雙水平分支水平連通井在煤炭地下氣化中的應(yīng)用

張 才， 郭 明

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038； 2.北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040)

0 引言

ISC技術(shù)是煤在地下的受控燃燒和氣化過(guò)程，最終通過(guò)煤的熱化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w[1-2]。該技術(shù)不僅可以回收廢棄煤炭資源，還可用于開(kāi)采薄煤層、深煤層、高硫、高灰分、高瓦斯煤層等開(kāi)采難度大或經(jīng)濟(jì)、安全性能差的煤層[3-4]。這個(gè)過(guò)程不需要挖煤，也不需要任何工作人員下到地下，就可以生產(chǎn)低成本的工業(yè)氣和化學(xué)合成原料氣，其主要成分有氫氣、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等氣體[5-6]。合成氣通過(guò)產(chǎn)品井輸送到地面，經(jīng)物理水洗、分離、凈化后，可直接供應(yīng)下游能源化工企業(yè)或供居民生活使用。雙水平分支水平連通井技術(shù)是ISC技術(shù)應(yīng)用的主要途徑，是指在施工時(shí)鉆進(jìn)兩口水平井，并在兩口井末端連通的技術(shù)。在后續(xù)生產(chǎn)中，兩口井各作為注入井和生產(chǎn)井使用。

1 雙水平分支水平連通井技術(shù)

1.1 連通技術(shù)

常規(guī)連接井包括一口直井和一口水平井，其中直井煤層部位下入無(wú)磁套管，并將煤層中井段擴(kuò)眼至600mm[7-9]。連通施工前，首先將帶有三軸交變磁場(chǎng)傳感器的探管通過(guò)絞車(chē)下入直井目標(biāo)位置，然后將磁性短節(jié)連接于與鉆頭和螺桿鉆具之間下入水平井中。連通鉆進(jìn)時(shí)，磁性短節(jié)隨著螺桿鉆具高速旋轉(zhuǎn)在空間產(chǎn)生一個(gè)規(guī)律的交變磁場(chǎng)，位于直井的探管不斷采集磁場(chǎng)信號(hào)并將數(shù)據(jù)傳輸至地面計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)相關(guān)軟件計(jì)算出當(dāng)前鉆頭距連通點(diǎn)的距離、垂深偏差及方位偏差，最后根據(jù)該結(jié)果調(diào)整工具面和鉆井參數(shù)，調(diào)整水平井井眼方向至連通點(diǎn)中心位置使之最終準(zhǔn)確對(duì)接，實(shí)現(xiàn)水平井和直井的成功連通[10-12]。

1.2 雙水平連通井技術(shù)難點(diǎn)

1)對(duì)水平井的軌跡數(shù)據(jù)精度要求相對(duì)較高。一口理想中的直井，直井的軌跡在人為控制下隨著井深的增加，變化量較小，只有垂直井深的變化。相對(duì)于直井而言，水平井則不同，它既有在垂深上的變化，N值和E值也變化較大，水平井的空間軌跡變化要比直井大得多。要想實(shí)現(xiàn)兩口水平井對(duì)接成功，水平井的連通點(diǎn)數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確。同樣，對(duì)水平連通井的軌跡控制也提出了相應(yīng)的精度要求[13]。

2)水平井連通目標(biāo)點(diǎn)只有孔徑大小，未造穴，連通難度也隨之大大增加。直井連通時(shí)，為了降低連通難度，提高連通成功率，直井連通目標(biāo)點(diǎn)通常會(huì)造穴，洞穴直徑60cm左右。而水平井連通目標(biāo)點(diǎn)的井斜較大，造穴難度大，工藝不成熟，造穴時(shí)容易形成大肚子導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定，增加了水平井施工鉆井風(fēng)險(xiǎn)，為了避免上述的潛在風(fēng)險(xiǎn)，水平井連通段只下入玻璃鋼套管，增加了連通難度[14-15]。

3)連通方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連通。水平井在與直井連通時(shí)，是水平井鉆頭處一個(gè)點(diǎn)與直井軌跡的一條線連通，在直井連通點(diǎn)造穴后，連通方式變?yōu)樗骄@頭處一個(gè)點(diǎn)與洞穴的整個(gè)面連通，與水平井的連通方式截然不同。水平井連通井段有垂深的變化，也有空間方位上的變化，導(dǎo)致連通點(diǎn)窗口非常狹窄，加上水平井連通點(diǎn)無(wú)法造穴，水平井與水平井之間的連通只能以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連通。

1.3 隨鉆測(cè)量?jī)x器

軌跡控制目前使用較多的為MWD無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的施工精度，市場(chǎng)中可選的定向儀器基本都具有以下優(yōu)點(diǎn)：可打撈，出現(xiàn)卡鉆等井下事故時(shí)，可將儀器從井筒中取出，避免經(jīng)濟(jì)損失；儀器可靠性高，井下無(wú)故障工作間長(zhǎng)，儀器數(shù)據(jù)測(cè)量精度高，系統(tǒng)誤差?。徊捎媚K化單元、易于裝卸和運(yùn)輸；儀器輕便，操作簡(jiǎn)單；可以適應(yīng)多種尺寸的井眼，能夠滿足小井眼尺寸精準(zhǔn)定位救援施工；傳輸數(shù)據(jù)中含有重力顯示與磁場(chǎng)校驗(yàn)及檢查否受到干擾；

1.4 連通儀器

RMRS(Rotary Magnetic Ranging System)為VM公司生產(chǎn)的精確定位設(shè)備，全稱為旋轉(zhuǎn)磁距系統(tǒng)，主要硬件包括強(qiáng)磁接頭和探管。RMRS主要由地面部分和井下部分組成，地面部分主要由機(jī)架、通訊裝置、計(jì)算機(jī)和軟件組成，井下部分由探管和強(qiáng)磁接頭組成(圖1)。

強(qiáng)磁接頭主要作用是提供一個(gè)待測(cè)量的交變磁場(chǎng)，它是由多個(gè)強(qiáng)磁體橫行排列而成，長(zhǎng)度約為40cm,磁場(chǎng)信號(hào)的最大有效傳播距離大約為70 m。強(qiáng)磁接頭接在馬達(dá)輸出軸上，在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下，強(qiáng)磁接頭與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

探管通過(guò)測(cè)井絞車(chē)下入目標(biāo)井內(nèi)連通點(diǎn)處，信號(hào)采集軟件采集到強(qiáng)磁接頭旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的信號(hào)后，再根據(jù)數(shù)據(jù)分析軟件推算出鉆頭與連通點(diǎn)的方位偏差和垂深偏差。探管長(zhǎng)度約3m,由抗壓外筒、傳感器組件、加重桿和扶正器組成，當(dāng)強(qiáng)磁接頭在探管附近旋轉(zhuǎn)時(shí)，探管可以探測(cè)并采集到強(qiáng)磁接頭所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，最后通過(guò)RMRS相關(guān)軟件分析計(jì)算強(qiáng)磁接頭與儀器之間的距離、方位偏差和垂深偏差，隨著測(cè)量距離的減小，測(cè)量誤差越小，當(dāng)強(qiáng)磁接頭和探管距離在10m以內(nèi)，測(cè)量誤差可精確到10cm。

圖1 RMRS儀器組成Figure 1 Rotary magnetranging system (RMRS) configuration

2 施工工藝

2.1 施工過(guò)程

首先，通過(guò)常規(guī)定向鉆具組合完成A水平井直井段、造斜段和水平段的鉆進(jìn)。在A水平井進(jìn)行套管完井，并在連通點(diǎn)位置下入玻璃鋼套管之后，通過(guò)常規(guī)定向鉆具組合完成B水平井直井段、造斜段的鉆進(jìn)，B井水平段與A水平井水平段間距50～100m，并且在距離A水平井連通靶點(diǎn)80m時(shí)起鉆更換鉆具組合。之后通過(guò)穿心電纜將磁導(dǎo)向儀器探管頂送到A水平井內(nèi)，并在B水平井起鉆后，鉆頭與螺桿之間加強(qiáng)磁接頭并入井。施工時(shí)控制井眼軌跡，利用地質(zhì)導(dǎo)向保證在目的層中鉆進(jìn)，最后通過(guò)調(diào)整B井眼軌跡達(dá)到與A井眼靶點(diǎn)，完成連通。

兩口井對(duì)接成功主要現(xiàn)象有施工井泵壓突然下降1～2MPa、鉆時(shí)加快、鉆具放空，泥漿漏失，另一井口返氣返水，則表明兩井連通成功(圖2)。

圖2 施工示意圖Figure 2 Schematic diagram of operation

2.2 連通過(guò)程

RMRS施工過(guò)程具體有收集信息并錄入、強(qiáng)磁信號(hào)采集、RMRS數(shù)據(jù)分析、計(jì)算結(jié)果4部分組成；

1)信息準(zhǔn)備與錄入。收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入至軟件制作靶點(diǎn)文件(圖3)。數(shù)據(jù)包括水平井井口坐標(biāo)、標(biāo)高、補(bǔ)心高，計(jì)算所得連通靶點(diǎn)位置和連通點(diǎn)井深，根據(jù)連通點(diǎn)位置所計(jì)算的連通儀器下深。

之后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，將距離靶點(diǎn)的井段分成若干3～4m的小段，對(duì)每段數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(圖4)。

圖3 RMRS信息錄入Figure 3 RMRS information logging

圖4 RMRS信號(hào)采集Figure 4 RMRS signal acquisition

2)信號(hào)采集和分析。采集數(shù)據(jù)后，對(duì)生產(chǎn)的RMD文件進(jìn)行分析。每次分析數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)仔細(xì)注意探管測(cè)出的地磁傾角和磁場(chǎng)強(qiáng)度，前后兩次數(shù)值應(yīng)無(wú)明顯差異，并且需要通過(guò)對(duì)比大地磁場(chǎng)結(jié)果來(lái)判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率(圖5)。

圖5 RMRS數(shù)據(jù)分析Figure 5 RMRS data analysis

3)計(jì)算結(jié)果。由收集的數(shù)據(jù)計(jì)算出鉆頭距探管的距離、井底對(duì)靶方位角差值以及靶點(diǎn)新的坐標(biāo)和TVD，最后根據(jù)這些計(jì)算所得來(lái)實(shí)際操作完成連通(圖6)。

圖6 RMRS計(jì)算結(jié)果Figure 6 RMRS computed result

2.3 關(guān)鍵措施

1)首先是綜合一體化設(shè)計(jì)。需要同時(shí)設(shè)計(jì)兩口水平井；通過(guò)設(shè)計(jì)井口位置、調(diào)整井口間間距和兩口水平井施工順序降低上直段防碰風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)優(yōu)化兩口井水平井軌跡剖面、調(diào)整連通角度使兩口水平井在連通前軌跡平滑，降低連通難度。

2)其次是綜合一體化施工。為了減少鉆進(jìn)過(guò)程的系統(tǒng)誤差，整個(gè)井組的兩口水平井由同一支鉆井隊(duì)施工,使用了統(tǒng)一的人員、設(shè)備和儀器。在施工過(guò)程中用3套不同儀器通過(guò)加密測(cè)量對(duì)井眼數(shù)據(jù)相互校驗(yàn)，確定最合理誤差最小的井眼軌跡數(shù)據(jù)，確保整個(gè)軌跡數(shù)據(jù)的精度。選擇長(zhǎng)度較短的井下動(dòng)力鉆具，縮短隨鉆測(cè)量?jī)x器的測(cè)斜零長(zhǎng)，加長(zhǎng)無(wú)磁鉆鋌長(zhǎng)度，避免隨鉆測(cè)量?jī)x器的磁干擾；連通鉆進(jìn)施工前關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)兩口水平的井口坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，精確確定井口位置和井眼軌跡。

3)三是優(yōu)化連通工藝措施。在造斜段鉆進(jìn)和連通段鉆進(jìn)時(shí)增加無(wú)磁長(zhǎng)度、選擇長(zhǎng)度短的井下動(dòng)力鉆具，避免隨鉆測(cè)量?jī)x器大地磁干擾和縮短隨鉆測(cè)量?jī)x器的測(cè)斜零長(zhǎng)，降低預(yù)測(cè)井底數(shù)據(jù)的誤差。連通鉆進(jìn)時(shí)隨時(shí)計(jì)算井底鉆頭的空間位置和預(yù)測(cè)方位變化，根據(jù)RMRS相關(guān)軟件計(jì)算結(jié)果及時(shí)糾正井眼方向，兼顧垂深和方位變化，。連通段鉆進(jìn)時(shí)加密測(cè)斜，每3m測(cè)斜一次，提高井眼軌跡數(shù)據(jù)精度，接近連通點(diǎn)時(shí)。

2.4 注意事項(xiàng)

1)每次分析數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注意探管測(cè)出的地磁傾角和磁場(chǎng)強(qiáng)度，前后兩次間數(shù)值應(yīng)無(wú)明顯差異。對(duì)分析出來(lái)的數(shù)據(jù)有疑問(wèn)時(shí)應(yīng)停鉆查明原因再鉆進(jìn)，檢查各項(xiàng)參數(shù)，是否有錯(cuò)誤；磁傾角和實(shí)測(cè)值是否一致；分析出的東西坐標(biāo)、南北坐標(biāo)變化量是否在 1m 之內(nèi)；數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率和振動(dòng)值是否在經(jīng)驗(yàn)范圍之內(nèi)(隨距離的接近數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率會(huì)逐步降低，振動(dòng)值會(huì)逐漸增大)，禁止在數(shù)據(jù)有疑問(wèn)的情況下嘗試鉆進(jìn)連通。

2)連通作業(yè)開(kāi)始時(shí)，測(cè)點(diǎn)距離套管鞋小于 8m 時(shí)，方位受磁干擾的影響大，測(cè)斜數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，可作為參考，不能作為操作的主要依據(jù)，需要后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，在取得幾組連通數(shù)據(jù)后，結(jié)合鉆進(jìn)時(shí)工具面位置、螺桿造斜率等，判斷、驗(yàn)證數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性，作為最后連通的依據(jù)。

3)充分發(fā)揮螺桿的造斜率，工具面的位置應(yīng)盡可能的做到井斜和方位兼顧，特殊情況下才可將工具面放在全力增降斜或全力扭方位的位置。

3 施工成果

施工地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)某礦區(qū),目標(biāo)層位為6#煤層，鉆井及水平段延伸方向周邊煤層頂板埋藏深度440.35～496.95m，平均456.72m； 底板埋藏深度459.12～516.05m，平均476.97m。6#煤層總體育條件好、展布穩(wěn)定；鉆井水平段煤層傾角約為1°，為水平展布(設(shè)計(jì)鉆井軌跡方向剖面見(jiàn)圖7)。

根據(jù)三維地震勘探解釋的6#煤層底板等高線，設(shè)計(jì)鉆井水平段周邊煤層平緩，未解釋有斷層，在氣化爐南側(cè)、東側(cè)發(fā)育有一系列近東西向展布的正斷層，絕大部分落差小于10m。

該礦區(qū)井田水文地質(zhì)條件中等，煤層主要以頂板砂巖裂隙含水層為主要充水含水層。含水層厚度3.66～41.25m，地下水位埋深308.16～452.70m，水位標(biāo)高873.754～971.645m，單位涌水量0.003 725～0.027 094L/s·m，滲透系數(shù)0.013 79～0.101 6m/d。

項(xiàng)目示范區(qū)附近的補(bǔ)Ⅱ砂1孔抽水段為6煤頂板砂巖(即5#煤至6#煤之間)含水層：靜水位埋深342.36m，水位標(biāo)高891.99m，單位涌水量0.002 7L/s·m，滲透系數(shù)0.0319m/d，總硬度10.01mg/L，pH值為10.5，水化學(xué)類(lèi)型為CO3-Na型。該層含水層富水性弱，為6煤層的直接充水含水層。

在該礦區(qū)共鉆2口水平井(井組三維圖見(jiàn)圖7)。2019年4月施工的第1口水平井注入井，水平井總井深942m,總垂深為522.23m;2019年8月施工的第2口水平井生產(chǎn)井，水平井總井深875m,總垂深為521.82m(表1);一次連通,井眼軌跡控制達(dá)到設(shè)計(jì)要求(圖8)。

圖7 井組三維圖Figure 7 Well group 3D diagram

表1 連通數(shù)據(jù)表Table 1 Connection data

強(qiáng)磁接頭檢測(cè)到的磁信號(hào)范圍較小，只有60～70m，加大了控制井眼軌跡的難度。如果前期累積偏差過(guò)大，在接收到信號(hào)后，在有限的距離內(nèi)將方位角調(diào)整到連通點(diǎn)就會(huì)比較困難。儀器在前期的累積誤差也較大，水平段軌跡控制相對(duì)困難，在實(shí)際施工過(guò)程中偏離目標(biāo)靶區(qū)約2°。

圖8 井組及井眼軌跡分布圖Figure 8 Well group and well trajectory distributions

1)A水平井中下入RMRS探管，B水平井下入強(qiáng)磁接頭進(jìn)行連通作業(yè)，井深830m時(shí)復(fù)合4m后做分析，RMRS儀器指示距離靶點(diǎn)35.75m，需減去位1.92°，繼續(xù)復(fù)合鉆進(jìn)3m后，做分析，RMRS儀器指示距離靶點(diǎn)62.75m，需減方位1.97°。

2)采集段長(zhǎng)為3～4m，該次連通過(guò)程中，數(shù)據(jù)迅速形成收斂靶點(diǎn)，RMRS儀器對(duì)水平井施工形成正確有效的引導(dǎo)，隨著距離接近靶點(diǎn)，靶點(diǎn)聚集，連通過(guò)程中，在距離洞穴30m時(shí)錯(cuò)誤率為3.3%， 方位需調(diào)整-2.17°，由于是水平井對(duì)接，參考數(shù)據(jù)垂深為主，方位為輔，鉆進(jìn)至井深871.5m時(shí)兩口井連通成功。

4 結(jié)論

1)連通成功的關(guān)鍵因素要保證水平井軌跡數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,為減少單套儀器測(cè)量的誤差,可采用多點(diǎn)儀器、MWD儀器、E-MWD及陀螺等多種儀器對(duì)水平井軌跡進(jìn)行復(fù)測(cè)，從而校驗(yàn)水平井軌跡數(shù)據(jù)，減少單套儀器測(cè)量的誤差，確保水平井軌跡數(shù)據(jù)的精度。在施工兩口水平井的時(shí)候建議使用同一套測(cè)量?jī)x器，減少兩套數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差。

2)水平井與水平井在連通鉆進(jìn)過(guò)程中。施工難度大,工藝繁瑣，施工過(guò)程中涉及到一些新的工藝、工具和儀器,目前依然面臨許多困難和一些技術(shù)難題,需要進(jìn)一步探索和改進(jìn)。

3)在連通作業(yè)施工時(shí),必要時(shí)適當(dāng)加密側(cè)斜間距,勤預(yù)測(cè)井底數(shù)據(jù),通過(guò)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)與RMRS系統(tǒng)專用軟件計(jì)算出當(dāng)前鉆頭距連通點(diǎn)距離、方位偏差和垂深偏差,調(diào)整工具面和鉆井參數(shù)。