煤層氣連通水平井精確控制技術

王海濤 劉瑞杰 趙璐陽 邊晨 趙南星 曾傳云

1.渤海鉆探工程公司；2.中國石油規劃計劃部；3.中國石油集團測井有限公司華北事業部

近年來，煤層氣作為清潔型能源，開發力度不斷增大。煤層氣儲層具有滲透率低、壓力低的特點。由于鉆單支水平井煤層控制面積小，產量低，不利于后期的排水降壓作業，現在煤層氣開發多采用多分支水平井。多分支水平井需要工藝井與洞穴井之間的連通［1-3］，需要對兩井距離、方位偏差、連通點的靶點坐標等進行精確測量、計算，找出實際連通靶點，然后對井眼軌跡進行精準控制，確保成功連通［4-5］。

1 煤層氣連通工藝原理

Principles of CBM connection technology

多分支水平井連通精準控制技術利用RMRS系統實時提供引導連通的數據，并利用MWD隨鉆實時測量數據不斷修正井眼軌跡，以達到與洞穴井連通的目的。RMRS（Rotary Magnetic Ranging System）旋轉磁場測距導向系統，主要由強磁短節、測量探管、地面信號采集和數據分析軟件組成。強磁短節由若干永磁體構成，與強磁短節呈軸向垂直，連接在鉆頭與螺桿之間［5］。隨著鉆頭轉動，強磁短節周圍空間會產生一個交變的磁場，形成RMRS的信號源［6］。測量探管下入到洞穴井，探測強磁短節產生的磁場信號，并將探測數據傳送至地面信號采集裝置，經地面軟件系統計算出洞穴井與水平井的相對距離和方位偏差。定向井工程師會將連通儀器提供的數據與MWD儀器測量數據進行分析對比，及時調整井眼軌跡方向，將所鉆井眼方位修正至洞穴井目標靶點［7-8］。直至水平井鉆頭位置接近洞穴井時（此時位置大約為5 m），需要根據防碰原理，進行柱面掃描，判斷水平井與洞穴井中心的距離，分析井眼軌跡和洞穴井之間的位置變化趨勢，判斷洞穴井的位置和偏離情況，再實時調整井眼軌跡，最終實現水平井與洞穴井相交連通［9-17］。

2 煤層氣連通技術難點

Difficulties of CBM connection technology

煤層氣分支水平井和洞穴井在實際連通作業過程中，由于受到地層因素、水平井軌跡數據精度、儀器測量累計誤差及工藝技術缺陷等因素的影響，導致連通精度降低，會引發水平井要多次進行連通作業，還可能會導致井下出現復雜事故，甚至會出現整口井報廢的嚴重后果。煤層氣連通工藝技術難點主要體現在：（1）洞穴井與水平井進行連通時方位誤差較大，連通井段全角變化大，軌跡控制技術難度高；（2）RMRS系統與MWD測量系統各自存在著技術短板，RMRS測距導向系統測量范圍在50～80 m才能提供較為精確的連通數據，考慮到距離連通點越近，方位角越大，很難在60 m的井段實現連通，當水平位移達到800 m時很容易產生方位誤差過大不能連通的情況；（3）MWD測量系統實時測量數據相對于鉆頭位置是滯后的，鉆頭位置的數據信息只能靠預測，而預測鉆頭位置數據和實際井眼軌跡數據誤差大將很難調整，鉆頭距離連通靶點越近，方位角越大，鉆頭距連通點60 m左右時無法實現連通。

3 連通工藝改進

Improvement of connection technology

為了提高連通水平井的技術水平，提高連通成功率，針對連通井技術難點，對連通工藝技術在以下幾個方面進行研究、改進。

3.1 校正方位收斂角

Correction of azimuth convergence angle

煤層氣連通水平井施工用的MWD儀器測量井斜方位角是以磁北為基準，定向井軌道設計和軌跡計算時都使用的是高斯投影坐標系，是以網格北為基準的，需要對測量的磁井斜方位角和子午線收斂角進行校正，這2個校正應結合起來一起完成，方位角的校正公式為

式中，?c為經過方位校正之后的方位角，o；?s為MWD儀器測量所得到的方位角，o；δ為磁偏角， 東磁偏角為正值， 西磁偏角為負值，o；γ為高斯平面子午線收斂角， 東收斂角為正值， 西收斂角為負值，o。

以沁水地區為例，收斂角多為0.86°左右，水平位移200 m，側向誤差3 m；水平位移400 m，側向誤差6 m；遠端連通井水平位移800 m，側向誤差12 m。由此可以看出收斂角的誤差對連通的影響很大，在施工中一定要保證收斂角計算準確、精確。

3.2 連通井眼軌跡控制技術

Connected well trajectory control technology

針對連通的RMRS近鉆頭旋轉電磁測距系統在50～60 m內才有較為精確的井距及方位預測問題，對于200 m以上的遠端連通井，三開優化鉆具組合和優選測量儀器，連通時能有效縮短儀器零長，減小井底測斜數據預測誤差；連通前滑動鉆進，實時計算當前測點的閉合方位和預測鉆頭的方位變化，及時將井眼方向糾正至連通點的位置。每隔3～5 m測斜1次，快速確定鉆具組合的增降斜、增減方位的趨勢，連續監測調整井眼軌跡。接近連通點時，利用專門的軌跡計算軟件進行柱面法掃描，判斷水平井與連通點的距離，實鉆軌跡逐步靠近洞穴井目標點。

3.3 采用高精度的MWD測量儀器

Adoption of high-accuracy MWD measuring instrument

從水平井進入連通井段后，采取以下幾個措施：（1）采用高精度隨鉆測量儀器，加強軌跡軌跡控制；（2）加密測斜，從10 m測斜降低到5 m測斜，通過加密測斜能夠降低方位誤差對軌跡精度的影響；（3）減少測量盲區，一般測量儀器的測斜盲區為鉆頭后18～15 m，通過調整儀器探管位置，將盲區縮小到11 m左右；（4）數據有效性檢驗，測斜數據中，會有一定幾率出現測斜數據失真的情況，對失真點數據進行再次判斷，必要時進行重復測量。

3.4 數據有效性的確定方法

Determination method of data validity

利用Vector信號，判斷連通位置和偏離情況，及時調整軌跡， 將測點數據從井眼軌跡計算中分離，重新計算井眼軌跡，對比計算前后的兩組井眼軌跡，看井底位置的偏差，如果偏差超過偏差容忍度就初步判斷該測點數據失真，對失真數據進行二次校核，或者重新進行測量確認。偏差容忍度一般為2%，特殊要求可以放寬到5%，容忍度是井底位置偏差值和該測點測深的比值。當容忍度超過2%的閾限值，則該點的測點數據要進行有效性校核。容忍度的判斷主要考慮高邊（井斜）、左右（方位）2個方面。

3.5 MWD測量數據的誤差評價校核

Error evaluation and check of MWD measuring data

對MWD測量數據進行失真性判斷是連通技術的一項重要措施。其判斷方法為：首先，將測點數據從井眼軌跡計算中剝離，重新計算井眼軌跡，將前后兩組井眼軌跡數據進行比對，看井底位移的偏差。如果偏差超過容忍度就初步判斷該測點數據失真，對失真數據要進行二次校核，或者重新對該測點進行測量確認。

3.6 方位誤差的影響分析及應對措施

Analysis and countermeasures on the effects of azimuth error

MWD測量系統磁性傳感器受大地磁場和地層因素的影響會在方位測量數據上產生固有誤差，該誤差在實際井下測量作業過程中無法消除。雖然固有方位誤差很小，但對連通作業過程也會產生一定的影響。所以，在現場施工方案的制定過程中，通過對磁性測量系統的理論分析和井眼軌跡的模擬計算，可以采用方位誤差對連通工藝技術影響最小的施工方案進行作業，從而提高連通成功的概率。

4 現場應用

Field application

在總結連通施工經驗的基礎上，煤層氣技術人員開展了多項提高煤層氣連通水平井的精準控制工藝技術，各項技術都逐漸趨于成熟，鉆井周期、速度、事故復雜與預防等各項指標有所提高，精準連通方面有新的技術創新，2014—2017年施工的10余口井，三開連通均實現一次連通，一次連通率100%。

通過對施工井的方位誤差進行理論分析和計算，根據誤差影響因素進行分析，盡量采用較小誤差的方法進行施工作業。以鄭試1平-5H井為例（如圖1所示），在不同井斜和方位條件下，運用專用軟件處理誤差數據，評估方位誤差范圍，圖中給出了該井主支井眼的方位誤差區間范圍。其中影響最小的為棕色區域，方位誤差小于1°，紅色區域方位誤差在1～1.25°之間， 白色區域方位誤差為 1.25～1.5°，藍色區域誤差要大于1.5°。鄭試1平-5H的主支井眼軌跡數據的誤差為黑色曲線，在該井井斜大于41.3°之后方位誤差范圍基本介于白色區域，這就表明隨著井斜的增加，方位誤差是和井眼軌跡方位的選擇有一定關系的。所以，連通井的井位布置，選擇井眼軌跡方位要盡量避開60～100°（尤其是井斜大于70°以后），這種選擇可以有效降低方位誤差對連通井眼軌跡的影響，從而提高連通成功率。

圖1 鄭試1平-5H井主支井眼的方位誤差分析Fig. 1 Analysis on the azimuth error of the main branch of Well Zhengshi Ping 1 -5H

鄭試平3H井是一口連通水平井，三開后在3#煤層頂板泥巖中實施與洞穴井連通，二開井徑為374.6 mm，設計造斜率 6.8（°）/30 m。為了精確控制井眼軌跡，根據常規鉆具的造斜能力，設計水平井與洞穴井的井口距離為484.65 m?？紤]連通位移的增大，井眼軌跡與連通點形成的橢圓誤差面就越大，一次連通的幾率將大大降低，技術難度大、風險高。所以，該井從二開造斜點開始，就加強對井眼軌跡的精確控制。二開完鉆后井深736 m，著陸點井斜88.26°，方位 147.66°（連通洞穴井的方位 149°），方位誤差小于1.5°，距離洞穴井的水平位移107.31 m，為三開實施連通工藝打下良好的基礎。

三開后，水平井下入強磁短節，洞穴井下入RMRS系統信號接收探管。三開鉆具組合為：?152.4 mm鉆頭+RMRS+?120.7 mm單彎螺桿（1.5°）+鉆具止回閥+ 循環接頭（MWD）+ ?88.9 mm無磁鉆桿×1根+?88.9 mm鉆桿×80根+?88.9 mm無磁鉆桿（鉆具水眼內徑≥57 mm）。為確保水平井與洞穴井一次連通，定向井工程師精確控制井眼軌跡，按照優化后設計施工方案（方位誤差影響最?。┻M行施工，井眼軌跡一直在穩定的頂板泥巖中鉆進，MWD測量儀器按照實際工況加大測斜密度，測斜間距小于5 m（測斜數據如表1所示）。

表1 鄭試平3H井連通段井斜數據Table 1 Directional data of the connected section of Well Zhengshiping 3H

當井深為745 m時，接近洞穴直井并緩慢降低井斜探煤頂，井深793 m時順利進入3#煤層。此時，距離洞穴井只有53 m，洞穴井內 RMRS系統開始采集處理信號，通過地面系統計算，得到鉆頭到洞穴井的距離和方位偏差。定向井工程師根據連通儀器工程師提供的數據及時對井眼軌跡進行調整。鉆進至距離洞穴直井5 m，方位偏差0.4°時，已確保水平井與洞穴井可以連通，起出洞穴井的測量探管，水平井繼續復合鉆進。最終，在井深846 m、垂深526.32 m、井斜94°、方位153.5°時，與鄭試平3V井一次性順利連通。

5 結論及建議

Conclusions and suggestions

（1）對測量數據建立綜合的評價校核系統，可以有效剔除失真數據，使測量數據保持真實準確，這是連通工藝技術精確控制的關鍵因素，也是實現煤層氣水平井兩井連通的重要保障。

（2）MWD測量工藝技術的改進，可以實現井眼軌跡的精確控制，是連通工藝的重要環節，是提高連通精度、連通成功率的重要措施。

（3）方位誤差的影響分析和應對措施，對于連通井的井眼軌跡具有很好的指導作用，對于提高連通精度也具有重要的意義，也是連通技術實現精確控制的一項重要補充措施。

（4）利用RMRS系統可引導MWD測量系統進行連通作業，能實現井眼軌跡的精確控制。因此，RMRS系統可以作為無線隨鉆測量系統的一項重要技術補充，不僅僅局限于煤層氣連通井作業，還可在其他領域的復雜井型進行推廣，應用前景廣闊。

［1］楊明合，夏宏南，屈勝元，朱忠喜，蔣宏偉. 磁導向技術在SAGD雙水平井軌跡精細控制中的應用［J］. 鉆采工藝，2010，33（3）：12-14.

YANG Minghe, XIA Hongnan, QU Shengyuan, ZHU Zhongxi, JIANG Hongwei. The application of magnetic guidance technology in the fine control of horizontal well trajectory of SAGD［J］. Drilling & Production Technology, 2010, 33（3）: 12-14.

［2］王德桂，高德利. 管柱形磁源空間磁場矢量引導系統研究［J］. 石油學報，2008，29（4）：608-611.

WANG Degui, GAO Deli. Study of magnetic vector guidance system of in tubular magnet source space［J］.Acta Petrolei Sinica , 2008, 29（4）: 608-611.

［3］喬磊，申瑞臣，黃洪春，王開龍，鮮保安，鮑清英. 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.

QIAO Lei, SHEN Ruichen, HUANG Hongchun,WNAG Kailong, XIAN Baoan, BAO Qingying. Drilling technology of multi-branch horizontal well［J］. Acta Petrolei Sinica, 2007, 28（3）: 112-115.

［4］刁斌斌，高德利，岑兵，周聰. 雙水平井隨鉆磁導向系統井下磁源設計［J］. 石油機械，2016，44（4）：106-111.

DIAO Binbin, GAO Deli, CEN Bing, ZHOU Cong.Design of downhole magnetic source of magnetic guidance system for drilling twin parallel horizontal wells［J］. China Petroleum Machinery, 2016 , 44（4）: 106-111.

［5］孫東奎，高德利，刁斌斌， 楊寶剛. RMRS在稠油/超稠油開發中的應用［J］. 石油機械，2011，39（7）：73-76.

SUN Dongkui, GAO Deli, DIAO Binbin, YANG Baogang.Application of RMRS in heavy oil/heavy oil development［J］. Petroleum Machinery, 2011, 39（7）: 73-76.

［6］刁斌斌，高德利，吳志永. 磁短節等效磁矩的測量［J］.石油鉆采工藝，2011，33（5）：42-45.

DIAO Binbin, GAO Deli, WU Zhiyong. Measurement of magnetic sub equivalent moment［J］. Oil Drilling &Production Technology, 2011, 33（5）: 42-45.

［7］閆永維，高德利，吳志永. 煤層氣連通井引導技術研究［J］. 石油鉆采工藝，2010，32（2）：23-25.

YAN Yongwei, GAO Deli, WU Zhiyong. Study on guidance technology for coal-bed methane connected wells［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2010,32（2）: 23-25.

［8］高德利，刁斌斌. 復雜結構井磁導向鉆井技術進展［J］.石油鉆探技術，2016，44（5）：1-9.

GAO Deli, DIAO Binbin. Development of the Magnetic Guidance Drilling Technique in Complex Well Engineering［J］. Petroleum Drilling Techniques, 2016,44 （5）: 1-9.

［9］向軍文，陳曉琳. 定向對接連通井技術的發展及其展望［J］ . 探礦工程，2003（1）：20-22.

XIANG Junwen, CHEN Xiaolin. The development and prospect of directional connection well - connected well technology［J］. Prospecting Engineering, 2003（1）: 20-22.

［10］黃洪春，盧明，申瑞臣. 煤層氣定向羽狀水平井鉆井技術研究［J］ . 天然氣工業，2004，24（5）：76-78.

HUANG Hongchun, LU Ming, SHEN Ruichen.Research on drilling technology of coal bed methane directional feather horizontal well［J］. Natural Gas Industry, 2004, 24（5）: 76-78.

［11］曹向峰，管志川，王智鋒，孫峰. 煤層氣連通井導向鉆井鉆頭定位方法［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（2）：151-155.

CAO Xiangfeng, GUAN Zhichuan, WANG Zhifeng,SUN Feng. Drill bit positioning method based on connected well guidance for coalbed methane［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2016, 38（2）: 151-155.

［12］顧維軍，王倩. 煤層氣井動力洞穴完井工藝［J］ . 油氣井測試，2000，9（2）：50-52.

GU Weijun, WANG Qian. Coal bed gas well power hole completion process［J］. Oil and Gas Well Testing,2000, 9（2）: 50-52.

［13］胡漢月，陳慶壽. RMRS在水平井鉆進中靶作業中的應用［J］. 地質與勘探，2008，44（6）：89-92.

HU Hanyu, CHEN Qinghsou. The application of RMRS in drilling in horizontal well drilling［J］. Geology and Exploration, 2008, 44（6）: 89-92.

［14］王棟，趙虎，喬宏實，張鵬宇，郭慶華，吳雙. 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.

WANG Dong, ZHAO Hu, QIAO Hongshi, ZHANG Pengyu, GUO Qinghua, WU Shuang. Key techniques for far connection of fan U1 test well group U-shaped well -Fanshi U1 well group［J］. OIL Drilling & Production Technology, 2015, 37（4）: 23-26.

［15］姚林，樊華. RMRS測距儀在延平1水平連通井組中的應用［J］. 油氣藏評價與開發，2011，1（6）：76-80.

YAO Lin, FAN Hua. The application of RMRS rangefinder in yanping 1 level connected well group［J］. Evaluation and Development of Oil and Gas Reservoir, 2011, 1（6）:76-80.

［16］徐云龍，馬風清，馮光通. 磁性導向鉆井技術現狀及發展趨勢［J］. 鉆采工藝，2012，35（2）：35-37.

XU Yunlong, MA Fengqing, FENG Guangtong. Current situation and development trend of magnetic oriented drilling technology［J］. Drilling & Production Technology, 2012, 35（2）: 35-37.

［17］席寶濱，高德利. 基于測量工具的U 型水平井井身剖面設計［J］. 石油鉆采工藝，2014，36（6）：7-10.

XI Baobin, GAO Deli. Profile design of U-shaped horizontal well based on measuring tools［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2014, 36（6）: 7-10.