定向井工程师考试答题

目前，受控定向钻进技术以煤层气多分支水平钻进（图2－3）最为复杂，最具代表性。煤层气多分支水平羽状井钻井工艺集水平井钻进、两井连通、分支井眼钻进、地质导向、欠平衡钻进技术为一体，是一项技术性强、施工难度大的系统技术工程。同时为了保持煤层的井壁稳定，煤层段采用小井眼钻进（Φ井眼），这对钻井工具、测量仪器、钻井设备等都提出了新的要求。

图2－3 多分支水平井示意图

（一）井眼剖面设计与轨迹控制技术

1.井眼剖面优化设计

（1）主井眼入煤层方位的确定

考虑到煤层产能优化和井壁稳定，进入煤层的 井 眼 方 位 尽 量 垂 直 于 煤 层 最 小 主 应 力方向。

（2）井眼轨迹设计必须满足现场施工要求

煤层气多分支水平井垂直井段短，通常在500m 以内，而水平段一般在1000m 以上，钻柱提供的钻压是有限的，在井身剖面设计中，要使所设计的井限轨迹满足滑动钻进的要求。

（3）井身剖面设计应满足各种设计条件下的最短轨迹

根据目标点，按照不同设计方法设计出的井眼轨迹，其长度是不同的，应尽可能选择轨迹长度短的轨迹，减少无效进尺，即可提高钻井的经济效益，又可降低施工风险。

（4）钻杆摩阻和扭矩最小

煤层气多分支井的显著特点是水平位移大，分支较多，80％以上的进尺在水平段，这导致钻杆柱和套管柱在井眼内摩阻和扭矩很大，以及钻压难以施加等问题。摩阻和扭矩是多分支水平井的水平位移大小的主要限制因素，应尽可能选择摩阻扭矩小的轨迹。

（5）井眼轨迹在煤层中上部设计

考虑到煤层的井壁稳定性差，主井眼和分支井眼要处于煤层中上部位，以利于安全钻进。

（二）井身结构优化设计

考虑到煤层气直井洞穴井与水平井的连通，后期的排水采气和煤层的井壁稳定等因素，水平分支井井身结构通常采用以下设计：

1）井身结构：Ф表层套管×H1＋Ф技术套管×H2（下至造斜段结束处）＋Ф主水平井眼（裸眼完井）＋Ф分支水平井眼。

2）洞穴井井身结构为：Ф表层套管×H1＋Ф技术套管H2（煤层顶）＋裸眼段（包括口袋）。

3）由于煤层承压强度低，技术套管一般不能下到煤层中，防止固井时将煤层压裂，导致后续钻进过程中井壁坍塌。

4）从抽排采气角度考虑，套管必须将煤层上部大量出水的地层封堵。

5）考虑到洞穴井井底造穴有落物，井底必须留有合理容量的口袋，口袋留深以不揭开下部含水层为原则，适当增大口袋留深。

（三）多分支井眼钻进技术

1.水平井主井眼垂直段

采用常规钻井方法施工，控制井斜。

2.主井眼造斜段

采用“钻头＋螺杆马达＋MWD（无线随钻测斜仪）”的定向钻具组合，施工过程中要确保工具的造斜率达到设计要求，使井眼轨迹在煤层顺利着陆。

3.水平主井眼及分支井眼钻进

采用“钻头＋单弯螺杆马达＋LWD（综合数据参数的无线随钻测斜仪）＋减阻器”的地质导向钻具组合钻进。通过连续滑动钻进的方式实现增斜、降斜，通过复合钻进的方式稳斜，即达到连续钻进的目的，又可随时根据需要调整井眼状态。为了将井眼轨迹更好地控制在煤层气中钻进，采用地质导向技术进行井眼轨迹实时监测和控制。首先利用前期地震的资料建立区块的地质模型，然后利用从LWD随钻监测到的储层伽马、电阻率参数来修正地质模型并调整井眼轨迹。另外，定向井工程师还可以结合录井仪实时监测钻时和返出的岩屑，判断钻头是否穿出煤层。

4.分支孔侧钻技术

1）起钻至每一个分支的设计侧钻点上部，然后开始上提下放，将钻柱中的扭力释放后开始悬空侧钻。

2）侧钻时将工具面角摆到±140°～±150°，首先向左/右下方侧钻，形成一条向下倾斜的曲线，因为钻柱处于水平井眼的底部，而不是中心线部位，140°～±150°的工具面角能够让钻头稳定地和井眼接触，以防止振动引起煤层的垮塌。

3）侧钻时采取连续滑动的方式，严格控制ROP30S参数（30S的平均机械钻速），新井眼进尺的1～2m内ROP30S控制为～，2～3m内控制为～，3～10m内控制为3m/h，整个侧钻工序预计需要5h。

4）滑动侧钻至设计方位和井斜后开始复合钻进，钻进过程中要密切注意摩阻扭矩的变化。钻完每一个分支后，至少循环一周，起钻至下个分支的侧钻点位置。重复上述步骤，完成其余分支井眼的作业。

（四）煤层气井造洞穴技术

煤层气井在煤储层通常下入一根Φ玻璃钢套管。为了易于实现水平井与洞穴井在煤层中成功对接并建立气液通道，需要在洞穴井的煤层部位造一洞穴，洞穴的直径一般为～，高为2～5m。目前有两种造穴方式，水力造穴和机械扩孔钻头造穴。因机械扩孔造穴对煤层扰动小，有利于保持孔壁稳定，现在大多采用这种方式造穴。

（五）水平井与洞穴井连通技术

两井连通采用强磁对接设备。连通过程中首先在洞穴井中下入探管，在水平井地质导向钻具组合钻头上部连接一个强磁短节。连通前首先将两井井底所测的陀螺数据输入到强磁设备配套的采集软件中，初始化坐标系。当钻头进入到探管的测量范围后（40m），探管就可以不断的收到当前磁场的强度值，定向井工程师根据采集的测点数据判断出当前的井眼位置，实时计算当前测点的闭合方位并预测钻头处方位的变化，然后通过调整工具面及时的将井眼方向纠正至洞穴中心的位置。接近洞穴时，根据防碰原理，利用专用的轨迹计算软件进行柱面法扫描，判断水平井与洞穴中心的距离，从3D视图上分析轨迹每接近洞穴一步其变化趋势，达到连通的目的（图2－4）。

图2－4 水平井连通直井示意图