RMRS偏心连通技术在煤层气水平远端对接井中的应用研究

2020-06-30刘明军

煤炭工程 2020年6期

刘明军

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

我国煤层气资源丰富，但气藏普遍具有低饱和、低压、低渗透的储层特征，从提高采收率尽早收回成本方面考虑，煤层气水平井是最佳的开发模式[1]。经过多年的煤层气钻井实践和探索，煤层气勘探开发发生了根本性的变化，直井和普通定向井开发模式逐渐失去优势，因为水平井开发模式可有效导通煤储层的裂隙，增加气、水导流能力，提高单井产量和煤层气采收率，水平井单井产气量相当于水力压裂增产直井的5～8倍，排采2～3a左右就可以收回全部投资成本[2，3]。目前采用的水平井井型有U 型井、V 型井、L型以及羽状水平井，水平井完井方式一般采用裸眼完井、连续油管、玻璃钢筛管、PE 筛管等完井方式。对于水平对接井，连通工程就成为水平井施工的关键环节。然而由于洞穴坍塌不规则，造成直井轨迹方位漂移；随钻测量系统(MWD)的系统误差的累积性[4，5]、数据的滞后性造成井眼轨迹的不确定性，使得两井间连通位置不精确[6-8]，连通有可能失败，侧钻重新连通；有可能在洞穴正中连通，造成水平井下入的连续油管或筛管等影响捞砂、下泵、修井等后续作业，只能利用磨铣钻头磨铣断套管，这些都造成水平井施工难度增大，施工成本增加，工期延长。针对这些问题，本文在沁水盆地潘庄区块2014ZX-U-05V/H 井组，采取先锻铣玻璃钢套管再造穴工艺技术；严格控制钻时，有效解决洞穴坍塌难题，利用RMRS偏心连通技术实现水平井与直井洞穴偏心连通，是对煤层气水平井连通工艺的进一步完善。

1 RMRS偏心连通基本原理

1.1 RMRS的工作原理

RMRS即近钻头旋转电磁测距导向系统，广泛应用于石油、天然气、煤层气、盐等水平井资源开采中，其核心是电磁测距，主要用来测量目标点和实钻井的直线距离，其测距范围可达70m，必须与螺杆钻具和MWD配合使用。RMRS作为水平井与直井准确连通的关键导向设备，由旋转强磁接头、连通仪器、地表接口箱、无线信号传输器等组成[9-11]，如图1所示。在连通过程中，首先在水平井钻头处接强磁接头和螺杆马达、导向仪器，直井中下入磁场信号接收仪，然后利用旋转磁场信号精确测量钻头与洞穴的距离和相应的方位，从而在三维视图上分析轨迹接近洞穴过程中的变化趋势，能够计算出方位及井斜误差，及时纠偏，达到中靶的目的，最终实现两井对接。

图1 RMRS的工作原理示意图

1.2 偏心连通的原理

在煤层段利用玻璃钢套管代替石油套管，可以避免采煤过程中，机械切割石油套管产生火花，从而引起瓦斯、煤尘爆炸的危险，同时减少石油套管对连通磁定位信号的干扰[12]。玻璃钢套管两端表面上通过套管连接螺纹连接，与孔壁环空，利用水泥浆固井。

偏心连通是指通过连通仪器和强磁接头的配合，在水平井与直井连通时，MWD对水平井井眼轨迹控制在直井洞穴内玻璃钢套管以外的区域，实现与直井连通，如图2所示。

图2 偏心连通示意图

2 洞穴完井工艺技术

造穴完井技术有负压、水力射流、机械等方法，负压、水力射流造穴技术施工工艺复杂，洞穴不规则、半径难以控制、洞穴容易坍塌等特点，一般选择机械工具造穴技术[13，14]。为了使洞穴规则整齐，确保足够的偏心距，目前采取先锻铣玻璃钢套管，再造穴工艺。

2.1 锻铣玻璃钢套管技术

将锻铣工具下至切割位置后，先启动转盘，钻柱旋转正常后，启动钻井泵，向钻柱内泵入钻井液。当钻井液流经喷嘴时，活塞首先推动三个长刀片切割套管，当套管被切断，六个刀片完全张开，此时由于调压杆的作用，压力将下降约2MPa。整个切割过程通常需要30～60min。切割套管完毕后，继续旋转工具10min，以修整切割断面。段铣工具不仅能够实现套管、水泥环、煤层和煤层顶板的段铣作业，而且能够提高造穴作业效率。

2.2 机械造穴技术

锻铣完毕，清洗井眼，收拢刀片起钻后，将扩眼工具ZXQ-145下至锻铣段底部，保持钻具高度位置不动，缓慢转动钻具，开泵建立循环，排量15～20L/s，转速30～50r/min，控制扭矩在 3kN·m以内，当扭矩下降并保持稳定时，停泵，缓慢上提钻具5～10cm，重复操作直至完成扩孔高度。

3 偏心连通工艺技术

3.1 偏心连通的理论分析

直井下入连通探管，水平井钻头处接强磁接头，进入连通段，连通探管可以不断接收到当前磁场的强度值(Hx、Hy和Hz)，对水平井钻头位置进行探测，从而连续不断地修正方位、距离、偏心距等数据，钻头距离洞穴10m左右磁场趋于饱和。

连通仪器下入至预设连通位置后，由于重力作用，其在孔内基本居中，要将轨迹控制在玻璃钢以外，洞穴内，在钻头距离连通点10m时，在不考虑其他因素的情况下，需要将方位的偏差控制在0.5°～1.4°，偏心距控制在0.10～0.25m，如图3所示。

图3 偏心连通示意图

3.2 偏心连通关键技术

偏心连通的影响因素很多，例如人为因素、仪器误差、轨道设计缺陷等[15]。在水平井实施以前，必须减少两井井口坐标误差，并且校正磁偏角；在实施钻进时，通过合理设计轨道、优化钻具组合、调整钻进参数、轨迹控制等降低井眼轨迹的不确定性。偏心连通的关键因素为钻具组合优化设计、钻进参数优选、轨迹控制、偏心距控制。

3.2.1 钻具组合优化设计

根据地质条件要求，设计相应的定向钻具组合，连通井段钻进时选择合理钻具组合尤为重要，加入强磁接头，准备对接；为了减小摩阻，采用斜坡钻杆。连通井段钻具组合为：钻头+(强磁接头)+单弯螺杆(1.5°)+配合接头+无磁承压钻杆×1根+MWD短节+斜坡钻杆+加重钻杆×15根+斜坡钻杆。

3.2.2 钻进参数优选

根据预想地质剖面图，结合以往该区域钻孔经验综合分析，设计钻进参数，根据实际情况进一步优化。在连通井段采用低钻压、低转速、低排量的“三低”参数钻进。设计钻进参数为：钻压1～5t；量8～10L/s；复合转速30r/min。

3.2.3 工具面调整

连通作业前应充分考虑反扭角对造斜工具装置角的影响。可根据地层实测资料，反推出反扭角变化规律。使井底实际工具面角与设计工具面相吻合，避免实钻轨迹出现较大偏差而造成频繁调整轨迹，影响连通精度。

3.2.4 连通井段轨迹控制技术

连通井段轨迹控制的关键是及时测量、准确预测造斜率、孔斜和方位位移量。水平井连通井段采用“强磁接头+单弯螺杆+MWD”的连通导向钻具组合钻进，通过滑动钻进和复合钻进实现增斜、降斜和稳斜，根据需要随时调整井眼轨迹，有效提高钻井速度、轨迹控制精度。如果连通仪器提供的靶点与原设计的靶点坐标相差较大，必须按新靶点重新做剖面设计，计算实际连通靶点，根据新设计制定相应方案。

3.3 偏心距控制技术

MWD可实现随钻测量、监控井眼轨迹、实时调整井斜和方位，以确保在目标层中钻进。但在连通井实施时存在一些不足：①系统误差，误差具有累积性，理论上测量距离越长误差越大；②数据传输滞后，测量探管距离钻头一般在8～15m，测量零长原因，不能及时准确反映实钻地层信息；③直井洞穴误差，直井轨迹的方位飘移、洞穴不规则、测量误差等，随井深增大误差增大。所以在连通前必须消除或减小这些误差，逐渐减小两井间相对位置的不确定性，是实现连通的关键。

由于远端偏心连通精度要求非常高，MWD仪器允许误差都有可能使偏心连通失败，为了有效减小仪器因素误差，MWD测量时，还对各井段进行投多点作业，对每趟多点数据进行分析，选择与MWD比较相近的数据作为下步施工的依据，对入井的仪器进行校验，保证仪器的精度。采用RMRS进行主动电磁测距，进一步减小上述误差或不足，完成导向中靶。RMRS测量属近钻头测量，测距范围可达70m，强磁接头到洞穴相当于建立一个极坐标系，每一个点都单独测量，随着对接距离减小，测量误差逐渐减小，有效消除MWD测量滞后效应，对MWD测量起到校正作用。在距离洞穴30m开始矩形靶框缩小为靶点，轨迹与洞穴中心的偏移量控制在0.1～0.25m左右。

3.4 偏心连通检验技术

偏心验证需要在直井和水平井分别做2次验证，直井内下入管柱至洞穴底，与水平井内过连通点2m的钻具十字交叉，直井、水平井反复起下钻，根据钻具是否遇阻，判断水平井与直井的连通位置，有遇阻现象，说明两井居中连通。无遇阻现象，说明两井偏心连通，可以满足水平井下石油套管、筛管等的要求。

4 现场应用及效果

4.1 连通基础数据

在沁水盆地潘庄区块郭南村附近，实施一组由2014ZX-U-05H水平井和2014ZX-U-05V直井组成U型连通井，两井井口间距离764m，方位59.87°，洞穴前侧钻开分支2个，连通后再侧钻开分支2个，如图4所示。区内地层倾角为 2°～10°，没有明显的断层和大规模褶曲。主要开发15号煤层气，煤层埋深385～439m，平均煤厚 2.87m，煤质松软破碎。连通基础数据详见表1。