煤层气羽状水平井技术方案课件.ppt

煤层气羽状水平井技术,宋生印,2 0 0 6 年 5月,突破瓶颈技术，实现快速发展,1.概述 2.煤层气羽状水平井钻井工艺 3.煤层气羽状水平井井壁稳定技术 4.羽状水平井井眼轨迹控制技术 5.沁水CBM井井身结构优化设计 6.羽状分支井井下控制工具及钻具组合,煤层气羽状水平井技术,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,基本概念羽状水平井，又叫鱼刺分支井或鱼骨分支井，是在一个主水平井眼两侧钻出若干个分支井眼，由于其形状象羽毛，也象鱼刺（鱼骨），因而得名。Z-PINNATEFISHBONE,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,基本概念,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,2.CBM羽状水平井基本要求由于煤层气的吸附特性，决定了煤层气的开发与常规天然气井不同，必须要考虑排水降压。羽状水平井的主水平井井斜大，排水采气设备难以下入，因此仅利用一口井满足不了煤层气开发的技术要求；这也就决定了，煤层气羽状水平井一般包括一口多分支水平井和一口抽排直井。因此，严格地说一口煤层气羽状水平井实际上是一个两口井的井组。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,3.涉及的几个基本概念羽状水平井抽排直井主水平井：上直段、造斜段、水平段分支井洞穴完井布井方式：羽前、羽后井间距离：250300m,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,突破瓶颈技术，实现快速发展,羽前布井方式,一、概述,突破瓶颈技术，实现快速发展,羽后布井方式,一、概述,4.CBM羽状水平井技术优势集钻井、完井和增产措施于一体的一种新型煤层气开发技术；能够在地下形成井网；,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,4.CBM羽状水平井技术优势充分增大井眼泄流面积；单井控制面积高达数平方公里（4.8Km2）。单井产量比常规压裂井高1015倍。美国西弗吉尼亚，利用该技术单井日产5.6104m3。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,4.羽状水平井技术优势羽状水平井58年控制面积内的采收率高达7080；而常规CBM压裂直井，采收率最高能达到50左右。经济效益好，是常规CBM井的35倍；投资回收期短，一般2年左右即可收回全部成本；而常规CBM压裂直井投资回收率一般接近10年。羽状水平井施工时井场占地面积小，只有常规压裂直井的1/3左右。如果与同样的控制面积来进行比较井场面积，羽状水平井可能只有十数分之一。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,5.国外研究现状美国CDX GAS LC公司（简称CDX）于上世纪末发明并采用羽状水平井体系(Pinnate System)新技术进行完井和生产。2002年、2003年获得美国专利。该技术适用于厚度和结构完整的薄煤层，同时，煤岩要具有一定的强度，以便成孔。目前，该技术领域已申请了多项技术专利，包括：羽状水平井井位布置、井身结构优化设计、欠平衡钻井、井眼轨迹控制及洞穴完井技术。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,5.国外研究现状CDX公司1999年开始进行羽状水平井技术研究和试验应用，截至2004年底已钻200多口羽状水平井，形成了煤层气羽状水平井钻井、造洞穴、井眼轨迹控制、开发设计与施工的一系列专有的工程技术。CDX公司取得了非常好的应用效果，近两年该技术已被美国环保局和天然气产业部门指定为开发煤层气的推广技术。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,6.国内研究现状国内煤层气勘探开发经历了10多年的艰难探索，施工了数百口井，钻井方式从平衡钻井到欠平衡钻井，完井方式从射孔到裸眼洞穴再到动力洞穴，增产措施从水力压裂到注N2/CO2助排或高能气体压裂，等等，应该说投入了大量的人力、物力、财力，进行了各式各样的尝试与探索，但仍然很不理想，至今没有真正形成一定规模的产业化基地，,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,6.国内研究现状石油天然气方面：普通水平井各个油田得到了广泛的应用，分支水平井随之引起了高度重视，但目前，国内对多分支井的产能研究比较深入，对多分支井钻井、完井工程技术研究较少。据我所知，目前石油行业仅进行了6口多分支井工程施工：胜利油田庄1支平1井、梁46支平1井，辽河油田静3159FP水平分支井，中海油海1420井、西江B22井，江苏小桥盐矿T96井。羽状水平井作为一种更加特殊的钻井技术，目前国内油田只有大港于2004年底施工的JH2井，仅此一口。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,6.国内研究现状在煤层气方面：美国奥瑞安公司于2004年和2005年分别在沁水盆地施工了两口多分支CBM井，第一口井由中原油田钻井集团承钻，第二口由华北石油管理局第二钻井公司承钻。这两口井施工时国内公司主要提供钻机服务，核心技术主要依靠国外公司。因此，国内公司并不掌握关键技术。美国格瑞克公司在江西丰城施工CBM多分支水平井没有成功。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,7.主要技术难点分析羽状水平井采用裸眼完井，因此完井方面不存在技术难题；羽状水平井井眼轨迹控制技术本身是一项非常复杂、且非常先进的技术，再加上在煤层中钻进保持井眼稳定难度很大，使得CBM羽状水平井井眼轨迹控制面临下列技术难题：(1)上直段轨迹控制对主水平井眼和分支井眼轨迹控制会产生间接影响，如果控制不好，将会增大主水平井和分支井眼轨迹控制难度，甚至会导致主水平井和分支井无法施工。(2)主水平井眼的轨迹变化会对分支井眼轨迹控制产生影响，可能会因主水平井眼轨迹没有达到设计要求，而对分支井眼的分支位置、井眼长度、分支井眼数量等产生影响。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,7.主要技术难点分析(3)在主水平井眼内进行侧钻施工，其难度远远大于在直井井眼中进行侧钻施工：摩阻、扭矩、钻具疲劳失效等(4)井眼重入问题仍未得到实质性解决；(5)始终保证主水平井和分支井在煤层中钻进仍有许多未解决的技术难题；(6)主水平井眼穿越抽排井裸眼洞穴的中标难度很大。(7)实时修改、修正施工设计和作业参数方面的技术要求很高。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、煤层气羽状水平井钻井工艺,1.整体施工顺序先钻抽排直井，然后钻主水平井，并使主水平井在煤层部位与抽排直井相交，最后在主水平井两侧依次钻各个分支井眼。如果先钻羽状水平井，后钻抽排直井，则两井相交的难度会大大增加，甚至会导致两井相交失败。因为：尽管直井钻井施工难度远低于水平井，但实践表明，直井井眼控制难度比水平井眼轨迹控制大。另外，为了保护储层CBM井最好采用欠平衡钻井技术，这样在分支井施工时可以利用抽排直井向井下注入气体。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、煤层气羽状水平井钻井工艺,2.抽排直井施工工艺在距设计的羽状水平井井口250300m的位置钻抽排直井：(1)钻表层，下入表层套管并注水泥固井；(2)如果设计有技术套管，则钻至相应的设计深度，下入技术套管并注水泥固井，然后钻进至煤层顶板；如没有设计技术套管，则直接钻进至煤层顶板；(3)下入生产套管，注水泥固井；(4)钻穿煤层；(5)采用特制的扩孔器在煤层段进行扩孔，造出一个直径2m的洞穴。该洞穴的作用：一是将来进行煤层气生产时用作储集水、气；二是洞穴直径比井眼直径大，有利于水平井与抽排井相交。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、煤层气羽状水平井钻井工艺,3.特制的扩孔工具,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、煤层气羽状水平井钻井工艺,4.主水平井施工工艺(1)钻主水平井上直段；(2)钻主水平井造斜段，当井斜角达到86左右后，下入技术套管并注水泥固井；(3)继续钻进直到主水平井眼与抽排裸眼洞穴相交，至此，主水平井眼与抽排直井相连通；(4)穿越裸眼洞穴继续钻水平井眼，至设计井深。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、煤层气羽状水平井钻井工艺,5.分支井施工工艺两种施工工艺方法:倒退法：由主水平井眼尾端侧翼先钻一分支井，然后沿往回方向的两侧再钻其它分支井，这样从末端向后倒退逐个钻成分支井。前进法：与前种方法相反，从主水平井起始位置向前逐个钻成分支井的方法。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、煤层气羽状水平井钻井工艺,5.1 倒退法施工工艺(1)利用常规导向钻具组合现将主水平井眼全部钻完，调整钻井液性能，充分循环，确保主水平井段井眼清洁，无挂卡、遇阻现象；(2)起钻，下入分支井导向钻具组合，在主水平井眼末端附近，侧钻第一个分支井眼；(3)上提钻头至下一个侧钻点钻第二分支；(4)用同样的方法在主水平井两侧依次钻出设计要求的各分支井。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、煤层气羽状水平井钻井工艺,5.2前进法施工工艺(1)利用常规导向钻具组合钻部分主水平井眼，钻至第一个分支侧钻点，调整钻井液性能，充分循环，确保主水平井段井眼清洁，无挂卡、遇阻现象；(2)起钻，下入分支井导向钻具组合，侧钻第一个分支井眼；(3)钻完第一个分支井后，充分循环，起钻；(4)采用常规导向钻具组合继续钻主水平井，钻至第二个分支侧钻点，再充分循环，确保主水平井段井眼清洁，无挂卡、遇阻现象；起钻；(5)下入分支井导向钻具组合，侧钻第二个分支井；(6)重复上述步骤，在主水平井两侧依次钻出设计要求的各分支井。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,1.煤岩特性使得井壁稳定性差,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术对于泥页岩坍塌机理，常规油气井钻井通常采用控制钻井液密度、失水及造壁等特性来实现井壁稳定；对CBM井，单纯依靠控制钻井液性能难以实现井壁稳定。因：廊坊分院完井所曾对沁水盆地3#煤层进行了煤样三轴应力条件下，井壁稳定性模拟试验研究，得到了为防止煤层破裂的最大许用钻井液密度和防止井眼坍塌的最小钻井液密度值为：1.301.50g/cm3（密度窗口）。但根据煤层坍塌的机理，结合沁水盆地CBM井钻井实践，单靠控制钻井液密度来实现井壁稳定是不可行的。一方面，提高钻井液密度将加剧煤层污染（伤害）；另一方面，钻井液密度高会导致井漏，沁水钻井实践表明，钻井液密度控制在1.10g/cm3以下，仍然出现井漏现象。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术根据煤岩失稳机理及其影响因素研究表明，我认为，针对沁水盆地煤层段钻井液可采用如下4种方案：(1)钾铵聚合物防塌体系；(2)清水注空气钻井液体系；(3)油包水钻井液体系；(4)气体钻井(空气、煤层气),突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(1)钾铵聚合物防塌体系钾铵聚合物钻井液体系，从其配方和所达到的性指标来看，具有稳定井壁的作用。但该体系仍然不可避免地造成储层伤害，特别是对煤层造成的伤害仍然不可忽视。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(2)清水注空气钻井液体系CDX公司钻羽状水平井几乎都用该体系，在清水中形成气泡，一方面可以提高携岩屑能力，另一方面降低了环空压力，减少了钻井液进入煤层的可能性，达到了防止漏失和保护储层的目的。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(2)清水注空气钻井液体系采用清水注空气体系，只需在地面配备一台空压机，工作压力达到6MPa以上。充气量可根据地层压力系数和欠平衡的需要，通过计算钻井液循环的当量密度用专用软件来确定。实际施工时可结合地层流体的返出情况控制充气量。爆炸控制问题：氧气与甲烷混合,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(3)油包水钻井液体系油包水钻井液属于无粘土(无固相)钻井液体系，采用抽排水作为配浆水，对煤层污染非常小，且该体系维护简单，更重要的是该体系摩阻小，能满足大位移水平井的技术要求，因此，具有很强的实用性。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(3)油包水钻井液体系典型的油包水钻井液体系：柴油:水=6:4 密度0.9原油:水=7:3 密度0.9柴油:水=7:3 密度0.89,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(3)油包水钻井液体系可用于沁水盆地的基本配方：油水比67:34；主乳化剂35%；辅助乳化剂13%；增稠剂0.30.6%；降失水剂35%。性能指标如下表：,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(3)油包水钻井液体系主要特点：具有较强的抑制性。由于该体系中加入了足量的强抑制性聚合物处理剂作为提粘降失水剂，故能很好的抑制粘土、泥页岩的水化、膨胀、分散和造浆。实验表明膨胀率仅为清水的7.55%，为聚合物钻井液的34%。利于煤层井壁稳定。良好的润滑性能，含有乳化剂，摩擦系数小于0.065。该体系为无固相钻井液，不存在堵塞煤岩割理等裂隙，利于储层保护；可采用煤层抽排水配浆，与煤层的配伍性好，不会对储层造成外来流体伤害。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(4)气体钻井(空气、煤层气)从保护储层和稳定井壁角度来考虑，采用气体钻井无疑是最优方案，但需要对气体钻井相应的工艺和配套设备进行完善。特别是随钻测量仪器，MWD没法用。必须要采用更先进、价格更贵的EMWD或闭环旋转导向、闭环地质导向钻井系统。若采用空气，还存在爆炸的危险。,突破瓶颈技术，实现快速发展,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,1.主水平井剖面设计 1.1水平井类型长半径水平井：造斜率286.5m。优点：狗腿严重度小，井眼及工具尺寸不受限制，测井、取心方便。缺点：井眼轨迹控制段长，钻井费用增加，且不适用于薄层、浅层。中半径水平井：造斜率20 67/100m，曲率半径286.586m。优点：进入储层前无效井段较短，井眼轨迹控制段较短，井下扭矩及摩阻较小。缺点：要求使用MWD和加重钻杆。短半径水平井：造斜率3 10/m，曲率半径19.15.73m。优点：井眼曲线段最短，中靶准确度高，全井斜深最小。缺点：必须使用专用工具，施工难度大。,突破瓶颈技术，实现快速发展,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,1.2剖面类型单弧剖面：又称“直增水平”剖面，使用一种造斜率使井斜由0增至90。这种剖面设计适用于目的层顶界和工具造斜率都非常确定的水平井剖面设计。通常用于钻短半径水平井。,突破瓶颈技术，实现快速发展,1.主水平井剖面设计,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,1.主水平井剖面设计 1.2剖面类型双弧剖面：又称“直增稳增水平”剖面，它由直井段、第一增斜段、稳斜段、第二增斜段和水平段组成。其突出的特点是在两段增斜段之间设计了一段用于调整的稳斜段。适用于目的层顶界确定而工具造斜率尚不清楚的情况。最近常用微增段代替稳斜段，以使井眼轨迹光滑。,突破瓶颈技术，实现快速发展,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,1.主水平井剖面设计 1.2剖面类型多弧剖面：两个或两个以上用于调整的稳斜段，适用于目的层顶界和工具造斜率都不确定的情况。,突破瓶颈技术，实现快速发展,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,1.3剖面设计方法现有剖面设计方法很多，涉及到二维方法和三维方法，如曲率半径法、长曲率法、悬连线法、斜面法、柱面法、螺旋线法、模拟法等。目前应用较为普遍的方法是：固定参数法和调整参数法两种。下面分别以单弧剖面、双弧剖面和三弧剖面进行设计计算。,突破瓶颈技术，实现快速发展,1.主水平井剖面设计,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,1.4单弧剖面设计计算已知条件：水平段起始点、井斜角、水平段长度L、方位、目标点垂深Ht。用固定参数法进行剖面设计，确定造斜点和造斜率当造斜率确定后，井斜角和曲率半径R成为已知，造斜点垂深由下式确定：Hk=Ht-Rsin靶前位移为：SA=R(1-sin),突破瓶颈技术，实现快速发展,当靶前位移选定时：,当造斜点垂深确定后：,1.主水平井剖面设计,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,1.5双弧剖面设计计算用调整参数法进行剖面设计。设稳斜段长Lw,稳斜角为w、造斜点垂深Hk。靶前位移SA，曲率半径分别为R1、R2。则：R1sinw+Lwcosw+R2(sin sinw)=Ht Hk R1(1-cosw)+Lwcosw+R2(cosw cos)=SA确定其中任意4个参数，就能确定另外两个待求参数。稳斜角可由下式求得：,突破瓶颈技术，实现快速发展,1.主水平井剖面设计,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,1.5三弧剖面设计计算设三弧剖面第一、第二、第三造斜段的曲率半径分别为R1、R2、R3，第一、第二造斜段的井斜角和段长分别为w1、Lw1和 w2、Lw2，造斜点垂深Hk，着陆点垂深和井斜角分别为Hk和，靶前位移SA，煤层顶提前量H，传感器距钻头距离为L，辨识煤层顶垂深范围h，煤层中部距顶界为d。则这些参数满足下列方程：,突破瓶颈技术，实现快速发展,1.主水平井剖面设计,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,1.5三弧剖面设计计算则这些参数满足下列方程：Ht=Hk+R1sinw1+Lw1sinw1+R2(sinw2 sinw1)+Lw2sinw2+R3(sin-sinw2)SA=R1(1-cosw1)+Lw1cosw1+R2(cosw1 cosw2)+Lw2cosw2+R3(cosw2-cos),突破瓶颈技术，实现快速发展,1.主水平井剖面设计,上述参数中，Hk、Ht、SA、H、L、h、d一般为已知或可以确定。其余的8个参数需先确定3个，然后用上述方程求解其余5个参数。,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,煤层气分支井一般都有多个靶点，既有井斜的变化，又有方位的变化，其剖面设计是一个三维剖面设计问题。比上述二维方法要复杂得多。在此，介绍一种比较简单得计算模型自然曲线模型。对井眼轨迹上某一井段，设井斜变化率为k，方位变化率k，二者在该井段上保持常数，设该段起始井斜角s、方位角s、井深Ls，该段最终井斜斜角、方位角。则在垂直剖面投影图上，当k0时，井眼轨迹为一段圆弧，当k0时，井眼轨迹为一段直线；而在水平剖面投影图上，当k0时，井眼轨迹要么为圆弧(k0)，要么为直线(k0)。,突破瓶颈技术，实现快速发展,2.分支井剖面设计,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,井斜角和方位角都是井深得函数，井段内各坐标增量的计算模型如下：,突破瓶颈技术，实现快速发展,2.分支井剖面设计,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,井斜角和方位角都是井深得函数，井段内各坐标增量的计算模型如下：,突破瓶颈技术，实现快速发展,2.分支井剖面设计,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,井斜角和方位角都是井深得函数，井段内各坐标增量的计算模型如下：,突破瓶颈技术，实现快速发展,2.分支井剖面设计,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.1主要技术难点分析(1)水平井中靶与定向井不同：定向井只要求击中目标，而水平井既要击中目标又要限定井眼方向。(2)煤层深度变化给轨迹控制带来困难：实际煤层深度往往与预想深度有出入。(3)随钻信息滞后：由于MWD传感器距钻头有一定的距离(1015m)，并且MWD数据传输速度只有35bits/S，井深较大时信息滞后达几分钟，不能及时准确反映所钻地层特性，给着陆带来困难，甚至造成脱靶。(4)井眼摩阻大，加钻压困难，易卡钻：当钻具发生正弦屈曲后继续加压，很容易因出现螺旋屈曲而使得钻具处于锁死状态，再加压传递不到钻头，容易造成钻具失效。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制方法(1)钟摆法井斜控制技术根据钻铤尺寸、钻压大小以及井眼几何形态合理确定支点（扶正器）位置。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制(2)偏重钻铤井斜控制技术每旋转偏重钻铤就有一次钟摆力与离心力的重合，对井壁产生较大的冲击纠斜力。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制(3)塔式钻具井斜控制技术下部钻具重量大、刚度大、重心低、与井眼间隙小。一方面能产生较大的钟摆力防止井斜，另一方面钻具稳定性好有利于钻头平稳工作。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制(4)刚性满眼钻具井斜控制技术由几个外径与钻头直径接近的扶正器及一些较大的钻铤构成。其刚度大，大钻压下也不易弯曲，能始终保持钻具在井内居中，减少钻头偏斜。另外，扶正器能支撑在井壁上，即使受到地层横向力的作用也能限制钻头横向滑移，从而确保井直。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制(5)专用防斜器井斜控制技术专用防斜器的结构是下部为螺旋扶正器，上部由内外筒组成，并有普通螺纹连接起来，外筒和内筒之间具有一定间隙，内筒上部可在外筒内滑动。(6)柔性防斜钻井技术利用柔性短接或柔性钻具井斜防斜、纠斜。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制(7)动力学防斜技术常规钻具的降斜力主要是钟摆力或离心力，钻压不能太大，这就大大降低了钻井速度。动力学防斜、降斜的技术关键是加大钻压，使底部钻具组合处于螺旋屈曲的动力学状态，增加斜向力和附加轴向力。这种方法既能降斜又能提高机械钻速。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制(8)偏轴、预弯防斜钻具组合利用偏轴接头使钻具在钻压作用下做稳定的弓形回旋运动，从而产生较强的纠斜力。钻压越大，转速越高，越有利于纠斜。在钻具组合中使用单弯或双弯螺杆，使钻具成为预弯曲钻具组合，具有防斜打快的效果。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制(9)旋转导向控制技术旋转导向工具系统是以井下旋转工作方式的闭环自控执行工具(典型代表是偏心变径稳定器)为导向工具、以MWD(或LWD)为信息传输通道和地面信息处理软件系统组成的钻井工具系统，在海上大位移钻井中获得广泛应用当以常规的MWD作为信息通道时，上传信息只有工程测量参数(井斜角，方位角)而无地质参数；当以LWD作为信息通道时，上传信息除工程参数外，还包括地质参数(电阻率、自然伽玛，以及其它地质参数),突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制(10)地质导向控制技术,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,根据随钻定向测量数据和随钻地质评价测井数据，通过人机对话控制井眼轨迹。使钻头始终沿油层或煤层钻进，避开地层界面和流体界面钻进。,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.2上直井段轨迹控制(10)地质导向控制技术,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,目前已投入商业运作的钻井系统（1）垂直钻井系统（VDS）：德国用于深井及超深井 防斜垂直钻井用；（2）自动定向钻井系统（ADD）：美国能源部提出的；（3）自动导向系统（AGS）：美国Steve Bell公司研制；（4）旋转导向钻井系统（SRD）：美国CAMCO 公司推出；（5）旋转闭环钻井系统（RCLS）：美国Baker Hughes 公司。,突破瓶颈技术，实现快速发展,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,PowerV垂直钻井技术,解放钻压全旋转钻进人工可调侧向力，实现主动防斜井眼平滑,一般来说，地质导向钻井系统包括：井场信息接收和处理系统+MWD/LWD+无线短传+测传马达(含近钻头测量短节)+钻头,测传导向马达(Instrumented Steerable Motor)这是一种完全仪器化的导向马达(其壳内装有传感器组件)，它直接与钻头相连，能够测量近钻头处地层电阻率、方位电阻率、自然伽马以及井斜和钻头转速等参数。这些参数通过电磁波传送到马达以上的MWD或LWD，再由泥浆脉冲传送到地面。借此，司钻和地质家可实时了解到钻头处的岩性变化以及检测钻头处的油气显示情况，并通过对钻头进行导向，保证井眼在储层内延伸，达到增大储层泄油面积、提高单位进尺的产量和降低完井成本的目的。,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.3造斜段及探煤层顶轨迹控制(1)采用地质导向钻井技术，MWD无线随钻测量系统对井眼轨迹实时监测；(2)钻具组合在满足轨迹控制技术要求下应尽可能简化，以降低摩阻和扭矩，减少复杂事故；(3)施工时要准确预测钻具得实际造斜率，分析井眼变化趋势，及时调整钻井参数，使实际井眼轨迹尽可能沿设计或优于设计线前进，井斜角50左右时最好用LWD进行伽马、电阻率曲线跟踪测量，以便与临井资料进行分析对比，确定目的层与设计的误差，及时调整轨迹。(4)靶点前3050m进行探煤层顶，根据井下钻具造斜率的大小，探煤层顶的井斜角控制在一定的范围之内，对煤层提前或落后要有充分的准备。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.4主水平井穿越抽排井裸眼洞穴技术主水平井眼必须要穿过裸眼洞穴，然后钻下面的井眼或进入下面的井眼。由于裸眼洞穴的存在，使得施工难度大为增加。因为裸眼洞穴直径2m左右，相当于一个“大肚子”井段，在穿过裸眼洞穴时，必然会产生不同程度的复杂情况，甚至导致钻井事故的发生。目前常用下列三种解决此问题的方法：(1)先打水泥塞，再过裸眼洞穴：首先，在抽排井裸眼洞穴以下井段打水泥塞，将裸眼洞穴下部井眼封住，然后，再进行后续施工，这样，钻头通过裸眼洞穴时就不会因重力而进入下部井眼，就可以避免发生复杂情况。(2)不钻穿下底板，沿下底板过洞穴：在钻井施工中，抽排井只在煤层段造出洞穴，而不钻穿煤层下面的底板，这样，钻头通过裸眼洞穴时可以沿底板钻进，就可以顺利通过，避免发生复杂情况。(3)将抽排直井放在水平段尾端：设计时将洞穴井放在水平段尾 端，水平井眼在钻进过程中无需穿洞穴。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.5水平段轨迹控制(1)水平井段钻具稳平能力要强，同时要有一定的调整能力。实践中应尽可能采用复合驱动（转盘+螺杆）钻井方式，以便既能提高钻井速度，又有利于防斜。(2)利用井斜变化率来预测造斜工具的造斜率，确定井底实际井斜，判断钻头在井底的位置，随时调整轨迹变化，以确保钻头在煤层中钻进。(3)通过返出的岩屑和LWD测量参数的变化规律，判断钻头在煤层中的具体位置，以便及时调整井眼轨迹。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,3.6轨迹控制总体技术措施(1)加强上直段防斜打直。(2)斜直段采用导向钻井系统，并根据造斜率的变化调整滑动和复合钻井的比例，使井眼轨迹满足设计要求。(3)由于存在信号反馈的滞后现象，施工中要及时分析钻具组合的造斜、降斜能力和钻井时井斜、方位的变化规律，及时测斜、计算、跟踪，修正井眼轨迹。根据计算结果及时制定下一步施工方案，并为后续轨迹控制留有余地。(4)坚持滑动与复合钻井交替施工。(5)随着井斜、井深和地层岩性变化，可能会出现托压和工作面难摆到位的情况，应降低回次进尺，加大润滑剂用量。(6)控制好实钻造斜率。对选用的钻具组合进行动力学等各方面的分析，准确掌握该套钻具组合的造斜率，及时调整工具面，保证井眼轨迹。,突破瓶颈技术，实现快速发展,3.主水平井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,侧钻技术是分支井井眼轨迹控制的核心技术，针对主水平井是裸眼或下套管完井两种不同情况，侧钻技术分为裸眼侧钻和套管开窗侧钻。由于CBM羽状水平井多采用裸眼完井，因此，我这里主要介绍裸眼侧钻技术。,突破瓶颈技术，实现快速发展,4.分支井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,裸眼侧钻技术分为：(1)悬空侧钻；(2)使用可回收式裸眼封隔器/斜向器进行侧钻；(3)打水泥塞进行侧钻。(1)悬空侧钻：施工程序最简单，直接由单弯螺杆组成的导向钻具下至侧钻点，根据要求的方位摆好工具面，以滑动的方式进行钻井。该方法施工工艺简单，易于实现。但每次起钻后再次下入时定位和定向要求非常准确。,突破瓶颈技术，实现快速发展,4.分支井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,(2)使用可回收式裸眼封隔器/斜向器进行侧钻，施工工艺如下：钻完主水平井后，调整钻井液性能确保水平井段内岩屑清洗干净，煤层井壁稳定；起出钻具，下入可回收式裸眼封隔器/斜向器到预定分支点，定向座封，然后下入导向钻具，侧钻出一个分支井眼；钻完第一个分支井后起出钻具，下入专用工具将斜向器起出；重复上述步骤钻完所有设计的分支井。采用这种方法成功率高，但需要特殊的工具，可靠的斜向器可能必须从国外引进。,突破瓶颈技术，实现快速发展,4.分支井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,(3)打水泥塞进行侧钻，其施工工艺如下：在钻第一个分支井前，在主水平井相应的位置打一个50100m的水泥塞，后凝48小时；修塞，将水泥塞顶面修至侧钻点；下入由直螺杆和弯接头组成的钻具进行定向钻进，或下入由单弯螺杆组成的导向钻具进行定向钻进，直到钻出新井眼；钻完第一个分支井后，将水泥塞钻掉；重复上述步骤钻另一分支井，直到钻完所有分支井。由于CBM羽状水平井需要在主水平井眼两侧钻出多个分支井，因此，需多次打水泥塞和钻水泥塞，施工程序复杂，且储层伤害严重。,突破瓶颈技术，实现快速发展,4.分支井井眼轨迹控制,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,由于羽状水平井有多个分支井眼，当进行起下钻或换钻头作业后，就面临如何重新进入某个井眼的问题。目前国内外最常用的方法有两种：(1)采用再进入导向器；(2)调整工具面法。,突破瓶颈技术，实现快速发展,5.井眼重入技术,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,(1)采用再进入导向器：该导向器由定位装置和转向装置两部分组成。将导向器连接在管柱下部，与管柱一起下入主水平井眼内，当快要接近欲进入分支井的开窗位置时，首先在主水平井眼内将管柱缓慢下过该分支井开窗位置约8m远的距离。在这个过程中，测孔定位爪会检测到开窗的方位，同时将转向装置的侧弯爪调整到与开窗位置相同的方位。然后上提管柱，当导向器达到开窗位置时，正对开窗位置一侧的侧弯爪张开，同时，随着导向器向上经过开窗位置，侧弯爪迫使导向头向开窗一侧弯曲，再次下放管柱，弯向开窗方向的导向头首先进入分支井，然后将整个管柱导入分支井。若要进入另一个分支井，从当前分支井眼内提出管柱，重复上述步骤即可。,突破瓶颈技术，实现快速发展,5.井眼重入技术,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,(2)调整工具面法：由于各分支井眼钻完后，其侧钻点的位置是固定不变的，即各侧钻点的井深、井斜和方位是固定不变的。根据这一特点，可下入导向钻具，首先下至要进入的分支井的侧钻点，然后利用MWD或更先进的随钻测量仪器摆放工具面，将工具面调整至分支井眼所在方位，慢慢下放钻具，并随钻监测，判断钻具是否进入所希望的分支井眼中，当确认已经进入预期的分支井后即可正常下钻。重复上述步骤可进入其它分支井。,突破瓶颈技术，实现快速发展,5.井眼重入技术,四、羽状水平井井眼轨迹控制技术,MWD随钻测量：井斜角、方位角 LWD随钻测井：地层电阻率、体积密度、中子孔隙度、自然伽马SWD随钻地震：钻头待钻地层前方岩石类型、孔隙度、孔隙压力,其他声学敏感的岩石参数DDS随钻井下钻井动态数据实时检测和处理技术FEWD随钻地层评价：井眼方位角、井斜角、钻压、扭矩、应力、流体压力、泥浆密度、及地层孔隙度、岩石密度 GST地质导向技术,突破瓶颈技术，实现快速发展,6.井眼轨迹跟踪测量技术,五、沁水CBM羽状水平井典型设计,1.抽排直井井身结构总体设计方案方案1：一开用444.5mm钻头钻进3040m，339.7mm套管下深30m，坐入硬基岩。根据实钻情况，地表存在20m左右的含鹅卵石松散地层，易垮、易漏，应下套管封隔，但由于一开钻头尺寸大，下部地层可钻性差，为了节省钻井时间，套管也不宜下入太深。因此，设计339.7mm套管下深30m，坐入硬基岩应能满足要求。二开用311.2mm钻头钻至井底，下入244.5mm套管至煤层顶部，封固煤层以上井段。然后先采用215.9mm钻头钻塞，之后再在煤层段造一个直径2m左右的洞穴。,突破瓶颈技术，实现快速发展,针对沁水盆地进行总体方案设计,五、沁水CBM井井身结构优化设计,1.抽排直井井身结构总体设计方案 方案2：与方案一基本相同，采用二开，不同之处在 于该方案二开采用241.3mm钻头钻至井底，下入 177.8mm套管至煤层顶部，然后采用154.2mm钻头钻至井底，然后采用154.2mm钻头钻塞，然后在煤层造一个直径2m左右的洞穴。与方案一比较，该方案的优点是二开用241.3mm钻头，有利于提高钻速。不利的一面是井眼尺寸小，不利于造洞穴。,突破瓶颈技术，实现快速发展,五、沁水CBM井井身结构优化设计,2.羽状水平井井身结构设计方案 设计原则：要以保护钻井安全为主，兼顾保护煤储层。设计为三开井身结构：一开钻表层，表层套管封固地表易漏地层；二开钻至井斜角86左右，下入技术套管封固煤层段以上地层；三开采用中、小曲率半径造斜进入煤层，并在煤层中钻800100m长的主水平井眼，然后在主水平井眼两侧不同位置交替钻46个水平分支井眼，单个水平分支井眼长300600m，与主主水平井眼成3045夹角，全部采用裸眼完井。,突破瓶颈技术，实现快速发展,五、沁水CBM井井身结构优化设计,3.典型的羽状水平井井身结构一开用444.5mm钻头钻进3040m左右，下入339.7mm套管30m，坐入硬基岩；二开用311.2mm钻头用中曲率半径造斜钻进至斜角86左右，下入244.5mm技术套管；三开用215.9mm钻头进入煤层，并在煤层中钻8001000m长的主水平井眼，然后在主水平井眼两侧不同位置用152.4mm钻头交替钻46个水平分支井眼，裸眼完 井。,突破瓶颈技术，实现快速发展,五、沁水CBM井井身结构优化设计,3.典型的羽状水平井井身结构主水平井剖面参数设计为:第1增斜段造斜率一般可设计为25/100m 左右，将井斜增至5560；第2增斜段一般造斜率可设计为6/100m左右，作为调整段；第3增斜段造斜率一般可设计为30/100m左右，将井斜增至设计要求。采用该种剖面主要依据以下几点考虑:一是这种剖面易于施工；二是没有稳斜段，井眼轨迹整体比较光滑，摩阻较小，有利于钻压和扭矩的传递。因此，用增斜段代替稳斜段作为调整段；三是国内中半径水平井实施的比较多，对该类导向工具造斜率了解得 比较多。,突破瓶颈技术，实现快速发展,五、沁水CBM井井身结构优化设计,3.典型的羽状水平井井身结构分支井剖面参数设计:是一个三维剖面设计问题，可用自然曲线法进行计算。如果水平井眼和各分支井眼在同一平面内，可用固定参数法进行计算。为了简化期间，设计参数可采用中曲率半径和单弧剖面，即“直增稳三段制剖面，造斜率可设计为2530/100m，与 主水平井眼成3045夹角。,突破瓶颈技术，实现快速发展,五、沁水CBM井井身结构优化设计,3.典型的羽状水平井井身结构,突破瓶颈技术，实现快速发展,六、羽状分支井井下控制工具及钻具组合,1.关键井下控制工具 1.1铰接式接头,突破瓶颈技术，实现快速发展,六、羽状分支井井下控制工具及钻具组合,1.关键井下控制工具 1.1铰接式接头两铰接本体通过活络铰接形式互相连接，两本体之间由密封胶套来密封，固定套用于固定密封胶套，防止脱落和磨损。铰接式接头可传递扭矩和任何方向偏转，抗内压、外挤和抗拉强度能满足分支井钻井要求。其优点是：圆弧形万向节任意方向转动灵活，可减少钻柱的刚性，使水平井段起下钻顺利。,突破瓶颈技术，实现快速发展,六、羽状分支井井下控制工具及钻具组合,1.关键井下控制工具 1.2可回收式裸眼封隔器/斜向器CBM羽状水平井要求斜向器可以回收,突破瓶颈技术，实现快速发展,六、羽状分支井井下控制工具及钻具组合,2.主水平井上直段钻具组合（典型）采用钟摆钻具、满眼钻具或采用单弯螺杆和MWD组成的导向钻具组合，结合复合驱动钻