煤层气多分支水平井井眼轨道优化设计模型_李昌盛.pdf

第43卷第2期 2015年4月 文章编号1001-1986201502-0048-05 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY P6 l 8. l 3文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.02.010 Trajectory optimization design model of multi-branch horizontal well of coalbed methane LI Changshe吨，XUShuguo, YANG Chuanshu, ZHANG Qiang, ZHANG Cheng, JING Mingmin Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China Abstract Coal reservoirs have features of low pressure and low permeability, making exploitation difficult and- well yieldlow. However, multi-branch horizontal well may increase the contact area with the coal, enhance produc- tion and shorten the economic recovery period. Hence well trajectory optimization criterion of coalbed methane CBM multi-branch horizontal well is presented in this paper. In addition, authors established a tr句ectoryoptimal design model of the sidetrack horizontal well and then used sequential quadratic programming SQP. Fi- nally well tr勾ectoryis planed by this model based on geological data in Zhengzhuang of Shanxi Province. The re- sults show that the model achieves optimization design of multi-branch horizontal wells of CBM and deserve somewhat consideration for guideline in the process of well design. Key words coalbed methanes; sidetrack horizontal well; well trajectory; optimization algorithm 多分支水平井钻井技术是水平井钻井技术和侧 钻钻井技术的衍生井型，它具有控制面积大，单井 产量高和经济效益好等特点，故被业界广泛关注。 多分支水平井是指通过工程井施工，从一口主水平 井的适当位置侧钻出一口或多口分支水平井（图1, 因其结构复杂，它可分为多种井型，业界有不同的 命名，包括如欧翅井、迭加水平井、鱼骨井和辐射 井等［1-2］。多分支水平井技术在煤层气开发中的应用 起源于国外，美国圣胡安盆地和澳大利亚博恩盆地 利用该技术开发煤层气取得了良好的效果［3］。国内 在该方面起步较晚，山西沁水盆的武Ml-lNDP-02 井为我国第一口煤层气多分支水平井。煤储层低压、 低渗的特点一度使常规井型的开采效果很差，而多 收稿日期2013-10-09 分支水平井 煤层 图l煤层气多分支水平井示意图 Fig. I Schematic diagram of coalbed methane multi-branchhorizontal well 基金项目中国石化“十二五”重点信息化项目（Gl卜MM-2011-080 井 作者简介李昌盛（1985一），男，吉林公主岭人，工程师，从事煤层气钻井设计及优化钻井工作.E-mail lics_2004 引用格式李昌盛 ，徐术国，杨传书，等．煤层气多分支水平井井眼轨道优化设计模型[J］.煤田地质与勘探，2015, 432 48-52. ChaoXing 第2期李昌盛等煤层气多分支水平井井HR轨道优化设计模型 49 分支水平井技术通过扩大降压面积解决了煤层气单 井产量低和排采周期长的问题。 井眼轨道设计是多分支水平井的关键技术，其 设计思路是根据地质条件、钻井原则和增产要求等 条件进行综合评价判断和科学设计的。因为要考虑 成本和产能因素，所以对井眼轨道的优化处理必不 可少。针对煤层气多分支水平井钻井工艺的技术特 点，在实际煤层气多分支水平井井眼轨道设计过程 中，主水平井眼方位选择和侧钻分支水平井轨迹设 计问题是煤层气多分支水平井设计的重中之重。 1 煤层气多分支水平井井眼轨道设计原则 煤层一般埋深较浅，因此煤层气多分支水平井主水 平井眼大都采用消耗较少垂深而得到较大位移的理念 进行井身剖面设计，从而达到更大的水垂比。煤层气多 分支水平井井身剖面设计主要考虑的因素有井下管柱 的摩阻和扭矩大小、钻机和顶驱设备的能力、管柱强度、 现场施工的难易程度及经济效益等。因此，在设计煤层 气多分支水平井井眼轨道时，主要应遵循以下原则 a.主井眼入煤层方位的确定。考虑煤层的产能 优化和井壁稳定两方面因素，在保证井壁稳定情况 下，尽量让进入煤层的井眼方位垂直于面割理方向。 b.井眼轨迹设计必须满足现场施工工况要求。 c.井身剖面设计应当满足各种设计条件下的最短 轨迹。根据煤田地质确定的目标点，按照不同设计方 法设计出来的轨道［4］，其长度是不同的。显然应尽可能 选择轨迹长度短的轨道，减少无效进尺，既可以提高 钻井的经济效益，也可以降低施工风险。同时，应尽 量缩小可钻性较差的地层进尺和规避构造软煤层。 d.钻柱承受摩阻和扭矩最小。煤层气多分支水 平井的显著特点是水平位移大，分支较多，80以 上的进尺为水平段，从而导致钻柱和套管柱在井眼 内所承受的摩阻和扭矩很大，以及产生托压等问题， 摩阻和扭矩是多分支水平井的水平位移大小的主要 限制因素［匀，所以应尽可能选择摩阻扭矩小的轨迹。 e.考虑到煤层的井壁稳定性差，主井眼和分支 井眼要处于煤层的中上部位，以利于安全钻进0 1分支井眼长度、方位和距离的优化设计，需 要结合煤层气藏性质、管柱力学和经济评价等多方 面因素进行综合考虑。 2 煤层气主水平井井眼方位选择 割理是煤层渗流的主要通道，分为面割理和端割 理，它们的发育方向一般垂直，但是面割理的渗透率 要比端割理大得多。另外，煤层中最大水平主应力一 般平行于面割理，而地应力的分布对井壁稳定有很大 影响。因此，主水平井和面割理的相对方位确定，对 煤层气井的产能和井壁稳定问题的研究至关重要。 利用数值模拟技术，假设面割理方向渗透率ι为 l10 3阳2，端割理方向渗透率Ky为0.2x 10-3m2, 考虑主水平井方位和面割理的相对方位对煤层气井产 能的影响，模拟气井产能的变化规律（图2）。结果表明， 随着面割理和主水平井相对方位的增大，煤层气井的 产量也随之增加，尤其对产量高峰的影响最为突出。 40 －←45。 [35「T..-----90。 ““ 30 -_ \ -o-60。 去25 三子 20 饲15 扎10 5 0 分＇I;＂如－－“ ,{., ,.., ,“ “.,., kβ’d川ο’.－－V,\I尸＇；）＇＇“;’ 俨俨伊宁护队夺、＇＼，-i＂刊－ 日期 图2主水平井与面割理相对方位对产能的影响 Fig.2 The effect of relative orientation between main hori- zontal well and face cleat on production 从单井产能的角度考虑，主水平井方位垂直于 面割理时产能最高。但是，这样很可能会引起煤层 气井井壁失稳，原因有二一是面割理渗透率较高， 这会导致在钻井过程中钻井液的严重漏失，降低井 壁周围的岩石强度和污染近井地带的煤储层；二是 地应力场分布对井眼轨迹设计和井壁稳定性有很大 影响。垂向地应力、水平最大主地应力和水平最小 主地应力的相对大小是一个重要的影响因素。研究 表明在相同的应力环境和钻井液压力下，平行于 中间主地应力方位的井眼既易发生张性漏失，又易 发生剪切胡塌，而平行于最大主地应力方位的井眼 最为稳定［6］。由于煤层面割理一般平行水平最大主 地应力方向发育，因此，如果水平最小主地应力为 中间地应力，当垂直面割理钻进时，很可能发生煤 层拥塌或压裂割理。除主应力方位和割理方向之外， 煤层气多分支水平井主方位的选择还要考虑煤层的 分布形态、地质构造（断层、陷落柱）等因素。 3 佩I］钻水平井轨迹优化设计 在煤层气多分支水平井的轨迹设计中，侧钻水 平井的轨迹大都与主井筒轨迹不在一个平面上，这 就要求我们在设计轨迹时，考虑方位角的变化，所 以说侧钻分支井的轨迹设计为三维轨迹设计。另外， 如果主水平井轨迹由于防碰或绕障等原因要做三维 设计，同样可以采取以下的设计方法。 3.1 fflJ钻水平井轨迹类型 侧钻水平井要求轨迹末端为直井段，煤层气钻井 ChaoXing 50 煤田地质与勘探第43卷 设计时一般是在主水平井位于煤层的井段进行侧钻。 根据方位是否变化，侧钻水平井可分为二维侧钻和三 维侧钻。二维侧钻剖面设计简单，主要有直－增一平、 直－增一增－平、直－增－稳一增一平等类型（图3）。 主 a）直－增－平型b）直－增－曾－平型c -lfI－稳－增－平型 图3侧钻水平井二维轨迹类型 Fig.3 Types oftw研-dimensionalsidetrack horizontal welltr句ectory 如果侧钻位置的煤层不平整或是目标点位置较 偏［7］，则需要进行三维轨迹设计。侧钻水平井三维 轨迹类型主要有以下5种。 类型l变斜变方位＋稳斜稳方位。 类型2稳斜变方位＋变斜稳方位＋稳斜稳方位。 类型3变斜稳方位＋稳斜变方位＋稳斜稳方位。 类型4变斜变方位＋稳斜稳方位＋变斜变方位。 类型5变斜变方位。 3.2 侧钻水平井井眼轨迹优化设计方法 井眼轨迹设计方法的合理性和优化算法的选择 是保证煤层气多分支水平井安全和快速施工的前 提。计算得出的造斜点、井眼曲率和最大井斜角等 轨迹参数将决定多分支水平井的井眼形态［8 J。 侧钻水平井二维剖面的特点是所有参数点都位 于设计方位线的垂直平面上，因此其设计方法基本 借鉴常规水平井的设计理论。直－增－稳－增一平型井 眼轨迹设计方法如下 图4为直一增一稳－增－稳型井轨道设计图。已知 井口坐标（Xo,Yo）；靶点坐标（Xc,Yc）；第l造斜点最大 许用造斜率K1，第2造斜点最大许用造斜率K2,R I 和R2分别为两个造斜段的曲率半径；工具可达造斜 率K0;A造斜点可选垂深Damin , D amax；第1中间层套 管可用垂深Dbmin,Dbmax; D造斜点可选垂深Ddmin Ddmax；第2层中间套管可用垂深Demin,Demaxo由已 知条件可知第一造斜段曲率半径R15400／（πK1; 第二造斜段曲率半径R25400/ 1tK2; B点的水平位 移S1R1l-cosa1;B点坝。深L1Z1R1α1;B点垂深 Z2Z1R1sina1; D点水平位移S2S1Ls0sinα1;D点 测深L2L,Lso;D点垂深Z3Z2L80cosα1;E点水 平位移S3S2R2cosαl一cosα2; E点测深 L3L2R2（α2－α1; E点垂深Z4Z3R2sinα2 sinα1; C 点的水平位移SS3LEcCOS屿，L为全井段的总测深， 也是全井段的总测深。 Z,I Z, t宫、 . S, s D,m；叫n c dmul r、 LJ,m,iD,mu 图4直增一稳一增稳型井轨道设计图 Fig.4 Well trajectory design map 直－增－稳－增一稳型井眼轨道最优化数学模型 min（乌＋30α1/K1Lsn 30（α2－α1/ K2 LEc minL Damin三Z1二Darnax Dbmin三Z2ζDbmax Ddmin运Z3三三Ddrnax D盯nin三Z4运Dernax1 」（X0-Xc／＋（凡－旷＝叫（l-cosa1 mα1Lsv R2 1-cos（α2 -aisinα山c min（鸟，Ko）注5400/nRi minK2,K0）注5400/nR 在实际钻井施工中，方位的变化是经常性的，因 此，三维侧钻轨迹要比二维轨迹更具实际意义。由于 侧钻轨迹一般采用动力钻具完成，其井眼曲率为常数， 所以在此采用空间圆弧法设计三维侧钻轨迹［910］。 以变斜变方位稳斜稳方位变斜变方位侧钻井 （类型4）为例，假设初始点井斜角为αl，方位角为矶， 第l变斜变方位段长为S1，井斜变化率为ι，方位 变化率为Kφ。稳斜段长为S2,KaKφ＝O。第2变斜 方位段长为品，井斜变化率为KαI，方位变化率为 Kφl。靶区穿入点井斜角为α，方位角为φ。实际现 场许用最大井斜变化率为ιmax，最大方位变化率为 Kmax，靶区半径为r，原定靶点的空间坐标为 Ns，马，Zs）。C为分支井轨道上的任意一个拟钻点， 则拟人靶点C的坐标为 30 ＝马＋万τ2[Kacosa1cos句－cosαASin吗）－ n..φ豆、G KsinαACOS呜－sina1cos句）］＋ sina1 sinO 乓＞0 Nζnζr, ““Cmm飞＂＂C飞＂＂Cmax 4nnn运Pc运Pcmax α三三α，酣 6 基于所提出的井眼轨迹优化设计模型，选择逐步二 次规划方法（SQP）进行井眼轨迹参数的求解。逐步二 次规划法是一种有效的求解带约束极值问题的变尺 度法。它是许多约束模拟优化算法的核心，能够处 理带有等式约束和不等式约束的复杂优化问题，且 具有强收敛性，可一次优化所有参数。对于解决非 线性约束优化问题，SQP算法要强于罚函数法一 是其优化结果对初值和罚函数选取的依赖性要小于 罚函数法；二是可避免不收敛的区域，计算速度快。 4 应用实例 本次研究以中石化延川南区块为应用实例进 行。该区块位于鄂尔多斯盆地东南缘延川南万宝山 构造带，其煤储层主要赋存于石炭系和二叠系，山 西组2号煤层和太原组10号煤层为本区煤层气主力 开发层。这两层煤埋藏深度浅，一般为800～lOOOm 深；煤层平均厚度5.98m；地层倾角为3。～7。；气 含量达到8.89m3/t。 受喜马拉雅运动和燕山运动的影响，该区煤岩 碎裂带较多，外生裂隙发育，地质条件复杂。根据 原地应力场测量结果，该区主应力方向为NW-SE。 通过对周围煤矿和探井取样进行裂隙观察分析，确 定该区煤层裂隙沿西南方向发育，这也意味着在这 个方向上煤层的渗流阻力最小，对煤层气多分支水 平井的主水平井方位选择和轨道设计有指导作用。 以山西组2号煤层为目的层，设计了一口煤层气 双主支多分支水平井，并利用基于上述数学模型开发 的煤层气多分支水平井井眼轨道优化设计软件，进行 轨道的详细设计。 井口坐标X3976 454.14, Y19 461 148.82, 地面海拔712.3m；靶点坐标X3 976 536.0, Y19 461 078.1，靶点垂深1022.3 m；补心高度3.4 m；主井眼井探2145.58 m；主井眼井斜93.37。；主 井眼方位124.42。（根据主水平应力方方向和割理方 位选定）；水平位移1000 m；造斜点深度800m; 分支间距200m分支井眼偏离主井眼角度为45。。 依据以上数据，设计计算得到的井眼轨道数据 如表l所示，三维视图如图5。 -880 -920 N -96 1.96155“/0l r 1.96160勺01 图5多分支水平井井眼轨迹三维视图 Fig.5 30 view well tr句ectoryof multi-branch horizontal well 从井眼轨道数据表l和三维视图图5可以看出， 该方法设计出的井眼轨道具有进尺少，形态平滑等 特点，尤其在分支井段，利用最短的弯曲轨道进行 扭方位，保证进入煤层的平直井段最长，以便最大 程度地提高单井产能。 5结论 a.煤层气多分支水平井的主水平井方位的选 择与煤储层最大主应力方向、煤层的割理方位和分 布形态以及地质构造（断层、陷落柱）等因素有关， 其中煤储层主水平井方位与割理方位的夹角对单井 产能有较大影响。 b.侧钻水平井是煤层气多分支水平井的重点部 ChaoXing 52 煤田地质与勘探第43卷 表1各井轨迹设计数据表 Table 1 Data for design of the first main horizontal well trajectory 井深Im井斜角／（。）方位角／（。）垂深Im北坐标Im东坐标Im视平移Im狗腿度／（（。）’（30mf1 。。。。。。。。 第l主 800 。。800 。。。。 1 211.01 水平井 93.37 124.42 1 051.78 一150.95220.28 150.95 6.815 1 236.01 93.37 124.42 1 050.31 - 165.06 240.87 165.06 。 2 145.58 93.37 124.42 996.84 - 678.33 989.88 一678.33。 第2主 1323 93.18 124.42 1 044.47 -226.01 329.83 395.30 。 水平井 1400 93.18 138.02 I 040.20 - 276.55 387.52 471.96 5.292 2123 93.18 138.02 1 000.09 813.22 870.34 1 191.14 。 900 93.37 135.9 301.2 --492.5 477.3 685.8 。 第1分支水 1 000 93.21 162.55 301.6 - 577.7 528 782.3 26.65 I 100 93.21 172 302 676.1 544.8 864.7 。 平井 1 200 93.21 172 302.4 一775.2558.7 945.5 。 1 300 93.21 172 302.8 - 874.2 572.6 1 026.3 。 750 93.18 135.9 300.6 384.8 372.9 535.8 。 第2分支水 900 93.25 175.8 301 - 518.9 433 674 26.6 1 050 93.25 176 301.4 一668.6443.5 788.7 。 平井 I 150 93.25 176 301.7 768.3 450.5 865.2 。 1 250 93.25 176 301.9 868.1 457.4 941.7 。 580 93.37 135.9 300.1 262.7 254.6 365.8 。 第3分支7j 750 93.18 180 300.4 一416.5316.7 519.5 25.8 950 93.18 180 300.6 616.5 316.7 663.1 。 平井 1 100 93.18 180 300.8 一766.5316.7 770.8 。 1 180 93.18 180 300.9 - 846.5 316.7 828.3 。 1 020 93.18 124 304.7 --484 640.2 793.1 。 第4分支水 I 147.8 93.18 90 305.4 一520.8760.6 903.4 26.6 1 200 93.18 90 305.7 -520.8 812.8 939.7 。 平井 1 300 93.18 90 306.2 - 520.8 912.8 1009.3 。 1400 93.18 90 306.7 -520.8 1012.8 1078.9 。 870 93.37 124 303.8 --400.2 515.9 646.4 。 第5分支Jj 1 000 93.27 90.2 304.5 一437.9638.4 758.7 26 平井 1 100 93.27 90 305 --437 .9 738.4 828.3 。 1 200 93.27 90 305.5 --437.9 838.4 897.9 。 1 300 93.27 90 306 --437.9 938.4 967.5 。 720 93.18 124 302.9 316.3 391.5 499.6 。 第6分支水 850 93.23 90.2 303.6 - 354 514 611.9 26 平井 I 000 93.23 90 304.4 一354664 716.3 。 1 150 93.23 90 305.1 一354814 820.6 。 1 250 93.23 90 305.6 354 914 890.2 。 分，根据侧钻点与靶点相对位置的不同，提出了5c.煤层气分支井井眼的设计采用了最短弯曲井段 种三维轨道类型，采用逐步二次规划方法进行优化。完成扭方位，保证了平直井段与煤层的最大接触面积， 结果显示，本文所建立的设计模型具有较强的实用性但是对现场造斜工具和定向技术有很高要求，只 和准确性。（下转第57页） ChaoXing 第2期王世东骆驼山煤矿不同含水层水中荧光性DOM分布特征 57 其他荧光类型有机物会反应生成色氨酸类有机物。 c.奥灰水中TOC随着地下水流向逐渐减少（从 0.27 mg/L减少至0.22mg/L）；骆驼山煤矿区奥灰水 中有机物3DEEM光谱图比较相似，表明该地区奥 灰水中有机物比较稳定；由于有机物反应过程中生 成了色氨酸，导致色氨酸FI随着水流而逐渐增加。 d.作为突水水源的奥灰水DOM浓度低，没有 醋氨酸、疏水性有机酸和海洋性腐植酸等有机质， 且部分水样中矿化度高、碱性强，能够明显区分出 其作为突水水源的特征离子。 参考文献 [I] ADAMS S, TITUS R, PIETERSEN K, et al. 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