煤層氣多分支水平井軌跡控制技術

張鵬宇 柯曉華 張 楠 吳 雙 曾傳云 張皓星

（1.渤海鉆探定向井技術服務分公司，河北任丘 062550；2.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；3.渤海鉆探鉆井技術服務分公司，天津 300457）

煤層氣多分支水平井軌跡控制技術

張鵬宇1，2柯曉華2張 楠1吳 雙3曾傳云1張皓星1

（1.渤海鉆探定向井技術服務分公司，河北任丘 062550；2.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；3.渤海鉆探鉆井技術服務分公司，天津 300457）

多分支水平井因能夠有效提高煤層氣產能而成為煤層氣開采的主要井型，但由于技術和經驗不足，在鉆井施工過程中，鉆速慢、井下復雜情況時有發(fā)生。文中分析了多分支水平井在各個階段的軌跡控制難點，并探討了懸空側鉆、老眼重入等技術難點及控制要點，給出了造斜段軌道設計運算過程，通過合理選擇隨鉆測量系統(tǒng)，精確控制了鉆井全過程軌跡參數。該井眼軌跡的精確控制為我國煤層氣多分支水平井整套工藝的施工提供可靠的技術借鑒和準確的參考數據。

多分支水平井；軌道設計； 軌跡控制； 懸空側鉆； 老眼重入

在煤層氣的開發(fā)中，多分支水平井單井產氣量大、采收率高、煤層控制面積廣、井場占地面積小，因而逐漸成為開采煤層氣的主要井型。多分支水平井作為一種新型開采手段，需要先進的軌道設計理念和多種高科技儀器相互配合［1-2］。煤層氣多分支水平井，是指在一個主井眼內再側鉆出多個分支井眼作為泄氣生產通道，同時在距主水平井井口一段距離處布一口直井，使主水平井眼與之在洞穴內連通。其中水平井為工藝井，直井則用于排水、降壓、采氣等，又稱排采井［3］。

1 水平井井眼軌跡控制技術

1.1 上直段和排采直井

水平井上直段和排采直井軌跡控制盡量保持垂直或向相反方向延伸，應以 “塔式”或“鐘擺”底部鉆具組合為主，配合小鉆壓防斜吊打，嚴格控制井斜角在2°以內，為后續(xù)施工提供有利條件。

1.2 造斜段

1.2.1 連通點的確定 連通點作為造斜段的第2靶點，需要確定其井斜、方位、垂深和大地坐標。一般情況下連通點垂深為煤頂垂深上移2～3 m。下面以某井數據為例，運用COMPASS軟件進行詳細設計說明。

（1）垂深。由排采直井錄井數據已知煤頂斜深856.1 m，由排采直井軌跡數據反推其垂深為855.75 m。排采直井與水平井的補心差為25.55 m，所以相對于排采直井連通點垂深為855.75 m-2.5 m=853.25 m。相對于水平井連通點垂深為855.75 m-2.5 m+25.55 m=878.8 m。

（2）大地坐標。在排采直井數據里用“插點法”既平均值法，由垂深853.25 m找到其大地坐標為：南北3960992.9、東西19632631.85。

（3）方位和井斜。在水平井數據里，設置連通點為靶點，輸入連通點大地坐標和相對于水平井的垂深，就得到了連通點方位146.44°。連通點井斜一般定為小于煤層傾角2～3°，以便連通后主井眼順利進入煤層，該井連通點井斜定位90°。

1.2.2 著陸點的確定 著陸點為造斜段第1靶點，根據著陸點與連通點間距離優(yōu)化水平井井眼軌跡，在工具造斜率和井眼曲率允許的情況下盡量放大著陸點與連通點間距離，該井此距離定為55 m。著陸點的確定需要由連通點反推計算而來。已知該水平井造斜點為735 m。

如圖1所示，采用“雙圓弧法”，輸入兩圓弧間穩(wěn)斜段長為1 m，靶點為連通點，井斜90°、方位146.44°。計算結果如圖2所示。

圖1 COMPASS軟件中在“雙圓弧法”計算模式下輸入連通點數據示意圖

圖2 COMPASS軟件中用“雙圓弧法”計算后得到的數據

由此來確定著陸點，點擊圖1右上角反推計算圖標，顯示如圖3界面，輸入段長55 m、造斜率1.5（°）/30 m。計算后得到著陸點數據：井深953.6 m、井斜87.25°、方位146.44°，雙圓弧軌跡的造斜率分別為11.82 （°）/30 m和11.99 （°）/30 m。至此，設計完成。

圖3 COMPASS軟件中反推計算著陸點方法示意圖

1.2.3 軌跡控制 為得到平滑的井眼軌跡，造斜段施工需連續(xù)均勻送鉆，平穩(wěn)操作，防止溜鉆、蹩鉆，減小鉆壓波動幅度，造斜段井眼曲率普遍較高，施工中如發(fā)現(xiàn)工具造斜率不夠時，應及時起鉆調整螺桿彎度［4］。因為地層傾角多為上傾，著陸時井斜盡量控制為84～87°，方便打開煤層后能盡快上調井斜跟地層傾角一致。造斜段軌跡控制使用的無線隨鉆系統(tǒng)多為依靠鉆井液傳輸信號的MWD或利用電磁波傳輸信號的EMWD，應根據實際情況選擇使用類型［5］。

1.3 水平段軌跡控制要點［6］

在正常導向鉆進時頂驅轉速控制在15～20 r/min，小鉆壓控制鉆時在1～2 min/m左右為宜，保證伽馬曲線的完整采集。主井眼軌跡盡最大努力確保在煤層上部，防止進入煤層底部的粉煤區(qū)域導致井眼垮塌。主井眼鉆進根據井下情況每200～300 m進行短起下，破壞巖屑床以降低摩阻［3］。

2 兩井連通技術［7-8］

2.1 連通工作原理

連通工具的有效距離為100 m，在60～70 m內精度較高。工作原理是以近鉆頭永磁體激發(fā)的低頻交變磁場為信號源，在排采井連通處，進行磁場信號采集與處理，通過實時測量獲取的數據來不斷修正鉆頭與連通處的相對方位和距離，通過MWD定向微調軌跡，實現(xiàn)連通。

2.2 連通時的軌跡控制

鉆具組合：?152.4 mm鉆頭+強磁接頭+?120 mm螺桿（1.5°）+回壓閥＋MWD＋?88.9 mm鉆桿。常規(guī)連通就是從著陸點至連通點之間40～60 m距離的施工過程，遠端連通時要提前100 m下入連通工具。施工時，每鉆進3 m測量井斜、方位，預測井底數據，采集磁場信號，判斷鉆進方向與直井連通點位置的相對方位，根據磁場信號強度計算鉆頭與直井連通點的相對距離。

3 懸空側鉆技術

3.1 側鉆點的優(yōu)化選擇

每個分支側鉆點間距既要保證控制面積達標，又要保證一次性側鉆成功，因此同側側鉆點間距應達到150～200 m，且選在煤層中矸以上部位，井斜略增，方位不變處為宜，如圖4所示，最佳側鉆點為處于煤層中上部且煤層上傾的部位。

圖4 井眼軌跡中優(yōu)劣側鉆點示意圖

3.2 煤巖中的懸空側鉆

利用頂驅懸空側鉆時鉆具倒換至立柱下單根，防止中途接立柱而破壞夾壁墻。 側鉆時先對側鉆點前3～5 m開泵劃槽5次。煤巖鉆時較快，應控時側鉆、均勻送鉆。第1 m鉆時60 min/m，第2 m鉆時50 min/m，依次增速直至10 min/m，保持速度鉆進。鉆進至動態(tài)井斜方位與老眼比較有明顯變化時，適當加壓，鉆具無明顯下行、反扭角有明顯變化時，表明側鉆成功，可加大鉆壓朝預定方位鉆進。

3.3 泥巖中的懸空側鉆

由于泥巖質地較煤巖堅硬，懸空側鉆方法稍有不同。

（1）工具面按側鉆方位分別擺在160～150°或200～210°，鉆頭靠鉆具本身重量吃入地層。

（2）控制鉆時在120 min/m，維持5 m。

（3）當多次側鉆不成功時，可依次選用1.5°、2.12°或2.38°單彎嘗試側鉆。

4 老眼重入技術

老眼重入是鉆進分支時，由于各種原因中途起鉆，再入分支時遇到的情況。重入時，在鉆具下放到離側鉆點1～2根鉆桿位置時，容易沿主支走向下放，而不回到分支。此時應調整工具面至該側鉆點側鉆最初工具面，緩慢下放，通過側鉆點20 m后測斜，依據與老眼井斜差別判斷是否進入要求的分支井眼。EMWD隨鉆測量工具由于免開泵即可測量，因此在老眼重入方面具有很大優(yōu)勢。

5 結論

（1）水平井上直段和排采直井軌跡控制盡量保持垂直或向相反方向延伸，為后續(xù)施工提供有利條件。

（2）熟悉COMPASS定向軟件對造斜段連通點和著陸點參數設計過程及原理，規(guī)范合理地控制造斜段井眼軌跡，是多分支水平井成功實施的基礎。

（3）對比MWD與EMWD的優(yōu)缺點，根據實際情況選取合適隨鉆測量系統(tǒng)，優(yōu)化井眼軌跡、有效地避免卡鉆、井下復雜情況的發(fā)生。

（4）煤巖中懸空側鉆點選在煤層中矸以上、井斜略增、方位不變處側鉆成功率高。

（5）老眼重入時合理擺放工具面，能夠提高工作效率。

［1］ 鮑清英，張義，何偉平，等.煤層氣羽狀水平井井眼軌跡控制技術［J］.石油鉆采工藝，2010，32（4）：86-90.

［2］ 喬磊，申瑞臣，黃洪春，等.煤層氣多分支水平井鉆井工藝研究［J］.石油學報，2007，28（3）：112-115.

［3］ 饒孟余，楊陸武，張遂安，等.煤層氣多分支水平井鉆井關鍵技術研究［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（7）：52-55.

［4］ 田中蘭，喬磊，蘇義腦，等.鄭平01-1煤層氣多分支水平井優(yōu)化設計與實踐［J］.石油鉆采工藝，2010，32（2）：26-29.

［5］ 紀偉，姜維寨，胡錦堂，等.鄭平01-1煤層氣多分支水平井優(yōu)化設計與實踐［J］.石油鉆采工藝，2011，33（3）：82-86.

［6］ 林晶，王新，宋朝暉.新疆油田淺層稠油魚骨型分支水平井技術［J］.石油鉆探技術，2007，35（2）：11-14.

［7］ 姜文利，葉建平，喬德武.煤層氣多分支水平井的最新進展及發(fā)展趨勢［J］.中國礦業(yè)，2010，19（1）：101-103.

［8］ 鮮保安，夏柏如，張義，等.煤層氣U型井鉆井采氣技術研究［J］.石油鉆采工藝，2010，32（4）：91-95.

（修改稿收到日期 2013-08-11）

Coalbed methane multi-branch horizontal well trajectory control technology

ZHANG Pengyu1,2, KE Xiaohua2, ZHANG Nan1, WU Shuang3, ZENG Chuanyun1, ZHANG Haoxing1
（1. Directional Well Technology Services Branch,Bohai Drilling and Exploration Engineering Company,Renqiu062550,China;2. Institute of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan430100, China;3. Drilling Technical Services Branch,Bohai Drilling and Exploration Engineering Company,Tianjin300457,China）

In recent years, multi-branch horizontal well has become the most important well type for coal bed methane（CBM）development because it can effectively enhance CBM production. But lacking skill and experience often cause slow drilling, sticking accidents, and other complex situations underground. The paper makes a comprehensive analysis on the trajectory control difficulties at each stage of multi-branch horizontal well drilling, and gives build-up section track design operation process. Through selecting a reasonable MWD system, the trajectory parameters of the whole drilling process is precisely controlled. The article also explores pending sidetracking, old well bores reentrant technical difficulties and control points. It provides reliable technical reference and accurate referencing data for drilling coalbed methane multi-branch horizontal wells.

multi-branch horizontal well; wellbore trajectory design; well path control; pending sidetracking; old wells re-entry technology

張鵬宇，柯曉華，張楠，等.煤層氣多分支水平井軌跡控制技術［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：33-35.

TD842

：A

1000–7393（2013） 05–0033–03

張鵬宇，1986年生。2009年畢業(yè)于長江大學石油工程專業(yè)，助理工程師。E-mail：zpy200509176@163.com。

〔編輯 薛改珍〕