煤层气多分支水平井轨迹控制技术

张鹏宇 柯晓华 张 楠 吴 双 曾传云 张皓星

（1.渤海钻探定向井技术服务分公司，河北任丘 062550；2.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；3.渤海钻探钻井技术服务分公司，天津 300457）

煤层气多分支水平井轨迹控制技术

张鹏宇1，2柯晓华2张 楠1吴 双3曾传云1张皓星1

（1.渤海钻探定向井技术服务分公司，河北任丘 062550；2.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；3.渤海钻探钻井技术服务分公司，天津 300457）

多分支水平井因能够有效提高煤层气产能而成为煤层气开采的主要井型，但由于技术和经验不足，在钻井施工过程中，钻速慢、井下复杂情况时有发生。文中分析了多分支水平井在各个阶段的轨迹控制难点，并探讨了悬空侧钻、老眼重入等技术难点及控制要点，给出了造斜段轨道设计运算过程，通过合理选择随钻测量系统，精确控制了钻井全过程轨迹参数。该井眼轨迹的精确控制为我国煤层气多分支水平井整套工艺的施工提供可靠的技术借鉴和准确的参考数据。

多分支水平井；轨道设计； 轨迹控制； 悬空侧钻； 老眼重入

在煤层气的开发中，多分支水平井单井产气量大、采收率高、煤层控制面积广、井场占地面积小，因而逐渐成为开采煤层气的主要井型。多分支水平井作为一种新型开采手段，需要先进的轨道设计理念和多种高科技仪器相互配合［1-2］。煤层气多分支水平井，是指在一个主井眼内再侧钻出多个分支井眼作为泄气生产通道，同时在距主水平井井口一段距离处布一口直井，使主水平井眼与之在洞穴内连通。其中水平井为工艺井，直井则用于排水、降压、采气等，又称排采井［3］。

1 水平井井眼轨迹控制技术

1.1 上直段和排采直井

水平井上直段和排采直井轨迹控制尽量保持垂直或向相反方向延伸，应以 “塔式”或“钟摆”底部钻具组合为主，配合小钻压防斜吊打，严格控制井斜角在2°以内，为后续施工提供有利条件。

1.2 造斜段

1.2.1 连通点的确定 连通点作为造斜段的第2靶点，需要确定其井斜、方位、垂深和大地坐标。一般情况下连通点垂深为煤顶垂深上移2～3 m。下面以某井数据为例，运用COMPASS软件进行详细设计说明。

（1）垂深。由排采直井录井数据已知煤顶斜深856.1 m，由排采直井轨迹数据反推其垂深为855.75 m。排采直井与水平井的补心差为25.55 m，所以相对于排采直井连通点垂深为855.75 m-2.5 m=853.25 m。相对于水平井连通点垂深为855.75 m-2.5 m+25.55 m=878.8 m。

（2）大地坐标。在排采直井数据里用“插点法”既平均值法，由垂深853.25 m找到其大地坐标为：南北3960992.9、东西19632631.85。

（3）方位和井斜。在水平井数据里，设置连通点为靶点，输入连通点大地坐标和相对于水平井的垂深，就得到了连通点方位146.44°。连通点井斜一般定为小于煤层倾角2～3°，以便连通后主井眼顺利进入煤层，该井连通点井斜定位90°。

1.2.2 着陆点的确定 着陆点为造斜段第1靶点，根据着陆点与连通点间距离优化水平井井眼轨迹，在工具造斜率和井眼曲率允许的情况下尽量放大着陆点与连通点间距离，该井此距离定为55 m。着陆点的确定需要由连通点反推计算而来。已知该水平井造斜点为735 m。

如图1所示，采用“双圆弧法”，输入两圆弧间稳斜段长为1 m，靶点为连通点，井斜90°、方位146.44°。计算结果如图2所示。

图1 COMPASS软件中在“双圆弧法”计算模式下输入连通点数据示意图

图2 COMPASS软件中用“双圆弧法”计算后得到的数据

由此来确定着陆点，点击图1右上角反推计算图标，显示如图3界面，输入段长55 m、造斜率1.5（°）/30 m。计算后得到着陆点数据：井深953.6 m、井斜87.25°、方位146.44°，双圆弧轨迹的造斜率分别为11.82 （°）/30 m和11.99 （°）/30 m。至此，设计完成。

图3 COMPASS软件中反推计算着陆点方法示意图

1.2.3 轨迹控制 为得到平滑的井眼轨迹，造斜段施工需连续均匀送钻，平稳操作，防止溜钻、蹩钻，减小钻压波动幅度，造斜段井眼曲率普遍较高，施工中如发现工具造斜率不够时，应及时起钻调整螺杆弯度［4］。因为地层倾角多为上倾，着陆时井斜尽量控制为84～87°，方便打开煤层后能尽快上调井斜跟地层倾角一致。造斜段轨迹控制使用的无线随钻系统多为依靠钻井液传输信号的MWD或利用电磁波传输信号的EMWD，应根据实际情况选择使用类型［5］。

1.3 水平段轨迹控制要点［6］

在正常导向钻进时顶驱转速控制在15～20 r/min，小钻压控制钻时在1～2 min/m左右为宜，保证伽马曲线的完整采集。主井眼轨迹尽最大努力确保在煤层上部，防止进入煤层底部的粉煤区域导致井眼垮塌。主井眼钻进根据井下情况每200～300 m进行短起下，破坏岩屑床以降低摩阻［3］。

2 两井连通技术［7-8］

2.1 连通工作原理

连通工具的有效距离为100 m，在60～70 m内精度较高。工作原理是以近钻头永磁体激发的低频交变磁场为信号源，在排采井连通处，进行磁场信号采集与处理，通过实时测量获取的数据来不断修正钻头与连通处的相对方位和距离，通过MWD定向微调轨迹，实现连通。

2.2 连通时的轨迹控制

钻具组合：Ø152.4 mm钻头+强磁接头+Ø120 mm螺杆（1.5°）+回压阀＋MWD＋Ø88.9 mm钻杆。常规连通就是从着陆点至连通点之间40～60 m距离的施工过程，远端连通时要提前100 m下入连通工具。施工时，每钻进3 m测量井斜、方位，预测井底数据，采集磁场信号，判断钻进方向与直井连通点位置的相对方位，根据磁场信号强度计算钻头与直井连通点的相对距离。

3 悬空侧钻技术

3.1 侧钻点的优化选择

每个分支侧钻点间距既要保证控制面积达标，又要保证一次性侧钻成功，因此同侧侧钻点间距应达到150～200 m，且选在煤层中矸以上部位，井斜略增，方位不变处为宜，如图4所示，最佳侧钻点为处于煤层中上部且煤层上倾的部位。

图4 井眼轨迹中优劣侧钻点示意图

3.2 煤岩中的悬空侧钻

利用顶驱悬空侧钻时钻具倒换至立柱下单根，防止中途接立柱而破坏夹壁墙。 侧钻时先对侧钻点前3～5 m开泵划槽5次。煤岩钻时较快，应控时侧钻、均匀送钻。第1 m钻时60 min/m，第2 m钻时50 min/m，依次增速直至10 min/m，保持速度钻进。钻进至动态井斜方位与老眼比较有明显变化时，适当加压，钻具无明显下行、反扭角有明显变化时，表明侧钻成功，可加大钻压朝预定方位钻进。

3.3 泥岩中的悬空侧钻

由于泥岩质地较煤岩坚硬，悬空侧钻方法稍有不同。

（1）工具面按侧钻方位分别摆在160～150°或200～210°，钻头靠钻具本身重量吃入地层。

（2）控制钻时在120 min/m，维持5 m。

（3）当多次侧钻不成功时，可依次选用1.5°、2.12°或2.38°单弯尝试侧钻。

4 老眼重入技术

老眼重入是钻进分支时，由于各种原因中途起钻，再入分支时遇到的情况。重入时，在钻具下放到离侧钻点1～2根钻杆位置时，容易沿主支走向下放，而不回到分支。此时应调整工具面至该侧钻点侧钻最初工具面，缓慢下放，通过侧钻点20 m后测斜，依据与老眼井斜差别判断是否进入要求的分支井眼。EMWD随钻测量工具由于免开泵即可测量，因此在老眼重入方面具有很大优势。

5 结论

（1）水平井上直段和排采直井轨迹控制尽量保持垂直或向相反方向延伸，为后续施工提供有利条件。

（2）熟悉COMPASS定向软件对造斜段连通点和着陆点参数设计过程及原理，规范合理地控制造斜段井眼轨迹，是多分支水平井成功实施的基础。

（3）对比MWD与EMWD的优缺点，根据实际情况选取合适随钻测量系统，优化井眼轨迹、有效地避免卡钻、井下复杂情况的发生。

（4）煤岩中悬空侧钻点选在煤层中矸以上、井斜略增、方位不变处侧钻成功率高。

（5）老眼重入时合理摆放工具面，能够提高工作效率。

［1］ 鲍清英，张义，何伟平，等.煤层气羽状水平井井眼轨迹控制技术［J］.石油钻采工艺，2010，32（4）：86-90.

［2］ 乔磊，申瑞臣，黄洪春，等.煤层气多分支水平井钻井工艺研究［J］.石油学报，2007，28（3）：112-115.

［3］ 饶孟余，杨陆武，张遂安，等.煤层气多分支水平井钻井关键技术研究［J］.天然气工业，2007，27（7）：52-55.

［4］ 田中兰，乔磊，苏义脑，等.郑平01-1煤层气多分支水平井优化设计与实践［J］.石油钻采工艺，2010，32（2）：26-29.

［5］ 纪伟，姜维寨，胡锦堂，等.郑平01-1煤层气多分支水平井优化设计与实践［J］.石油钻采工艺，2011，33（3）：82-86.

［6］ 林晶，王新，宋朝晖.新疆油田浅层稠油鱼骨型分支水平井技术［J］.石油钻探技术，2007，35（2）：11-14.

［7］ 姜文利，叶建平，乔德武.煤层气多分支水平井的最新进展及发展趋势［J］.中国矿业，2010，19（1）：101-103.

［8］ 鲜保安，夏柏如，张义，等.煤层气U型井钻井采气技术研究［J］.石油钻采工艺，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

张鹏宇，柯晓华，张楠，等.煤层气多分支水平井轨迹控制技术［J］. 石油钻采工艺，2013，35（5）：33-35.

TD842

：A

1000–7393（2013） 05–0033–03

张鹏宇，1986年生。2009年毕业于长江大学石油工程专业，助理工程师。E-mail：zpy200509176@163.com。

〔编辑 薛改珍〕