目标地层井段近似垂直的直井/定向井，其中，所述N≥1；
所述水平井部署包括井口位置、造斜点、目标地层水平井段不少于2个的靶窗点和根据所述目标地层水平井段第一个靶窗点A和最后一个靶窗点B所确定的目标地层水平井段方位角。
具体的，所述直井/定向井的目标地层的井段与水平井的目标地层水平井段靶窗点所确定的水平井段轨道横向距离为1m～20m；
所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离大于200m；
所述井口位置与所述目标地层水平井段靶窗点A的水平距离为100～800m。
具体的，所述直井/定向井的数量N通过所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离和测距系统的有效磁信号探测距离参数确定。
N＝|[L/(2L0)+0.5]|
其中，L表示所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数，|[…]|表示对公式计算的值四舍五入取整。
具体的，所述N口与所述水平井目标地层井段垂直的直井/定向井的部署包括：
若未钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0、3L0、5L0、…、(2N-1)L0的大小排列；
若钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0+Ld、3L0+Ld、5L0+Ld、…、(2N-1)+Ld的大小排列；
其中，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数；Ld表示稳定非测距参数。
具体的，所述测距系统还包括信息传输系统、地面信息处理仪、导向软件系统，
所述信息传输系统，用于将所述动态磁场采集仪采集的磁场信息传送给地面信息处理仪，所述磁场信息包括所述磁场发生仪产生动态旋转的磁场强度、磁场方向及其变化；
所述地面信息处理仪，用于将所述采集的磁场信息转化为数字信号，并将所述数字信号发送给导向软件系统；
所述导向软件系统，用于根据所述数字信号确定所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系，并根据所述相互位置关系确定钻头的位置指导钻井作业。
具体的，第二钻探单元用于根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动完成水平井目标地层井段的钻探包括：
动态磁场采集仪领先磁场发生仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系引导钻头朝着偏移于所述动态磁场采集仪既定的距离的方向进行定向导向钻井作业；
磁场发生仪位于动态磁场采集仪侧边，采用钻具组合的稳定方向钻探能力，快速穿过动态磁场采集仪侧边距离；
磁场发生仪领先动态磁场采集仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系确定磁场发生仪的位置变化，继续引导钻头的钻探方向。
具体的，所述磁场发生仪领先动态磁场采集仪引导钻头钻探还包括避免所述磁场发生仪和钻具零部件磁性的磁信号干扰。
本发明的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法、系统，设置井系统和测距系统，根据三维井眼磁测距方法，可以通过前期钻探的直井或定向井的实钻资料，利用磁测距系统，引导水平井水平段的钻探方向，可解决钻探源岩油气密集型水平井组中第一口水平参考井井眼轨迹精确控制问题。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (21)
1.一种水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，所述方法包括：
确定井系统的部署；
根据所述井系统的部署依次完成直井/定向井和水平井非目标地层井段的钻探；
下入测距系统，所述测距系统包括位于所述直井/定向井的动态磁场采集仪和位于钻头后的磁场发生仪；根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探。
2.根据权利要求1所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，所述井系统的部署包括：
一口水平井和N口与所述水平井目标地层井段近似垂直的直井/定向井，其中，所述N≥1；
所述水平井部署包括井口位置、造斜点、目标地层水平井段不少于2个的靶窗点和根据所述目标地层水平井段第一个靶窗点A和最后一个靶窗点B所确定的目标地层水平井段方位角。
3.根据权利要求2所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，确定所述目标地层靶窗点还包括钻探导眼井对所述靶窗点位置进行修正。
4.根据权利要求3所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，
所述直井/定向井的目标地层的井段与水平井的目标地层水平井段靶窗点所确定的水平井段轨道横向距离为1m～20m；
所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离大于200m；
所述井口位置与所述目标地层水平井段靶窗点A的水平距离为100～800m。
5.根据权利要求4所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，
所述直井/定向井的目标地层的井段包括垂直段或斜井段，若为定向井，则所述斜井段的方位角与所述目标地层水平井段靶窗点确定的方位角的差值小于20°。
6.根据权利要求4所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，所述直井/定向井的数量N通过所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离和测距系统的有效磁信号探测距离参数确定。
7.根据权利要求6所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，
N＝|[L/(2L0)+0.5]|
其中，L表示所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数，|[…]|表示对公式计算的值四舍五入取整。
8.根据权利要求3所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，所述N口与所述水平井目标地层井段垂直的直井/定向井的部署包括：
若未钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0、3L0、5L0、…、(2N-1)L0的大小排列；
若钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0+Ld、3L0+Ld、5L0+Ld、…、(2N-1)+Ld的大小排列；
其中，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数；Ld表示稳定非测距参数。
9.根据权利要求1所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，
所述磁场发生仪包括天然磁石、磁铁和通电螺线线圈；
所述磁场发生仪的磁场强度大于地磁强度和钻柱剩余磁场强度。
10.根据权利要求1所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探包括：
动态磁场采集仪领先磁场发生仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系引导钻头朝着偏移于所述动态磁场采集仪既定的距离的方向进行定向导向钻井作业；
磁场发生仪位于动态磁场采集仪侧边，采用钻具组合的稳定方向钻探能力，快速穿过动态磁场采集仪侧边距离；
磁场发生仪领先动态磁场采集仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系确定磁场发生仪的位置变化，继续引导钻头的钻探方向。
11.根据权利要求10所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，所述磁场发生仪领先动态磁场采集仪引导钻头钻探还包括避免所述磁场发生仪和钻具零部件磁性的磁信号干扰。
12.根据权利要求11所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井方法，其特征在于，所述避免所述磁场发生仪和钻具零部件磁性的磁信号干扰包括：
加大所述磁场发生仪的磁场强度，或；
所述钻具零部件组合中底部有效磁信号探测距离参数范围采用非磁性材料钻具，或；
增加水平井水平段与所述直井或定向井井眼轨道之间的距离，使其大于3m。
13.一种水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，其特征在于，所述系统包括：部署单元、第一钻探单元、下入单元和第二钻探单元，
部署单元，用于确定井系统的部署；
第一钻探单元，用于根据所述井系统的部署依次完成直井/定向井和水平井非目标地层井段的钻探；
下入单元，用于下入测距系统，所述测距系统包括位于所述直井/定向井的动态磁场采集仪和位于钻头后的磁场发生仪；
第二钻探单元，用于根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探。
14.根据权利要求13所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，其特征在于，所述部署单元部署井系统包括：
一口水平井和N口与所述水平井目标地层井段近似垂直的直井/定向井，其中，所述N≥1；
所述水平井部署包括井口位置、造斜点、目标地层水平井段不少于2个的靶窗点和根据所述目标地层水平井段第一个靶窗点A和最后一个靶窗点B所确定的目标地层水平井段方位角。
15.根据权利要求14所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，其特征在于，所述直井/定向井的目标地层的井段与水平井的目标地层水平井段靶窗点所确定的水平井段轨道横向距离为1m～20m；
所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离大于200m；
所述井口位置与所述目标地层水平井段靶窗点A的水平距离为100～800m。
16.根据权利要求15所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，其特征在于，所述直井/定向井的数量N通过所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离和测距系统的有效磁信号探测距离参数确定。
17.根据权利要求16所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，其特征在于，
N＝|[L/(2L0)+0.5]|
其中，L表示所述目标地层水平井段靶窗点A和所述目标地层水平井段靶窗点B的水平距离，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数，|[…]|表示对公式计算的值四舍五入取整。
18.根据权利要求15所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，其特征在于，所述N口与所述水平井目标地层井段垂直的直井/定向井的部署包括：
若未钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0、3L0、5L0、…、(2N-1)L0的大小排列；
若钻探导眼井，所述N口直井或定向井在目标地层中的位置在所述水平井设计轨道上的投影点距离目标地层水平井段靶窗点A的距离按照L0+Ld、3L0+Ld、5L0+Ld、…、(2N-1)+Ld的大小排列；
其中，L0表示测距系统的有效磁信号探测距离参数；Ld表示稳定非测距参数。
19.根据权利要求13所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，其特征在于，
所述测距系统还包括信息传输系统、地面信息处理仪、导向软件系统，
所述信息传输系统，用于将所述动态磁场采集仪采集的磁场信息传送给地面信息处理仪，所述磁场信息包括所述磁场发生仪产生动态旋转的磁场强度、磁场方向及其变化；
所述地面信息处理仪，用于将所述采集的磁场信息转化为数字信号，并将所述数字信号发送给导向软件系统；
所述导向软件系统，用于根据所述数字信号确定所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系，并根据所述相互位置关系确定钻头的位置指导钻井作业。
20.根据权利要求13所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，其特征在于，第二钻探单元用于根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互循环领先运动引导钻头完成水平井目标地层井段的钻探包括：
动态磁场采集仪领先磁场发生仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系引导钻头朝着偏移于所述动态磁场采集仪既定的距离的方向进行定向导向钻井作业；
磁场发生仪位于动态磁场采集仪侧边，采用钻具组合的稳定方向钻探能力，快速穿过动态磁场采集仪侧边距离；
磁场发生仪领先动态磁场采集仪，根据所述动态磁场采集仪和所述磁场发生仪的相互位置关系确定磁场发生仪的位置变化，继续引导钻头的钻探方向。
21.根据权利要求20所述的水平参考井高精度磁测距导向钻井系统，其特征在于，所述磁场发生仪领先动态磁场采集仪引导钻头钻探还包括避免所述磁场发生仪和钻具零部件磁性的磁信号干扰。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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