重大专项技术助煤层气开发

　　项目简介：“煤层气钻井工程技术及装备研制”是国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”重点课题，课题组从测量基础理论、磁源设计与制作、磁场信号采集系统、地面测试与模拟系统等单元模块开始攻关，开发了由5套基本模型组成的核心测量模型及计算软件，研制了120毫米远距离穿针关键技术装备，形成了煤层气水平井远距离连通专有技术，申请国家发明专利2项和实用新型专利1项。

　　提起煤矿瓦斯大家并不陌生，近年来发生的重特大瓦斯爆炸事故给人民群众生命财产造成了重大损失。煤矿瓦斯也因此被称为“矿井杀手”。

　　煤矿瓦斯又称煤层气，其热值与天然气相当，可作为民用、工业、发电、汽车等的燃料和化工原料。随着能源资源的进一步开发，昔日的“矿井杀手”正成为能源市场上的新宠。

　　但是，我国的煤层气藏具有低压、低渗透的储层特性，开采成本非常高。煤层气开发最有效的钻井方式是多分支水平分支井和“U”型水平井，这种方式必须由一对井来完成：多分支水平井控制较大采气面积，直井用来排水采气，两井相距200至1000米。为了满足开采需要，必须使两井在数百米的地下像“穿针”一样精确连通。由于外国公司对远距离穿针技术及装备的垄断，我国煤层气的开发成本很难降下来。

　　“十一五”期间，为攻克煤层气开发的瓶颈技术，国家设立了“大型油气田及煤层气开发”重大专项。中国石油集团牵头其中的“煤层气钻井工程技术及装备研制”项目，目前已自主研制出120毫米远距离穿针工具，形成了完整的远距离穿针测量与控制技术。

　　“远距离穿针装备主要由磁性短节和测量探管组成，通俗地说，磁性短节相当于信号发射源，测量探管相当于信号接收装置。磁性短节随钻柱旋转形成旋转磁场，通过测量探管采集旋转磁场信号，然后利用测量模型及专用软件计算钻头与靶点的空间方位、距离，指导完成穿针作业。”项目负责人、中国石油天然气集团公司高级技术专家申瑞臣介绍道。

　　与传统方法相比，穿针技术具有三大优点：一是磁性短节和钻头连接到一起，实现了近钻头测量；二是利用旋转磁场可实时测量钻头与目标靶点的相对距离和方向；三是旋转磁场能较大程度消除相关误差，提高钻头中靶率。

　　由于国外技术保密等原因，一开始我国对远距离穿针装备的了解和掌握几乎是空白。为了尽快高质量完成科研任务，项目组通过深入研究，梳理出必须攻下的几个“制高点”，包括测量算法、高精度磁通门传感器系统、微弱磁场信号的高效滤波方法等。

　　通过大量模拟测试，项目组成功解决了远距离穿针测量理论问题，进入到应用开发阶段。“装备的研制需要极高精度磁通门及相关装置，但当时这些装置我国都没有，而国外厂商宣称该类传感器属于军品，对我国禁售。”申瑞臣意识到，技术是买不来的，最终还是要走自主研发道路。他带领科研团队，再次展开艰难的攻关，在相关行业研究机构的通力合作下，成功开发出高精度磁通门，还同时完成了信号发射、接收、传输、处理等硬件系统。

　　微弱磁场信号的提取方法是最后一个“制高点”。由于远距离穿针系统发出的信号大小约为地磁场的万分之一，捕捉该信号如同大海捞针，因此信号测试需要在非常安静的环境中进行。连续奋战数十天、清晨6点之前开工、一直工作到次日凌晨，成为那段日子项目组成员的写照。功夫不负有心人，通过上百次的地面试验，项目组终于设计出一套动态磁场信号提取及去噪方法，攻破了信号的采集和提取难题。

　　虽然拿下了“制高点”，但没想到头疼事还不少，比如初步样机制造出来之后，项目组居然找不到矿井进行试验。“你想，有哪个矿井愿意停下生产去试验一个不成熟的样机？这事搁谁也不愿意啊。”申瑞臣无奈地说。项目组只得采取土办法——利用水井模拟试验。2010年夏天，申瑞臣带领团队好不容易在河北廊坊找到符合标准的水井。“当时天气特别热，我们的衣服经常湿透了，风一吹干，全是白白的汗碱。我们的队伍中有教授、高工，还有年轻的硕士、博士。但连当地农民都没认出我们是科技工作者。”对试验中的种种经历，申瑞臣记忆犹新。

　　辛苦钻研没有白费，远距离穿针整体技术已经达到国际先进水平。与目前国内在用的进口产品比较，其不仅能够进行三维立体导向连通，还具备近距离测量能力。据了解，国外设备在小于3米的范围内就会失去引导功能，而远距离穿针系统在1米左右距离时依然可以引导，这对实现精确连通、提高中靶概率具有重要作用。截至今年7月，远距离穿针成果已在山西、陕西等地得到应用，具备了现场应用与商业化的条件。

　　远距离穿针装备及技术成果的取得，大大提升了我国煤层气钻井能力，还打破了国外在煤层气水平井钻井核心技术领域的垄断，仅服务费一项，就为中石油每年节省至少1000万元。