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

樊試U1井組遠(yuǎn)端連通關(guān)鍵技術(shù)

王棟1趙虎1喬宏實(shí)1張鵬宇1郭慶華1吳雙2
（1.渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津大港300000；2.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)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(qū)承接的第1口U型水平連通井，其設(shè)計(jì)水平位移近千米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該地區(qū)之前施工的連通井。煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐證明U型井可有效地導(dǎo)通煤儲(chǔ)層的裂隙系統(tǒng)，增加氣、水導(dǎo)流能力，相比直井和普通定向井大幅度提高了單井產(chǎn)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(kāi)發(fā)煤層氣資源的優(yōu)選手段。介紹了U型井設(shè)計(jì)施工方案及?50.8 mmPVC篩管完井工藝。通過(guò)分析該地區(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)，介紹了通過(guò)“二維”地震圖計(jì)算著陸點(diǎn)處15號(hào)煤層垂深的方法。通過(guò)建立儀器系統(tǒng)誤差累積數(shù)學(xué)模型，提出磁偏角校正系數(shù)，成功完成了遠(yuǎn)端一次性連通。

煤層氣；U型井；遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)較多分支水平井更為簡(jiǎn)單、建井成本更低，尤其是完井后可下入一根?50.8 mm高強(qiáng)度PVC 篩管，克服了多分支水平井裸眼完井時(shí)因煤體坍塌、煤粉沉淀等原因造成的水平井段堵塞現(xiàn)象，還可以對(duì)水平段井眼進(jìn)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(jié)構(gòu)和獨(dú)特的完井方式，更適宜于中國(guó)大多數(shù)儲(chǔ)層條件的煤層氣開(kāi)發(fā)［2］。

1　地質(zhì)特點(diǎn)及施工難點(diǎn)

1.1鉆遇地層及儲(chǔ)層特點(diǎn)

樊試U1井組所屬的樊莊區(qū)塊構(gòu)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(hào)煤層變質(zhì)程度高，屬高階煤，為煤層氣勘探主力目的煤層［3］。該區(qū)地層具有如下特點(diǎn)。

（1）太原組灰?guī)r段易水侵、易漏失、可鉆性差，平均鉆時(shí)45 min/m，該段地層厚度大且位于井眼設(shè)計(jì)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(hào)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(shè)計(jì)著陸點(diǎn)在煤層以上1 m，施工中易穿透儲(chǔ)層，增大了三開(kāi)控制難度［4］。

（3）鉆遇的3號(hào)煤層經(jīng)過(guò)壓裂處理，易發(fā)生井漏、垮塌。

1.2樊試U1井組的施工難點(diǎn)

（1）該區(qū)域15號(hào)煤層為首次鉆探，埋藏深度不明，著陸點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確標(biāo)定，需設(shè)計(jì)斜導(dǎo)眼、明確儲(chǔ)層垂深。

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

（3）由于煤層埋藏較淺，二開(kāi)井眼曲率較大，為9.5 （°）/30 m，鉆壓難以有效傳遞。同時(shí)水垂比較大，為1.5，鉆柱易發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致井下復(fù)雜。

（4）遠(yuǎn)端連通，連通距離達(dá)955.34 m，加之設(shè)計(jì)方位272 °，使得MWD方位測(cè)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(zhì)資料不全，水平井需先鉆井斜60°的導(dǎo)眼，探明位移150 m處的15號(hào)煤層垂深及厚度。再回填導(dǎo)眼，以盡量多的利用已鉆井眼為原則，選取合適的斜井段，側(cè)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(hào)煤層以下0.5 m下入了1根薄壁鋼套管。固井后，將15號(hào)煤層薄壁鋼套管段的井眼直徑擴(kuò)至0.5 m，洗井等待連通。樊試U1H井二開(kāi)造斜井段設(shè)計(jì)造斜率9.78 （°）/30 m，連續(xù)造斜鉆至15號(hào)煤層頂部以上1m著陸，下入?177.8 mm技術(shù)套管，固井后三開(kāi)采用?152.4 mm鉆頭沿煤層鉆進(jìn)，直至與樊試U1V井實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(shù)

3.1井眼軌道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求：水平段煤層鉆遇率達(dá)到90 %，煤層水平段長(zhǎng)不小于800 m。因此著陸點(diǎn)位移最大為150 m。這就需要較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)150 m位移處的煤層垂深。假設(shè)150 m位移處的15號(hào)煤頂垂深為Hh，洞穴井探明15號(hào)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(diǎn)至連通點(diǎn)水平距離L=803 m，因此，推導(dǎo)150m位移處15號(hào)煤頂垂深Hh=604 m（實(shí)際鉆探結(jié)果為605 m）。

根據(jù)調(diào)整井眼曲率來(lái)控制著陸點(diǎn)水平位移的思路，水平井的造斜點(diǎn)定為430 m，在水平井的造斜段60°井斜處穩(wěn)斜鉆進(jìn)導(dǎo)眼，直至探明煤層情況。再根據(jù)已探明的煤層垂深，設(shè)計(jì)回填水泥反深，側(cè)鉆水平井。水平井軌道設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

3.2水平井井眼軌跡控制

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

（2）二開(kāi)造斜段在可鉆性強(qiáng)的砂巖地層超設(shè)計(jì)造斜，降低硬質(zhì)泥巖段單根造斜率，加快鉆時(shí)，減小控制難度。三開(kāi)后倒裝鉆具，以大排量低轉(zhuǎn)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(jié)+?165 mm無(wú)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(zhuǎn)速35+DN r/min。最高造斜率9.42 （°）/30 m。

表1　水平井樊試U1H井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

（3）三開(kāi)根據(jù)地質(zhì)資料預(yù)測(cè)儲(chǔ)層傾角，實(shí)現(xiàn)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(kāi)采用雙無(wú)磁抗壓縮鉆桿配合MWD+伽馬探管，保證MWD探管在無(wú)地磁干擾條件下運(yùn)行，校正磁偏角，減小儀器誤差累計(jì)對(duì)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(jié)+ ?88.9mm無(wú)磁加重鉆桿×2根+?88.9 mm鉆桿×1121.99 m+?88.9 mm無(wú)磁鉆桿×391.01 m + ?88.9 mm鉆桿。鉆壓40～60 kN，排量13～15 L/s，轉(zhuǎn)速30+ DN r/min。最高造斜率：12.04 （°）/30 m。

4　遠(yuǎn)端連通

4.1連通距離遠(yuǎn)超常規(guī)連通井

在連通作業(yè)中，連通距離越遠(yuǎn)， MWD系統(tǒng)誤差累計(jì)越明顯，連通難度越大。近年來(lái)，在山西煤層氣開(kāi)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(gè)標(biāo)定點(diǎn)，大大降低了連通的難度。而該井不但連通距離超過(guò)900 m，同時(shí)還為一次性連通。

4.2MWD系統(tǒng)誤差累計(jì)數(shù)學(xué)模型

在只考慮MWD系統(tǒng)誤差的情況下，MWD的系統(tǒng)誤差累計(jì)值就是連通作業(yè)開(kāi)始時(shí)連通儀器計(jì)算出的方位偏差值。圖3是MWD系統(tǒng)誤差累計(jì)數(shù)學(xué)模型：假設(shè)在無(wú)誤差的絕對(duì)情況下，U型井組水平段為一條直線AB，A點(diǎn)為連通點(diǎn)，B點(diǎn)為水平井井口的鉛垂點(diǎn)，線段AB的長(zhǎng)度表示水平井井口到洞穴井連通點(diǎn)井眼軌道的水平投影長(zhǎng)度，即連通距離。O點(diǎn)為無(wú)誤差的絕對(duì)情況下，下入連通儀器時(shí)的鉆頭位置（因連通儀器在60 m范圍內(nèi)精度最高，所以AO距離為60 m），線段OB為連通前水平段長(zhǎng)度。C點(diǎn)為考慮誤差的情況下，連通前鉆頭實(shí)際位置，線段CB為連通前實(shí)際水平段長(zhǎng)度。α為連通開(kāi)始時(shí)連通儀器計(jì)算出的方位偏差值，即隨鉆測(cè)量?jī)x器在鉆進(jìn)CB井段時(shí)產(chǎn)生的誤差累計(jì)值。β為MWD系統(tǒng)誤差，為一定值。經(jīng)推導(dǎo)得到α和β的關(guān)系公式

圖3　MWD系統(tǒng)誤差累計(jì)數(shù)學(xué)模型

所以下入連通儀器前的井段OB越長(zhǎng)產(chǎn)生的方位偏差α越大。

為了消除方位偏差α對(duì)連通作業(yè)的影響，通常用實(shí)踐的方法校正磁偏角，通過(guò)附加磁偏角校正系數(shù)抵消方位偏差。表2為磁偏角校正系數(shù)f分別為–0.3、–0.5、–0.8和–1.0時(shí)5口不同連通井在鉆頭距連通點(diǎn)60 m處的方位偏差值。當(dāng)?shù)卮牌菫楱C4.5°，顯然實(shí)踐結(jié)果證明當(dāng)磁偏角校正系數(shù)為f =–1.0，既校正后的磁偏角為ε = f – 4.5 = –5.5時(shí)，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(shù)套管上，利用鉆具將其下入連通點(diǎn)，開(kāi)泵打開(kāi)固定矛頭，起出鉆具，依靠懸掛封隔器封隔管外各環(huán)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(jiǎn)單易行，解決了煤層垮塌堵塞生產(chǎn)通道的問(wèn)題，生產(chǎn)后期還可以通過(guò)雙向洗井的方式，清理煤粉沉淀及水鎖效應(yīng)堵塞的通道。但因這種技術(shù)屬首次應(yīng)用，在下入篩管時(shí)專用下入工具提供的動(dòng)力不足，無(wú)法克服下入過(guò)程中與鉆具水眼產(chǎn)生的摩阻，致使每下入大約300 m篩管就需剪斷，開(kāi)泵灌漿將其頂入井眼，再起出相應(yīng)長(zhǎng)度的鉆桿后繼續(xù)下入篩管，因此篩管并非連續(xù)完整下入，可能會(huì)在井下出現(xiàn)重疊，必定降低預(yù)期效果，甚至無(wú)法起到支撐井壁的作用。

表2　各井累計(jì)誤差對(duì)比

6 　結(jié)論與建議

（1）相比于多分支水平井，U型井具有井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)高陡構(gòu)造施工、鉆井成功率高和成本低的特點(diǎn)。更適用于中國(guó)大多數(shù)的煤層氣開(kāi)采。

（2）根據(jù)沁水盆地地層特點(diǎn)制定相應(yīng)軌跡控制方案，降低了控制難度，實(shí)鉆效果良好。

（3）提出了一種根據(jù)二維地震圖計(jì)算著陸點(diǎn)垂深的方法，并實(shí)際證明了其可行性，根據(jù)預(yù)測(cè)著陸點(diǎn)的垂深優(yōu)化了水平井的軌道設(shè)計(jì)。

（4）提出磁偏角修正理論，減小系統(tǒng)誤差累計(jì)對(duì)連通作業(yè)的影響。

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

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

［2］黃勇，姜軍. U型水平連通井在河?xùn)|煤田柳林地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的適應(yīng)性分析［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2009，21（S0）：32-36.

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

［4］李娟，唐世忠，李文娟.埕海一區(qū)大位移水平井摩阻扭矩研究與應(yīng)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(shù)［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(tǒng)取心技術(shù)易受壓力變化影響，在取心過(guò)程中通常會(huì)造成巖心中的流體流失。海綿取心技術(shù)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。過(guò)去20多年中，海綿取心技術(shù)在油氣領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)也面臨著海綿包裹程度、流體運(yùn)移、鉆井液污染、巖心堵塞及海綿損壞等問(wèn)題。

貝克休斯公司最近推出新型海綿襯管取心系統(tǒng)，采用適用性更強(qiáng)的親油性海綿，其內(nèi)徑為88.9 mm，最大巖心封裝長(zhǎng)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(yè)前，通過(guò)利用配備的特殊真空泵和密封系統(tǒng)，事先將海綿用鹽水進(jìn)行預(yù)飽和，這樣可避免流體運(yùn)移，提升實(shí)驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性。通過(guò)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(jìn)入巖心筒，還降低了流體侵入。系統(tǒng)配備的泡沫強(qiáng)化網(wǎng)帶、激光切割鋁制襯管和壓力補(bǔ)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(zhì)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(yè)于中南大學(xué)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事定向井技術(shù)管理工作。電話：13315771320。E-mail：603111848@qq.com。

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