海底定位“測距師”

■ 文｜《海洋與漁業》記者 李易珊 圖｜孔一穎

海洋旋轉磁定位防碰繞障系統成功海試

2017年5月18日，中國南海神狐海域可燃冰試采實現連續 187個小時的穩定產氣，中國首次實現海域可燃冰試采成功！未來，可燃冰產業將進入高速通道，實現大規模產量化的開采作業。然而，海底作業的復雜程度遠遠高于陸地，如何在深不見底的大海里 “摸黑”前行，成為海底工程的關鍵突破點。

7月12日，中天啟明石油技術有限公司（以下簡稱“中天啟明”）在科考船上開展了海洋旋轉磁定位防碰繞障系統（ZTRMRS）的海試，給科考人員引見了一位“海底測距師”。這位“測距師”可通過磁場感應原理獲取多個目標物之間的距離，從而指導和保障作業路徑的準確。據介紹，系統可應用于“u型井”聯通、水平井分支防碰等海底工程的定位測距。此次試驗的成功對可燃冰開采關鍵技術突破意義重大，為商業化作業打下基礎。

定 位

高質量磁感工具

“其實這項技術在國外的應用已經非常成熟，早在上世紀90年代就已經有了”，中天啟明軟件工程師王小虎補充道，使用這類進口產品并不是件容易的事，首先是售價高，其次國內企業無法獲得產品的永久使用權，每使用一次進口產品都需要獲取生產商的授權，手續非常繁瑣。將知識產權掌握在國人手里，不僅降低造價成本，更能擺脫對進口產品的依賴，有利于國產化設備的規模推廣使用。

中天啟明在借鑒國外的經驗的同時，結合我國實際情況，進軍海底市場。面對市面上形形色色的測量系統，他們在核心技術和選材方面做了大量的對比研究。他們認為，磁信號優于電信號。第一，雖然電信號的使用已經得到普及，但采用電信號作為測量工具難免會出現成本激增的問題，除此以外還存在電負荷過高的危險；第二，以磁信號作為測量工具所制造的儀器設備結構更為簡單，在提高可操作性的同時降低人力成本。簡易程度如何？一個磁發生工具、一根高精度測量探管、一臺數據處理系統即可開展工作。基于以上兩點考慮，磁信號成為中天啟明的不二之選。

而對于選材問題，王小虎坦言，“我們采用的是航空材料，有鈹銅和不銹鋼合金等，這些材料具有硬度高、耐腐蝕等優良性能，雖然在這樣的高標準下，制作成本比普通的要高出 8倍。”嚴格的選材標準保障了系統的核心價值，在正常運行下，整套系統可以維持 3～5年。

核 心

磁場強度測距

據介紹，海洋磁定位防碰繞障系統是利用高精度磁場測量探管和旋轉磁發生裝置來計算兩者之間距離和位置的一種裝置。王小虎告訴記者，在通電情況下，磁發生裝置會產生主動旋轉運動，當磁發生裝置附近有探管存在時，兩者之間會形成交變磁場。由于兩者距離變化會引起磁場強度的改變，利用此原理可精確測量鉆頭與目標靶點之間的距離和方位角。在鉆井作業中，該系統配合無線隨鉆測量系統（MWD）使用，目前主要有兩個應用方向。一是在“u型井”中，實現兩口相距數百米的垂直井和水平井，在數千米深的開采層處對接連通；二是在進行多分支井開采時主動防碰和繞障，防止鉆穿相鄰井眼，保證每個分支能不受干擾、獨立運作。另外，還可用于各種特殊工程如鉛垂孔、坑道爆破孔、救援井、平行井等作業時，給予更精確的定位測量。

“u型井”由一口垂直井和水平井聯通而成，一般而言，打通順序是有規定的，垂直井首先被打通。在實際操作中，作業方會在已鉆井中放入有線的探管（必要時可使用絞車），當兩口井的距離小于 100米時，作業方會將水平井中的磚頭拔出，并將磁發生裝置安裝在磚頭的后方，完成簡單的組裝后再次入井。采用電纜（最大長度 3500米）通電后，磁發生裝置旋轉產生磁場，此時通過地面接口箱將數據導入，用普通電腦即可對數據進行快速分析，得出所需結果。“這項技術也可老井眼重新分支上，完成測量大約需要一天的時間，數據的測量頻率控制在每5米一次。”

應 用

煤層氣開采、可燃冰開采、海底管道鋪設……

中天啟明于 2001在北京成立，2009年在廣州重新注冊，十多年以來，一直致力于研究油氣業的高新技術，現已具備年產200套MWD系統設備的能力，在國內，與中海油、中石油、中石化建立了穩定的國產化配套和科研合作關系，在國際上，業務范圍遍及中東和印度尼西亞等地區。王小虎補充道，“設備的安裝和使用都比較簡便，客戶拿到產品后，我們只需向他們介紹一些使用方法，他們回去以后都能夠自行操作”。

目前，中天啟明主要承接煤層氣開采中的測量定位任務。“國內煤儲層地質特性是滲透率高，采用 U 型井鉆采技術，可對煤儲層進行排水降壓采氣工藝。在生產階段利用重力作用將煤層水排到直井的井底，再經過排采設備抽排到地面，可大幅度提高煤層氣產量。”王小虎向記者分享了山西晉城的一次經驗做法，2015年 2月，中天啟明接到山西省晉城市沁水縣煤層氣井連通的任務。按照往常的做法，作業方先打完直井 MB104-1，然后通過水平井MB104-2H連通。作業方從井深 1425米開始使用磁定位設備，通過第一次測量計算，顯示磁發生裝置距靶點有76米的距離。“測量工作是伴隨著鉆頭前進同步進行的，并不會干擾鉆井作業”，王小虎說道，當監測并鉆進至1500米時，測得磁發生裝置距靶點 5米，在確保兩井能夠準確聯通后，取出儀器后一次連通。

ZT-RMRS在“u型井”聯通應用中已有許多成功的案例，但在兩口平行井的聯通技術尚存在空白。“垂直井與水平井的聯通是的方式是點線連接，而水平井與水平井的聯通則是點與點的連接，難度系數倍增”。王小虎透露，未來，他們的技術團隊將通過增強磁信號強度、改善探管的傳感器性能以及提升整套設備的穩定性三方面入手，將測量精度從原來的 0.5米提升至 0.1米。技術瓶頸打通后，產品將延伸至海底管道領域。