樊試U1井組遠端連通關鍵技術

王　棟　趙　虎　喬宏實　張鵬宇　郭慶華　吳　雙（.渤海鉆探定向井技術服務分公司，天津大港　300000；.渤海鉆探鉆井技術服務分公司，天津大港　300000）

樊試U1井組遠端連通關鍵技術

王棟1趙虎1喬宏實1張鵬宇1郭慶華1吳雙2
（1.渤海鉆探定向井技術服務分公司，天津大港300000；2.渤海鉆探鉆井技術服務分公司，天津大港300000）

樊試U1井組是渤海鉆探在山西沁水地區承接的第1口U型水平連通井，其設計水平位移近千米，遠遠超過該地區之前施工的連通井。煤層氣開發實踐證明U型井可有效地導通煤儲層的裂隙系統，增加氣、水導流能力，相比直井和普通定向井大幅度提高了單井產量和采收率，而相比較于多分支水平井又大幅減少了投入成本，是開發煤層氣資源的優選手段。介紹了U型井設計施工方案及?50.8 mmPVC篩管完井工藝。通過分析該地區15號煤儲層地質特點，介紹了通過“二維”地震圖計算著陸點處15號煤層垂深的方法。通過建立儀器系統誤差累積數學模型，提出磁偏角校正系數，成功完成了遠端一次性連通。

煤層氣；U型井；遠端連通； 軌跡控制

樊試U1井組由水平井樊試U1H與斜井樊試U1V連通組成，其井身結構較多分支水平井更為簡單、建井成本更低，尤其是完井后可下入一根?50.8 mm高強度PVC 篩管，克服了多分支水平井裸眼完井時因煤體坍塌、煤粉沉淀等原因造成的水平井段堵塞現象，還可以對水平段井眼進行雙向沖洗，保證采氣階段井眼的暢通［1-2］。U型井以其合理的井身結構和獨特的完井方式，更適宜于中國大多數儲層條件的煤層氣開發［2］。

1　地質特點及施工難點

1.1鉆遇地層及儲層特點

樊試U1井組所屬的樊莊區塊構造位于沁水盆地南部晉城斜坡帶。主要含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，其中太原組15號煤層變質程度高，屬高階煤，為煤層氣勘探主力目的煤層［3］。該區地層具有如下特點。

（1）太原組灰巖段易水侵、易漏失、可鉆性差，平均鉆時45 min/m，該段地層厚度大且位于井眼設計軌道的增斜段（增斜角65～80 °），大幅度地增加了著陸控制的難度。

（2）15號煤層性脆，屬塊狀碎裂煤，其厚度較薄，平均厚度僅為2.5 m，煤層傾角大，平均上傾6～7°，設計著陸點在煤層以上1 m，施工中易穿透儲層，增大了三開控制難度［4］。

（3）鉆遇的3號煤層經過壓裂處理，易發生井漏、垮塌。

1.2樊試U1井組的施工難點

（1）該區域15號煤層為首次鉆探，埋藏深度不明，著陸點無法準確標定，需設計斜導眼、明確儲層垂深。

（2）煤層易受污染，儲層保護難度大，采用KCl清水鉆井液又難以控制井壁坍塌，三開見煤后需替換絨囊鉆井液［5］。

（3）由于煤層埋藏較淺，二開井眼曲率較大，為9.5 （°）/30 m，鉆壓難以有效傳遞。同時水垂比較大，為1.5，鉆柱易發生疲勞破壞，導致井下復雜。

（4）遠端連通，連通距離達955.34 m，加之設計方位272 °，使得MWD方位測量誤差明顯，連通困難度大。

2　樊試U1井組施工方案

樊試U1井組由一口斜井（樊試U1V井）和一口水平井（樊試U1H井）連通組成。斜井井深618 m，井斜28.45°，方位183.21°，位移145 m，兩井口間距離955.34 m。由于地質資料不全，水平井需先鉆井斜60°的導眼，探明位移150 m處的15號煤層垂深及厚度。再回填導眼，以盡量多的利用已鉆井眼為原則，選取合適的斜井段，側鉆水平井眼至著陸。樊試U1V井采用?177.8 mm套管完井，套管串位于太原組15號煤層以下0.5 m下入了1根薄壁鋼套管。固井后，將15號煤層薄壁鋼套管段的井眼直徑擴至0.5 m，洗井等待連通。樊試U1H井二開造斜井段設計造斜率9.78 （°）/30 m，連續造斜鉆至15號煤層頂部以上1m著陸，下入?177.8 mm技術套管，固井后三開采用?152.4 mm鉆頭沿煤層鉆進，直至與樊試U1V井實現連通，后下入?50.8 mmPVC篩管完井。樊試U1井組的鉆井施工方案如圖1所示，設計三維立體圖如圖2所示。

圖1　樊試U1井組施工方案示意圖

圖2　樊試U1井組三維軌跡示意圖

3　軌跡控制技術

3.1井眼軌道的優化設計

設計要求：水平段煤層鉆遇率達到90 %，煤層水平段長不小于800 m。因此著陸點位移最大為150 m。這就需要較為準確的預測150 m位移處的煤層垂深。假設150 m位移處的15號煤頂垂深為Hh，洞穴井探明15號煤層垂深Hv=497 m，兩井海拔差h=51.48 m，二維地震圖顯示綜合地層傾角θ=4°，斜點至連通點水平距離L=803 m，因此，推導150m位移處15號煤頂垂深Hh=604 m（實際鉆探結果為605 m）。

根據調整井眼曲率來控制著陸點水平位移的思路，水平井的造斜點定為430 m，在水平井的造斜段60°井斜處穩斜鉆進導眼，直至探明煤層情況。再根據已探明的煤層垂深，設計回填水泥反深，側鉆水平井。水平井軌道設計見表1。

3.2水平井井眼軌跡控制

（1）二開上直井段出套管30 m后小定向2 °，走負位移，降低井眼曲率。鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+?165 mm無磁鉆鋌×2根+?214 mm扶正器+?127 mm無磁鉆桿×16根+?127 mm鉆桿。鉆壓20～30 kN，排量29～30 L/s，轉速60 r/min。鉆進效果：控制井斜2 °左右，負位移達4.9 m。

（2）二開造斜段在可鉆性強的砂巖地層超設計造斜，降低硬質泥巖段單根造斜率，加快鉆時，減小控制難度。三開后倒裝鉆具，以大排量低轉速的方式降低鉆具疲勞損耗。鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+?172 mm（1.75 °）螺桿+MWD短節+?165 mm無磁鉆鋌+?165 mm鉆鋌×2根+?127 mm加重鉆桿×18根+?127 mm鉆桿。鉆壓30～50 kN，排量29～32 L/s，轉速35+DN r/min。最高造斜率9.42 （°）/30 m。

表1　水平井樊試U1H井設計數據

（3）三開根據地質資料預測儲層傾角，實現提前控制軌跡，盡量避免出層后在泥巖追層施工，加快煤層鉆速，降低垮塌幾率。三開采用雙無磁抗壓縮鉆桿配合MWD+伽馬探管，保證MWD探管在無地磁干擾條件下運行，校正磁偏角，減小儀器誤差累計對井眼軌跡的影響。鉆具組合：?152.4mm鉆頭+?120.7 mm單彎螺桿（1.5 °）+ MWD短節+ ?88.9mm無磁加重鉆桿×2根+?88.9 mm鉆桿×1121.99 m+?88.9 mm無磁鉆桿×391.01 m + ?88.9 mm鉆桿。鉆壓40～60 kN，排量13～15 L/s，轉速30+ DN r/min。最高造斜率：12.04 （°）/30 m。

4　遠端連通

4.1連通距離遠超常規連通井

在連通作業中，連通距離越遠， MWD系統誤差累計越明顯，連通難度越大。近年來，在山西煤層氣開采中完成的連通井連通距離多為150～250 m，在2013年完成的一口雙連通多分支水平井中，其總連通距離雖然將近900 m，但是中間有一個標定點，大大降低了連通的難度。而該井不但連通距離超過900 m，同時還為一次性連通。

4.2MWD系統誤差累計數學模型

在只考慮MWD系統誤差的情況下，MWD的系統誤差累計值就是連通作業開始時連通儀器計算出的方位偏差值。圖3是MWD系統誤差累計數學模型：假設在無誤差的絕對情況下，U型井組水平段為一條直線AB，A點為連通點，B點為水平井井口的鉛垂點，線段AB的長度表示水平井井口到洞穴井連通點井眼軌道的水平投影長度，即連通距離。O點為無誤差的絕對情況下，下入連通儀器時的鉆頭位置（因連通儀器在60 m范圍內精度最高，所以AO距離為60 m），線段OB為連通前水平段長度。C點為考慮誤差的情況下，連通前鉆頭實際位置，線段CB為連通前實際水平段長度。α為連通開始時連通儀器計算出的方位偏差值，即隨鉆測量儀器在鉆進CB井段時產生的誤差累計值。β為MWD系統誤差，為一定值。經推導得到α和β的關系公式

圖3　MWD系統誤差累計數學模型

所以下入連通儀器前的井段OB越長產生的方位偏差α越大。

為了消除方位偏差α對連通作業的影響，通常用實踐的方法校正磁偏角，通過附加磁偏角校正系數抵消方位偏差。表2為磁偏角校正系數f分別為–0.3、–0.5、–0.8和–1.0時5口不同連通井在鉆頭距連通點60 m處的方位偏差值。當地磁偏角為–4.5°，顯然實踐結果證明當磁偏角校正系數為f =–1.0，既校正后的磁偏角為ε = f – 4.5 = –5.5時，方位偏差α最小，連通效果最好。

5　完井工藝

樊試U1H井采用?50.8 mm的PVC篩管完井，其完井工序是將篩管懸掛在技術套管上，利用鉆具將其下入連通點，開泵打開固定矛頭，起出鉆具，依靠懸掛封隔器封隔管外各環形空間。完井后，在樊試U1V井通井、沖砂洗井，要求通井工具（鉆頭或磨鞋）直徑不小于150 mm，通至煤底以下不少于50 m，以保證清潔。該篩管完井工藝簡單易行，解決了煤層垮塌堵塞生產通道的問題，生產后期還可以通過雙向洗井的方式，清理煤粉沉淀及水鎖效應堵塞的通道。但因這種技術屬首次應用，在下入篩管時專用下入工具提供的動力不足，無法克服下入過程中與鉆具水眼產生的摩阻，致使每下入大約300 m篩管就需剪斷，開泵灌漿將其頂入井眼，再起出相應長度的鉆桿后繼續下入篩管，因此篩管并非連續完整下入，可能會在井下出現重疊，必定降低預期效果，甚至無法起到支撐井壁的作用。

表2　各井累計誤差對比

6 　結論與建議

（1）相比于多分支水平井，U型井具有井身結構簡單、適應高陡構造施工、鉆井成功率高和成本低的特點。更適用于中國大多數的煤層氣開采。

（2）根據沁水盆地地層特點制定相應軌跡控制方案，降低了控制難度，實鉆效果良好。

（3）提出了一種根據二維地震圖計算著陸點垂深的方法，并實際證明了其可行性，根據預測著陸點的垂深優化了水平井的軌道設計。

（4）提出磁偏角修正理論，減小系統誤差累計對連通作業的影響。

（5）U型井三開采用PVC篩管完井的方法解決了煤層垮塌堵塞開采通道的問題，但專用下入工具有待進一步研究開發，以確保連續完整的下入篩管。

［1］慶豐泰，李平. 煤層氣水平對接井鉆井技術研究［J］.中國煤層氣，2012，8（4）：12-16.

［2］黃勇，姜軍. U型水平連通井在河東煤田柳林地區煤層氣開發的適應性分析［J］.中國煤炭地質，2009，21（S0）：32-36.

［3］楊力.和順地區煤層氣遠端水平連通井鉆井技術［J］．石油鉆探技術，2010，38（3）：40-43.

［4］李娟，唐世忠，李文娟.埕海一區大位移水平井摩阻扭矩研究與應用［J］.石油鉆采工藝，2009，31（3）：21-25.

［5］張鵬宇，柯曉華，張楠.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.

（修改稿收到日期2015-06-11）

〔編輯薛改珍〕

新型海綿襯管取心又快又全

傳統取心技術易受壓力變化影響，在取心過程中通常會造成巖心中的流體流失。海綿取心技術在巖心周圍包裹一種親油性的特殊海綿材料，可防止流體流失，有利于進行實驗分析。過去20多年中，海綿取心技術在油氣領域中得到廣泛應用，但同時這項技術也面臨著海綿包裹程度、流體運移、鉆井液污染、巖心堵塞及海綿損壞等問題。

貝克休斯公司最近推出新型海綿襯管取心系統，采用適用性更強的親油性海綿，其內徑為88.9 mm，最大巖心封裝長度9.1 m，井下最大承載溫度和壓力分別為190 ℃和103 MPa。

在取心作業前，通過利用配備的特殊真空泵和密封系統，事先將海綿用鹽水進行預飽和，這樣可避免流體運移，提升實驗分析的準確性。通過采用定制的取心鉆頭和襯管，既使得偏心率最小化，確保巖心順利進入巖心筒，還降低了流體侵入。系統配備的泡沫強化網帶、激光切割鋁制襯管和壓力補償活塞等裝置，都大大提高了取心效率，保證了獲取巖心的質量。

（供稿石藝）

Key techniques for far connection of fan U1 test well group U-shaped well - Fanshi U1 well group

WANG Dong1, ZHAO Hu1, QIAO Hongshi1, ZHANG Pengyu1, GUO Qinghua1, WU Shuang2
（1. Directional Drilling Technology Services Branch, Bohai Drilling Engineering Company Limited, Dagang 300000, China; 2. Drilling Technology Service Branch, Bohai Drilling Engineering Company Limited, Dagang 300000, China）

The Fan U1 test well group was the first U-shaped horizontally connected well drilled by Bohai Drilling Engineering Company Limited in Qinshui, Shanxi Province. Its designed horizontal displacement is nearly 1 000 m, much longer than the connected wells drilled previously. Coalbed methane development practices show that the U-shaped connected well can effectively connect the fissure system in the coal reservoir, increase the gas and water conductivity. Compared with vertical wells and ordinary directional wells, the U-shaped wells have greatly increased the single-well production and recovery rate, compared with multi-branch horizontal wells, the investment is greatly reduced. So this U-shaped well is a top option in the development of coalbed methane. This paper introduces the design and drilling philosophy of U-shaped well and the completion technology with ?50.8 mm PVC screen pipe. By analyzing the geological characteristics of #15 Coal Reservoir, this paper presents a method to calculate the vertical depth of landing point in #15 Coal Reservoir through 2D seismic graph. By building a mathematical model for error accumulation of instrument system, the magnetic declination correction coefficient is presented in this paper, and far-end connection was realized successfully at one time.

coalbed methane; U-shaped well; far connection; trajectory control

TE257

A

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0023 – 04

10.13639/j.odpt.2015.04.007

王棟，1984年生。2007年畢業于中南大學信息與計算科學專業，現主要從事定向井技術管理工作。電話：13315771320。E-mail：603111848@qq.com。

引用格式：王棟，趙虎， 喬宏實，等.樊試U1井組遠端連通關鍵技術［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：23-26.