CN103422813A

CN103422813A - 单井眼煤层气多分支水平井系统及钻井方法

Info

Publication number: CN103422813A
Application number: CN2013103343511A
Authority: CN
Inventors: 王亚军; 凯文·戴格海尔德; 黄福标; 王贤涛
Original assignee: ORION ENERGY INTERNATIONAL Inc
Current assignee: ORION ENERGY INTERNATIONAL Inc
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: CN103422813B

Abstract

本发明提供一种单井眼煤层气多分支水平井系统及钻井方法。单井眼煤层气多分支水平井系统包括首尾依次连接的直井段、造斜段、稳斜段、增斜段和沿着煤层延伸的水平段，稳斜段及增斜段上任一点的井斜角小于或等于水平段上任一点的井斜角，稳斜段上部分用于安放排采设备，排采设备下方的稳斜段部分及增斜段用作口袋。本发明中的稳斜段以及增斜段兼具口袋的功能，无须另外钻设口袋，且本发明中亦无须钻设直井，因此本发明单井眼煤层气多分支水平井系统结构简单。

Description

单井眼煤层气多分支水平井系统及钻井方法

技术领域

本发明涉及煤层气开发领域，特别是一种单井眼煤层气多分支水平井系统及钻井方法。

背景技术

目前煤层气水平井开采井型有两种主要井型，分别为多分支水平井和U型井。

多分支水平井是指在地面的一个井场先施工一口直井，然后在距离该直井一定距离的井场施工一口水平井，水平井在目标煤层与直井连通后沿煤层继续钻进形成多个水平分支。生产时在直井中下入排采设备，利用水平井提供煤层的排水、减压、解析通道进行排水采气。该多分支水平井在钻直井过程中，需要钻60米左右的口袋，用以收集在排采过程中产生的煤粉、煤块等，以减少检泵时间，并减小井底激动压力的波动。

U型井是指在地面的一个井场先施工一口直井，然后在距离该直井一定距离的井场施工一口水平井，水平井在煤层中钻进一段距离后与该直井连通，水平井提供煤层的排水、减压、解析通道，直井中下入排采设备进行排水采气，该型开采井直井一般有60米左右的口袋，用以收集在排采过程中产生的煤块、煤粉等，以减少检泵时间，并减小井底激动压力的波动。

综上所述，现有的水平井系统都需要在两个井场施工两口井眼，故占地面积大，水平井与直井连通完成后需要将水平井的部分井段封填，这不但增加了钻井成本，而且造成资源浪费。同时，由于在钻直井过程中需要钻口袋，这也增加了人力、物力、财力成本。另外，地面以下无法在直接观察下进行水平井与直井的连通，增加了钻井施工的技术难度。

发明内容

本发明的一个目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种占地面积小，且成本低的单井眼煤层气多分支水平井系统；

本发明的另一个目的是提供一种占地面积小，钻井容易的单井眼煤层气多分支水平井的钻井方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种单井眼煤层气多分支水平井系统，包括首尾依次连接的直井段、造斜段、稳斜段、增斜段和沿着煤层延伸的水平段，所述稳斜段及增斜段上任一点的井斜角小于或等于所述水平段上任一点的井斜角，其中所述稳斜段上部分用于安放排采设备，所述排采设备下方的稳斜段部分及增斜段用作口袋。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种单井眼煤层气多分支水平井系统钻井方法，包括如下步骤：自地面开始依次钻设直井段、造斜段、稳斜段、增斜段，所述增斜段的末端到达目标煤层，再沿着所述目标煤层钻设水平段，使所述稳斜段及增斜段上任一点的井斜角小于或等于所述水平段上任一点的井斜角，其中所述稳斜段上部分用于安放排采设备，所述排采设备下方的稳斜段部分及增斜段用作口袋。

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：

本发明单井眼煤层气多分支水平井系统包括首尾依次连接的直井段、造斜段、稳斜段、增斜段和沿着煤层延伸的水平段，其中的稳斜段可用于放置排采设备，且由于稳斜段及增斜段上任一点的井斜角小于或等于水平段上任一点的井斜角，故排采设备下方的稳斜段以及增斜段可用作口袋，因此，本发明中的稳斜段以及增斜段兼具口袋的功能，无须另外钻设口袋，且本发明中亦无须钻设直井，因此，本发明单井眼煤层气多分支水平井系统结构简单。

本发明单井眼煤层气多分支水平井系统的钻井方法，只须一个井场，通过一个井眼依次钻设直井段、造斜段、稳斜段、增斜段和水平段，并使稳斜段具备口袋功能，不必专门钻设口袋以及直井，省去了水平井与直井连接的麻烦。因此本发明的钻井方法减少了井场占地，降低了钻井成本，并避免了现有技术中因水平井和造斜段废置而造成的资源浪费。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1为本发明的单井眼煤层气多分支水平井系统的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3表示图1所示的单井眼煤层气多分支水平井系统中水平井的俯视图；

图4表示本发明单井眼煤层气多分支水平井系统钻井方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

本发明的主要思路是只利用一个井眼，依次钻设直井段、造斜段、稳斜段和增斜段以及至少一段沿着煤层延伸的水平段。利用水平段提供煤层的排水通道和煤层气的解析通道；利用稳斜段放置排采设备，并且稳斜段还可以实现现有技术中直井的收集排采过程中煤层产生煤粉的功能，从而用一口井实现了现有技术中两口井的功能，且少钻一个60米左右的口袋。

如图1、图2和图3所示，本发明的单井眼煤层气多分支水平井系统，包括首尾依次连接的直井段H1、造斜段H2、稳斜段H3和增斜段H4水平段H5。水平段H5包括至少一段水平段H5，至少一段水平段H5的一端直接或间接连接于增斜段H4，另一端为自由端。

直井段H1的井斜角（指井眼轨迹在该点的切线沿着钻进方向与该点向下的铅垂线之间的夹角，该井斜角可以是锐角，也可以是钝角）为0°～5°，且直井段H1结束点的闭合位移（closure distance，指井眼轨迹上某测点至井口垂线的距离）小于10米。直井段H1内设有钢套管T1，钢套管T1与直井段H1之间具有环形空间。

造斜段H2可以为弧形或直线形或至少一段直线段与至少一段弧线段的组合。造斜段H2的井斜变化率（inclination change rate，单位长度井段井斜角变化值。通常以相邻两测点间的井斜角变化值与两测点间井段长度的比值来表示）为0～15度/30米，这样可以保证下套管时能顺利通过，同时也保证水平段的进尺尽可能长。造斜段H2内可设有钢套管T1，钢套管T1与造斜段H2之间具有环形空间。

稳斜段H3可以为弧形或直线形或至少一段直线段与至少一段弧线段的组合。稳斜段H3的长度可以是10～60m，当然不以此为限，具体视煤层深度等因素确定。稳斜段H3上的任一点的井斜角小于90°，且稳斜段H3上任一点的井斜角小于或等于水平分支的井斜角。稳斜段H3的狗腿度（overall angle change rate，也称为全角变化率，是指单位井段长度井眼轴线在三维空间的角度变化，它既包含了井斜角的变化又包含着方位角的变化，实际生产工作中常用“度/30米”来表示）小于2度/30米。稳斜段H3及增斜段H4上任一点的井斜角小于或等于水平段H5的井斜角。稳斜段H3内用于放置排采设备，排采设备下方的稳斜段H3及增斜段H4用作口袋。稳斜段H3内设有钢套管T1，钢套管T1与稳斜段H3之间具有环形空间。

以上，直井段H1、造斜段H2和稳斜段H3内的套管不限于钢套管T1，套管还可以是非金属套管，或者其它材质的金属套管，或者不同材质的金属套管组合，或者是不同材质的非金属套管组合，或者非金属与金属材质套管的组合。

增斜段H4可以为弧形或直线形或至少一段直线段与至少一段弧线段的组合。增斜段H4上任一点的井斜角小于或等于水平段H5的井斜角。增斜段H4内设有非金属套管，例如玻璃钢套管T2，玻璃钢套管T2与增斜段H4之间具有环形空间。增斜段H4内套管不限于玻璃钢材质，其它的非金属材质如PE、陶瓷等制成的套管也是可行的。水平段H5的总体井斜角大于86°。水平段H5由n（n≥1）个水平分支组成，图中示出4个水平分支L1、L2、L3、L4，这些水平分支L1、L2、L3、L4均分布于在煤层顶板C1与煤层底板C2之间，并沿着煤层延伸。每个水平分支内设有筛管，例如玻璃钢筛管T3，玻璃钢筛管T3与水平分支之间具有环形空间。水平分支内筛管T3不限于玻璃钢材质，其它的非金属材质如PE、陶瓷等制成的筛管也是可行的。

钻井方法

如图4所示，本发明单井眼煤层气多分支水平井系统钻井方法，包括如下步骤：在选定的井场，自地面E开始依次钻设直井段H1、造斜段H2、稳斜段H3、增斜段H4。增斜段H4的末端到达目标煤层，再沿着目标煤层钻设水平段H5。下面以三次开钻井为例进行详细说明。

一次开钻使用直径311.15mm钻头从地面钻至石板层，下入直径244.48mm的钢套管T1，隔离浅层地表水，完成直井段H1的上部分（也可采用其他规格的钻头及相应的套管，以下均相同）。钢套管T1与直井段H1之间具有环形间隙。

二次开钻使用直径222.25mm钻头，接着施工直井段H1的下部分，钻至设计造斜点P1后开始造斜段H2的钻进，根据设计井斜变化率及邻井资料钻进至斜向距离目标煤层约70m处的稳斜点P2开始稳斜段H3的钻进，稳斜段H3一般为10～60m，到达增斜点P3，继续进行增斜段H4的钻进直至目标煤层。

在增斜段H4下入直径177.80mm的玻璃钢套管T2或其它非金属套管，玻璃钢套管T2与增斜段H4之间具有环形间隙。在直井段H1的下部分、造斜段H2、稳斜段H3下入直径177.80mm的钢套管T1，钢套管T1与直井段H1、造斜段H2、稳斜段H3之间具有环形间隙。

为了保证后期玻璃钢套管T3能够顺利通过造斜段H2、稳斜段H3、增斜段H4，同时可保证煤层段进尺达到设计要求，造斜段H2的设计井斜变化率一般控制在0～15度/30米，稳斜段H3的井斜角小于90°，且狗腿度小于2度/30米，当然不以此为限。稳斜段H3上部用于放置排采设备，稳斜段H3的放置排采设备下方的部分井段及增斜段H4具备口袋功能，用以收集在排采过程中产生的煤粉、煤块等，以减少检泵时间，并减小井底激动压力的波动。

三次开钻使用直径121mm的钻头，沿目标煤层中间位置钻进，直到煤层段进尺满足设计要求，从而完成水平段H5的施工。水平段H5的作用主要是提供煤层的排水通道和煤层气的解析通道，水平段H5由n（n≥1）个水平分支组成，例如本实施方式中水平段H5包括4个分支L1、L2、L3、L4，4个分支L1、L2、L3、L4在煤层顶板C1及煤层底板C2间施工以增加煤层气的解析通道，具体实施依据煤层结构而定。每个分支下入玻璃钢筛管T3以使井眼稳定。

水平段H5钻进时，依据设计数据，根据钻时、岩屑和伽马值的变化调整井眼轨迹，使钻头在目的煤层中心地带穿行。

为了使稳斜段H3及增斜段H4具有收集排采过程中煤层产生的煤粉的能力，水平段H5的井斜角大于稳斜段H3及增斜段H4上任一点的井斜角，水平段H5的井斜角在施工时总体大于90°，相差越大煤粉越容易进入稳斜段H3及增斜段H4，该稳斜段的长度一般为10～60m，该段根据实际情况可下入玻璃钢管，也可将排采设备放入玻璃钢管中。

利用本发明提供的单井眼煤层气多分支水平井系统钻井方法进行煤层气排采时，水平段H5提供煤层的排水通道和煤层气的解析通道，将排采设备下入稳斜段H3中，可使用螺杆泵或射流泵等泵型进行排采。排采过程中煤层产生的煤粉进入稳斜段H3和增斜段H4中，实现了利用单井眼煤层气多分支水平井钻井方法开发煤层气的目的。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims

1.一种单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，包括首尾依次连接的直井段（H1）、造斜段（H2）、稳斜段（H3）、增斜段（H4）和沿着煤层延伸的水平段（H5），所述稳斜段（H3）及增斜段（H4）上任一点的井斜角小于或等于所述水平段（H5）上任一点的井斜角，其中所述稳斜段（H3）上部分用于安放排采设备，所述排采设备下方的稳斜段（H3）部分及增斜段（H4）用作口袋。

2.根据权利要求1所述的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述水平段（H5）包括至少一段水平分支，所述至少一段水平分支的一端直接或间接连接于所述增斜段（H4），另一端为自由端，所述水平分支的井斜角大于或等于所述稳斜段（H3）及增斜段（H4）上任一点的井斜角。

3.根据权利要求2的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述直井段（H1）井斜角为0°～5°。

4.根据权利要求2的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述直井段（H1）结束点的闭合位移小于10米。

5.根据权利要求2所述的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述造斜段（H2）、稳斜段（H3）及增斜段（H4）的井斜变化率为0～15度/30米。

6.根据权利要求2所述的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述稳斜段（H3）的狗腿度小于2度/30米。

7.根据权利要求2所述的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述直井段（H1）、造斜段（H2）和稳斜段（H3）内设有套管，所述套管与所述直井段（H1）、造斜段（H2）和稳斜段（H3）之间均具有环形间隙。

8.根据权利要求7所述的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述套管是金属套管或非金属套管，或者是金属套管与非金属套管的组合，或者不同材质的金属套管组合，或者是不同材质的非金属套管组合。

9.根据权利要求2所述的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述增斜段（H4）内设有非金属套管。

10.根据权利要求2所述的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述水平段（H5）的各个水平分支内分别设有非金属筛管（T3），所述非金属筛管（T3）与所述水平分支之间具有环形空间。

11.根据权利要求2所述的单井眼煤层气多分支水平井系统，其特征在于，所述造斜段（H2）、稳斜段（H3）及增斜段（H4）各自为直线形或弧线形，或者至少一段直线段与至少一段弧线段的组合。

12.一种单井眼煤层气多分支水平井系统钻井方法，其特征在于，包括如下步骤：

自地面（E）开始依次钻设直井段（H1）、造斜段（H2）、稳斜段（H3）、增斜段（H4），所述增斜段（H4）的末端到达目标煤层，再沿着所述目标煤层钻设水平段（H5），使所述稳斜段（H3）及增斜段（H4）上任一点的井斜角小于或等于所述水平段（H5）上任一点的井斜角，其中所述稳斜段（H3）上部分用于安放排采设备，所述排采设备下方的稳斜段（H3）部分及增斜段（H4）用作口袋。

13.根据权利要求12所述的钻井方法，所述水平段（H5）包括至少一段水平分支，所述至少一段水平分支的一端直接或间接连接于所述增斜段（H4），另一端为自由端，其特征在于，所述的钻井方法还包括分别钻设各水平分支步骤，并使所述水平分支的井斜角大于或等于所述稳斜段（H3）及增斜段（H4）上任一点的井斜角。

14.根据权利要求12所述的钻井方法，其特征在于，所述直井段（H1）井斜角为0°～5°。

15.根据权利要求12所述的钻井方法，其特征在于，所述直井段（H1）结束点的闭合位移小于10米。

16.根据权利要求12所述的钻井方法，其特征在于，所述造斜段（H2）、稳斜段（H3）及增斜段（H4）的井斜变化率为0～15度/30米。

17.根据权利要求12所述的钻井方法，其特征在于，所述稳斜段（H3）的狗腿度小于2度/30米。

18.根据权利要求12所述的钻井方法，其特征在于，还包括向所述直井段（H1）、造斜段（H2）和稳斜段（H3）内下入套管步骤，并使所述套管与所述直井段（H1）、造斜段（H2）和稳斜段（H3）之间均具有环形间隙。

19.根据权利要求12所述的钻井方法，其特征在于，还包括向所述水平段（H5）的各个水平分支内分别下入非金属筛管（T3）步骤，并使所述非金属筛管（T3）与所述水平分支之间具有环形空间。