煤层气连通水平井精确控制技术

王海涛 刘瑞杰 赵璐阳 边晨 赵南星 曾传云

1.渤海钻探工程公司；2.中国石油规划计划部；3.中国石油集团测井有限公司华北事业部

近年来，煤层气作为清洁型能源，开发力度不断增大。煤层气储层具有渗透率低、压力低的特点。由于钻单支水平井煤层控制面积小，产量低，不利于后期的排水降压作业，现在煤层气开发多采用多分支水平井。多分支水平井需要工艺井与洞穴井之间的连通［1-3］，需要对两井距离、方位偏差、连通点的靶点坐标等进行精确测量、计算，找出实际连通靶点，然后对井眼轨迹进行精准控制，确保成功连通［4-5］。

1 煤层气连通工艺原理

Principles of CBM connection technology

多分支水平井连通精准控制技术利用RMRS系统实时提供引导连通的数据，并利用MWD随钻实时测量数据不断修正井眼轨迹，以达到与洞穴井连通的目的。RMRS（Rotary Magnetic Ranging System）旋转磁场测距导向系统，主要由强磁短节、测量探管、地面信号采集和数据分析软件组成。强磁短节由若干永磁体构成，与强磁短节呈轴向垂直，连接在钻头与螺杆之间［5］。随着钻头转动，强磁短节周围空间会产生一个交变的磁场，形成RMRS的信号源［6］。测量探管下入到洞穴井，探测强磁短节产生的磁场信号，并将探测数据传送至地面信号采集装置，经地面软件系统计算出洞穴井与水平井的相对距离和方位偏差。定向井工程师会将连通仪器提供的数据与MWD仪器测量数据进行分析对比，及时调整井眼轨迹方向，将所钻井眼方位修正至洞穴井目标靶点［7-8］。直至水平井钻头位置接近洞穴井时（此时位置大约为5 m），需要根据防碰原理，进行柱面扫描，判断水平井与洞穴井中心的距离，分析井眼轨迹和洞穴井之间的位置变化趋势，判断洞穴井的位置和偏离情况，再实时调整井眼轨迹，最终实现水平井与洞穴井相交连通［9-17］。

2 煤层气连通技术难点

Difficulties of CBM connection technology

煤层气分支水平井和洞穴井在实际连通作业过程中，由于受到地层因素、水平井轨迹数据精度、仪器测量累计误差及工艺技术缺陷等因素的影响，导致连通精度降低，会引发水平井要多次进行连通作业，还可能会导致井下出现复杂事故，甚至会出现整口井报废的严重后果。煤层气连通工艺技术难点主要体现在：（1）洞穴井与水平井进行连通时方位误差较大，连通井段全角变化大，轨迹控制技术难度高；（2）RMRS系统与MWD测量系统各自存在着技术短板，RMRS测距导向系统测量范围在50～80 m才能提供较为精确的连通数据，考虑到距离连通点越近，方位角越大，很难在60 m的井段实现连通，当水平位移达到800 m时很容易产生方位误差过大不能连通的情况；（3）MWD测量系统实时测量数据相对于钻头位置是滞后的，钻头位置的数据信息只能靠预测，而预测钻头位置数据和实际井眼轨迹数据误差大将很难调整，钻头距离连通靶点越近，方位角越大，钻头距连通点60 m左右时无法实现连通。

3 连通工艺改进

Improvement of connection technology

为了提高连通水平井的技术水平，提高连通成功率，针对连通井技术难点，对连通工艺技术在以下几个方面进行研究、改进。

3.1 校正方位收敛角

Correction of azimuth convergence angle

煤层气连通水平井施工用的MWD仪器测量井斜方位角是以磁北为基准，定向井轨道设计和轨迹计算时都使用的是高斯投影坐标系，是以网格北为基准的，需要对测量的磁井斜方位角和子午线收敛角进行校正，这2个校正应结合起来一起完成，方位角的校正公式为

式中，ϕc为经过方位校正之后的方位角，º；ϕs为MWD仪器测量所得到的方位角，º；δ为磁偏角， 东磁偏角为正值， 西磁偏角为负值，º；γ为高斯平面子午线收敛角， 东收敛角为正值， 西收敛角为负值，º。

以沁水地区为例，收敛角多为0.86°左右，水平位移200 m，侧向误差3 m；水平位移400 m，侧向误差6 m；远端连通井水平位移800 m，侧向误差12 m。由此可以看出收敛角的误差对连通的影响很大，在施工中一定要保证收敛角计算准确、精确。

3.2 连通井眼轨迹控制技术

Connected well trajectory control technology

针对连通的RMRS近钻头旋转电磁测距系统在50～60 m内才有较为精确的井距及方位预测问题，对于200 m以上的远端连通井，三开优化钻具组合和优选测量仪器，连通时能有效缩短仪器零长，减小井底测斜数据预测误差；连通前滑动钻进，实时计算当前测点的闭合方位和预测钻头的方位变化，及时将井眼方向纠正至连通点的位置。每隔3～5 m测斜1次，快速确定钻具组合的增降斜、增减方位的趋势，连续监测调整井眼轨迹。接近连通点时，利用专门的轨迹计算软件进行柱面法扫描，判断水平井与连通点的距离，实钻轨迹逐步靠近洞穴井目标点。

3.3 采用高精度的MWD测量仪器

Adoption of high-accuracy MWD measuring instrument

从水平井进入连通井段后，采取以下几个措施：（1）采用高精度随钻测量仪器，加强轨迹轨迹控制；（2）加密测斜，从10 m测斜降低到5 m测斜，通过加密测斜能够降低方位误差对轨迹精度的影响；（3）减少测量盲区，一般测量仪器的测斜盲区为钻头后18～15 m，通过调整仪器探管位置，将盲区缩小到11 m左右；（4）数据有效性检验，测斜数据中，会有一定几率出现测斜数据失真的情况，对失真点数据进行再次判断，必要时进行重复测量。

3.4 数据有效性的确定方法

Determination method of data validity

利用Vector信号，判断连通位置和偏离情况，及时调整轨迹， 将测点数据从井眼轨迹计算中分离，重新计算井眼轨迹，对比计算前后的两组井眼轨迹，看井底位置的偏差，如果偏差超过偏差容忍度就初步判断该测点数据失真，对失真数据进行二次校核，或者重新进行测量确认。偏差容忍度一般为2%，特殊要求可以放宽到5%，容忍度是井底位置偏差值和该测点测深的比值。当容忍度超过2%的阈限值，则该点的测点数据要进行有效性校核。容忍度的判断主要考虑高边（井斜）、左右（方位）2个方面。

3.5 MWD测量数据的误差评价校核

Error evaluation and check of MWD measuring data

对MWD测量数据进行失真性判断是连通技术的一项重要措施。其判断方法为：首先，将测点数据从井眼轨迹计算中剥离，重新计算井眼轨迹，将前后两组井眼轨迹数据进行比对，看井底位移的偏差。如果偏差超过容忍度就初步判断该测点数据失真，对失真数据要进行二次校核，或者重新对该测点进行测量确认。

3.6 方位误差的影响分析及应对措施

Analysis and countermeasures on the effects of azimuth error

MWD测量系统磁性传感器受大地磁场和地层因素的影响会在方位测量数据上产生固有误差，该误差在实际井下测量作业过程中无法消除。虽然固有方位误差很小，但对连通作业过程也会产生一定的影响。所以，在现场施工方案的制定过程中，通过对磁性测量系统的理论分析和井眼轨迹的模拟计算，可以采用方位误差对连通工艺技术影响最小的施工方案进行作业，从而提高连通成功的概率。

4 现场应用

Field application

在总结连通施工经验的基础上，煤层气技术人员开展了多项提高煤层气连通水平井的精准控制工艺技术，各项技术都逐渐趋于成熟，钻井周期、速度、事故复杂与预防等各项指标有所提高，精准连通方面有新的技术创新，2014—2017年施工的10余口井，三开连通均实现一次连通，一次连通率100%。

通过对施工井的方位误差进行理论分析和计算，根据误差影响因素进行分析，尽量采用较小误差的方法进行施工作业。以郑试1平-5H井为例（如图1所示），在不同井斜和方位条件下，运用专用软件处理误差数据，评估方位误差范围，图中给出了该井主支井眼的方位误差区间范围。其中影响最小的为棕色区域，方位误差小于1°，红色区域方位误差在1～1.25°之间， 白色区域方位误差为 1.25～1.5°，蓝色区域误差要大于1.5°。郑试1平-5H的主支井眼轨迹数据的误差为黑色曲线，在该井井斜大于41.3°之后方位误差范围基本介于白色区域，这就表明随着井斜的增加，方位误差是和井眼轨迹方位的选择有一定关系的。所以，连通井的井位布置，选择井眼轨迹方位要尽量避开60～100°（尤其是井斜大于70°以后），这种选择可以有效降低方位误差对连通井眼轨迹的影响，从而提高连通成功率。

图1 郑试1平-5H井主支井眼的方位误差分析Fig. 1 Analysis on the azimuth error of the main branch of Well Zhengshi Ping 1 -5H

郑试平3H井是一口连通水平井，三开后在3#煤层顶板泥岩中实施与洞穴井连通，二开井径为374.6 mm，设计造斜率 6.8（°）/30 m。为了精确控制井眼轨迹，根据常规钻具的造斜能力，设计水平井与洞穴井的井口距离为484.65 m。考虑连通位移的增大，井眼轨迹与连通点形成的椭圆误差面就越大，一次连通的几率将大大降低，技术难度大、风险高。所以，该井从二开造斜点开始，就加强对井眼轨迹的精确控制。二开完钻后井深736 m，着陆点井斜88.26°，方位 147.66°（连通洞穴井的方位 149°），方位误差小于1.5°，距离洞穴井的水平位移107.31 m，为三开实施连通工艺打下良好的基础。

三开后，水平井下入强磁短节，洞穴井下入RMRS系统信号接收探管。三开钻具组合为：Ø152.4 mm钻头+RMRS+Ø120.7 mm单弯螺杆（1.5°）+钻具止回阀+ 循环接头（MWD）+ Ø88.9 mm无磁钻杆×1根+Ø88.9 mm钻杆×80根+Ø88.9 mm无磁钻杆（钻具水眼内径≥57 mm）。为确保水平井与洞穴井一次连通，定向井工程师精确控制井眼轨迹，按照优化后设计施工方案（方位误差影响最小）进行施工，井眼轨迹一直在稳定的顶板泥岩中钻进，MWD测量仪器按照实际工况加大测斜密度，测斜间距小于5 m（测斜数据如表1所示）。

表1 郑试平3H井连通段井斜数据Table 1 Directional data of the connected section of Well Zhengshiping 3H

当井深为745 m时，接近洞穴直井并缓慢降低井斜探煤顶，井深793 m时顺利进入3#煤层。此时，距离洞穴井只有53 m，洞穴井内 RMRS系统开始采集处理信号，通过地面系统计算，得到钻头到洞穴井的距离和方位偏差。定向井工程师根据连通仪器工程师提供的数据及时对井眼轨迹进行调整。钻进至距离洞穴直井5 m，方位偏差0.4°时，已确保水平井与洞穴井可以连通，起出洞穴井的测量探管，水平井继续复合钻进。最终，在井深846 m、垂深526.32 m、井斜94°、方位153.5°时，与郑试平3V井一次性顺利连通。

5 结论及建议

Conclusions and suggestions

（1）对测量数据建立综合的评价校核系统，可以有效剔除失真数据，使测量数据保持真实准确，这是连通工艺技术精确控制的关键因素，也是实现煤层气水平井两井连通的重要保障。

（2）MWD测量工艺技术的改进，可以实现井眼轨迹的精确控制，是连通工艺的重要环节，是提高连通精度、连通成功率的重要措施。

（3）方位误差的影响分析和应对措施，对于连通井的井眼轨迹具有很好的指导作用，对于提高连通精度也具有重要的意义，也是连通技术实现精确控制的一项重要补充措施。

（4）利用RMRS系统可引导MWD测量系统进行连通作业，能实现井眼轨迹的精确控制。因此，RMRS系统可以作为无线随钻测量系统的一项重要技术补充，不仅仅局限于煤层气连通井作业，还可在其他领域的复杂井型进行推广，应用前景广阔。

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