煤層氣多分支水平井軌跡控制技術(shù)

張鵬宇 柯曉華 張 楠 吳 雙 曾傳云 張皓星

（1.渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)分公司，河北任丘 062550；2.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；3.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300457）

煤層氣多分支水平井軌跡控制技術(shù)

張鵬宇1，2柯曉華2張 楠1吳 雙3曾傳云1張皓星1

（1.渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)分公司，河北任丘 062550；2.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；3.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300457）

多分支水平井因能夠有效提高煤層氣產(chǎn)能而成為煤層氣開(kāi)采的主要井型，但由于技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)不足，在鉆井施工過(guò)程中，鉆速慢、井下復(fù)雜情況時(shí)有發(fā)生。文中分析了多分支水平井在各個(gè)階段的軌跡控制難點(diǎn)，并探討了懸空側(cè)鉆、老眼重入等技術(shù)難點(diǎn)及控制要點(diǎn)，給出了造斜段軌道設(shè)計(jì)運(yùn)算過(guò)程，通過(guò)合理選擇隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，精確控制了鉆井全過(guò)程軌跡參數(shù)。該井眼軌跡的精確控制為我國(guó)煤層氣多分支水平井整套工藝的施工提供可靠的技術(shù)借鑒和準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

多分支水平井；軌道設(shè)計(jì)； 軌跡控制； 懸空側(cè)鉆； 老眼重入

在煤層氣的開(kāi)發(fā)中，多分支水平井單井產(chǎn)氣量大、采收率高、煤層控制面積廣、井場(chǎng)占地面積小，因而逐漸成為開(kāi)采煤層氣的主要井型。多分支水平井作為一種新型開(kāi)采手段，需要先進(jìn)的軌道設(shè)計(jì)理念和多種高科技儀器相互配合［1-2］。煤層氣多分支水平井，是指在一個(gè)主井眼內(nèi)再側(cè)鉆出多個(gè)分支井眼作為泄氣生產(chǎn)通道，同時(shí)在距主水平井井口一段距離處布一口直井，使主水平井眼與之在洞穴內(nèi)連通。其中水平井為工藝井，直井則用于排水、降壓、采氣等，又稱排采井［3］。

1 水平井井眼軌跡控制技術(shù)

1.1 上直段和排采直井

水平井上直段和排采直井軌跡控制盡量保持垂直或向相反方向延伸，應(yīng)以 “塔式”或“鐘擺”底部鉆具組合為主，配合小鉆壓防斜吊打，嚴(yán)格控制井斜角在2°以內(nèi)，為后續(xù)施工提供有利條件。

1.2 造斜段

1.2.1 連通點(diǎn)的確定 連通點(diǎn)作為造斜段的第2靶點(diǎn)，需要確定其井斜、方位、垂深和大地坐標(biāo)。一般情況下連通點(diǎn)垂深為煤頂垂深上移2～3 m。下面以某井?dāng)?shù)據(jù)為例，運(yùn)用COMPASS軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明。

（1）垂深。由排采直井錄井?dāng)?shù)據(jù)已知煤頂斜深856.1 m，由排采直井軌跡數(shù)據(jù)反推其垂深為855.75 m。排采直井與水平井的補(bǔ)心差為25.55 m，所以相對(duì)于排采直井連通點(diǎn)垂深為855.75 m-2.5 m=853.25 m。相對(duì)于水平井連通點(diǎn)垂深為855.75 m-2.5 m+25.55 m=878.8 m。

（2）大地坐標(biāo)。在排采直井?dāng)?shù)據(jù)里用“插點(diǎn)法”既平均值法，由垂深853.25 m找到其大地坐標(biāo)為：南北3960992.9、東西19632631.85。

（3）方位和井斜。在水平井?dāng)?shù)據(jù)里，設(shè)置連通點(diǎn)為靶點(diǎn)，輸入連通點(diǎn)大地坐標(biāo)和相對(duì)于水平井的垂深，就得到了連通點(diǎn)方位146.44°。連通點(diǎn)井斜一般定為小于煤層傾角2～3°，以便連通后主井眼順利進(jìn)入煤層，該井連通點(diǎn)井斜定位90°。

1.2.2 著陸點(diǎn)的確定 著陸點(diǎn)為造斜段第1靶點(diǎn)，根據(jù)著陸點(diǎn)與連通點(diǎn)間距離優(yōu)化水平井井眼軌跡，在工具造斜率和井眼曲率允許的情況下盡量放大著陸點(diǎn)與連通點(diǎn)間距離，該井此距離定為55 m。著陸點(diǎn)的確定需要由連通點(diǎn)反推計(jì)算而來(lái)。已知該水平井造斜點(diǎn)為735 m。

如圖1所示，采用“雙圓弧法”，輸入兩圓弧間穩(wěn)斜段長(zhǎng)為1 m，靶點(diǎn)為連通點(diǎn)，井斜90°、方位146.44°。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖1 COMPASS軟件中在“雙圓弧法”計(jì)算模式下輸入連通點(diǎn)數(shù)據(jù)示意圖

圖2 COMPASS軟件中用“雙圓弧法”計(jì)算后得到的數(shù)據(jù)

由此來(lái)確定著陸點(diǎn)，點(diǎn)擊圖1右上角反推計(jì)算圖標(biāo)，顯示如圖3界面，輸入段長(zhǎng)55 m、造斜率1.5（°）/30 m。計(jì)算后得到著陸點(diǎn)數(shù)據(jù)：井深953.6 m、井斜87.25°、方位146.44°，雙圓弧軌跡的造斜率分別為11.82 （°）/30 m和11.99 （°）/30 m。至此，設(shè)計(jì)完成。

圖3 COMPASS軟件中反推計(jì)算著陸點(diǎn)方法示意圖

1.2.3 軌跡控制 為得到平滑的井眼軌跡，造斜段施工需連續(xù)均勻送鉆，平穩(wěn)操作，防止溜鉆、蹩鉆，減小鉆壓波動(dòng)幅度，造斜段井眼曲率普遍較高，施工中如發(fā)現(xiàn)工具造斜率不夠時(shí)，應(yīng)及時(shí)起鉆調(diào)整螺桿彎度［4］。因?yàn)榈貙觾A角多為上傾，著陸時(shí)井斜盡量控制為84～87°，方便打開(kāi)煤層后能盡快上調(diào)井斜跟地層傾角一致。造斜段軌跡控制使用的無(wú)線隨鉆系統(tǒng)多為依靠鉆井液傳輸信號(hào)的MWD或利用電磁波傳輸信號(hào)的EMWD，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇使用類型［5］。

1.3 水平段軌跡控制要點(diǎn)［6］

在正常導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)頂驅(qū)轉(zhuǎn)速控制在15～20 r/min，小鉆壓控制鉆時(shí)在1～2 min/m左右為宜，保證伽馬曲線的完整采集。主井眼軌跡盡最大努力確保在煤層上部，防止進(jìn)入煤層底部的粉煤區(qū)域?qū)е戮劭逅?。主井眼鉆進(jìn)根據(jù)井下情況每200～300 m進(jìn)行短起下，破壞巖屑床以降低摩阻［3］。

2 兩井連通技術(shù)［7-8］

2.1 連通工作原理

連通工具的有效距離為100 m，在60～70 m內(nèi)精度較高。工作原理是以近鉆頭永磁體激發(fā)的低頻交變磁場(chǎng)為信號(hào)源，在排采井連通處，進(jìn)行磁場(chǎng)信號(hào)采集與處理，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)來(lái)不斷修正鉆頭與連通處的相對(duì)方位和距離，通過(guò)MWD定向微調(diào)軌跡，實(shí)現(xiàn)連通。

2.2 連通時(shí)的軌跡控制

鉆具組合：?152.4 mm鉆頭+強(qiáng)磁接頭+?120 mm螺桿（1.5°）+回壓閥＋MWD＋?88.9 mm鉆桿。常規(guī)連通就是從著陸點(diǎn)至連通點(diǎn)之間40～60 m距離的施工過(guò)程，遠(yuǎn)端連通時(shí)要提前100 m下入連通工具。施工時(shí)，每鉆進(jìn)3 m測(cè)量井斜、方位，預(yù)測(cè)井底數(shù)據(jù)，采集磁場(chǎng)信號(hào)，判斷鉆進(jìn)方向與直井連通點(diǎn)位置的相對(duì)方位，根據(jù)磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算鉆頭與直井連通點(diǎn)的相對(duì)距離。

3 懸空側(cè)鉆技術(shù)

3.1 側(cè)鉆點(diǎn)的優(yōu)化選擇

每個(gè)分支側(cè)鉆點(diǎn)間距既要保證控制面積達(dá)標(biāo)，又要保證一次性側(cè)鉆成功，因此同側(cè)側(cè)鉆點(diǎn)間距應(yīng)達(dá)到150～200 m，且選在煤層中矸以上部位，井斜略增，方位不變處為宜，如圖4所示，最佳側(cè)鉆點(diǎn)為處于煤層中上部且煤層上傾的部位。

圖4 井眼軌跡中優(yōu)劣側(cè)鉆點(diǎn)示意圖

3.2 煤巖中的懸空側(cè)鉆

利用頂驅(qū)懸空側(cè)鉆時(shí)鉆具倒換至立柱下單根，防止中途接立柱而破壞夾壁墻。 側(cè)鉆時(shí)先對(duì)側(cè)鉆點(diǎn)前3～5 m開(kāi)泵劃槽5次。煤巖鉆時(shí)較快，應(yīng)控時(shí)側(cè)鉆、均勻送鉆。第1 m鉆時(shí)60 min/m，第2 m鉆時(shí)50 min/m，依次增速直至10 min/m，保持速度鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至動(dòng)態(tài)井斜方位與老眼比較有明顯變化時(shí)，適當(dāng)加壓，鉆具無(wú)明顯下行、反扭角有明顯變化時(shí)，表明側(cè)鉆成功，可加大鉆壓朝預(yù)定方位鉆進(jìn)。

3.3 泥巖中的懸空側(cè)鉆

由于泥巖質(zhì)地較煤巖堅(jiān)硬，懸空側(cè)鉆方法稍有不同。

（1）工具面按側(cè)鉆方位分別擺在160～150°或200～210°，鉆頭靠鉆具本身重量吃入地層。

（2）控制鉆時(shí)在120 min/m，維持5 m。

（3）當(dāng)多次側(cè)鉆不成功時(shí)，可依次選用1.5°、2.12°或2.38°單彎嘗試側(cè)鉆。

4 老眼重入技術(shù)

老眼重入是鉆進(jìn)分支時(shí)，由于各種原因中途起鉆，再入分支時(shí)遇到的情況。重入時(shí)，在鉆具下放到離側(cè)鉆點(diǎn)1～2根鉆桿位置時(shí)，容易沿主支走向下放，而不回到分支。此時(shí)應(yīng)調(diào)整工具面至該側(cè)鉆點(diǎn)側(cè)鉆最初工具面，緩慢下放，通過(guò)側(cè)鉆點(diǎn)20 m后測(cè)斜，依據(jù)與老眼井斜差別判斷是否進(jìn)入要求的分支井眼。EMWD隨鉆測(cè)量工具由于免開(kāi)泵即可測(cè)量，因此在老眼重入方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

（1）水平井上直段和排采直井軌跡控制盡量保持垂直或向相反方向延伸，為后續(xù)施工提供有利條件。

（2）熟悉COMPASS定向軟件對(duì)造斜段連通點(diǎn)和著陸點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程及原理，規(guī)范合理地控制造斜段井眼軌跡，是多分支水平井成功實(shí)施的基礎(chǔ)。

（3）對(duì)比MWD與EMWD的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況選取合適隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，優(yōu)化井眼軌跡、有效地避免卡鉆、井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

（4）煤巖中懸空側(cè)鉆點(diǎn)選在煤層中矸以上、井斜略增、方位不變處側(cè)鉆成功率高。

（5）老眼重入時(shí)合理擺放工具面，能夠提高工作效率。

［1］ 鮑清英，張義，何偉平，等.煤層氣羽狀水平井井眼軌跡控制技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2010，32（4）：86-90.

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（修改稿收到日期 2013-08-11）

Coalbed methane multi-branch horizontal well trajectory control technology

ZHANG Pengyu1,2, KE Xiaohua2, ZHANG Nan1, WU Shuang3, ZENG Chuanyun1, ZHANG Haoxing1
（1. Directional Well Technology Services Branch,Bohai Drilling and Exploration Engineering Company,Renqiu062550,China;2. Institute of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan430100, China;3. Drilling Technical Services Branch,Bohai Drilling and Exploration Engineering Company,Tianjin300457,China）

In recent years, multi-branch horizontal well has become the most important well type for coal bed methane（CBM）development because it can effectively enhance CBM production. But lacking skill and experience often cause slow drilling, sticking accidents, and other complex situations underground. The paper makes a comprehensive analysis on the trajectory control difficulties at each stage of multi-branch horizontal well drilling, and gives build-up section track design operation process. Through selecting a reasonable MWD system, the trajectory parameters of the whole drilling process is precisely controlled. The article also explores pending sidetracking, old well bores reentrant technical difficulties and control points. It provides reliable technical reference and accurate referencing data for drilling coalbed methane multi-branch horizontal wells.

multi-branch horizontal well; wellbore trajectory design; well path control; pending sidetracking; old wells re-entry technology

張鵬宇，柯曉華，張楠，等.煤層氣多分支水平井軌跡控制技術(shù)［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：33-35.

TD842

：A

1000–7393（2013） 05–0033–03

張鵬宇，1986年生。2009年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，助理工程師。E-mail：zpy200509176@163.com。

〔編輯 薛改珍〕