以水平井为基本特征的复杂结构井，是高效开发低渗透、非常规及海洋油气等复杂油气田的主要井型^[1]。利用水平井、加密井和丛式井开发低渗透、页岩油气、致密油气等低品位油气资源，利用双水平井、U形水平井等开发稠油、油砂及天然气水合物等固态油气资源，利用连通井开发煤层气、盐矿等，在国内外均取得了良好的开发效果。复杂结构井钻井过程中要求精确测量邻井距离，以使相邻两口井连通或按设计间距定向钻进，仅仅依靠传统的测斜工具与邻井距离扫描计算难以满足实际的测控精度要求。理论和实践证明，磁导向钻井技术可以避免井眼轨迹测量误差的累积，能够满足邻井距离精确测控的技术要求，已成为复杂结构井钻井的核心技术之一。

研究磁导向钻井技术，最初是为了引导救援井与事故井的有效连通。救援井的井眼轨迹控制难度较大，传统测斜工具获得的井眼位置往往存在累积误差^[2-4]，难以实现救援井与事故井的精确连通。1980年，C.L.West及A.F.Kuckes等人^[5-6]研发了ELREC(extended lateral range electrical conductivity)工具，并多次成功引导救援井与事故井的有效连通，表现出磁导向钻井技术在连通控制作业方面的优越性。1985年，A.F.Kuckes等人成立了Vector Magnetics公司，磁导向钻井技术进入了快速发展阶段，ELREC工具也改称为Wellspot工具。1990年，Vector Magnetics公司申请了SWG(single wire guidance)工具的专利，并成功应用于定向钻井邻井防碰中^[7-9]。1992年，A.F.Kuckes等人^[10]提出利用交变磁场和静磁场强度梯度确定救援井与事故井的矢量距离的方法，并研发了Wellspot RGR工具，与Wellspot工具相比，测距精度有所提高。1993年，Vector Magnetics公司与Sperry Sun Drilling Services公司合作，共同研发了MGT(magnetic guidance tool)工具，这也是首个用于稠油SAGD双水平井磁导向钻井的电磁探测工具^[11-12]。迄今，国外约95%的SAGD双水平井在钻井时应用了MGT工具，并在21世纪初应用MGT工具钻成了世界上第一口U形水平井^[13-14]。为了实现SAGD双水平井磁导向钻井的近钻头探测，A.G.Nekut等人^[15]又研发出RMRS(rotating magnet ranging system)工具，并于2001年进行了成功试验。但是，由于RMRS工具在测距时间、耐温性能和工具成本等方面不如MGT工具^[13]，所以RMRS工具在SAGD双水平井磁导向钻井中并没有得到很好的推广应用。之后，RMRS工具的功能得到进一步扩展，可以用于煤层气(coalbed methane，CBM)水平连通井磁导向钻井中^[16]。2010年，在墨西哥“深水地平线”钻井平台井喷事故处理中，Vector Magnetics公司利用Wellspot工具和WSAB(wellspot at bit)工具成功引导了救援井与事故井的有效连通，充分体现了磁导向钻井技术的重要作用^[17]。另外，其他相关技术服务公司也对磁导向技术进行了研究，例如，Scientific Drilling International公司研发了MagTraC工具^[18]。

我国自2004年在煤层气开发工程中引进并应用RMRS工具以来，积极开展了磁导向钻井技术的研究，在井下磁信标、弱磁探测仪、测距算法及纠偏控制等方面取得了一系列研究成果，并在SAGD双水平井、煤层气连通井等复杂结构井磁导向钻井中得到成功应用。

1 井下磁信标

井下磁信标是磁导向钻井系统的信号源，包括主动磁信标和被动磁信标。Wellspot工具、Wellspot RGR工具和WSAB工具的磁信标是聚集了电流的事故井套管，MGT工具的磁信标是通电螺线管，RMRS工具的磁信标是永磁短节，这些磁信标都属于主动磁信标。主动磁信标产生的磁场一般比较强，而且可以比较准确地计算其大小。因此，利用主动磁信标作为信号源的磁导向钻井系统一般都具有测距范围大、精度高的特点。被动磁信标主要指邻井套管，其磁场主要来源于机械加工、磁探伤和地磁场的磁化。因此，被动磁信标的磁场很微弱，而且难于估算。目前，MagTraC工具采用被动磁信标作为信号源。

井下磁信标周围空间的磁场分布，是研究磁导向钻井技术的理论基础。笔者及其团队自2006年开始对磁导向钻井技术进行研究，并陆续取得一系列研究成果：2008年，利用计算任意形状永磁体磁场的积分表达式，给出了井下管柱形永磁体的三维空间磁场分布计算公式^[19]；2011年，基于磁偶极子模型，推导了计算旋转永磁短节远场磁场分布的表达式，给出了获得磁短节等效磁矩的连续和不连续测量法，并指出连续测量法更易于现场应用^[20]；2014年，利用镜像电流分析法，揭示了井下电磁源磁场强度在井下套管铁磁环境下的衰变机理^[21]；2015年，建立了井下螺线管的电流层模型，并用离散模型给出了螺线管磁场的计算方法^[22]。另外，宗艳波等人^[23]也基于磁偶极子模型，得到了计算旋转磁短节远场磁场分布不同形式的表达式。

在我国磁导向钻井作业中，永磁短节的使用较为广泛。然而，永磁短节紧邻钻头，降低了下部钻具组合的破岩和造斜能力，且不利于控制井眼轨迹。为此，朱昱等人^[24]分析了磁短节内部永磁体几何参数对磁短节磁场强度的影响，为永磁体结构的优化提供了理论依据；刁斌斌等人^[25]提出了一种更有利于井眼轨迹控制的磁短节，并定量分析了其机械强度和对下部钻具组合的影响。

在以永磁短节为井下磁信标的磁导向钻井过程中，有时永磁短节表面会吸附大量钻井磨损产生的铁屑，从而严重影响了测量精度。笔者提出了以正交两列螺线管组作为井下磁信标的思路，可以通过断电的手段，使表面吸附的铁屑自动脱落，该螺线管组可以产生类似于旋转磁短节产生的交变磁场，其测距算法与使用磁短节的算法基本相同^[26]。笔者进一步提出了一种利用双螺线管组作为井下磁信标的方法^[27-28]，其设计方法与单螺线管组基本类似，但尚未获得工程应用与验证，有待进一步深入研究。

2 井下弱磁探测仪

井下弱磁探测仪用来检测井下磁信标产生的微弱磁场，并将接收到的磁信号从井下传输到地面计算机，为磁导向钻井测距计算软件提供必要数据。目前，我国主要研究了可用于探测旋转磁短节磁场的井下弱磁探测仪，其基本功能主要包括^[1]：1)实时测得探管自身的井斜角和方位角，以确定探管自身的姿态；2)实时测得磁短节在测量点的磁场强度矢量；3)通过实时测量系统硬件所在位置的温度，对因温度产生的探管测量误差进行修正；4)测量信号能够及时通过电缆传到地面，并通过地面采集处理系统进行实时分析。井下磁信号的主要特征为^[29]：1)井下磁信号属微弱信号，其幅度随传播距离的三次方急速衰减，在所需测距范围内，信号幅度从几千纳特急速衰减至几纳特；2)井下磁信号具有超低频、窄带、频变等特征，其频率会随着钻头转速的改变在2.0~4.0 Hz范围内变化；3)井下磁信号中含有大量电磁干扰和噪声，当测量距离超过30 m之后，有用信号已基本上被干扰和噪声所淹没。

为了检测磁短节产生的交变磁场，笔者等人^[30]发明了一种用于邻井距离随钻电磁探测的测量仪。梁华庆等人^{[29, 31-32]}根据磁短节在井下所产生磁场的特点，提出了信号采集系统的设计方案，设计了基于低噪声、低零漂放大器的通带平滑的窄带滤波放大电路，并提出了一种基于离散傅里叶变换(DFT)双峰值的信号提取算法，可自动跟踪锁定井下交变磁场信号频率，精确提取信号的幅值，有效解决了强干扰、大噪声背景下微弱频变磁场信号的高精度检测问题。在此基础上，笔者等人^[33-34]进一步设计了井下弱磁探测仪的整体结构，研制了井下探管和地面接口箱，同时研发了数据采集软件，形成了可现场应用的井下弱磁探测仪。

3 磁导向钻井测距算法

磁导向钻井测距算法，是指利用由井下磁信标产生的磁信号、随钻测斜数据和井口坐标等数据，确定正钻井与已钻井空间相对位置的计算方法，也是磁导向钻井系统地面软件的核心算法。笔者等人在磁导向钻井技术研究过程中，对磁导向钻井测距算法进行了重点研究。

王德桂、高德利^{[19, 35]}由管柱形磁体的空间磁场规律模型得到了管柱形磁源与探管之间矢量距离的基本计算公式。该公式可用于连通井和SAGD双水平井磁导向钻井，避免了磁导率的复杂计算。同时，他们还分析了管柱形磁源在岩层中的磁干扰规律。笔者等人^[36-38]研究了利用旋转磁短节产生的交变磁场确定邻井距离的计算方法，该方法可用于SAGD双水平井和连通井磁导向钻井。基于磁短节的磁偶子模型，用数学方法论证了探管记录的轴向磁信号两个振幅最大值之间的距离等于双水平井水平段间距的结论，给出了当双水平井水井段平行时利用探管检测的磁信号计算双水平井水平段相对方位的计算公式，介绍了测距导向算法应用于双水平井中的主要步骤，同时进行了实例验证^[37]。在稠油SAGD双水平井磁导向钻井中，磁导向钻井系统的井下探管要下入筛管完井的生产井中，因此探管检测数据将受到严重的铁磁干扰。为了满足现场需求，笔者给出了一种消除井下管柱铁磁干扰的校正方法，并在稠油SAGD双水平井磁导向钻井中得到了成功应用^[33]。笔者等人^[38]进一步介绍了双水平井造斜井段的测距算法，指出可以利用电磁信号等数据，通过坐标变换，结合水平段磁测距计算求得造斜井段磁短节到探管的方向，并把两口井造斜井段的空间位置分解为共面会聚/发散和异面两种情况，用α和β分别表征两口井的会聚/发散程度和异面程度。其中，两口井共面会聚/发散时磁短节到探管径向距离r₀₁和两口井异面时磁短节到探管径向距离r₀₂的计算公式为：

(1)

(2)

其中

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：w₁和w₂分别为两口井共面会聚/发散工况下，B_w的幅值达到两个最大值时磁短节所在井深，m；i为虚数单位；w₃和w₄分别为两口井异面工况下，B_w的幅值达到两个最大值时磁短节所在井深，m；B_w为探管处由磁短节产生磁场的磁感应强度在正钻井井眼延伸方向上的分量，T。

上述方法需要磁短节随钻头旋转钻进一段距离，不仅测量时间长，而且也会影响测距计算结果的精度。为此，笔者提出了一种利用两个磁通门传感器同时检测旋转磁短节产生的磁信号来确定双水平井间距的方法，并给出了相应的计算公式^[39]。

同时，笔者等人也对其他磁信标的磁导向算法进行了初步研究：当螺线管长度不大于测量距离的五分之一时，可以用磁偶极子模型分析螺线管产生的磁场，并给出了考虑双水平井不平行程度的测距算法^[40]；研究了Wellspot工具的工作原理和测距算法，并研制了试验样机，分析了井下电极注入地层的交变电流、井下电极与探管间距等因素对测量精度的影响^[40-41]；提出了利用三电极系向地层中注入电流的思路，可以显著增加套管上聚集的电流，给出了相应的测距算法，分析了该探测系统探测精度的影响因素，并与救援井与事故井单电极连通探测系统进行了对比分析，为我国研发具有自主知识产权的救援井与事故井连通探测系统奠定了基础^[42-44]；开展了丛式井随钻电磁防碰技术研究，提出了利用磁化相邻已钻井套管实现随钻防碰的思路，揭示了邻井套管被磁化后的磁场分布规律，提出了相应的邻井距离计算方法，分析了影响探管处磁感应强度的因素，并研制了丛式井随钻电磁防碰系统的原理样机，验证了该方法的可行性^[45-46]。

此外，国内其他学者对磁导向钻井测距算法也进行了研究。宗艳波等人^{[23, 47]}利用旋转磁短节产生磁场的特征信号，给出了确定钻头到目标靶点的算法，而该特征信号可以通过希尔伯特变换对三轴可测磁信号进行相位解调和幅度解调而获得，并进行了试验研究。田雨等人^[48]给出的有源交变磁场导向定位方法和曹向峰等人^[49]介绍的旋转磁场测距导向系统的导向定位算法，均与宗艳波等人所用算法类似。

4 磁导向钻井纠偏控制计算方法

对于双水平井、连通井和救援井等复杂结构井磁导向钻井而言，邻井距离的测控方法不同于传统的井眼轨迹测斜与控制方法。现以稠油SAGD双水平井磁导向钻井为例，注入井水平段的井眼轨迹与生产井实钻井眼轨迹平行且相距一定距离，在磁导向钻井过程中，可以测得钻头到生产井的垂直距离和左右偏移，而钻头处的井斜角和方位角不能直接测得，因而注入井的实钻井眼轨迹纠偏控制计算难以直接应用基于测斜数据的传统纠偏控制计算方法。

笔者等人依据注入井采用传统井眼轨迹控制技术井段的测斜数据和磁导向井段的两井垂直间距及左右偏移，利用多项式拟合的方法，获得了注入井当前井底的井斜角和方位角；以生产井井口位置为原点，分别以正北、正东和重力方向作为N轴、E轴和V轴(垂深)的正向，建立笛卡尔坐标系ONEV，在该坐标系中，将生产井的水平段实钻井眼轨迹上任意一点的V轴坐标减去设计间距，其他坐标保持不变，得到的点都可能是纠偏目标点。实际上，符合实际情况最优的纠偏目标点只有一个，因而可以通过试算的方法确定纠偏目标点，结合传统的定向钻井纠偏控制方法确定注入井磁导向钻井井段的纠偏井眼轨迹，以及下一步钻进所需的造斜工具装置角和纠偏井段的长度，基本计算流程如图 1所示^[50]。鉴于SAGD双水平井的复杂性和特殊性，可应用生产井靶区钻遇率、注入井垂直距离合格率、注入井水平距离合格率、SAGD双水平井平行度和注入井井眼轨迹离散点分布状况等5个参数，综合评价稠油SAGD双水平井磁导向钻井的井眼轨迹质量^[51]。

相比传统的定向井井眼轨迹控制，连通井磁导向钻井连通控制也具有自己的特点，主要表现在中靶精度要求高和磁短节对井眼轨迹控制影响较大。在水平井与直井连通中，一旦井眼轨迹控制不当，错过水平井与洞穴的连通，则需要回填后侧钻进行下一次尝试；在定向井(或水平井)与水平井连通中，如果不能实现一次性连通，则需要将垂深抬高进行下一次尝试。乔磊等人^[52]认为水平连通井的磁导向钻井井眼轨迹控制主要参数为方位角，并基于连通井段磁测距和方位偏差，结合稳斜扭方位或全力扭方位模式建立了水平井与直井连通的井眼轨迹控制模型。席宝滨、高德利等人^[53-54]结合水平井对接连通的特点，提出了连通过程中井眼轨迹控制计算方法，并将定向井(或水平井)与水平井的连通过程类比于飞机的降落过程，采用稳斜扭方位模式建立了其井眼轨迹控制模型。

5 工程应用 5.1 SAGD双水平井

1996年，国内在辽河油田杜84块首次进行了SAGD双水平井的先导试验并获得成功，但由于应用传统的测斜工具，两口水平井的水平段空间相对位置未完全达到设计要求，导致投产后产量与预测产量有较大差异^[55]。2008年，辽河油田首先引进Halliburton公司的MGT磁导向钻井技术，成功解决了稠油SAGD双水平井钻井井眼轨迹精细控制的难题；同年，新疆油田采用MGT工具顺利钻成了4对SAGD双水平井，在风城油田重32井区建立了首个SAGD双水平井试验区^[56]。2009年，MGT磁导向钻井技术又在风城油田重37井区进行了成功应用^[57]。

笔者等人自主研发的邻井距离随钻电磁探测系统^[58-59]，于2012年在新疆风城油田多组稠油SAGD双水平井的注入井水平段磁导向钻井中得以成功应用，2013年又率先在造斜井段实施了磁导向钻井，并取得了良好的应用效果。

5.2 连通井

为了实现煤层气资源的高效开发，我国于2004年完成了第一口煤层气多分支水平连通井，并首次应用了RMRS^[60]。在煤层气钻井施工时，一般先钻一口直井并采用洞穴完井，该直井既便于后续的水平井连通作业，又可用于排水采气生产井。在该基础上实施主水平井连通作业，当主水平井钻至距洞穴50 m时，采用磁导向钻井系统引导主水平井与直井洞穴精确连通。之后，该技术在我国煤层气、盐矿、碱矿和芒硝矿等矿产资源开采中得到推广应用^[61-73]。

近年来，我国自主研发了可用于连通作业的邻井距离随钻电磁探测系统、DRMTS远距离穿针工具及SmartMag钻井中靶导向系统。其中，DRMTS工具已在多个煤层气主水平井连通作业中获得应用^[74-76]，SmartMag工具在盐矿和碱矿开采钻井中取得了良好的效果^[77-80]。

5.3 救援井

文23-6X井是冀中坳陷霸县凹陷文安斜坡文23断块上的一口开发井，2005年3月6日，该井在钻至井深2 704.52 m时发生漏失，强行起钻4柱后发生地层垮塌，钻具卡死，采取爆炸松扣只起出钻杆9柱加1个单根，后用反扣倒出2根钻杆，鱼顶预计在井深284.53 m左右，鱼底在井深2 584.00 m左右，多次探鱼头无果，无法进行打捞作业，致使该井报废。由于该井关系到文23储气库的成败，因此，华北油田于2010年决定对该井进行修复，耗时4个月，钻新井眼6个，但未发现鱼头。2013年，华北油田在国内首次引进MagTraC工具，尝试钻文23-6J平行救援井，从鱼底下部连通文23-6X井，历时近6个半月，钻了5个井眼，第5个井眼在井深2 587.50 m处碰到落鱼，在2 573.00~2 584.00 m和2 666.00~2 668.00 m两个井段贴近老井眼，与老井眼距离都不大于1.50 m，然后定方位复合射孔挤水泥，经负压测试验证，文23-6X井封堵成功，达到了文23气藏建库要求^[81]。

5.4 丛式井防碰

在我国，磁导向钻井技术在丛式井防碰中的应用尚属空白。在国外，虽然关于磁导向钻井技术用于丛式井防碰的相关文献很少，但在实际工程中已有较多应用。文献[9]介绍了Vector Magnetics公司研发的SWG工具在高密度丛式井防碰中的应用，该工具的硬件主要包括产生磁场的测井电缆和井下电磁探管，电缆末端接一电极放入已钻井中，通入已知电流强度的低频交变电流或直流电后，电缆周围产生一定强度的磁场，并可由井下探管检测到该磁场，同时传输到地面进行测距计算，从而确定正钻井到相邻已钻井的矢量距离。另外，Scientific Drilling International公司研发的MagTraC工具，也在丛式井防碰工程中成功应用了300多井次，与SWG工具相比，应用MagTraC工具时，在已钻井中不需要下入其他仪器，不会影响已钻井的正常作业，因而在丛式井防碰中更具优势。

6 结论

1)在复杂结构井定向钻井中，对邻井距离测控的要求越来越高，磁导向钻井技术可以有效提高复杂结构井邻井距离测控的精度和效率，具有良好的推广应用前景。

2)井下磁信标、井下弱磁探测仪、测距算法及纠偏控制等软硬件，是磁导向钻井的关键技术，在国内外受到广泛关注，其研发与工程应用已经取得了重要进展。

3)在高温高压钻井工况下，磁导向钻井目前面临的主要技术瓶颈是井下探测仪器的耐高温性能，有必要进一步加强多学科协同创新研究，以提高磁导向钻井系统的耐温性能或研发新型耐高温磁导向钻井系统。

4)在磁导向钻井中，地层、铁磁物质等复杂因素对电磁探测信号的影响较大，今后有必要进行大量的模拟试验与理论分析，科学认识其影响规律，不断提高邻井距离电磁探测精度，以满足各种复杂地质条件下实际工程的技术要求。