U型水平井精确连通技术浅析

2023-03-03

一、简介

1. U型水平井应用情况

U型水平井是通过先打一口直井, 然后在远处打一口或几口水平井, 使得水平井在目标地层水平钻进, 最后实现末端与直井的对接, 实现精确连通。

U型水平井在工业生产中具有重大的应用价值, 比如在陕西彬县的煤层气开发, 江苏芒硝矿的开发以及在陕西盐矿的开发中都有重要的应用。特别是在煤层气的应用, 对减少环境污染, 开发新能源有重要的意义, 在国家2006年将煤层气开发列入“十一五”能源发展规划以来, 有了更广阔的应用前景。

2. U型水平井在施工中存在的困难

在实际施工过程中, 经常会遇到数学中靶精度产生的误差给施工过程带来的问题, 如在双井连通过程中, 数学中靶精度显示已经连通, 但是实际中却与之相反。从理论上讲, 被连通的直井靶区小到一定的范围后, 双井连通的几率相当小, 所以单纯的依靠目前的定向工艺和技术以及仪器与装备实现小靶区半径双井连通几乎不太可能。当然, 当靶区半径大到一定程度后, 或者说靶区半径大到足以忽略现有误差对中靶精度产生的影响时, 可以实现工程施工的中靶精度, 而且双井连通的几率比较高。

二、影响U型水平井精确连通的主要因素

我们在石油钻井中采用的是常规的MWD测量实钻井眼的井斜角和方位角来确定井眼的轨迹和中靶情况, 但是由于常规MWD自身的误差、在计算轨迹时的测量数据取值精度、数据计算处理方法及相应的因素误差的原因使得采用常规MWD在煤层气这种中靶要求极为严格的精确连通中无法实现。下面主要介绍常规MWD很难实现精确连通的原因:

1. 仪器自身系统误差因素

我们在现场施工过程中采用的常规MWD测斜仪器一般为以大地磁场为测量依据的磁性仪器, 其本身存在一定的系统误差, 例如北京海蓝YST-48R仪器井斜误差约为±0.2°, 方位误差约为±1.5°, 若井斜误差α=0.2°, 方位误差ψ=1.5°则其全角误差β如下:

依上式计算全角误差β=0.2°

测量时通常每测点相距10m, 那么每10m水平位移最大误差则为0.0349m。如果这一误差均朝一个方向, 则1000m深的井水平位移最大误差可达到3.49m, 靠这种精度是无法实现精确连通中靶的。

2. 数据计算处理方法因素

定向井眼轨迹的计算是一个较为复杂的问题。井眼轨迹是一条复杂的地下三维曲线, 其确定是以井位地面坐标为基础, 通过仪器及设备测量某一点的井斜角和方位角并结合该测点的井深按照一定的数学公式计算后确定的。至今国内外已经提出的计算方法有20多种, 常用的井眼轨迹测量数学计算模式有曲率半径、平均角法、最小曲率法、正切法、平衡正切法等。而所有这些方法都存在计算误差。

3. 测量数据取值精度的因素

在测量数据的取值问题上, 测量工作并非沿着井眼轴线连续进行, 而是每隔10m或更大距离作一个测点, 据此做出的井眼轴线自然不够精确。测量间隔越小计算出的轨迹与真实的越接近, 但是目前还没有一种仪器可以进行井眼轴线的连续测量。

此外由于测斜探管与井壁之间存在着一定的间隙, 会造成仪器的轴向与井眼轴向不重合, 从而使得测量得到的井眼轨迹参数中包含有误差, 这也造成了计算出的井眼轨迹与真实轨迹存在误差, 造成依靠常规MWD不能够实现精确连通。

综合以上分析, 由于以上几种影响U型水平井精确连通因素的存在, 虽然在芒硝矿和其他盐矿的开采施工过程中通过常规的MWD进行精确连通取得成功, 但是对于在煤层气这种点对点的精确连通要求尚有很大的不足, 因此我们采用人工强磁信标方法作为补充来实现煤层气末端的精确连通。

三、人工强磁信标方法

人工强磁信标方法特点是在小范围内采用人工磁信标所构筑的人工磁场进行测距, 其强度比天然磁场强数十倍至数百倍 (相对距离而变化) , 通过着重测量该磁场的矢量参数, 可精确计算出钻孔轨迹, 对钻头所处的位置进行精确定位。

1. RMRS仪器工作原理

RMRS仪器工作原理是在正钻工程水平井内下入RMRS专用强磁接头, 同时在造穴井内用有线设备下入RMRS仪器, 校准井深后, 将RMRS仪器探管下至玻璃管套管内, 作为接收端, RMRS会不断检测强磁接头的磁参数, 通过解码分析后, 形成磁接头相对RMRS仪器的位置和方向数据, 数据通过无线信号发射到安装在工程井仪器房内的接收器上, 定向工程师根据这些数据不断修正待钻井眼轨迹, 在兼顾地质导向数据确保在煤层中钻进的基础上, 通过调整动力钻具的钻进姿态, 使井眼轨迹朝造穴井洞穴方向钻进, 直到最终连通。

2. 施工过程

RMRS在井下的信号有效距离一般在45m左右, 以此距离为分界点, 两边应采取不同的测量技术。

(1) 从造斜点到距离目标45m段。本段主要依靠常规MWD进行轨迹的测量。应当调整实钻轨迹沿设计线钻进, 但因为MWD本身都有系统精度误差, 因此在本段要选取精度高的仪器, 我们主要采用北京海蓝公司生产的YST-48R作为测量工具。

(2) 从距离目标45m到中靶。本段是实现连通的关键, 在本段施工中将依据RMRS提供的数据调整MWD仪器的工具面 (动力钻具工具面) , 通过不断的调整所钻井眼的轨迹来实现精确连通。

与常规MWD进行点测量不同的是RMRS是进行段测量, 首先要确定出合适的测段, 我们制定出开始3-4m为一段, 到距目标20m以内时加密到1.5m一段。

3. 精确连通的判定

当钻至最后3m时, 从直井中上提RMRS仪器, 以免损坏仪器。当直井中有水返出时或者正钻水平井立管压力突然下降, 此时表明连通成功。

四、现场应用情况

WL05-1H与WL05-1V井末端对接是我国在煤层气行业自主施工过程中第一口精确连通的井组。该井由山东煤炭地质局第二勘探队井队承钻, 由胜利定向井承担水平井及连通施工, 胜利油田钻井泥浆公司提供该井的三开水平井段的钻井液技术服务的。

1. 精确连通仪器RMRS在该井的成功施工过程

在工程水平井钻至距离造穴井70m时, 起钻, 将标定过的磁性接头接在钻头与螺杆之间, 下钻继续钻进。此时仪器会不断接收到强磁接头产生的磁信号, 只是信号强度不大, 信号也不是很稳定, 当钻进到距离目标井45m时监测到波形由外界干扰波形转换为正弦连续波形 (如图1) 。

此信号强度较大, 进入信号分析计算软件, 正确输入相关数据, 读取采集的信号并修正其测段与靶点的相对位置,

计算结果包括:井底与靶点距离△L;井底与靶点方位差值修正角△β (如图2) ;

随着磁性接头与靶点的逐步接近, 磁信号强度逐渐增强, 距目标30m时三个分量的磁力线逐渐增强并逐渐靠近直至重合。使用信号分析处理软件, 载入采集的磁场信号, 分析计算出相关数据, 并提供给定向工程师, 做出正确的调整方案, 继续钻进, 动态靶点越集中说明其计算结果越精确, 待钻井眼的方向也越接近目标点。