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