水平定向钻井轨迹设计

2. 以煤层气钻井工程为例，进行水平定向钻井轨迹设计或者欠平衡钻井工艺技术设计。

本文选择以煤层气钻井工程为例，进行水平定向钻井轨迹设计。

煤层气，又称煤层甲烷，俗称瓦斯，人们对它爱恨交加。

爱的是它是一种清洁能源，有很大的利用价值；恨的是它是矿难的原因之一。

因此，安全有效地采集煤层气可谓是一举两得的好事。

近些年，部分国家开始用定向钻井技术开采煤层气，取得了良好效果。

定向钻井，简单说就是让向地下竖着打的井拐个弯，再顺着煤层的方向横着打井。

定向钻井采集煤层气的原理同传统方法一样，即通过抽水减压，逼出煤层气，再进行采集。

但两者的区别在于，传统方法只用竖井穿到煤层采集，而横向井顺着煤层的走势大大增加了采气的面积，因而提高了效率。

定向钻井通常在石油和天然气开发中使用较多，但近些年煤炭行业也越来越多地将这项技术用于矿山开采前的瓦斯抽放、排水、矿井探查等方面。

在煤炭领域使用这一技术的主要有美国、澳大利亚、欧洲、南非等国家和地区，而利用这一技术采集、利用煤层气的国家以美国和澳大利亚等国为主。

澳大利亚目前有17个煤矿用定向钻井技术排放井内瓦斯，以确保安全生产。

而悉尼的一家公司在2000年成功地利用这一技术在地下600米深处开出了一口商业用煤层气井。

美国的一些煤矿企业为了矿井安全和开采煤层气也热衷采用定向钻井技术。

在2000年，美国10％的煤层气井都采用了这项技术。

由于这项技术的逐步开发，部分美国和澳大利亚企业的煤层气产量都得到了提高。

资料显示，定向钻井的纵向深度一般在600～1200米，横向煤层钻井长度可达到400米。

据美国某钻探公司的个例统计，采用横井采气比传统的单一竖井采气的初期产量可高出10倍，气井的生产寿命也会增加。

根据对某些项目的估算，运用定向钻井法商业采集煤层气的内部回报率为15～18％，明显高于传统竖井采集法约3％的内部回报率。

1 定向水平井的井身类型
井身结构设计原则有许多条，其中最重要的一条是满足保护储层实现近平衡压力钻井的需要，因为我国大部分油气田均属于多压力层系地层，特别是韩城地区，构造复杂，经过大范围地层沉降，上覆地层压力较大，只有将储层上部的不同孔隙压力或破裂压力地层用套管封隔，才有可能采用近平衡压力钻进储层。

（1）多分支水平井
煤层气多分支水平井开发技术是近几年国际煤层气领域应用的一种新技术、新工艺，可以大大提高煤层气(瓦斯)产收率，对治理煤矿瓦斯灾害，提高煤层气资源利用率作用突出。

它的优点主要表现在用一个主井眼上钻多个分支眼，使用比小的投入就可以获得较大的收获，缺点是先期完成的井眼容易被后面的施工产生的煤屑填(掩)埋，也不利于后期的井下施工。

（2）单支水平井
单支水平井钻井技术在石油油气藏开采中是应用最广泛的一种形式，在开采煤层气方面也有着许多优点，泄气面积相对大，利于煤层气井的后期改造。

是前一段时间被许多国家广泛采用的开采技术。

（3）连通水平井
这种井形主要适合含水煤层。

煤层中的水对煤层中气的运移十分不利，应该首先将煤层中的水抽排悼，才能将煤层中的气抽排出来，最好是一边抽水一边抽气，连通水平井就可以实现这个要求，其技术主要包括首先打1口直井然后再打
1口水平井和其连通，在直井底部抽排水，待煤层中的水位底于水平井水平段后，水平井就可以抽排煤层气了。

连通式水平井还分为首部连通和尾部连通两种。

研究表明，煤层气水平分支井分支井眼主要存在以下3种轨迹类型（图1），其各自的特点如下：
图1 煤层气水平分支井分支井眼轨迹类型图
1）分支类型1：增斜+降斜+稳斜。

在煤层厚度一定的情况下，可在煤层中达到最大的延伸长度，但由于稳斜段的存在，使得造斜工具的弯角不能太大，工具造斜率受到限制。

2）分支类型2：增斜+降斜。

可采用较大弯角造斜率高的钻具实现，可设计出在横向和垂向上迅速偏离主井眼的分支，利于夹壁墙的迅速形成。

3）分支类型3：增斜+稳斜。

轨迹设计和控制最简单，一般在煤层中的延伸距离最短。

根据煤层气水平分支井的特点及设计要求，基于空间圆弧轨道理论建立图2
所示的轨迹设计模型，其中A1为侧钻点，a为侧钻点切线向量，(a
1，a
2
)为侧钻
点位置在主井眼上的区间变化范围。

T为目标点，t为其切线向量，C为吻接点，M、N分别为增斜圆弧和降斜圆弧切线交点。

主水平井眼入靶点A和出靶点B的坐标以及分支靶点T的坐标、井斜和方位为已知条件，而工具造斜率K和分支爬升高度Hmax为已知的约束条件。

图2 煤层气水平分支井轨迹设计模型图
注:坐标系中N表示北坐标、E表示东坐标、H表示垂深，单位均为m，下同。

一般情况下，相邻两分支侧钻点在主井眼上的间隔距离为20~80m，结合开
发及地质要求，可确定合理的侧钻点区间(a
1，a
2
)。

设︱a
1
A
1
︱=L
1
，︱A
1
M︱=︱MC
︱=L
m ，︱CN︱=︱NB
1
︱=L
n
，︱BT︱=L
2
，根据实际需要可令L
1
、L
2
为0及K
1
=K
2。

由空间几何关系及矢量分析得:
式中L为A
1、B
1
两点之距，T
a0
和T
t
分别为A
1
B
1
在矢量a、t上的投影长度，
θ为a、t之间的夹角。

由式(1)~(6)求得:
本文相关参考文献给出的A
i 、B
i
、C
i
的计算方法，由式(7)、(8)求得煤层气
水平分支井轨迹设计的约束方程为：L
m1=L
m2
，其有解的判别式为Δ=B
i
2-4A
i
C
i
≥
0(i=1，2)。

因此，可精确求出造斜率K
0，通过改变L
1
和L
2
可使K
逼近于工具造
斜率K，从而设计出满足约束条件的三维设计轨迹。

2 定向羽状井轨迹设计实例：
（1）工程地质条件简介
阳泉矿区寿阳区位于沁水块坳北端，北部为阳曲-盂县东西向隆起带。

总体为一走向东西，倾向南的单斜构造。

沁水煤田阳泉矿区韩庄区块位于寿阳区的中部，基本构造形态为走向近东西，向南倾斜的单斜，倾角4°～21°，一般小于10°。

主要含煤地层为山西组和太原组，地层总厚179.75m，含煤16层，总厚13.81m，可采煤层厚11.73m，本设计主要研究3#煤层的煤层气勘测。

韩庄煤层气定向羽状水平井设计针对山西组3#煤层进行。

3#煤层厚度为4.00～4.45m，总
体趋势东厚西薄，煤层横向分布非常稳定，煤层结构相对简单，无明显分岔，较适合煤层气利用定向羽状水平井开采。

（2）定向羽状井轨迹设计
轨迹设计的井身剖面类型目前一般常用圆弧型，抛物线型，悬链线型。

由于定向羽状水平井本身的空间三维复杂性特性，因而，只能按照煤层地质的要求设计出靶区轨迹，再根据靶区的情况选择分支井筒回接主井眼轨迹剖面，虽然分支井设计是三维的，但是可以把分支井的各个分支拆分成为各自独立的待钻轨迹和主井筒轨迹来进行设计计算，拆分后的井眼轨迹还可能是三维的，但考虑到二维轨迹设计计算方法比较成熟且对三维的又不失真，故把三维轨迹转化为二维轨迹来进行设计和计算。

因而，主井的剖面类型选择为“直—增—稳”类型，在羽状分支的设计上同样采用这种方式，水平井剖面形式为“直—增—稳”型。

该井的设计中主要应用的是二维井筒轨迹设计。

（3）韩庄区煤层气韩平0-1井轨迹设计
1）洞穴井设计
根据定向羽状井的设计原理，结合韩平0-1井的实际情况。

在钻孔轨迹设计之前建立一个三维坐标系，这样可以使设计简化和各种数据表示更加清晰，如图
3。

以韩平0-1井的开孔点为坐标原点，竖直向下为Z 轴正方向，水平主井筒延伸方向为X 正方向。

由于钻孔总体孔深为722.30m ，选择综合造斜强度为i θ=0.5°m ，用公式R 1=57.3i θ可求得曲率半径R 1为114.6m 。

进而推出羽状水平井的主井
筒的造斜点垂深为607.70m 。

图3 坐标建立 图4 水平井主井筒计算图
洞穴井为垂直井，井身轨迹结构较为简单，开孔点于A （120、0、0）处，在点B （120、0、722.30）处于水平井相交汇，终孔C(120、0、794.05)，GC 段为钻孔口袋。

各参数计算值见表1。

表1 韩平1洞穴直井轴线坐标计算表
2）水平井设计
选取水平井剖面类型为直—弯—直型，在三维坐标空间中处于Y=0的平面上，建立XZ坐标平面如图4。

OD 段为垂直井段，DE段为造斜段，EF段为水平井段，长度为1216.4，OJ确定为722.30m，弧DE长为0.5πR=0.5×3.14×114.6=180m。

可求得各参数值见表2。

表 2 韩平 0 井水平主井筒轴线坐标计算表
3）羽状分支设计
羽状分支井的设计，主要根据当地的设计先例进行，见图5，图6，选择造斜强度为i
θ=0.5°/m。

用公式R1=57.3iθ，可求得曲率半径R为114.6m。

羽状分支孔水平间距300m，交错布置。

羽状分支井直井段长从1#～8#井分别为800，700，…，200，100m。

羽状分支井直井段与水平主井筒的连接为弯曲造斜井段弯
强i
θ=0.5°/m，羽状分支井直井段与主水平井筒的夹角为45°，以分支井1为例，其余分支解法相似。

分支井1与主水平井筒的结合点为G（130、0、722.30）
开始造斜，造斜强度为i
θ=0.5°/m，则R=114.6m，θ=45°，弧GH与直线LH 和X轴相切。

其计算公式如下：
图5 水平分支孔平面图图6 分支井1设计计算图
4）井身结构设计
（1）由于煤层比较脆，技术套管不能下入煤层中，以防固井时将煤层压裂，导致后续钻进过程中的井壁坍塌；
（2）从抽排采气的角度考虑，套管必须将煤层上部大量出水的层位封堵；
（3）为了在洞穴井井底造洞穴，井底必须留有合理容量的口袋。

口袋深度以不揭开下部含水层为基本原则，应优先考虑增大口袋深度；
（4）如果多分支水平井为多羽状，水平井的技术套管应下到造斜点以上部分，便于后续的裸眼侧钻。

结合阳泉矿区韩庄矿的煤层气层及地层结构特点以及该地区的煤层气井设计的先例。

其井身结构设计如图7。

图7 韩平0-1定向羽状水平井井身结构设计示意图
4）结论
①韩平0-1煤层气羽状水平井井身轴线轨迹剖面形式选择“直—增—稳”类型，在羽状分支的设计上同样采用这种方式，水平井剖面形式为直—弯—直型。

②韩平0-1煤层气羽状水平井主井筒的造斜点在垂深607.70m处，稳定点在722.30m处，终孔点在722.30m处，造斜强度为i
θ=0.5°/m。

③水平井距洞穴井地面水平距离为120m，水平井主支穿过煤层段约1200m；水平井段左右2侧各打4个分支井眼，分支长80～100m，间距300m。