CN104453832A - 一种多分支水平井系统及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多分支水平井系统及其施工方法，此多分支水平井系统设置在上倾地层中，多分支水平井系统包括至少一组水平井单元，水平井单元包括：至少两口U型井，各U型井包括直井段和配合直井，直井段所处地势高于配合直井所处地势；至少一口多分支水平井，每口多分支水平井对应地设置在相邻两口U型井之间，每口多分支水平井包括直井段、与直井段相连的主井眼以及与主井眼相连且向下延伸的分支井眼，每口多分支水平井的分支井眼分别向与其相邻的U型井延伸，并与相应的U型井直接连通或渗透连通。本发明提供的水平井系统可以有效的解决上倾底层中煤层水排采降压的问题。

Description

一种多分支水平井系统及其施工方法

技术领域

本发明涉及煤层气领域，具体而言，涉及一种多分支水平井系统及其施工方法。

背景技术

自上世纪80年代开始，随着随钻测量仪器、马达和PDC钻头等技术的发展，水平井钻井技术开始规模应用。通过定向井技术把直井或斜井弯曲进入目标地层并平行目标层钻进一定的长度，由于地层一般是水平的或接近水平的所以目标层中的井眼也是水平或接近水平的，通常把这样的井称为水平井。水平井按井型可分为单支水平井和多分支水平井；单支水平井又可划分为传统单支水平井和U型连通水平井；多分支水平井有可划分为单主支多分支水平井和双主支多分支水平，在主分支完成顺序上有分为先钻分支或先钻主支。

煤层气排采过程是排水、降压、解吸和采气的过程。煤层气的排采是通过有效的排水、降低井底压力使煤层气解吸，汇集到低压井筒被排放出来的一个过程，通常使用多分支水平井完成此排采过程。煤层气排采过程是排水、降压、解吸、采气的过程，第一个关节排水就决定了煤层气水平井排采泵必须下至水平井最低点，只有该点才能有效排水，从而实现降压、解吸和采气。这就对水平井、多分支水平井钻井工程提出了要求：所有分支井眼必须高于或等于排采泵位置，排采泵下入的最佳位置为着陆点或近端/远端U型井的连通点。也就是说：对于水平井、近端连通U型井、多分支水平井，必须保证在水平地层或上倾地层中沿着上倾方向钻进、布置；对于远端U型水平井，必须保证在水平地层或沿着下倾地层方向钻进、布置。这样做才能保证在重力的作用下，地层水流向排采泵位置(水平井最低位置)，才能有效地实施煤层气的排采。

多分支水平井能够更有效沟通煤层自身孔隙裂缝通道、增加泄(油)气面积，分支控制产气资源面积效率高，能很好地克服了煤储层的“低渗、低压、低饱和”特征。所以多分支水平井在煤层气开发中的受到越来越大的重视和运用。但是水平井及多分支水平井主要适用于薄层和低渗储层的开发，对于倾角大于20°上倾底层中的煤层气的排采，由于其地势较高存在排采难度和施工难度之间的矛盾，故上倾地层中的煤层水一直不能得到有效的排出。

现有技术在面对上倾地层中排采降压的问题时，依然采用传统的多分支水平井的模式，虽然排采时，利用水流的重力会得到一个较好的排水效果，但此技术的问题在于在开钻多分支水平井时，由于上倾地层托住和降低了悬重，在摩阻、托压作用下，限制了水平井在上倾地层中的钻设长度。摩阻和托压与水平井的长度和上倾幅度成正比，为了克服摩阻和托压而施加过大的钻井参数(钻压、悬重、扭矩等)易破坏井眼的稳定性，特别是在机械强度薄弱易坍垮的煤层中特别容易造成井眼坍塌卡钻事故的发生，酿成严重的损失。

基于上述问题，有必要提出一种有效的多分支水平井系统，以解决上倾地层中煤层水排采降压难的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种多分支水平井系统及其施工方法，以解决现有技术中上倾地层中煤层水排采降压难的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种多分支水平井系统，此多分支水平井系统设置在上倾地层中，多分支水平井系统包括至少一组水平井单元，水平井单元包括：至少两口U型井，各U型井包括直井段和配合直井，直井段所处地势高于配合直井所处地势；至少一口多分支水平井，每口多分支水平井对应地设置在相邻两口U型井之间，每口多分支水平井包括直井段、与直井段相连的主井眼以及与主井眼相连且向下延伸的分支井眼；每口多分支水平井的分支井眼分别向与其相邻的U型井延伸，并与相应的U型井直接连通或渗透连通。

进一步地，分支井眼与U型井渗透连通，分支井眼的末端与U型井之间的距离为3～15米。

进一步地，各多分支水平井的主井眼长度为U型井长度的1/3～1/2。

进一步地，水平井单元中至少两口相邻的U型井，以及对应设置在两口相邻U型井中的多分支水平井共用一个直井段。

进一步地，多分支水平井系统设置于山丘地势中，且多分支水平井系统包括周向排布在山丘地势上的多个水平井单元。

进一步地，共用一个直井段的两个相邻的U型井之间的夹角为30～90度，优选同时共用一个直井段的多分支水平的主井眼位于相邻两个U型井之间的中分线上。

进一步地，多个水平井单元中相邻两个多分支水平井单元共用一个U型井。

进一步地，多个水平井单元中各U型井和各多分支水平井共用一个直井段。

进一步地，多分支水平井系统包括四组水平井单元。

根据本发明的另一方面，提供了一种多分支水平井系统的施工方法，在上倾地层中至少钻取一组水平井单元，钻取一组水平井单元的步骤包括：钻取至少两口U型井，并使得每口U型井的直井段所处地势高于配合直井所处地势；钻取至少一口多分支水平井，并使得每口多分支水平井对应地设置在相邻两口U型井之间，钻取各多分支水平井时，分别钻取直井段，与直井段相连的主井眼，以及与主井眼相连且向下延伸的分支井眼，并使得每口多分支水平井的分支井眼分别向与其相邻的U型井延伸，并与相应的U型井直接连通或渗透连通。

进一步地，在山丘地势中钻取多分支水平井系统的步骤包括：

S1，在山丘地势的相对低点设置一组围绕山丘地势排布的配合直井，并在山丘地势的相对高点设置一组围绕山丘地势排布的直井段；

S2，钻取一组U型井，各U型井分别连通一个直井段和一个配合直井；

S3，在每两个相邻两个U型井之间钻取一口多分支水平井，各多分支水平井中分支井眼向下延伸至和与其相邻的U型井水流通相连。

进一步地，步骤S1中，在山丘地势的制高点设置一个直井段。

进一步地，步骤S3中，各多分支水平井与各U型井共用一个直井段。

进一步地，步骤S3中，钻取各多分支水平井时，钻取主井眼的过程中，同时向两侧钻取分支井眼。

进一步地，步骤S3中，各多分支水平井的主井眼长度为U型井长度的1/3～1/2，分支井眼由主井眼的起始端至末端方向顺序排布在主井眼的两侧。

应用本发明的技术方案，通过将至少两口U型井和至少一口多分支水平井设置在倾斜地层中，并且利用U型井的主井眼和多分支水平井分支井眼水流通相连的布局，可以有效地排采上倾地层中的水，达到降压解析的目的。这种多分支水平井系统在使用时，上倾地层中的水通过排采泵和重力的作用，从地层中析出随后从多分支水平井的主井眼进入分支井眼，多分支水平井中的地层水通过其上的分支流至相邻的U型井主井眼，与U型井主井眼中的地层水汇合，最终一起从U型井的配合直井排出。接下来地层水重复上述的步骤，直至最大限度地将地层水排除，达到降压解析的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施方式的多分支水平井系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行详细的说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术部分所介绍的，现有技术中存在在倾斜地层中不能有效地排水降压的问题。为了解决这一问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种多分支水平井系统。如图1所示，这种多分支水平井系统设置在上倾地层中，多分支水平井系统包括至少一组水平井单元，一组水平井单元包括：

至少两口U型井4和至少一口多分支水平井，各U型井4包括直井段3和配合直井2，直井段3所处地势高于配合直井2所处地势；一口多分支水平井对应地设置在相邻两口U型井4之间，每口多分支水平井包括直井段3、与直井段3相连的主井眼，以及与主井眼相连且向下延伸的分支井眼1，每口多分支水平井的分支井眼1分别向与其相邻的U型井4延伸，并与相应的U型井4直接连通或渗透连通。

本发明上述的多分支水平井系统，通过将至少两口U型井4和至少一口多分支水平井设置在倾斜地层中，并且利用U型井4的主井眼和多分支水平井分支井眼1水流通相连的布局，可以有效地排采上倾地层中的水，达到降压解析的目的。这种多分支水平井系统在使用时，上倾地层中的水通过排采泵和重力的作用，从地层中析出随后从多分支水平井的主井眼进入分支井眼1，多分支水平井中的地层水通过其上的分支流至相邻的U型井4主井眼，与U型井4主井眼中的地层水汇合，最终一起从U型井4的配合直井2排出。接下来地层水重复上述的步骤，直至最大限度地将地层水排除，达到降压解析的目的。

而水平井的分支井眼1与其相邻的U型井4直接连通或渗透连通。通过上述连接关系，地层水可以更高效地从地层中被排采出来，达到降压目的。而当地层水中压力较大时，可以采取水平井分支井眼1与相邻U型井4主井眼直接连通的方式，为排采降压提供有利布局，而当地层水中压力适中时，可以采取水平井分支井眼1与相邻U型井4主井眼渗透连通的方式，不仅可以达到正常的降压解析的作用，还省去了对多余分支井眼1的后期维护的费用。

一种优选地实施方式，分支井眼1与U型井4渗透连通，分支井眼1的末端与U型井4之间的距离为3～15米。将多分支水平井的分支井眼1末端距离设置为到相邻U型井4主井眼的距离为3～15米，可以在保证正常的降压解析的同时，保证多分支水平井的分支井眼1与相邻U型井4主井眼的渗透连通。多分支水平井的分支井眼1的末端距离设置为到相邻U型井4主井眼的距离大于3～15米时，地层水渗透效果会相对较差，不利于地层水的排采降压，而当此距离小于3～15米时，则会面临渗透连通变为连通的可能，增加了后期的维护成本。

优选地，各多分支水平井的主井眼长度为U型井4长度的1/3～1/2，分支井眼1由主井眼的起始端至末端方向顺序排布在主井眼的两侧。通过上述结构可以使U型井4的主井眼达到最高的地层水降压解析效率。多分支水平井的主井眼长度为U型井4长度的1/3～1/2，确定了多分支水平井分支井眼1的支数，此时多分支水平井分支井眼1中的排水量与U型井4主井眼中的排水量可以使U型井4主井眼的排水量达到U型井4主井眼可排量的最大值，最大限度地利用了U型井4。

更优选地，水平井单元中至少两口相邻的U型井4，以及对应设置在两口相邻U型井4中的多分支水平井共用一个直井段3。一个水平井单元中共用一个直井段3大大降低了钻井成本，而多分支水平井的主井眼位于相邻两个U型井4之间的中分线上则可以平衡相邻两个U型井4之间的排水量和采气量，利用后期生产的统一化管理。

一种优选的实施方式中，多分支水平井系统设置于山丘地势中，且多分支水平井系统包括周向排布在山丘地势上的多个水平井单元。此种多分支水平井系统可以使山丘地势四面的地层水和气最大限度地被排采。

优选地，共用一个直井段3的两个相邻的U型井4之间的夹角为30～90度，优选同时共用一个直井段3的多分支水平的主井眼位于相邻两个U型井4之间的中分线上。此种布局可以使一个水平井单元发挥最大的排水降压作用同时保证多分支水平井的分支井眼1的渗透连接不会被破坏。首先，当两个相邻的U型井4之间的夹角小于30度时，意味着多分支水平井与相邻的两口U型井4离的很近，这样不仅降低了与地层的接触面积同时还增加了多分支水平井和相邻两口U型井4三者之间的压力扰动，提高了多分支水平井和相邻两口U型井4的主井眼塌陷的风险，有可能不适于机械强度薄弱易坍垮的煤层。而两个相邻的U型井4之间的夹角大于90度时，相邻的两支多分支水平井的主井眼2离的较远，导致分支中触底水速较大，提高了破坏多分支水平井分支井眼1与相邻主支井眼的渗透连通的风险；其次，在山丘地势中，要降压解析整个山丘的地层水，需用水平井单元环绕整个山丘地势的四面，而当两个相邻的U型井4之间的夹角小于30度时，则至少需要12个水平井单元，大大的增加了施工成本，而当两个相邻的U型井4之间的夹角大于90度时，则此时最多需要5个水平井单元，虽然降低了施工成本，但同时也大大降低了水平井单元与地层的接触面积，不能使山丘中的地层水完全降压解析，同时也降低了水平井单元的采气量。

更优选地，多个水平井单元中相邻两个多分支水平井单元共用一个U型井4。多个水平井单元中各U型井4和各多分支水平井共用一个直井段3。在保证排采量的同时，降低了整个山丘地势中钻井成本。

本发明的另一种典型的实施方式中，还提供了一种多分支水平井系统的施工方法，在上倾地层中至少钻取一组水平井单元，钻取一组水平井单元的步骤包括：钻取至少两口U型井4，并使得每口U型井4的直井段3所处地势高于配合直井2所处地势；钻取至少一口多分支水平井，并使得每口多分支水平井对应地设置在相邻两口U型井4之间，钻取各多分支水平井时，分别钻取直井段3，与直井段3相连的主井眼，以及与主井眼相连且向下延伸的分支井眼1，并使得每口多分支水平井的分支井眼1分别向与其相邻的U型井4延伸，并与相应的U型井4直接连通或渗透连通。

通过此钻井方法上倾地层中的水通过排采泵和重力的作用，从地层中析出随后从多分支水平井的主井眼进入分支井眼1，多分支水平井中的地层水通过其上的分支流至相邻的U型井4主井眼，与U型井4主井眼中的地层水汇合，最终一起从U型井4的配合直井2排出。接下来地层水重复上述的步骤，直至最大限度地将地层水排除，达到降压解析的目的。

优选地，在山丘地势中钻取多分支水平井系统的步骤包括：S1，在山丘地势的相对低点设置一组围绕山丘地势排布的配合直井2，并在山丘地势的相对高点设置一组围绕山丘地势排布的直井段3；S2，钻取一组U型井4，各U型井4分别连通一个直井段3和一个配合直径；S3，在每两个相邻两个U型井4之间钻取一口多分支水平井，各多分支水平井中分支井眼1向下延伸至和与其相邻的U型井4水流通相连。此种施工方法钻取的多分支水平井系统可以使山丘地势四面的地层水和气最大限度地被排采。

更优选地，步骤S1中，在山丘地势的制高点设置一个直井段3，步骤S3中，各多分支水平井与各U型井4共用一个直井段3。此种施工方法可有效地降低钻井成本。另外步骤S3中，各多分支水平井时，钻取主井眼的过程中，同时向两侧钻取分支井眼1，各多分支水平井的主井眼长度为U型井4长度的1/3～1/2，分支井眼1由主井眼的起始端至末端方向顺序排布在主井眼的两侧。此施工方法确定了多分支水平井分支井眼1的支数，此时多分支水平井分支井眼1中的排水量与U型井4主井眼中的排水量可以使U型井4主井眼的排水量达到U型井4主井眼可排量的最大值，最大限度地利用了U型井4。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种多分支水平井系统，所述多分支水平井系统设置在倾斜地层中，其特征在于，所述多分支水平井系统包括至少一组水平井单元，所述水平井单元包括：

至少两口U型井，各所述U型井包括直井段(3)和配合直井(2)，所述直井段(3)所处地势高于所述配合直井(2)所处地势；

至少一口多分支水平井，每口所述多分支水平井对应地设置在相邻两口U型井(4)之间，每口所述多分支水平井包括直井段(3)、与所述直井段(3)相连的主井眼以及与所述主井眼相连且向下延伸的分支井眼(1)；

每口所述多分支水平井的分支井眼(1)分别向与其相邻的U型井(4)延伸，并与相应的U型井(4)直接连通或渗透连通。

2.根据权利要求1所述的多分支水平井系统，其特征在于，所述分支井眼(1)与所述U型井渗透连通，所述分支井眼(1)的末端与所述U型井(4)之间的距离为3～15米。

3.根据权利要求1所述的多分支水平井系统，其特征在于，各所述多分支水平井的主井眼长度为所述U型井(4)长度的1/3～1/2。

4.根据权利要求1所述的多分支水平井系统，其特征在于，所述水平井单元中至少两口相邻的U型井(4)，以及对应设置在两口相邻U型井(4)中的多分支水平井共用一个直井段(3)。

5.根据权利要求4所述的多分支水平井系统，其特征在于，所述多分支水平井系统设置于山丘地势中，且所述多分支水平井系统包括周向排布在所述山丘地势上的多个所述水平井单元。

6.根据权利要求5所述的多分支水平井系统，其特征在于，共用一个直井段(3)的两个相邻的U型井(4)之间的夹角为30～90度，优选同时共用一个直井段(3)的所述多分支水平的主井眼位于相邻两个所述U型井(4)之间的中分线上。

7.根据权利要求6所述的多分支水平井系统，其特征在于，多个所述水平井单元中相邻两个多分支水平井单元共用一个U型井(4)。

8.根据权利要求7所述的多分支水平井系统，其特征在于，多个所述水平井单元中各所述U型井(4)和各所述多分支水平井共用一个直井段(3)。

9.根据权利要求8所述的多分支水平井系统，其特征在于，所述多分支水平井系统包括四组所述水平井单元。

10.一种权利要求1至9中任一项所述的多分支水平井系统的施工方法，其特征在于，在倾斜地层中至少钻取一组水平井单元，钻取一组水平井单元的步骤包括：

钻取至少两口U型井(4)，并使得每口所述U型井(4)的直井段(3)所处地势高于所述配合直井(2)所处地势；

钻取至少一口多分支水平井，并使得每口所述多分支水平井对应地设置在相邻两口U型井(4)之间，钻取各所述多分支水平井时，分别钻取直井段(3)，与所述直井段(3)相连的主井眼，以及与所述主井眼相连且向下延伸的分支井眼(1)，并使得每口所述多分支水平井的分支井眼(1)分别向与其相邻的U型井(4)延伸，并与相应的U型井(4)直接连通或渗透连通。

11.根据权利要求10所述的多分支水平井系统的施工方法，其特征在于，在山丘地势中钻取所述多分支水平井系统的步骤包括：

S1，在所述山丘地势的相对低点设置一组围绕所述山丘地势排布的配合直井(2)，并在所述山丘地势的相对高点设置一组围绕所述山丘地势排布的直井段(3)；

S2，钻取一组U型井，各所述U型井分别连通一个直井段(3)和一个配合直井(2)；

S3，在每两个相邻两个U型井之间钻取一口所述多分支水平井的主井眼，各所述多分支水平井中分支井眼向下延伸至和与其相邻的U型井水流通相连。

12.根据权利要求11所述的多分支水平井系统的施工方法，其特征在于，所述步骤S1中，在所述山丘地势的制高点设置一个所述直井段(3)。

13.根据权利要求12所述的多分支水平井系统的施工方法，其特征在于，所述步骤S3中，各所述多分支水平井与各所述U型井共用一个所述直井段(3)。

14.根据权利要求11所述的多分支水平井系统的施工方法，其特征在于，所述步骤S3中，钻取各所述多分支水平井的主井眼过程中，同时向两侧钻取所述分支井眼。

15.根据权利要求14所述的多分支水平井系统的施工方法，其特征在于，所述步骤S3中，各所述多分支水平井的主井眼长度为所述U型井(4)长度的1/3～1/2，所述分支井眼由所述主井眼的起始端至末端方向顺序排布在所述主井眼的两侧。