田中兰 申瑞臣 乔 磊
( 中国石油集团钻井工程技术研究院煤层气与储库工程研究所，北京 100195)
摘 要: 煤层气水平井组由一口或几口水平井与一口洞穴直井连通，共同利用该直井进行采气作业。基于煤层气水平井的特点，研究开发了一套远距离穿针钻井装备，用于引导水平井和直井的连通，其理论基础为旋转磁场定位方法，通过对旋转磁场的实时测量进行钻头与洞穴的相对位置监测。本文详细论述了远距离穿针技术的轨道测控模型、装备特点和构成。通过现场的具体应用，该穿针装备在距离60m 处可进行精确定位导向作业，具体技术指标达到国际先进水平。
关键词: 煤层气 水平井 旋转磁场 两井连通 远距离穿针
Remote Intersection Technology between Horizontal Well and Vertical Well for Development of Coalbed Methane
TIAN Zhonglan SHEN Ruichen QIAO Lei
( Research Institute of Drilling Engineering，CNPC，Beijing 100195，China)
Abstract: On the basis of particularity of coal-bed methane in China，which is low pressure，penetrance and water-bearing，Generally，an extra straight well is needed for the coal-bed methane horizontal wells，and the straight well is connected to the multi-branch horizontal wells for the entry of rod pump etc to drain water and col- lect gas. The technology of rotary magnetic-field position is introduced to the course of needle between the horizon- tal wells and the straight well，so as to improve the chance of success of the connection. Modify the relative location between the drilling and the cave by means of real-time magnetic field measure，to guide the connection of the two walls. In this paper，rotary magnetic – field model and the technology of remote needle are discussed thorough- ly. The method of the measurement of the distance between the bit of the drill and the cave as well as the position deviation is established. And equipment for remote intersection is developed particularly. The theory and technology is proved to be feasible via field application. The equipment can find signal in 60m limit.
Keywords: coal bed methane; horizontal wells; rotating field; wells remote needle
作者简介:田中兰，男，中国石油集团钻井工程技术研究院煤层气所副所长，高级工程师，主要从事远距离穿针工具、煤层井壁稳定与储层保护等相关研究。电话:01052781885;Email:[email protected]。
1 引言
我国是世界煤炭资源大国，煤层气总资源量36.81×1012m3，与常规天然气资源量基本相当，位居世界第三。我国煤层气藏普遍具有低压、低渗透、低含水的储层特性［1，2］。从提高采收率和经济效益方面考虑，煤层气水平井、多分支水平井是最佳开发模式［3］;基于以上煤层气开发的特殊性和排采方式等;煤层气水平井通常需额外打一口直井，并将该井与水平井连通(如图1所示)，以便于下入螺杆泵、有杆泵等排水采气。远距离穿针技术及装备是实现远距离精确连通两口井的关键技术之一，也是煤层气多分支/“U”型水平井钻井的必需技术。
图1 煤层气水平井开采示意图
目前常规的钻井井眼轨道控制技术主要采用无线随钻测斜仪(MWD)对钻头进行井下定位和控制，但煤层气水平井钻井工艺要求实现水平井和直井连通，因此对井眼轨道测量与控制提出了更高的要求［4］。由于洞穴直井处的靶区为0.5m×(4～8)m的窄矩形框，MWD测量方式远不能满足煤层气水平井的轨道测控要求。为了适应国内煤层气规模化、商业化开采的需要，中国石油集团依托“十一五”期间国家重大专项“大型油气田及煤层气开发”组织重点攻关。三年时间里，项目组历经百余次实验，研制成功43/4远距离穿针工具，并形成了一套远距离穿针测量与控制技术，在距离70m处可捕捉信号，在距离60m处可进行精确定位导向作业;整套装备可靠性较高，可满足工业应用要求。
图2 传统MWD短节测量参数及结构特点
2 远距离穿针轨道测量与控制模型
煤层气水平井轨道测量与控制的目标是逐步缩小洞穴井与水平井相对位置的不确定性椭圆范围。通过引入旋转磁场直接测量水平井钻头与洞穴井的距离和方位偏差(如图3所示)，在明确两口井的相对位置关系后，调整水平井井眼轨迹，并最终实现洞穴直井贯通。
水平井钻头与洞穴井的距离和方位偏差测量计算公式如下所示［5，6］:
图3 连通井组井眼轨道测控模型
图4 钻头与洞穴间的距离和钻进角度偏差示意图
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
式中:R，θ为洞穴与水平井钻头间的距离(m)和方位偏差角(°)(图4);K为比例系数，HX，HY，HZ为磁场信号的三个分量(nT)。
3 4-3/4远距离穿针装备研制
图5 远距离穿针系统结构原理图
远距离穿针定位装备(MTSI)主要由磁性短节、磁阵列传感器、测量电路短节、地面供电电源和工控机等组成，具体如图5、图6所示。磁性短节本体由无磁材料加工制成，并在短节上镶嵌一些强磁圆柱体，其主要作用是在钻柱旋转时形成一个“旋转磁场”，频率与钻柱旋转频率相同，约为2～5Hz。探管主要用来探测旋转磁场信号(Hx，Hy，Hz)，并将测量的信号采集、放大，通过电缆传输到洞穴井井口。最后通过建立的磁场测量模型计算钻头与洞穴的距离和方向偏差。MTS-I型远距离穿针工具设计探测范围70m;系统方位测量误差小于0.4°，距离测量误差小于5%;可实现5m以内的近距离测量功能，信号不饱和、不失真。
图6 远距离穿针装备单元模块图
图7 DSFC-03井组完钻井眼轨迹
4 现场应用
MTS-I型远距离穿针工具在位于鄂尔多斯盆地彬县区块的DSFC-03井进行了一次远距离穿针施工作业。DFS-C03井是一口U型井，两井间距880m(如图7所示)。在井深1213m处，磁场信号开始出现，通过数据采集计算，方位偏差4.48度，计算距离为69.72m;基于以上计算结果，在井深1213～1219m和1222～1225m处进行扭方位作业，至井深1235m处方位偏差变为-0.34°;考虑到方位偏差角小于1度范围，在1252.6～1261.4m井段进行了复合钻进，在1261.4m处(距离洞穴为23.16m)发现方位偏差角存在增大趋势，开始进行扭方位作业;但是随着钻头逐渐靠近洞穴，方位偏差角会急剧增大，因此扭方位作业一直持续到两井连通;在井深1284.2m处将方位偏差角稳定在2.63°，误差半径为0.16m，其中洞穴直径为0.5m;在井深1284.2m处，立管压力突然下降，泥浆失返，表明两井连通。具体连通测量过程详见表1和图8。
表1 DSFC-03井施工作业过程
图8 现场施工定位图
5 结论
(1)穿针轨道测量与控制模型研究是开发MTSI远距离穿针装备的基础;基于永磁短节产生的旋转磁场的特点，结合煤层气水平井的钻井工艺，建立了钻头与洞穴距离和角度偏差测量模型。
(2)MTSI型穿针系统磁场和重力场等测量数据稳定，数据上传和地面采集快速准确;在距离70米处可捕捉信号，在距离60米处可进行精确定位导向作业，具体技术指标达到国际先进水平。
参考文献
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