CN102979498A - 一种煤层气多分支水平井系统 - Google Patents

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Abstract

一种煤层气多分支水平井系统，应用于煤层气井开采。特征：该系统由一口多分支水平井和两口排采直井组成，多分支水平井分别与两口排采直井连通，连通位置置于稳定的煤层顶板或底板，主支在稳定的煤层顶板或底板钻进；在主支上钻分支，分支钻入煤层；在每个分支上钻脉支，脉支钻穿煤层内夹矸层；该多分支水平井系统适用于有稳定顶板或底板岩层的单斜煤层；提供了一种稳定的煤层气多分支水平井洗井通道，实现了排水与采气的分离。效果是：解决了煤层气多分支水平井主井眼稳定、可重入以及排采过程中的坍塌问题，主支提供稳定的排采通道、分支控制排采面积、脉支疏通煤层，使煤层气开发产量提高。

Description

一种煤层气多分支水平井系统
技术领域
本发明涉及煤层气技术领域，特别涉及煤层气开采领域，尤其是涉及一种煤层气多分支水平井系统。
背景技术
参阅图1。目前，煤层气多分支水平井钻井技术是实现煤层气高效开采的重要钻井技术，现有的煤层气多分支水平井系统都是由一口多分支水平井1与一口或两口直井2配合构成的一个井组。直井2完井管串在煤层段加入一根玻璃钢套管，便于后期造洞穴铣割套管，玻璃钢套管上端面超出煤顶不少于2m，下端面位于煤底以下0.3m左右，利用造穴技术在煤层段玻璃钢套管处造洞穴，洞穴直径0.2～0.6m。多分支水平井1包括直井段、造斜段、水平段，在进入煤层前造斜，水平段在煤层7与第一排采直井洞穴3连通，并沿煤层方向延伸至预定距离。或在与直井洞穴连通后，分成2个主支，两个主支间夹角10～15°，并按设计方位并沿煤层方向延伸至预定距离。在水平井的主支井眼钻6～8个分支10，分支10间距100～150m，分支10与主支4夹角20～45°。
上述的这种多分支水平井，其主支4、分支10以及水平井1与排采直井2连通的直井洞穴3均在煤层7中，由于煤层力学性质较脆，煤层中发育相互垂直的面割理和端割理，在钻井过程中，钻具长时间在煤层段井眼中起下和转动，容易导致煤层井眼被破坏或造成复杂事故。所谓复杂事故是指钻具在井下不能正常钻进或起下的情况。一旦出现事故复杂，可能造成整段水平井无法继续施工和前面已经钻成的主井眼和分支井眼阻塞，钻具无法重入，导致主井眼和分支井眼的分布和形状无法满足设计要求，影响了所钻井对煤层的控制面积，而且由于前面已钻成井段的报废造成大量人力物力财力的浪费。
现有煤层气多分支水平井存在的主要技术问题有：
（1）现有实施的多分支水平井，要求主井眼4和分支井眼10在煤层7中延伸，由于煤层极易垮塌，导致钻井复杂事故频出，钻井周期长，钻井成本高；
（2）现有多分支水平井轨迹追求煤层钻遇率，所谓煤层钻遇率，是指在煤层中的进尺与总进尺的比。随着煤层倾角的变化，在一些井段容易形成凹槽，投产排采时，形成水塞。当煤层底部存在结构煤并被钻遇时，煤灰在凹槽处聚集，排采时造成“灰堵”，不利于高产；
（3）由于水平井段煤岩的不稳定性，完钻后的水平井眼4不能重入，不能对井进行维护性处理，主井眼一旦坍塌，会堵塞煤层气排采通道，导致产量剧减；
（4）现有第一排采直井2在煤层7中造洞穴，方便了水平井1与直井2的连通，但在后续抽排中易出现洞穴垮塌，或者井眼部分错位，导致排采设备难以入位；
（5）由于煤层漏失压力小、易垮塌，造成现有多分支水平井完钻后或排采生产过程中，洗井困难；
（6）现有煤层气多分支水平井是在第一排采直井2通过下入排采设备，进行排水、采气，排采效率受限。
中国专利，专利号为CN201020540466.8的“一种煤层气水平井系统”，披露了一种煤层气水平井系统，该专利通过将多分支水平井的直井段作为另一多分支水平井的配合直井使用，不但有效地提高了空间利用率，更能有效地利用资源，减少了水平井地面钻前工程的施工量、钻井施工量，节约了成本。但该专利未涉及如何稳定成井方面的问题，水平井主支和分支在煤层中钻进，煤层气水平井钻井施工和后期维护性作业过程中井眼坍塌问题依然严重。
发明内容
本发明的目的是：提供一种煤层气多分支水平井系统，解决煤层气水平井主井眼井壁坍塌问题，建立一种稳定的煤层气多分支水平井开发排水、疏灰、采气通道，为钻井施工和后期维护性作业提供稳定的井眼环境。
本发明采用的技术方案是：煤层气多分支水平井系统，其特征在于：该系统由一口多分支水平井、第一排采直井和第二排采直井组成，所述的多分支水平井的水平段由主支、分支和脉支组成；第一排采直井有第一排采直井洞穴，第二排采直井有第二排采直井洞穴；多分支水平井分别与第一排采直井和第二排采直井连通，多分支水平井与第一排采直井连通的位置是第一排采直井洞穴，多分支水平井与第二排采直井连通的位置是第二排采直井洞穴；第一排采直井洞穴和第二排采直井洞穴在煤层顶板内或第一排采直井洞穴和第二排采直井洞穴在煤层底板内，多分支水平井的水平段在稳定的煤层顶板或煤层底板钻进，形成稳定的巷道，该多分支水平井系统适用于有稳定顶板或煤层底板岩层的单斜煤层。
多分支水平井水平段由主支、分支、脉支构成，主支、分支、脉支在排采中分别具有不同的功能。主支的主要作用是提供稳定的排水、疏灰、采气通道，分支的主用作用是控制水平井在煤层中的展布形态和产气面积，脉支的主要作用是打破煤层内夹矸层对下部煤层气的遮挡，增大泄气通道。
（1）多分支水平井水平段在稳定的煤层顶板：多分支水平井的主支在煤层顶板沿煤层上倾方向钻进，主支的井斜角在90～98°之间；所谓井斜角是指井眼轨迹与地球铅垂线之间的夹角。多分支水平井的主支与煤层顶部之间的垂直距离保持在0.5～3m之间，主支的长度在100～1000m之间。水平井主支的水平段与第一排采直井、第二排采直井均在煤层顶板中连通，主要作用是提供稳定的排水、疏灰、采气通道。
在所述的主支上钻3～8个分支，分支沿上倾方向钻入煤层，分支的井斜角在90～98°，分支长度在50～600m之间，分支与主支之间的夹角20～45°，同侧相邻侧钻点间距在150～200m之间，异侧相邻侧钻点间距在50～100m之间。分支的主用作用是控制多分支水平井在煤层中的展布形态和产气面积。
在每个分支上钻2～6个脉支，脉支井斜角在20～70°之间，脉支长50～400m之间，脉支钻穿煤层内夹矸层。脉支的主要作用是打破煤层中的夹矸层对下部煤层气的遮挡，增大泄气通道。
（2）水平井主支在稳定的煤层底板：多分支水平井的主支在煤层底板沿煤层上倾方向钻进，主支的井斜角在90～98°之间，多分支水平井的主支与煤层底部之间的垂直距离保持在0.5～3m中间，主支的长度在100～1000m之间。水平井主支的水平段与第一排采直井、第二排采直井均在煤层底板中连通。主要作用是提供稳定的排水、疏灰、采气通道；
在所述的主支上钻3～8个分支，分支沿上倾方向钻入煤层，分支的井斜角在90～98°，分支长度在50～600m之间，分支与主支之间的夹角20～45°，同侧相邻侧钻点间距150～200m之间，异侧相邻侧钻点间距在50～100m之间。分支的主用作用是控制多分支水平井在煤层中的展布形态和产气面积。
在每个分支上钻2～6个脉支，脉支井斜角20～70°之间，脉支长50～400m，脉支钻穿煤层内夹矸层。脉支的主要作用是打破煤层内夹矸层对下部煤层气的遮挡，增大泄气通道。
本发明还提供了一种稳定的煤层气多分支水平井洗井通道，在多分支水平井完井后或在煤层气排采过程中，可以通过第一排采直井、第二排采直井和水平井主支进行循环洗井，及时排除主井眼中残留的泥浆或积聚的煤灰，保证了多分支水平井主井眼的清洁，有利于稳定多分支水平井的高效生产。
同时，本发明煤层气多分支水平井系统，充分利用了地球重力和位能，利用位于低部位的第一排采直井2进行排水，位于高部位的排采直井5进行采气，实现了排水与采气的分离，提高排采效率。
煤层气多分支水平井系统与现有的煤层气多分支水平井相比，该系统的主要特点是：
（1）该多分支水平井系统的水平段由主支、分支、脉支组成，主支、分支、脉支在排采中分别具有不同的功用，形成了“主支疏通、分支控面、脉支增产”的煤层气开发成井理念；
（2）水平井主支在稳定的顶板（或煤层底板）泥岩沿上倾方向钻进，不钻遇煤层，水平井主支与第一排采直井2、第二排采直井在顶板（或煤层底板）泥岩中连通；
（3）分支轨迹控制要求以90-98°的井斜角进入煤层，沿煤层上倾方向钻进，若顶出煤层则降斜钻进，但井斜角始终保持不小于90°，确保整条分支上倾；
（4）分支上钻2～6个脉支，脉支钻穿煤层内夹矸层，主要作用是打破夹矸层对下部煤层气的遮挡，增大泄气通道。
（5）本发明还提供了一种稳定的煤层气多分支水平井洗井通道；
（6）本发明实现了排水与采气的分离，提高了排采效率。
本发明的有益效果：本发明煤层气多分支水平井系统，有效解决了煤层气水平井主井眼稳定、可重入以及排采井在生产过程中主支及洞穴坍塌的问题，在煤层顶板泥岩中的主支巷道为煤层气排采提供了稳定的排水、疏灰、采气通道。同时，稳定的主支，有利于分支和脉支的钻进，有利于分支按设计要求钻进，保证了多分支水平井的控制面积。此外，在多分支水平井完井后或在煤层气排采过程中，可以通过第一排采直井、第二排采直井和水平井主支进行循环洗井，及时排除主井眼中残留的泥浆或积聚的煤灰，保证了多分支水平井主井眼的清洁，并且实现了排水与采气的分离，有利于多分支水平井的高效生产。
附图说明
图1是现有技术的煤层气多分支水平井示意图。
图2是本发明煤层气多分支水平井系统，煤层气多分支水平井水平巷道示意图（在顶板）。
图3是本发明煤层气多分支水平井水平巷道示意图（在底板）。
图4是本发明煤层气多分支水平井系统示意图。
图5是本发明煤层气多分支水平井系统中分支与脉支示意图（主支在顶板）
图6是本发明煤层气多分支水平井系统中分支与脉支示意图（主支在底板）
图中，1-多分支水平井，2-第一排采直井，3-第一排采直井洞穴，4-主支，5-第二排采直井，6-第二排采直井洞穴，7-煤层，8-煤层底板，9-煤层顶板，10-分支，11-脉支。
具体实施方式
实施例1：对一个煤层气多分支水平井系统A作进一步详细说明。
参阅图2。煤层气多分支水平井系统A（多分支水平井1的主支4在煤层顶板9）。煤层气多分支水平井系统A位于某沉积盆地，该盆地煤层埋深785m，煤层厚4.0m，煤层倾角3°，煤层顶部为深灰色泥岩，地层倾角4°，厚8.0m。
参阅图2、图5。煤层气多分支水平井系统A由一口多分支水平井1和第一排采直井2、第二排采直井5组成，所述的多分支水平井1的水平段由主支4、分支10和脉支11组成；第一排采直井2有第一排采直井洞穴3，第二排采直井5有第二排采直井洞穴6；多分支水平井1分别与第一排采直井2和第二排采直井5连通，多分支水平井1与第一排采直井2连通的位置是第一排采直井洞穴3，多分支水平井1与第二排采直井5连通的位置是第二排采直井洞穴6；第一排采直井洞穴3和第二排采直井洞穴6在煤层顶板9内。
参阅图2。多分支水平井1的主支4在煤层顶板9沿煤层7上倾方向钻进，主支4的井斜角94°，主支4水平长度913m，距离煤层7顶部保持在1.5m的垂直距离；在主支4上钻8个分支10，分支10以90.5°的井斜角进入煤层，并保持在煤层中钻进，分支10长度500m，分支10与主支4夹角30°，同侧相邻侧钻点间距180m，异侧相邻侧钻点最近间距90m；在每个分支10上钻6个脉支11，脉支11钻进时井斜角40°，脉支11长350m，脉支11钻穿煤层内夹矸层。
第一排采直井2位于多分支水平井1的地层上倾方向，采用二开井身结构，一开用用D311.2mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带20m后，以井深60m完钻，下D244.5mm表层套管，封固地表疏松层、砾石层。下入深度58m，固井水泥返至地面。
第一排采直井2二开用D215.9mm钻头，钻穿煤层底界以下70m完井，深度859m，下入D177.8mm生产套管固井，注水泥封固至433m（水泥浆返至煤层顶以上350m）。
第一排采直井2在完井套管管串中加入一根D177.8mm玻璃钢套管和一根无磁金属套管（长10m），D177.8mm玻璃钢套管底部位于距离煤层顶0.5m，玻璃钢套管下部接无磁金属套管。在煤层段之上的顶板泥岩中造出第一排采直井洞穴3，第一排采直井洞穴3底部距离煤层1m，第一排采直井洞穴3直径0.6m,第一排采直井洞穴3高度6m。
第二排采直井5位于第一排采直井2的地层上倾方向，采用二开井身结构，一开用用D311.2mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带20m后，以井深60m完钻，下D244.5mm表层套管，封固地表疏松层、砾石层。下入深度58m，固井水泥返至地面。
第二排采直井5二开用D215.9mm钻头，钻穿煤层底界以下70m完井，深度739m，下入D177.8mm生产套管固井，注水泥封固至320m，水泥浆返至3#煤层顶以上350m。
第二排采直井5在完井套管管串中加入一根D177.8mm玻璃钢套管和一根无磁金属套管长10m，D177.8mm玻璃钢套管底部位于距离煤层顶0.5m，玻璃钢套管下部接无磁金属套管。在煤层段之上的顶板泥岩中造穴6，洞穴6底部距离煤层1m，洞穴6直径0.6m,洞穴6高度6m。
多分支水平井1一开用D311.2mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带20m后，于井深60m完钻，下D244.5mm表层套管，封固地表疏松层、砾石层。下入深度58m，注水泥全封固。
多分支水平井1二开采用D215.9mm牙轮钻头，钻达井深905m，垂深820m，井斜85.45°。造斜点648.65m，下入D177.8mm技术套管固井，水泥返至660m。
多分支水平井1三开用D152.4mm牙轮钻头钻至1910m，裸眼完钻。其间，在982m处与第一排采直井2的第一排采直井洞穴3连通，连通后以94°的井斜角钻进，在1895m处与第二排采直井5的洞穴6连通，第一排采直井2、第二排采直井5与水平井主支4构成一个煤层气排水、疏灰、采气通道和一个洗井通道。主支4井眼用钻井液钻进，主支4井眼水平段长度913m，在煤层顶板9泥岩中钻进，井斜角94°，距离煤层7顶部保持0.5m～3m的垂直距离；在主支4上钻8个分支10，分支10以90.5°的井斜角进入煤层，并保持在煤层中钻进，分支10长度500m，分支10与主支4夹角30°，同侧相邻侧钻点间距190m，异侧相邻侧钻点最近间距90m；分支10井眼钻进采用清水钻井液，分支10井眼全部裸眼完井。在每个分支10上钻6个脉支11，脉支11钻进时井斜角40°，脉支11长350m，脉支11钻穿煤层内夹矸层，脉支11井眼钻进采用清水钻井液。
实施例2：煤层气多分支水平井系统B（多分支水平井1的主支4在煤层底板8）。煤层气多分支水平井系统B位于某沉积盆地，该盆地煤层埋深785m，煤层7厚4.0m，煤层倾角3°，煤层底部为深灰色泥岩，地层倾角4°，厚8.0m。
参阅图3、图6。与实施例1不同点是：系统B的多分支水平井1的主支4在煤层底板8。
系统B由一口多分支水平井1、第一排采直井2和第二排采直井5组成，所述的多分支水平井1的水平段由主支4、分支10和脉支11组成；第一排采直井2有第一排采直井洞穴3，第二排采直井5有第二排采直井洞穴6；多分支水平井1分别与第一排采直井2和第二排采直井5连通，多分支水平井1与第一排采直井2连通的位置是第一排采直井洞穴3，多分支水平井1与第二排采直井5连通的位置是第二排采直井洞穴6；第一排采直井洞穴3和第二排采直井洞穴6在煤层底板8内。
参阅图3。多分支水平井1的主支4在煤层底板沿煤层7上倾方向钻进，主支4的井斜角94°，主支4与煤层7底部之间的垂直距离保持在1.5m，主支4的长度在913m。参阅图6。主支4上钻8个分支10，分支10沿90.5°井斜角钻入煤层7，并保持分支10在煤层中钻进，分支10长度500m，分支10与主支4之间的夹角30°，同侧相邻侧钻点间距180m，异侧相邻侧钻点间距在90m。在每个分支10上钻6个脉支11，脉支11井斜角40°，脉支11长350m，脉支11钻穿煤层7内夹矸层。
煤层气多分支水平井系统B的第一排采直井2位于多分支水平井1的地层上倾方向，采用二开井身结构，一开用用D311.2mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带20m后，以井深60m完钻，下D244.5mm表层套管，封固地表疏松层、砾石层。下入深度58m，固井水泥返至地面。
第一排采直井2的二开用D215.9mm钻头，钻穿煤层底板岩层以下70m完井，深度867m，下入D177.8mm生产套管固井，注水泥封固至433m（水泥浆返至煤层顶以上350m）。
在完井套管管串中加入一根D177.8mm玻璃钢套管和一根无磁金属套管（长10m），D177.8mm玻璃钢套管顶部位于距离煤层底0.5m，玻璃钢套管下部接无磁金属套管。在煤层段下部的底板泥岩中造出第一排采直井洞穴3，第一排采直井洞穴3顶部距离煤层1.5m，第一排采直井洞穴3直径0.6m,第一排采直井洞穴3高度6m。
第二排采直井5位于第一排采直井2的地层上倾方向，采用二开井身结构，一开用用D311.2mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带20m后，以井深60m完钻，下D244.5mm表层套管，封固地表疏松层、砾石层。下入深度58m，固井水泥返至地面。
第二排采直井5的二开用D215.9mm钻头，钻穿煤层底界以下70m完井，深度739m，下入D 177.8mm生产套管固井，注水泥封固至320m（水泥浆返至煤层顶以上350m）。
在完井套管管串中加入一根D177.8mm玻璃钢套管和一根无磁金属套管（长10m），D177.8mm玻璃钢套管顶部位于距离煤层底0.5m，玻璃钢套管下部接无磁金属套管。在煤层段下部的底板泥岩中造穴6，洞穴6顶部距离煤层1.5m，洞穴6直径0.6m,洞穴6高度6m。
系统B的水平井主支4的一开用D311.2mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带20m后，于井深60m完钻，下D244.5mm表层套管，封固地表疏松层、砾石层。下入深度58m，注水泥全封固。
系统B的水平井主支4的二开采用D215.9mm牙轮钻头，钻达井深905m，垂深820m，井斜85.45°。造斜点648.65m，下入D177.8mm技术套管固井，水泥返至660m。
系统B的水平井主支4的三开用D152.4mm牙轮钻头钻至1920m，裸眼完钻。其间，在988.0m处与第一排采直井2的第一排采直井洞穴3连通，连通后以94°的井斜角钻进，在1910m处与排采直井5的洞穴6连通，两口地一排采直井2、第二排采直井5与水平井主支4构成一个煤层气排水、疏灰、采气通道和一个洗井通道。主支4井眼用钻井液钻进，主支4井眼水平段长度912m，在煤层底板8泥岩中钻进，距离煤层7底部保持1.5m的垂直距离；在主支4井眼上钻8个分支10，分支10以90.5°井斜角进入煤层7，并保持在煤层中钻进，分支10长度500m，分支10与主支4夹角30°，同侧相邻侧钻点间距190m，异侧相邻侧钻点最近间距90m；分支10井眼钻进采用清水钻井液，分支10井眼全部裸眼完井。在分支10上钻6个脉支11，脉支11钻进时井斜角40°，脉支11长350m，脉支11钻穿煤层内夹矸层，脉支11井眼钻进采用清水钻井液。

Claims (7)

1.一种煤层气多分支水平井系统，其特征在于：该系统由一口多分支水平井(1)、第一排采直井(2)和第二排采直井(5)组成，所述的多分支水平井(1)的水平段由主支(4)、分支(10)和脉支(11)组成；第一排采直井(2)有第一排采直井洞穴(3)，第二排采直井(5)有第二排采直井洞穴(6)；多分支水平井(1)分别与第一排采直井(2)和第二排采直井(5)连通，多分支水平井(1)与第一排采直井(2)连通的位置是第一排采直井洞穴(3)，多分支水平井(1)与第二排采直井(5)连通的位置是第二排采直井洞穴(6)；第一排采直井洞穴(3)和第二排采直井洞穴(6)在煤层顶板(9)内或第一排采直井洞穴(3)和第二排采直井洞穴(6)在煤层底板(8)内，多分支水平井(1)的水平段在稳定的煤层顶板(9)或煤层底板(8)内钻进。
2.根据权利要求1所述的煤层气多分支水平井系统，其特征在于，多分支水平井(1)的主支(4)在煤层顶板(9)沿煤层(7)上倾方向钻进，主支(4)的井斜角在90～98°之间；多分支水平井(1)的主支(4)与煤层(7)顶部之间的垂直距离保持在0.5～3m之间，主支(4)的长度在100～1000m之间。
3.根据权利要求2所述的煤层气多分支水平井系统，其特征在于，在所述的主支(4)上钻3～8个分支(10)，分支(10)沿上倾方向钻入煤层(7)，分支(10)的井斜角在90～98°，分支(10)长度在50～600m之间，分支(10)与主支(4)之间的夹角20～45°，同侧相邻侧钻点间距在150～200m之间，异侧相邻侧钻点间距在50～100m之间。
4.根据权利要求2所述的煤层气多分支水平井系统，其特征在于，在每个分支(10)上钻2～6个脉支(11)，脉支(11)井斜角在20～70°之间，脉支(11)长50～400m之间，脉支(11)钻穿煤层(7)内夹矸层。
5.根据权利要求1所述的煤层气多分支水平井系统，其特征在于，多分支水平井(1)的主支(4)在煤层底板(8)沿煤层(7)上倾方向钻进，主支(4)的井斜角90～98°之间，多分支水平井(1)的主支(4)与煤层(7)底部之间的垂直距离保持在0.5～3m之间，主支(4)的长度在100～1000m之间。
6.根据权利要求5所述的煤层气多分支水平井系统，其特征在于，在所述的主支(4)上钻3～8个分支(10)，分支(10)沿上倾方向钻入煤层(7)，分支(10)的井斜角在90～98°，分支(10)长度在50～600m之间，分支(10)与主支(4)之间的夹角20～45°，同侧相邻侧钻点间距150～200m之间，异侧相邻侧钻点间距在50～100m之间。
7.根据权力要求书5所述的煤层气多分支水平井系统，其特征在于，在每个分支(10)上钻2～6个脉支(11)，脉支(11)井斜角在20～70°之间，脉支(11)长50～400m，脉支(11)钻穿煤层(7)内夹矸层。
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