水平连通钻井技术的应用

来源 :中国石油和化工标准与质量 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liyan19821021
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  【摘要】水平连通钻井技术(又称“穿针”技术)是在水平井钻井的基础上,配合RMR技术,发展起来的钻井技术。已经被应用于煤层气定向分支水平井已经被成功应用于开采煤层气的分支水平井的地下(与直井)连通钻井施工和开采井盐的水平连通井的钻井施工,而且都取得了预期的经济效益和社会效益,推广前景广阔。
  【关键词】煤层气 水平井 盐矿采卤井 连通
  水平连通钻井技术(又称“穿针”技术)是在水平井钻井的基础上,配合新仪器设备,特别是引进了 RMR技术(RMR技术的核心是电磁测距,主要用来测量目标井和正钻井之间的直线距离,确定钻头实时位置)发展起来的钻井技术。RMR技术的引进,使得井下连通(对接)实现难度,与引进该技术之前相比较,有了很大改善,降低了施工难度。水平连通钻井技术现在已经被成功应用于开采煤层气的分支水平井的地下(与直井)连通钻井施工。
  水平连通钻井技术也被用于开采井盐的水平连通井的钻井施工,促使井盐开采方式由原来的单井对流水溶采卤法,转变为分井注采法开采,提高了盐产量、提高了资源利用率。注水井和采卤井功能分开以后,井内管柱和井口装置得到简化,工人的劳动强度降低,也降低了井内发生事故复杂的几率。
  1 用水平连通钻井技术钻羽状分支水平井开采煤层气
  煤层气的开发是21世纪发展方向。开采煤层气的意义在于即能开发清洁能源,也能有效地排除(减少)煤层瓦斯气,降低煤矿开采风险,利国利民,意义重大。但是传统的单井采气,由于释放面积所限,瓦斯释放缓慢、释放不彻底,对于渗透性较差的含气煤层进行单井瓦斯抽放不经济。近年兴起的分支水平井开采煤层气,可以使井眼向生产层四面八方地深入数千米,这些水平井眼把大片储层连通,既提高了采排效率,又有效地节约了煤层气开发费用 。胜利、辽河都成功地钻成了多组分支水平煤层气井,特别是渤海钻探公司近年在山西钻成的多组分支水平煤层气井,成功破解国内多分支水平煤层气井施工的技术瓶颈,取得了许多成功的经验和骄人的成绩。
  常规开采工艺是直井单井排水采气。实践证明,当煤的渗透率在1×10-3μm2时,水平井的产气量比垂直井提高3~10倍。近几年在煤层比较厚而且煤层分布连续的储层中采用分支水平井,就是在主水平井眼里再钻出多个分支水平井眼,取得了施工占地面积少,产气量多的效果。
  用水平连通钻井技术钻羽状分支水平井开采煤层气
  1.1 开采煤层气的分支水平井连通技术
  一个煤层气多分支水平井井组一般由一口排采直井(或洞穴直井)和一口多分支水平井组成;多分支水平井由主支及在主支上侧钻的若干分支组成。施工内容包括钻直井井眼、钻多分支水平井主井眼和各分支井眼,还包括水平井主井眼与直井眼的相交连通。
  一般多分支水平井组的施工顺序为:
  ①先施工排采直井,并在煤层部位造洞穴。直井的主要作用为: 预探地层信息,为水平井着陆及连通提供资料;
  ②施工多分支水平主井,与直井在洞穴部位连通,在直井注气,帮助水平井携岩及形成欠平衡钻井;
  ③继续向前钻进,形成第一主支(M1),在 M1 主支上侧钻若干分支。然后再抽回钻具在过洞穴后的适当位置侧钻第二主支(M2),再在 M2 主支上侧钻若干分支,依次类推。
  ④所有钻井施工完成后,在直井排水采气。井组排布和施工顺序示意如图1所示。
  1.2 开采煤层气的分支水平井连通难点
  (1)煤层比较脆,存在着互相垂直的天然裂缝,而在这种脆性地层中钻进极易引起井下垮塌、卡钻等复杂情况和事故,甚至使井眼报废。
  (2)煤层易受污染,储层保护难度大,一般采用充气钻井液、泡沫钻井液钻进。
  (3)一般煤层埋藏比较浅,水平连通井井眼曲率较大,钻压难以有效传递,同时钻水平井眼时钻柱易发生疲劳破坏,导致出现井下事故或复杂情况。
  (4)煤层气水平井分支施工涉及到许多新工具和仪器,例如用于两井连通的电磁测量装置、小尺寸地质导向工具等,这些装备和仪器有的还需要引进。
  (5)地下井眼连通,连通距离远,仪器或大或小都存在一些误差,目标小,犹如“穿针”,在每一个环节都须认真仔细计算和操作,确保连通一次成功。
  1.3 开采煤层气的分支水平井连通
  水平井和洞穴井的连通过程中采用了RMR技术。RMR技术的核心是电磁测距,主要用来测量目标井(通常为直井)和实钻井的直线距离,它必须与螺杆钻具和 MWD 配合使用。
  1.3.1?连通仪器组成?
  连通仪器主要分为井下部分和井上部分,井下部分主要包括永磁发射短节和磁信号接收器或探管;井上部分主要是数据采集和分析软件。
  1.3.2?连通仪器工作原理?
  永磁发射短节接在钻头后面,提供一个恒定的待测磁场,在钻进过程中发射磁信号,电磁信号的有效距离为 40米~50米,洞穴井里的磁信号接收器或探管接收磁信号,再经过井下A/D 转换模块转换处理后,通过电缆将数据传至地面由软件进行处理、计算,准确计算两井间的距离和当前钻头的位置,得出水平井井眼轨迹相对于洞穴井对接点确切的方位和距离,用于指导水平对接井进行定向连通。水平井与直井连通示意图如图2所示。
  1.3.3?直井造穴?
  为了易于实现水平井与直井在煤层中成功连通并且建立气液通道,需要直井在煤层部位下入玻璃钢套管,方便在此位置造洞穴。在直井煤层部位(玻璃钢套管处)造的洞穴,直径一般为1米左右,高一般在3.5~4.5米,连通点一般位于煤层中上部。目前有两种造穴方式,即水力造穴和机械工具造穴。常见是机械工具造穴。
  1.3.4?水平井与直井(洞穴)连通?
  水平井钻至距目标洞穴50米~60米时,在直井(洞穴井)气举掏空400米~450米,下入强磁接收仪器(入洞穴0.5米左右),在水平井中下入强磁发射工具。由磁定位跟踪两井眼的连通。导向钻进至(预计)距洞穴3米~5米时,起出直井(洞穴井)中的仪器关封井器,水平井继续钻进,直至出现泵压下降、井口不返钻井液、并且伴随有放空现象,表示连通成功。   1.3.5?当前国内煤层气水平井分支连通钻井技术水平?
  2012年中国石油渤海钻探公司成功施工的郑4平-7H、8H、9H、10H羽状分支水平井组,该井组(4口井)共包括9个主支,26个分支,总进尺19156米。其中,水平段进尺16967米,煤层进尺16889米,纯煤进尺16101米,总的煤层钻遇率高达95.33%,控制面积达1.43Km2,成为煤层气市场标志性工程。渤海钻探公司施工的郑试1平-3H井是一口重点科学实验井,成功的完成了与郑1平-3V1井和郑1平-3V2井的二次连通,实现了远端(位移1000 米以上)连通技术方面零的突破,达到当前国内煤层气水平井分支连通钻井技术最高水平。
  2 水平连通井开采井盐
  目前我国井盐矿开采主要采用单井对流水溶采卤法,生产过程示意图如图4所示。单井对流法是以一口井为一个开采单元,在井内两层同心管的密闭系统中,从其中一层管内往井下注水溶解盐矿层,生成卤水后,再利用注水余压使卤水从另一层管内返出地面,而对井下盐层的溶解作用不加控制的开采方法。单井对流水溶法的缺点是:出卤量少(15~20m3/h),岩盐采收率低,占用耕地或山林面积多,尤其是溶腔顶板垮塌使中心管变形、弯曲、断裂和脱落,井内事故频发,经常发生结晶堵和砂堵,质量不稳,对环境污染大,导致采卤成本高。
  而采用水平定向对接连通井技术,卤水产量高,质量好,对接层位及对接方向可以控制,控矿量大,资源利用率高。由于注水井和采卤井功能分开,井内管柱和井口装置得到简化,降低了工人的劳动强度,降低了井内发生事故复杂的几率。并且开采生产管理简单,对地面及地层污染小。由于增大了溶解接触面积,溶解速度加快,卤水浓度加大,产量得到大幅度提高,在产生经济效益的同时也产生了社会效益。
  所以,为了提高盐产量、加快开发速度、提高开采程度(采收率)、减少占地面积,一些开采井盐的盐矿开始使用水平连通钻井技术,进行地下盐层的开采,改变传统的单井对流开采法为分井注采法。2.1 两组水平连通井采井盐实例
  金坛盐矿茅13井(水平井)与溪 3井(直井)对接连通成功,开采盐卤实例。溪 3井是已经投入生产的井(已经有盐层溶腔),茅13井是补打的水平连通井。两井井口相距295米,金坛盐矿茅13井深1230米,直井段深870米,对接连通溪 3井I2盐层,对接点垂深1003米。对接连通示意图如图3所示。
  广东省三水盐矿的G3井(水平井)与G8井(直井)对接连通,开采盐卤实例。
  G8井作为直井先施工,G3 井作为对接连通水平井后施工。G8井成井后,在G8井建槽生产的同时,施工G3对接连通水平井。等G3井钻进到离中靶点约100米时,根据建槽生产情况和钻井工期来推算,G8井预测能形成10米以上直径的盐溶腔,这样就为两井一次对接成功提供了条件。
  三水盐矿的G3井与G8井对接连通采用分井注采法产生的经济效益(与单井对流法生产相比):
  (1)投入一对对接连通井资金是两口单井的1.33倍,而一对对接连通井的产能至少是两口单井产能的6倍。
  (2)在同等产量的情况下,一对对接连通井相当于12口单井的总产量。可见其相对单井能节约六分之五的井口占地面积。
  (3)生产实践证实,对接连通井生产井的井内事故少,由数据显示。按生产的每吨盐计,至少可以降低10元/吨的修井成本。
  2.2 开采井盐的水平连通井钻井
  要实现两井或多井对接,必须确保在对接层位的对接处,各井的空间坐标应相等或非常接近。为此需解决的主要关键技术有:连通井设计、连通井钻井设备及工艺技术、钻井测量和数据处理技术、井眼轨迹控制技术、井眼清洗及井眼稳定技术等。
  实现两井顺利连通,最理想的情况是对老盐井进行连通,因为老盐井由于多年的开采,已经形成了很大的溶腔,这样就节省了造腔的时间和工序。所以从施工难度方面、经济方面和工作量方面考量,优先考虑、尽量充分利用老盐井进行连通。如果不是对老井进行连通,用对流水溶造穴方法示意图如图4所示。
  根据中国地质科学院勘探技术研究所调研测算,采用水平定向对接连通井技术,实现连通井采矿所带来的经济及社会效益是相当明显的:盐矿藏采收率比单井对流水溶采卤法提高1倍以上,使一个盐矿变成了个盐矿,提高了矿产资源利用率;平均每小时一对井的产卤量达4口单井产卤量之和,卤水浓度高而且稳定。一座年产30万顿的盐厂,一般用单井需40余口,占地多,而采用水平定向对接连通井只需4对(8口),减少占地面积80%以上;地面管线投资节省50%;卤水浓度提高10g/L~15g/L;采卤成本下降40%以上。能耗下降10%~15%;产量可提高5%以上;在不增加其它费用的情况下,制盐成本下降5%,使用厂矿由此可获直接效益每天达2万余元。而且水平定向对接连通井井内事故少,降低修井费用;对地面污染小,降低污染费用;使用寿命长,一对井使用寿命可达15年以上。
  3 结论
  用水平连通钻井技术钻羽状分支水平井开采煤层气,通过预钻的直井,能对地质设计的地层信息进行验证和校核,确定煤层顶板位置、煤层数量和各层厚度、煤隔层(夹层)位置和厚度、各层的地层压力情况等地层信息,为水平井着陆和顺利连通提供资料;通过在直井注气,实现在水平井实施欠平衡钻井。实践证明,用水平连通钻井技术钻羽状分支水平井开采煤层气,已经是成熟的钻井技术。一般在煤层比较厚而且煤层分布连续的储层中能起到比较好的效果,特别是在低渗透储层中,效果更加明显,应该在煤藏地质条件适宜产煤区,推广应用这项技术,即能开发清洁能源(开源与节流并重),还能有效地排除(减少)煤层瓦斯对采矿业的危害,降低煤矿开采风险,必将带来可观的经济效益和巨大的社会效益。
  广东省三水盐矿、江苏金坛盐矿等采用了水平连通井开采井盐的单位,都取得了成功。由单井对流水溶采卤法,转变为分井注采法开采后,卤水产量高浓度大(提高了盐产量)、质量好,而且对接层位及对接方向可以控制,控矿量大,资源利用率高。由于注水井和采卤井功能分开,井内管柱和井口装置得到简化,降低了工人的劳动强度,降低了井内发生事故复杂的几率,在产生可观的经济效益的同时也产生了巨大的社会效益。实践证明,用水平连通钻井技术开采井盐矿,已经是成熟的钻井技术,应该在可以采用这项技术的盐矿(盐田),推广应用这项技术,充分发挥规模效应。
  参考文献
  [1] 2012年“钻井工程技术年报”,中国石油天然气集团公司工程技术分公司
  [2] “煤海穿针”让低渗煤层“扬眉吐气”__中国石油煤层气水平井__远距离穿针钻井技术打破国外垄断__中国石油报报道2011-7-27
  [3] 江汉油田采卤连通水平井—黄盐平1井钻井技术,江汉石油科技,2005年第六期
  [4] 水平对接井连通开采技术在三水盐矿的运用,黑龙江科技信息__2008,(12)
  作者简介
  廖兴松,(1969,11-),男,1991年毕业于江汉石油学院钻井工程专业,现工作于大港油田公司工程技术处,处长、高级工程师,从事工程技术管理工作。
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