煤层气分支水平井与定向井连通钻井技术.pdf

第 3 3卷 第 5期 2 0 1 1年 9月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LL I NG PRODUCT1 0N TECHN0L0GY V0 1 ． 3 3 No ． 5 Se p．201 1 文章编 号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 1 0 5 0 0 0 1 0 3 煤层气分支水平井与定 向井连通钻井技术 王自 民 毕泗 义 闫 丰明 刘春 林 中原石 油勘探局钻 井一公 司 ， 河南濮阳4 5 7 3 3 1 摘要国内外较为先进的煤层气井布置方式多为分支连通井， 通常采用水平井与直井连通后再钻分支井的开采方式。随 着煤层气勘探开发的不断深入， 分布在山区、 丘陵等交通不便的区块 日渐表现 出井位布置严重受限、 道路 井场修建费用成倍增 长、 井位分散、 零星排采管理困难的现象。为此通过研究将煤层气排采井由直井改为定向井， 在很大程度上解决了井位布置受 限问题， 降低 了道路井场修建成本， 实现了丛式井的集中排采管理。以Z Y - H4 ． L S井组为例， 论述了将分支井和定向井一体化 设计、 一体化施工来成功实现分支水平井与定向井连通的关键技术及解决方法， 为煤层气开发提供了新思路。 关键词煤层气；连通；多分支水平井；定向井；一体化设计；一体化施工；钻井技术 中图分 类号 T E 2 4 3 文献标识 码 A Dr i l l i n g t e c hn i qu e f o r c o a l - be d me t ha ne mul t i l a t e r a l ho r i z o nt a l we l l i nt e r s e c t i o n wi t h di r e c t i o n a l we l l WA N G Z i mi n ， B I S i y i ， Y A N F e n g mi n g ， L 1 U C h u n l in No1 Dr i l l i n gC o m p a n yo fZ h o n g y u a nP e t r o l e u mE x p l o r a t io n B u r e a u ， Pu y a n g4 5 7 3 3 1 ， C h i n a Abs t r a c t Mu l t i l a t e r a l i n t e r s e c t i o n we l l i S t h e mo r e a d v a n c e d l a y o u t f o r c o a l b e d me t h a n e a t h o me a n d a b r o a d ． Dr i l l i n g mu l t i l a t e r a l we l l a f t e r t h e s u c c e s s f u l i n t e r s e c t i o n o f h o ri z o n t a l we l l a n d v e gi c a l we l l i s t h e c o mmo n e x p l o i t a t i o n me t h o d ． W i t h t h e d e v e l o p me n t o f c o a l b e d me t h a n e ， ma n y d i ffic u l t i e s a p p e a r i n t h e t r a ffic i n c o n v e n i e n c e a r e a s u c h a s h i l l y a n d mo u n t a i n o u s a r e a s ． T h e d i ffic u l t i e s i n c l u d e l i mi t e d we l l s i t e a r r a n g e me n t ， mu l t i p l i e d c o s t o f we l l s i t e r o a d c o n s t r u c t i o n ， a n d d i ffic u l t ma n a g e me n t i n d e c e n t r a l i z e d p r o d u c t i o n ， e t c ． Co a l - b e d me t h an e e x p l o i t a t i o n c h a n g e f r o m v e r t i c a l we l l t o d i r e c t i o n a l we l l i s s t ud i e d ， a n d i t c a n l a r g e l y s o l v e t h e l i mi t e d we l l s i t e a r r a n g e m e n t ， d e c r e a s e t h e c o s t o f we l l s i t e r o a d c o n s t ru c t i o n ， a n d a c h i e v e t h e c e n t r a l i z e d ma n a g e me n t f o r c l u s t e r e d we l l s ． T o s o me e x t e n t , i t c r e a t e s n e w e x p l o i t a t i o n d o ma i n o f c o a 1 ． b e d me t h a n e ． Ho we v e r ． we h a v e n o a n t e c e d e n t o f h o r i z o n t a l we l l i n t e r s e c t i o n wi th d i r e c t i o n a l we l l t o g u i d e ． ZY- H4 L S we l l g r o u p a d o p t s l o t s o f t e c h n o l o g i e s l i k e i n t e g r a t i v e d e s i g n a n d i n t e g r a t i v e c o n s t r u c t i o n o f mu l t i l a t e r a l we l l a n d d i r e c t i o n a l we l l ， a n d s u c c e e d s i n r e a l i z i n g i n t e r s e c t i o n b e t we e n mul t i l a t e r a l h o r i z o n t a l we l l a n d d i r e c t i o n a l we l 1 ． I t c r e a t e d n a ti o n a l p r e c e d e n t for t h i s k i n d o f c o n s t ruc t i o n a n d o f f e r s a l l e w i d e a f o r c o a l b e d me t h a n e e x p l o i t a t i o n ． Ke y wo r d s c o a l - b e d m e t h a n e ； i n t e r s e c t i o n ； mu l t i l a t e r a l h o r i z o n t a l we l l ； d i r e c t i o n a l we l l ； i n t e g r a t i v e d e s i g n ； i n t e gr a t i v e c o n s t r u c t i o n ； d r i l l i n g t e c h n i q u e 随着煤层气勘探开发的不断发展， 多分支水平 井 已成为我 国开采煤层气资源的重要 手段。以前 ， 较为先进的开采方式是采用水平井与直井连通 1-5 ] ， 通过钻水平井与预先钻成的垂直井连通后， 再钻成 多分支井。这样 ， 通过 1 个水平井可以先后向多个 垂直井连通 ， 钻成多组水平分支井 ， 最后将水平井井 口封填， 通过垂直井进行煤层气的排采。这种方式 取得了很大的成果， 但是， 在一般情况下水平井和直 井井口间距应大于 1 5 0 m， 每个开发井组需要建多个 井场。而煤层气多分布在山地、 丘陵， 井位确定经常 作者简介王自民， 1 9 6 7 年生。 1 9 9 0 年毕业于西南石油学院钻井工程专业， 现任公司总工程师， 高级工程师。 电话 0 9 3 9 ． 4 8 0 0 5 5 0 。 E m a i l wa n g z i mi n 0 0 1 1 6 3 ．c o m。 2 石油钻采工艺2 0 1 1 年 9月 第 3 3卷 第 5期 受地理条件的限制 ， 道路、 井场修建成本高 ， 煤层气 井分布零散， 排采管理也极为不便。如果把煤层气 排采井由直井改为定向井， 不仅能够解决井位布置 受限的问题， 还能降低井场道路修建成本， 实现丛式 井的集中管理。然而， 将定向井作为排采井， 连通的 难度将大大增加， 目前， 国内还没有水平井与定向井 连通的先例， 没有可借鉴的经验技术。为此开展了 分支水平井与定 向井连通专项研究 ， 并在 Z Y - H4 ． L S 井组进行 了现场实施获得成功。 1 分支水平井与定向井连通的技术难点 1 定向井和水平井的轨迹数据精度要求非常 高。在空间范 围内， 直井的轨迹变化量较小 ， 一 口较 为理想 的垂直井 ， 其轨迹主要是 垂直井深 的变化。 而定向井则不同， 既有垂直井深的变化， 又有Ⅳ值、 E 值的变化， 其空间轨迹变化量远大于直井。要实现 连通， 定向井 目 标点数据必须准确。同样， 对水平连 通井的轨迹控制也提出了相应的精度要求 。 2 定向井连通 目 标点未做洞穴， 大大增加了连 通难度 。为了易于实现连通 ， 垂直井通常在煤层段 造一个洞穴 ， 洞穴直径 0 ． 5 ～ 0 ． 6 m。如果排采井为定 向井， 由于井斜较大， 造洞穴容易形成大肚子使井壁 不稳定， 给连通及水平井水平段施工带来很大的潜 在钻井风 险。为防止因定 向井段煤层坍塌、 井壁不 稳带来的潜在风险， 在定向井煤层段仅下人了玻璃 钢套管， 而没有扩孑 L 做洞穴， 使连通难度变大。 3 连通方式与直井截然不同。水平井与直井的 连通， 至少是点对线的连通， 加之在 目标点又造了洞 穴， 使连通方式变为点对面的连通。而与定向井的 连通则截然不同 图 1 。定 向井的目标区没有造穴 ， 无法实现点对面的连通方式 。如果定向井在连通井 段再有空间方位 方向 上 的变化 ， 连通 目标区的控 制范围则更加苛刻， 连通窗口将变得非常狭窄， 水平 井与定向井之间的连通只能是点对点的连通方式。 这大大增加了水平井与定向井连通的难度。 a 排 采井为直井 b 排采井为定向井 图 1 井身结构图 2 分支水平井与定向井连通的技术关键 2 ． 1 对丛式井组进行一体化设计 丛式井组开发煤层气是一项系统工程， 必须做 到一体化设计， 包括一体化设计井口位置及其间距、 防碰方案、 施工顺序、 定向井和水平井的轨迹剖面等。 特别是一体化设计定向井和水平井的轨迹剖面， 在 很大程度上优化了连通方式 。在连通之前 ， 如果定向 井与水平井方位一致 ， 那么连通 区域 的范围在垂深 上可以控制 为整个煤层厚度 ， 连通方式就变成 了点 对线的连通 。所以， 对同一丛式井组的定 向井与连通 水平井进行一体化设计， 在设计定向井的同时设计 水平连通井， 使它们的轨迹剖面在煤层段之前达到 一 致， 并且在整个目的层井段保持稳定， 这就从整体 上奠定了连通的基础， 从局部上确保了连通的精度。 2 ． 2 对丛式井组进行一体化施工 1 分支水平井 和定 向井施工 由同一钻井队承 担。 在整个施工过程中使用相同的人员、 设备、 工具、 仪器等， 同一支队伍具有较为定式的作业习惯， 同时 对 自己施工过的井还能做到心中有数， 这就最大限 度地减少了施工过程 中的系统偏差。 2 系统地录取分支水平井和定向井的轨迹数 据。水平井和定向井井斜和方位变化较大， 获取准 确井眼轨迹数据的难度比直井困难得多。施工中对 轨迹数据加密监测， 使用多套不同的仪器进行校验， 最好做出系统分析， 去伪存真、 取优去劣， 确定最合 理的轨迹数据。同时选定最具代表性的参照仪器， 以便对下一步施工井的数据进行标定。这样就减小 了仪器录取的误差， 确保了轨迹数据的精度。 3 准确确定井 口坐标， 选好分支水平井着陆点 位置。多次复核水平井及定 向井的井 口坐标 ， 根据 定 向井的井 眼轨迹数据和连通点位置 、 连通方式等 因素， 计算分支水平井着陆点的井斜、 方位、 垂深等 参数 ， 进而精确确定分支水平井的着陆点位置 。 4 优化连通工艺措施。造斜及连通时尽可能缩 短工具零长 ， 减小预测误差， 保证 E MWD没有磁干 扰； 连通前滑动钻进， 实时计算当前测点的闭合方位 和预测钻头的方位变化 ， 及时将井眼方向纠正至连通 点位置 。提供准确的 E ． MWD重力工具面。每 3 ～ 5 m 测斜一次， 快速确定 B H A增降斜、 增减方位的趋势， 连续监测井眼方向； 接近连通点时， 利用专门的轨迹 计算软件进行柱面法扫描， 判断水平井与连通点的距 离 ， 从 3 D视图上预测轨迹变化趋势。利用 V e c t o r 的 信号 ， 判断连通的位置和偏离情况 ， 及时调整轨迹 。 王 自民等 煤层气分支水平井与定向井连通钻井技 术 3 3 现场应用 3 ． 1 情况介绍 Z Y - H4 一 L S井 组 ， 井 场 上设 计 3口定 向井 Z Y - Hl S 、 z Y - H2 一 S 、 z Y H3 ． S ，一 口 水 平 分 支 井 z Y _ H 4 ． L ， 由Z Y - H 4 ． L井分别向3口定向井钻水平井进 行连通， 连通后再分别钻成多个分支。 3 ． 2 关键措施 首先是一体化设计。对 Z Y - H 4 一 L S 井组的定向 井与连通水平井同时设计； 从直井段防碰的角度设 计井口位置、 井 口间距及其施工顺序； 从定向段、 水 平段利于连通的角度设计定向井和水平井的轨迹剖 面， 使它们在煤层段之前达到一致 ， 并且在整个连通 井段保持不变 ， 优化连通方式 ， 减少连通难度。 其次是一体化施工。整个井组的分支水平井和 定向井由中原同一支钻井队施工， 使用相同的人员、 设备、 工具、 仪器等， 减少施工过程的系统偏差； 施 工中加密监测轨迹数据， 使用 3 套不同的仪器进行 校验 ， 确定最合理的轨迹数据和参照仪器， 减小数据 录取偏差， 确保轨迹数据的精度； 在确定井位、 二开 之前、 连通施工前 3 个关键的环节， 分 3 次复核水平 井及定向井的井 口坐标， 精确确定分支水平井的着 陆点位置 ；缩 短工具仪器 的零 长 ， 排 除 E ． MWD 的 磁干扰 ， 减小预测误差 。 3 ． 3施工经过 按设 计的先后顺 序先完成 3口定 向井 的施工 ， 根据设计， Z Y - H1 S 定 向造斜率控制在 6 。 ／ 3 0 m 以内， 钻至煤层段井斜达 5 5 。 ， 方位为 1 0 2 。 。定向过 程井眼轨迹数据由MWD获取；完钻后用单、 多点 测斜仪复测校对； 下套管后 ， 用陀螺复测核对； 3 套 数据基本吻合， 保证了井眼数据的准确无误。 首先要实现水平井 Z Y - H 4 一 L对定向井 Z Y - H1 一 S 的连通 。开钻前 ， 准确测量 了 Z Y - H 4 ． L的井 口坐标 ， 二开前又复核 了水平井及定 向井的井 口坐标 ， 根据 定 向井 的井 眼轨迹数据及测井资料 ， 重新标定水平 井 的着陆点 、 连通点等关 键点 的坐标。从 3 7 5 m 开 始定 向， 钻至 7 0 6 m完成二开钻进， 井斜 9 3 ．3 9 。 ， 方 位 1 0 2 。 ， 套管下深 7 0 4 ．6 7 m。三开两井连通过程中， 采用近钻头电磁测距法 R MR S 技术 。钻至距靶 点 1 0 0 m时 ， 将两个井底 的数据输入到专用软件 中， 初始化坐标。定 向井下人 V e c t o r 仪器 ， 接 收水平井 中的强磁信号， 实时地计算当前测点的闭合方位并 预测钻头处方位的变化。尽可能地滑动钻进 ， 以便 确定增降斜、 增减方位的规律。连续监测井眼空间 位置， 提供准确的E ． MWD重力工具面， 通过调整工 具面及时地将井眼方位纠正至连通段中心位置。利 用专门的轨迹计算软件进行柱面法扫描， 从 3 D视 图上预测轨迹变化趋势。再利用 V e c t o r 信号， 精确 判断连通的位置和偏离情况， 及时调整轨迹， 钻至 8 1 8 ．4 5 m时， 与定向井成功连通 图2 ， 实现了分支 水平井与定 向井 的连通施工。 图 2 Z Y - H 4 一 L S井组连通三维效果图 目前， 连通后的 8 个分支已经钻成， 煤层内总进 尺 8 6 4 8 1 13 ， 正在准备下一 口定 向井的连通施工 。 4 结论 1 定向井和水平井轨迹数据的准确无误是连通 成功的关键， 为避免单一仪器测量的局限性， 可采取 单 、 多点、 MWD、 L WD、 E MWD及 陀螺等多种测量 手段来监测校验轨迹数据， 减小仪器录取数据的误 差， 确保轨迹数据的精度。建议定向井和水平井使 用同一套参照仪器以减小数据偏差。 2 继续探索定向井在煤层段扩眼、 造穴工艺， 可 作为实现连通的备用手段。 3 水平井与定向井连通难度大， 涉及到许多新 的工艺、 工具和仪器， 过程较为繁琐， 仍然面临很多 困难和技术难题， 有待进一步探索和完善。 参考文献 [ 1 ] 薛改珍， 王学锋 ， 张景 良， 等 ． 沁水盆地煤层气安全钻井 工艺 [ J ]． 石油钻探技术， 2 0 0 7 ， 3 5 5 6 5 6 7 ． [ 2] 饶孟余， 杨陆武， 张遂安， 等 ． 煤层气多分支水平井钻井 关键技术研究 [ J ]． 天然气工业， 2 0 0 7 ， 2 7 7 5 2 5 5 ． [ 3] 张义， 鲜保安， 赵庆波， 等 ． 煤层气欠平衡钻井环空注气 工艺优化 [ J ]． 石油勘探与开发， 2 0 0 9 ， 3 6 3 3 9 7 ． 4 0 1 ． [ 4 ] 邢政 ． 多分支井技术在大城区煤层气勘探开发 中的应 用研究 [ J ]． 中国煤层气， 2 0 0 7 ， 4 2 4 0 ． 4 2 ． [ 5] 王彦祺 ． 和顺区块煤层气远端连通水平井钻井关键技 术研究 [ J ]． 中国煤层气， 2 0 1 0 ， 7 1 1 8 ． 2 1 ． 修改稿收到 日期2 0 1 1 0 4 2 0 [ 编辑付丽霞 ]