RMRS偏心連通技術(shù)在煤層氣水平遠(yuǎn)端對接井中的應(yīng)用研究

劉明軍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤層氣資源豐富，但氣藏普遍具有低飽和、低壓、低滲透的儲層特征，從提高采收率盡早收回成本方面考慮，煤層氣水平井是最佳的開發(fā)模式[1]。經(jīng)過多年的煤層氣鉆井實(shí)踐和探索，煤層氣勘探開發(fā)發(fā)生了根本性的變化，直井和普通定向井開發(fā)模式逐漸失去優(yōu)勢，因?yàn)樗骄_發(fā)模式可有效導(dǎo)通煤儲層的裂隙，增加氣、水導(dǎo)流能力，提高單井產(chǎn)量和煤層氣采收率，水平井單井產(chǎn)氣量相當(dāng)于水力壓裂增產(chǎn)直井的5～8倍，排采2～3a左右就可以收回全部投資成本[2，3]。目前采用的水平井井型有U 型井、V 型井、L型以及羽狀水平井，水平井完井方式一般采用裸眼完井、連續(xù)油管、玻璃鋼篩管、PE 篩管等完井方式。對于水平對接井，連通工程就成為水平井施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而由于洞穴坍塌不規(guī)則，造成直井軌跡方位漂移；隨鉆測量系統(tǒng)(MWD)的系統(tǒng)誤差的累積性[4，5]、數(shù)據(jù)的滯后性造成井眼軌跡的不確定性，使得兩井間連通位置不精確[6-8]，連通有可能失敗，側(cè)鉆重新連通；有可能在洞穴正中連通，造成水平井下入的連續(xù)油管或篩管等影響撈砂、下泵、修井等后續(xù)作業(yè)，只能利用磨銑鉆頭磨銑斷套管，這些都造成水平井施工難度增大，施工成本增加，工期延長。針對這些問題，本文在沁水盆地潘莊區(qū)塊2014ZX-U-05V/H 井組，采取先鍛銑玻璃鋼套管再造穴工藝技術(shù)；嚴(yán)格控制鉆時(shí)，有效解決洞穴坍塌難題，利用RMRS偏心連通技術(shù)實(shí)現(xiàn)水平井與直井洞穴偏心連通，是對煤層氣水平井連通工藝的進(jìn)一步完善。

1 RMRS偏心連通基本原理

1.1 RMRS的工作原理

RMRS即近鉆頭旋轉(zhuǎn)電磁測距導(dǎo)向系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、煤層氣、鹽等水平井資源開采中，其核心是電磁測距，主要用來測量目標(biāo)點(diǎn)和實(shí)鉆井的直線距離，其測距范圍可達(dá)70m，必須與螺桿鉆具和MWD配合使用。RMRS作為水平井與直井準(zhǔn)確連通的關(guān)鍵導(dǎo)向設(shè)備，由旋轉(zhuǎn)強(qiáng)磁接頭、連通儀器、地表接口箱、無線信號傳輸器等組成[9-11]，如圖1所示。在連通過程中，首先在水平井鉆頭處接強(qiáng)磁接頭和螺桿馬達(dá)、導(dǎo)向儀器，直井中下入磁場信號接收儀，然后利用旋轉(zhuǎn)磁場信號精確測量鉆頭與洞穴的距離和相應(yīng)的方位，從而在三維視圖上分析軌跡接近洞穴過程中的變化趨勢，能夠計(jì)算出方位及井斜誤差，及時(shí)糾偏，達(dá)到中靶的目的，最終實(shí)現(xiàn)兩井對接。

圖1 RMRS的工作原理示意圖

1.2 偏心連通的原理

在煤層段利用玻璃鋼套管代替石油套管，可以避免采煤過程中，機(jī)械切割石油套管產(chǎn)生火花，從而引起瓦斯、煤塵爆炸的危險(xiǎn)，同時(shí)減少石油套管對連通磁定位信號的干擾[12]。玻璃鋼套管兩端表面上通過套管連接螺紋連接，與孔壁環(huán)空，利用水泥漿固井。

偏心連通是指通過連通儀器和強(qiáng)磁接頭的配合，在水平井與直井連通時(shí)，MWD對水平井井眼軌跡控制在直井洞穴內(nèi)玻璃鋼套管以外的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)與直井連通，如圖2所示。

圖2 偏心連通示意圖

2 洞穴完井工藝技術(shù)

造穴完井技術(shù)有負(fù)壓、水力射流、機(jī)械等方法，負(fù)壓、水力射流造穴技術(shù)施工工藝復(fù)雜，洞穴不規(guī)則、半徑難以控制、洞穴容易坍塌等特點(diǎn)，一般選擇機(jī)械工具造穴技術(shù)[13，14]。為了使洞穴規(guī)則整齊，確保足夠的偏心距，目前采取先鍛銑玻璃鋼套管，再造穴工藝。

2.1 鍛銑玻璃鋼套管技術(shù)

將鍛銑工具下至切割位置后，先啟動轉(zhuǎn)盤，鉆柱旋轉(zhuǎn)正常后，啟動鉆井泵，向鉆柱內(nèi)泵入鉆井液。當(dāng)鉆井液流經(jīng)噴嘴時(shí)，活塞首先推動三個(gè)長刀片切割套管，當(dāng)套管被切斷，六個(gè)刀片完全張開，此時(shí)由于調(diào)壓桿的作用，壓力將下降約2MPa。整個(gè)切割過程通常需要30～60min。切割套管完畢后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)工具10min，以修整切割斷面。段銑工具不僅能夠?qū)崿F(xiàn)套管、水泥環(huán)、煤層和煤層頂板的段銑作業(yè)，而且能夠提高造穴作業(yè)效率。

2.2 機(jī)械造穴技術(shù)

鍛銑完畢，清洗井眼，收攏刀片起鉆后，將擴(kuò)眼工具ZXQ-145下至鍛銑段底部，保持鉆具高度位置不動，緩慢轉(zhuǎn)動鉆具，開泵建立循環(huán)，排量15～20L/s，轉(zhuǎn)速30～50r/min，控制扭矩在 3kN·m以內(nèi)，當(dāng)扭矩下降并保持穩(wěn)定時(shí)，停泵，緩慢上提鉆具5～10cm，重復(fù)操作直至完成擴(kuò)孔高度。

3 偏心連通工藝技術(shù)

3.1 偏心連通的理論分析

直井下入連通探管，水平井鉆頭處接強(qiáng)磁接頭，進(jìn)入連通段，連通探管可以不斷接收到當(dāng)前磁場的強(qiáng)度值(Hx、Hy和Hz)，對水平井鉆頭位置進(jìn)行探測，從而連續(xù)不斷地修正方位、距離、偏心距等數(shù)據(jù)，鉆頭距離洞穴10m左右磁場趨于飽和。

連通儀器下入至預(yù)設(shè)連通位置后，由于重力作用，其在孔內(nèi)基本居中，要將軌跡控制在玻璃鋼以外，洞穴內(nèi)，在鉆頭距離連通點(diǎn)10m時(shí)，在不考慮其他因素的情況下，需要將方位的偏差控制在0.5°～1.4°，偏心距控制在0.10～0.25m，如圖3所示。

圖3 偏心連通示意圖

3.2 偏心連通關(guān)鍵技術(shù)

偏心連通的影響因素很多，例如人為因素、儀器誤差、軌道設(shè)計(jì)缺陷等[15]。在水平井實(shí)施以前，必須減少兩井井口坐標(biāo)誤差，并且校正磁偏角；在實(shí)施鉆進(jìn)時(shí)，通過合理設(shè)計(jì)軌道、優(yōu)化鉆具組合、調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)、軌跡控制等降低井眼軌跡的不確定性。偏心連通的關(guān)鍵因素為鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選、軌跡控制、偏心距控制。

3.2.1 鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)條件要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的定向鉆具組合，連通井段鉆進(jìn)時(shí)選擇合理鉆具組合尤為重要，加入強(qiáng)磁接頭，準(zhǔn)備對接；為了減小摩阻，采用斜坡鉆桿。連通井段鉆具組合為：鉆頭+(強(qiáng)磁接頭)+單彎螺桿(1.5°)+配合接頭+無磁承壓鉆桿×1根+MWD短節(jié)+斜坡鉆桿+加重鉆桿×15根+斜坡鉆桿。

3.2.2 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)預(yù)想地質(zhì)剖面圖，結(jié)合以往該區(qū)域鉆孔經(jīng)驗(yàn)綜合分析，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步優(yōu)化。在連通井段采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、低排量的“三低”參數(shù)鉆進(jìn)。設(shè)計(jì)鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓1～5t；量8～10L/s；復(fù)合轉(zhuǎn)速30r/min。

3.2.3 工具面調(diào)整

連通作業(yè)前應(yīng)充分考慮反扭角對造斜工具裝置角的影響?？筛鶕?jù)地層實(shí)測資料，反推出反扭角變化規(guī)律。使井底實(shí)際工具面角與設(shè)計(jì)工具面相吻合，避免實(shí)鉆軌跡出現(xiàn)較大偏差而造成頻繁調(diào)整軌跡，影響連通精度。

3.2.4 連通井段軌跡控制技術(shù)

連通井段軌跡控制的關(guān)鍵是及時(shí)測量、準(zhǔn)確預(yù)測造斜率、孔斜和方位位移量。水平井連通井段采用“強(qiáng)磁接頭+單彎螺桿+MWD”的連通導(dǎo)向鉆具組合鉆進(jìn)，通過滑動鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)增斜、降斜和穩(wěn)斜，根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整井眼軌跡，有效提高鉆井速度、軌跡控制精度。如果連通儀器提供的靶點(diǎn)與原設(shè)計(jì)的靶點(diǎn)坐標(biāo)相差較大，必須按新靶點(diǎn)重新做剖面設(shè)計(jì)，計(jì)算實(shí)際連通靶點(diǎn)，根據(jù)新設(shè)計(jì)制定相應(yīng)方案。

3.3 偏心距控制技術(shù)

MWD可實(shí)現(xiàn)隨鉆測量、監(jiān)控井眼軌跡、實(shí)時(shí)調(diào)整井斜和方位，以確保在目標(biāo)層中鉆進(jìn)。但在連通井實(shí)施時(shí)存在一些不足：①系統(tǒng)誤差，誤差具有累積性，理論上測量距離越長誤差越大；②數(shù)據(jù)傳輸滯后，測量探管距離鉆頭一般在8～15m，測量零長原因，不能及時(shí)準(zhǔn)確反映實(shí)鉆地層信息；③直井洞穴誤差，直井軌跡的方位飄移、洞穴不規(guī)則、測量誤差等，隨井深增大誤差增大。所以在連通前必須消除或減小這些誤差，逐漸減小兩井間相對位置的不確定性，是實(shí)現(xiàn)連通的關(guān)鍵。

由于遠(yuǎn)端偏心連通精度要求非常高，MWD儀器允許誤差都有可能使偏心連通失敗，為了有效減小儀器因素誤差，MWD測量時(shí)，還對各井段進(jìn)行投多點(diǎn)作業(yè)，對每趟多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇與MWD比較相近的數(shù)據(jù)作為下步施工的依據(jù)，對入井的儀器進(jìn)行校驗(yàn)，保證儀器的精度。采用RMRS進(jìn)行主動電磁測距，進(jìn)一步減小上述誤差或不足，完成導(dǎo)向中靶。RMRS測量屬近鉆頭測量，測距范圍可達(dá)70m，強(qiáng)磁接頭到洞穴相當(dāng)于建立一個(gè)極坐標(biāo)系，每一個(gè)點(diǎn)都單獨(dú)測量，隨著對接距離減小，測量誤差逐漸減小，有效消除MWD測量滯后效應(yīng)，對MWD測量起到校正作用。在距離洞穴30m開始矩形靶框縮小為靶點(diǎn)，軌跡與洞穴中心的偏移量控制在0.1～0.25m左右。

3.4 偏心連通檢驗(yàn)技術(shù)

偏心驗(yàn)證需要在直井和水平井分別做2次驗(yàn)證，直井內(nèi)下入管柱至洞穴底，與水平井內(nèi)過連通點(diǎn)2m的鉆具十字交叉，直井、水平井反復(fù)起下鉆，根據(jù)鉆具是否遇阻，判斷水平井與直井的連通位置，有遇阻現(xiàn)象，說明兩井居中連通。無遇阻現(xiàn)象，說明兩井偏心連通，可以滿足水平井下石油套管、篩管等的要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

4.1 連通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在沁水盆地潘莊區(qū)塊郭南村附近，實(shí)施一組由2014ZX-U-05H水平井和2014ZX-U-05V直井組成U型連通井，兩井井口間距離764m，方位59.87°，洞穴前側(cè)鉆開分支2個(gè)，連通后再側(cè)鉆開分支2個(gè)，如圖4所示。區(qū)內(nèi)地層傾角為 2°～10°，沒有明顯的斷層和大規(guī)模褶曲。主要開發(fā)15號煤層氣，煤層埋深385～439m，平均煤厚 2.87m，煤質(zhì)松軟破碎。連通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)詳見表1。

圖4 2014ZX-U-05V/H 井組水平投影示意圖

表1 連通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

4.2 偏心連通過程

鉆進(jìn)至距直井洞穴70m以后的井段應(yīng)進(jìn)行精確控制。每3～5m測斜一次，根據(jù)每個(gè)測點(diǎn)方位、傾角的變化，實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前測點(diǎn)的閉合方位和預(yù)測鉆頭處方位的變化，實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)鉆軌跡的偏移量，及時(shí)將井眼延伸方向糾正至設(shè)計(jì)軌道上。

在距離洞穴30m開始，由原來的0.5m×2.0m矩形靶縮小至點(diǎn)靶，連通靶點(diǎn)位于15號煤層頂板以下1.40m位置處。進(jìn)行連通引導(dǎo)作業(yè)確保鉆進(jìn)至連通點(diǎn)時(shí)，軌跡與洞穴中心的偏移量控制在0.1～0.25m左右。

在距離連通點(diǎn)3m左右，經(jīng)過計(jì)算，復(fù)合鉆進(jìn)條件下的靶心距為0.16m，小于半徑為0.25m的洞穴，決定將儀器從直井洞穴起出，水平井停鉆循環(huán)約1h，繼續(xù)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆時(shí)控制在3～5min/m，最終在井深1099.37m處，鉆壓放空，泵壓下降，井口無返漿，鉆井液從直井井口返出，確認(rèn)連通。

5 結(jié) 論

1)通過鉆頭旋轉(zhuǎn)電磁測距導(dǎo)向系統(tǒng)(RMRS)與螺桿鉆具、隨鉆測量系統(tǒng)(MWD)配合使用，有效減小儀器誤差、消除測量數(shù)據(jù)滯后效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)水平井遠(yuǎn)端偏心連通，是對煤層氣水平井連通工藝的進(jìn)一步完善。

2)利用6刀翼鍛銑工具對造穴井段玻璃鋼套管先進(jìn)行鍛銑，再利用ZXQ-145擴(kuò)眼工具造穴，同時(shí)在鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù)，減小井底壓力波動、鉆具震動，是防止洞穴坍塌的有效手段。

3)偏心連通的影響因素較多，關(guān)鍵因素為偏心距控制、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選和軌跡控制，注重關(guān)鍵因素的同時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算測點(diǎn)的閉合方位，及時(shí)預(yù)測鉆頭方位變化，現(xiàn)場應(yīng)用證明方法可行。

4) 針對沁水盆地潘莊區(qū)塊目的煤層地質(zhì)特點(diǎn)，目標(biāo)靶點(diǎn)選在洞穴煤層頂板以下1.40m處，連通井段分段進(jìn)行井眼軌跡控制，降低了軌跡控制的難度，實(shí)鉆效果良好。