煤层气水平多分支井连通技术

摘 要：

由于我国煤层气储层具有渗透率低压力低的特点，直井煤层控制面积小，产量低，钻单支水平井不利于后期的排水降压作业，所以现在煤层气开发多采用羽状水平井，羽状水平井需要工艺井与排采井之间的连通，两井连通需要对两井距离方位偏差新的靶点坐标、南北坐标、东西坐标等进行精确测量，找出新的靶点，然后对定向井进行定向指导，确保成功连通。

关键词：

煤层气开发；水平井连通

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2013）19-0196-03

由于煤层压力低，后期开采过程中液面较低，需要排采泵下入煤层附近，在水平井中煤层井斜和全角变化率较大，下入泵使用寿命较短，严重影响开采进度，为了方便后期采排采用预先钻一口直井，直井与水平井连通方式进行采排，提高单井开采寿命。

1 扩孔技术

为了易于实现水平井与洞穴井在煤层中成功对接并且建立气液通道，需要在洞穴井的煤层部位造一洞穴，洞穴的直径一般为0.5～0.6m，长度为2～5m。目前有两种造穴方式，即水力射流造穴和机械工具造穴。水力射流造穴法是利用高压水射流能量来破碎岩石。施工中用钻具把特殊设计的水力射流装置送入造穴井段，开泵循环，使钻井液在经过小喷嘴时产生高压水力射流，破坏煤储层形成洞穴。

机械工具造穴利用机械切削的原理，用钻具把特殊设计的机械装置送入造穴井段，然后通过液压控制方式使造穴工具的刀杆张开，并在钻具的带动下旋转，切削储层，形成满足实际需要的洞穴。目前采用的就是利用水力割刀来造穴，它铣套快，在煤层段形成的洞穴稳定性强。

2 精确控制技术

2.1 连通仪器的组成及工作原理

两井连通过程主要采用近钻头电磁测距法，英文缩写为RMRS。

2.1.1 RMRS连通仪器的组成

RMRS仪器主要由探管、加重杆、地面接口箱、磁接头、通讯装置、仪器工程车、电缆、绞车和控制器、发电机、计算机和软件组成（图3）。RMRS仪器没有累积误差，能够直接引导钻头钻穿目标靶点。目前RMRS技术在CBM井、SAGD和控制井喷等领域得到了广泛应用。强磁接头里的横向孔里镶嵌着永久性磁体，它能产生总量达几百Am2磁偶矩。直径1.8in的传感器元件通过电缆（单芯电缆或多芯电缆）连接到地面接口箱上，再连接电脑，运行RMRS软件获取、储存、分析数据。

2.1.2 RMRS连通仪器的工作原理

RMRS连通设备的硬件构成包括永磁短节和强磁计或探管。永磁短节的长度约为400mm，由横行排列的多个永磁体组成，它主要用来提供一个恒定的待测磁场，电磁信号的有效传播距离为60-80m。探管由三部分组成：扶正器、传感器组件、加重杆，其长度约为3m。当钻头旋转时，强磁接头就会产生一个交变磁场，这磁性信号被附近目标井内的传感器探测到。当旋转的永磁短节接近目标井附近区域时，探管可采集永磁短节产生的磁场强度信号，最后通过采集软件准确计算两井间的距离和当前钻头的位置。RMRS必须与MWD和马达等配合使用，钻具组合通常为：钻头+永磁短节+马达+无磁钻挺+MWD+钻杆。在钻进过程中，强磁接头绕着S轴线旋转（S轴是与钻头端面垂直的井眼轴线），产生一个磁偶极矩M。目标井内的探管包含一个三相交流磁力计，用以测量由M产生的交变磁场（H），探管还包括一个三相加速计和一个直流磁力计，分别测量地球的重力场和静磁场。当探管放置在裸眼井段时，RMRS可测得约50米远地层信息。在钢套管中则会削弱磁场且减小其测量范围，而且测量范围与信号强度成立方根关系。钢套管可以使测量范围成30倍地衰减，产生严重的磁干扰，静磁场不能使用，分析靶点位置数据只能结合重力场数据和钻井测量数据来定位，会严重影响到数据分析的精度。煤层气钻井连通过程中，探管通常下入目标井中预定的深度保持不变。

2.2 连通技术

两井连通的方法是，首先在直井中下入探管，在水平井的钻头处连接一个永磁短节。连通前首先将两个井井底所测的陀螺数据输入到RivCross配套采集软件中，初始化坐标系。当钻头进入到探头的测量范围后，接收仪器就可以不断地收到当前磁场的强度值（Hx、Hy和Hz），定向井工程师根据采集的测点数据判断当前的井眼位置，实时计算当前测点的闭合方位并预测钻头处方位的变化，然后通过调整工具面及时地将井眼方向纠正至洞穴中心的位置。接近洞穴时，根据防碰原理，利用专用的轨迹计算软件进行柱面法扫描，判断水平井与洞穴中心的距离，从3D视图上分析轨迹每接近洞穴一步的变化趋势，以达到连通的目的。

3 定向井与水平井连通技术

针对设计、工具、人员、设备等造成系统误差关键因素，提出一体化技术，包括一体化设计技术，一体化施工技术。

3.1 连通方式概念模型

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N/S值、E/W值的变化，其空间轨迹变化量远远大于直井。结合定向井轨迹控制难度大、水平位移大、轨迹数据误差大等难点，建立了可能出现的点对面、点对线、点对点三种连通方式概念模型（图5）。

a模型中，如果定向井与水平井在二维空间内，连通范围为整个煤层，连通方式为点对线（面）的连通；如果定向井与水平井在三维空间内，连通范围至少为洞穴，连通范围至少为洞穴，连通方式为点对面的连通。b模型，定向井与水平井在二维空间内，连通范围为整个煤层，连通方式为点对线连通。c模型，定向井与水平井在三维空间内，连通范围仅为一点，连通方式为点对点连通。

3.1.1 点对面的连通方式

定向井和水平井间井口距离近了，井底距离还应保持相当的距离，才能保证连通的成功，这就导致定向井具有较大的井斜和方位。虽然定向井与直井井眼轨迹有很大的差异，导致连通点差异很大，但如果像直井一样在连通点造穴，在一定程度上也会降低连通的难度（图6）。

由图6可以看出，要实现点对面的连通方式，必须在煤层段中造穴。而定向井煤层段连通点井斜大（50-60°），若像直井一样在煤层段造出直径0.5～1m的洞穴，理论上能大大降低了连通的难度。然而，在煤层造穴，一方面，煤层易形成大肚子使井壁不稳定，很容易引起井壁坍塌，导致连通施工中断甚至定向井眼报废，不仅耽误大量的建井周期，还会导致大量的人力、物力、财力的浪费。另一方面，昂贵的磁导向仪器下入定向井进行导向时，磁导向仪器下入连通点无法放置，甚至落入洞穴而无法取出，导致仪器损毁，造成不必要的财产损失。鉴于定向井中煤层造穴，有着巨大的潜在的安全风险，因此，为防止因井壁不稳而带来潜在的井下复杂，定向井不能人为造穴，点对面的连通方式难度虽然最低，但在水平井与定向井连通中不能实现，也使连通难度变大。

3.1.2 点对线的连通方式

点对线连通与点对面连通相比，连通难度变大。然而其连通范围为整个煤层，某种程度上讲，该种方式连通难度适中。从连通范围为整个煤层的角度来看，点对线连通是最易成功的连通方式，但其关键是控制水平井和定向井轨迹在二维空间内（图7）。

从施工的难度上来看，在连通前仅需要控制好水平井的方位即可。然而，要实现点对线的连通方式，必须保证井眼轨迹设计合理，设计轨迹在二维空间内；且轨迹控制精准，严格按照轨迹设计进行施工；轨迹数据准确，误差最小化，保证轨迹在二维空间。从目前的技术手段上讲，控制井眼轨迹在二维空间内完全可以实现，但必须进行精心的设计和良好的施工才能完成。点对线连通是水平井与定向井连通的最易实现，也是最佳的连通方式。

3.1.3 点对点的连通方式

点对点的连通是水平井和定向井连通最难实现但最易出现的连通方式。最易出现表现在：（1）数据误差导致的设计不合理；（2）虽然设计合理，但轨迹控制不精确，造成与设计偏差过大；（3）虽然设计合理，但煤层较软容易失稳，在设计的轨迹上井眼发生坍塌，必须重新设计，重新钻井设计连通。最难实现表现在连通目标为一点靶，点靶的可抽象为一矩形靶框。根据以往的钻井经验，靶框长不足50cm，宽不足15cm，是名副其实的点靶（图8）。

连通目标为点靶，靶框特别小，实现连通难度特别大。要实现点对点的连通，必须做到：（1）轨迹数据准确无误，误差最小差；（2）连通点的坐标、垂深等参数必须精确无误；（3）轨迹控制必须精确，严格按到连通设计进行施工。

综上所述，点对面的连通难度最小，然而定向井煤层段不能做洞穴，减小了连通接触的面积，增加了连通难度；而如果井眼轨迹设计合理，轨迹控制精准，数据准确，连通施工容易实现二维空间内点对线连通；否则，易出现连通井段在空间方位上发生变化，连通目标区的控制范围则更加苛刻，出现三维空间内点对点连通，该连通的难度特别大，甚至是对连通施工的挑战。总之，在水平井与定向井连通过程中，点对线连通是最容易实现的连通方式，而点对点最难实现但最易出现的连通方式。因此，点对线的连通方式是水平井与定向井连通设计和施工最合理、最佳的选择。

3.2 形成了一体化设计和施工的技术方案

煤层气要实现丛式井组开发排采的方式，其关键在于水平井与定向井的连通。针对分支水平井与定向井连通的技术难点，对目前施工存在的技术瓶颈进行了攻关研究，为了能够实现点对线的连通方式，提出了定向井和水平井进行一体化设计和施工思路，从一体化设计上保证水平井与定向井井眼轨迹在二维空间，从一体化施工上保证轨迹控制和数据误差最小化。形成了一体化设计和施工的技术方案，为水平井与定向井连通提供了理论和技术支持。

3.2.1 一体化设计

丛式井组开发煤层气为一系统工程，必须做到一体化设计。一体化设计包括井口位置及其间距、施工顺序、水平井主井眼方位、定向井井眼方位、井眼轨迹、连通点位置和着陆点位置的设计。水平井主井眼方位是一体化设计的基础。只有在甲方给定了水平井主井眼的方位后，才能根据主井眼方位和井场实际情况进行合理布局井口间距。根据井口间距选择井口位置，测量井口坐标，再进行井眼轨迹设计。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，并合理地选着陆点和连通点的位置，能较好地控制井眼轨迹在二维空间内。而施工顺利目前常规的都是先钻排采井，后钻工程井与之对接，因此，首先进行定向井井眼轨迹设计，定向井施工结束后，再根据实测数据对水平井井眼轨迹进行设计。

3.2.2 一体化施工

因水平井轨迹是根据定向井实钻数据进行设计的，在一体化设计的前提下，要实现水平井与定向井连通成功，就须要求水平井与定向井井眼轨迹控制精确、轨迹数据误差最小化，才能保证连通成功。水平井与定向井连通的关键之一是取得的井眼轨迹数据精确可靠。而使用不同人员操作、不同仪器测量，都会使数据误差扩大化。因此，一体化施工十分必要，除了统一组织、统一规划外，关键在于保证水平井和定向井施工应由同一支钻井队伍承担，同一队伍承担水平井与定向井施工任务的优点在于：

（1）同一支钻井队伍，在加压、送钻、工具面控制有其较为定式的操作习惯，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）同一支钻井队伍，轨迹数据测量应用同一套测量工具，这就能消除不同仪器间的仪器误差，最小化轨迹数据误差，为水平井轨迹设计提供真实可靠的轨迹数据。

因水平井与定向井连通是国内首例，无经验可循。两井对接属于高难度、高精细工艺施工，其工艺难度特别大，具有很大的挑战。要求施工人员必须精细操作，同时两井都必须使用相同测量工具测得的轨迹数据，以消除不同仪器间的系统误差，最大程度上保证数据误差就会最小化，使获得轨迹数据准确可靠，是连通成败的决定因素。

3.2.3 判断连通效果

在一体化设计和施工的前提下，通过精细操作和及时预测，钻进施工至预计连通点时，要对连通成功与否做出正确判断。根据水平井进行连通施工，定向井井口敞开的情况，判断连通成功依据有：

（1）水平井泵压突然下降；

（2）水平井发生漏失失返现象；

（3）定向井井口返水；

（4）水平井返出的砂子中含有水泥。

在连通施工钻至预计连通井深时，要及时对连通效果的判断，以便为后续施工提供依据。

参考文献

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