一種水平分支多井組對接井及其施工方法

2023-05-07 11:42:36

專利名稱：一種水平分支多井組對接井及其施工方法
技術領域：
本發明涉及地質礦產開採技術領域，尤其涉及一種水平分支多井組對接井及其施工方法，該種水平分支多井組對接井適用於可溶性固體礦產、煤層氣、稠油蒸汽輔助重力開採和頁巖氣開採，特別適用於鹽礦和天然鹼礦的開採。
背景技術：
地質礦產包括天然氣、煤成氣、煤層氣、煤礦瓦斯等氣體礦產，石油、地下水等液體礦產，煤、金屬等固體礦產。適用於開採這些地質礦產的井型有多種多樣，其中水平對接井應用比較普遍。目前，水平對接井通常採用如圖1所示的一口水平井3A對接一口垂直井2A的結構。水平對接井是指目標礦層8井斜角達到或接近90°，井身沿水平方向或者目標礦層8鑽進一定長度與垂直井2A在目標礦層8對接的井，從地面I開孔，先鑽進水平井3A的垂直段3A1，再從造斜點B開始以預先設計的造斜半徑R·鑽進造斜段3A2，鑽遇見礦點P後，沿目標礦層8鑽進一定長度的水平段6A，與垂直井2A的目標靶點T對接連通，其中，本領域技術人員均清楚，在鑽進垂直井2A後要下入表層套管9A和技術套管10A，在鑽進垂直段3A1後要下入表層套管，在鑽進造斜段3A2後要下入技術套管。相對於垂直井2A來說，水平對接井可以極大地增大礦層裸露面積，提高礦產產量。目前通常採用隨鑽測量的方法實現水平井與垂直井的對接，該種方法具有相對較大的測量誤差，這也是目前通常採用單一的一對一的鑽井結構的主要原因。水平對接井採用單一的一對一的鑽井結構，存在以下主要缺陷:1)水平井的造斜段與礦層接觸部位在經過長時間開採後，容易堆積巖屑和上部巖層垮塌，從而堵塞通道造成整個井組報廢；2)水平井工程造價為垂直井的2 3倍，採用傳統水平對接井大規模開採礦區，提高了工程造價；3)採用傳統水平對接井大規模開採礦區時，每口水平井均要施工垂直段和造斜段來完成水平採礦通道對接，提高了工程工作量和延長了工期。

發明內容
本發明的一個目的是針對單一的一對一的鑽井結構存在的技術缺陷，提供一種水平分支多井組對接井，該種鑽井分布形式能夠增加礦層裸露面積、提高採礦效率、降低鑽井成本、減少工期和降低採礦風險。本發明採用的技術方案為:一種水平分支多井組對接井，採用一口水平井對應至少兩個垂直井組的分布結構，每個垂直井組包括至少兩口垂直井；每個垂直井組的垂直井分別在各自底部的靶點處與所述水平井連通，構成與各垂直井組一一對應的水平採礦通道，其中，垂直井的底部的靶點位於目標礦層中。其中，所述水平井在同一分支點與各垂直井組連通。本發明的另一個目的是提供一種可形成上述水平分支多井組對接井的施工方法。本發明採用的技術方案為:一種水平分支多井組對接井的施工方法，包括各垂直井的施工方法和水平井的施工方法，所述垂直井的施工方法為:步驟1:鑽進垂直井到目標礦層，為垂直井下入垂直井表層套管和垂直井技術套管並用油井水泥固井，所述垂直井為待與水平井連通的目標靶井；步驟2:為垂直井安裝井口裝置，將中心管下入垂直井的底部進行建槽，以在垂直井的底部形成溶腔，所述溶腔的中心為目標靶井的靶點；所述水平井的施工方法為:步驟1:進行水平井垂直段的施工，首先採用大直徑鑽頭常規迴轉鑽進垂直段至設計深度，提鑽並進行錄井和測井，洗井後下入水平井表層套管並用油井水泥固井；再採用中直徑鑽頭常規迴轉鑽進垂直段至設計的造斜點；步驟2:進行水平井造斜段的施工，提鑽更換為造斜鑽具組合，採用中直徑鑽頭鑽進造斜段，利用有線或者無線隨鑽測量儀連續監測和控制鑽進軌跡，鑽遇目標礦層達到見礦點後提鑽並進行錄井和測井，洗井後下入水平井技術套管並用油井水泥固井；步驟3:進行水平井水平段的施工，採用小直徑鑽頭先鑽進與第一垂直井組連通的第一條水平採礦通道，再從第一條水平採礦通道上選取的分支點開始順次鑽進與其他垂直井組連通的水平採礦通道，使得水平段的施工包括見礦點和第一垂直井組的與見礦點臨近的靶點間的對接，分支點和其他垂直井組的與分支點臨近的靶點間的對接，以及同一垂直井組的相鄰靶點間的對接，所述對接的起始點被稱為起始靶點，終止點被稱為終止靶點，所述起始靶點與終止靶點間的對接方法為:採用小直徑鑽頭從起始靶點開始鑽進，在距離終止靶點的預定距離處，從水平井提鑽，並在鑽頭後造斜鑽具前加入磁信號發生裝置，另外，打開終止靶點所在的垂直井的井口裝置，用測井電纜下入探管至終止靶點處，利用旋轉磁導向方法引導鑽頭連通終止靶點；之後，水平井提鑽，取下磁信 號發生裝置，從終止靶點所在的垂直井中提出探管並關閉井口
>J-U ρ α裝直。其中，所述磁信號發生裝置包括接頭主體和環形永久磁鐵，所述環形永久磁鐵安裝於接頭主體內部的水眼中，環形永久磁鐵的外徑與水眼的直徑相配合，且環形永久磁鐵與接頭主體同軸，所述環形永久磁鐵的外壁通過工業膠水與接頭主體的形成水眼的內壁粘接在一起，使環形永久磁鐵與接頭主體粘合為一整體；所述接頭主體的一端為與水眼相通、且同軸的用於與鑽具連接的鑽具接頭，另一端為與水眼相通、且同軸的用於與鑽頭連接的鑽頭接頭。本發明的有益效果為:採用本發明的水平分支多井組對接井，由於對於每條水平採礦通道而言，均增加了位於最前方的靶點，克服了造斜段見礦點處容易堆積巖屑引起的通道堵塞，使水平通道可以在水平井和垂直井組的各垂直井之間進行任意循環；另外，本發明的對接井布局及鑽進方法豐富了鑽井井型，增加了礦層裸露面積，提高了採礦效率，降低了鑽井成本，減少了工期，降低了採礦風險。而本發明的施工方法在水平井造斜段和水平段鑽進過程中，利用隨鑽測量儀連續監測和控制鑽進軌跡，並在水平井與垂直井的對接過程中，利用旋轉磁導向技術實現準確中靶，保證了本發明的水平分支多井組對接井的實施。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是典型的水平對接井剖面示意圖。圖2是根據本發明的水平分支多井組對接井的一種布局結構的立體示意圖。圖3a、3b分別示出了根據本發明的水平分支多井組對接井的不同的布局結構的平面示意圖；圖4示出了本發明的施工方法中採用的磁信號發生裝置的結構剖面圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。實施例1:如圖2所示，本實施例的水平分支多井組對接井採用一口水平井3對應兩個垂直井組的分布結構，第一垂直井組又包括兩口垂直井21a、21b，第二垂直井組又包括兩口垂直井22a、22b ;垂直井21a、21b、22a、22b分別在各自底部的靶點處(圖中標識了垂直井21a的靶點21T1和垂直井21b的靶點21T2)與水平井3連通，構成與兩個垂直井組一一對應的第一和第二水平採礦通道61、62，其中，垂直井的底部的靶點位於目標礦層中8。實施例2:如圖3a所示，本實施例的水平分支多井組對接井採用一口水平井3對應兩個垂直井組的分布結構，兩個垂直井組又分別包括三口垂直井，共形成兩個水平採礦通道。實施例3:如圖3b所示，本實施例的水平分支多井組對接井採用一口水平井3對應三個垂直井組的分布結構，每個垂直井組又分別包括兩口垂直井，共形成三個水平採礦通道。現以實施例1的分布結構為例，具體說明本發明的水平分支多井組對接井的施工方法:步驟1:分別鑽進四口垂直井2la、2lb、22a、22b到目標礦層8，進行錄井和測井，以準確判斷出目標礦層8的鑽井深度，控制好鑽孔井斜使其儘量垂直，在相應深度處分別下入垂直井表層套管9和垂直井技術套管10，並用油井水泥固井；在此，鑽進垂直井的方法與現有方法相同；步驟2:分別對各垂直井21a、21b、22a、22b安裝井口裝置，下入中心管進行建槽，以在各垂直井的底部形成溶腔7，溶腔7的中心為各垂直井的待進行對接的靶點，在此，本領域技術人員應當清楚，溶腔7的半徑至少要滿足與水平井3連通的最低要求；在此，溶腔7的形成也為現有技術；步驟3:進行水平井垂直段3A1的施工，首先採用大直徑鑽頭常規迴轉鑽進垂直段3A1到設計深度，提鑽並進行錄井和測井，洗井後下入水平井表層套管並用油井水泥固井；再採用中直徑鑽頭常規迴轉鑽進垂直段3A1至預先設計的造斜點B ；步驟4:進行水平井造斜段3A2的施工，提鑽更換為造斜鑽具組合，採用中直徑鑽頭鑽進造斜段3A2，利用有線或無線隨鑽測量儀連續監測和控制鑽進軌跡，鑽遇目標礦層8達到見礦點P，提鑽並進行錄井和測井，洗井後下入水平井技術套管並用油井水泥固井；步驟5:進行水平井水平段的施工，首先採用小直徑鑽頭沿礦層水平或近水平從見礦點鑽進第一水平採礦通道61，在臨近見礦點的垂直井21a的靶點21T1的預定距離處，水平井3提鑽，在鑽頭後造斜鑽具前加入磁信號發生裝置，並將靶點21T1所在垂直井21a的井口裝置打開，用測井 電纜11下入探管12至靶點21T1處，利用旋轉磁導向技術引導水平井3對接連通靶點21T1 ;水平井3提鑽，取下磁信號發生裝置，從靶點21T1所在垂直井21a中提出探管12，並關閉垂直井21a的井口裝置；步驟6:繼續鑽進第一水平採礦通道61，在距離靶點21T2的預定距離處，水平井3提鑽，在鑽頭後造斜鑽具前加入磁信號發生裝置，並將靶點21T2所在垂直井21b的井口裝置打開，用測井電纜11下入探管12至靶點21T2，利用旋轉磁導向技術引導水平井3對接連通靶點21T2 ;水平井3提鑽，取下磁信號發生裝置，從靶點21T2所在垂直井21b中提出探管12，並關閉垂直井21b的井口裝置；步驟7:根據確定的分支點C位置，按步驟5和6完成第二水平採礦通道的施工。上述分支點C的位置位於見礦點與距離臨近見礦點的垂直井21a的靶點21T1之間，另外，對於施工中所需的井距、造斜半徑、造斜點、相鄰水平採礦通道間的距離、步驟3中的設計深度等工程參數，本領域技術人員可根據礦區情況、目標礦層埋深、工程需要及現有技術條件來設計，這是設計人員必須具備的能力，本發明的目的並不在於提出一種新的設計理論，因此，對該部分內容不作進一步說明。另外，本領域技術人員可在本發明提供的技術方案的基礎上根據礦區情況、工程需要及施工條件，通過改變垂直井組的數量及各垂直井組的垂直井的數量，構成不同井組形式的對接井。以上大、中和小直徑鑽頭是相對概念，只是用來說明不同階段採用的鑽頭直徑的大小關係，並不是用來限定所採用的鑽頭直徑的範圍。以上提及的旋轉磁導向技術也為現有的導向技術，本發明的要點在於利用旋轉磁導向技術實施精確對接，現有的磁信號發生裝置中的磁鐵布置在接頭主體上鑽出的徑向孔中，並用卡簧和膠固定。 這種布置方式的缺點是:1、接頭主體上需要加工多個孔，嚴重影響主體的機械強度；2、固定用膠長期與鑽井液和孔壁接觸，容易受腐蝕和磨損，影響使用壽命；3、磁鐵與主體不同軸，轉動時會受到向外的徑向力，存在脫離主體的風險；4、磁鐵脫離主體後不僅會影響磁性測量儀器的正常工作，還會阻礙正常的鑽進作業。本發明的另一方面是提供了經改進的磁信號發生裝置。如圖4所示，該磁信號發生裝置包括環形永久磁鐵I'和接頭主體2'，環形永久磁鐵Γ沿著接頭主體2'軸線方向布置於接頭主體2'內部的水眼中，使環形永久磁鐵Ii與接頭主體2'同軸(該同軸應理解為包括同軸或近似同軸的情況)，要求同軸度通常不超過0.20mm,環形永久磁鐵I'的外徑與水眼的直徑相配合，環形永久磁鐵I'的外壁通過工業膠水與接頭主體2'的形成水眼的內壁粘接在一起，使環形永久磁鐵Γ與接頭主體2/粘合為一整體。根據環形永久磁鐵的磁極、磁場分布特點可知，環形永久磁場的北極3'和南極4'分設於過其軸線的中截面的兩側，使上半環為磁北極，北極磁力線向磁鐵外方向，下半環為磁南極，南極磁力線向磁鐵內方向。該接頭主體2'還設置有與水眼相通的用於與鑽具連接的鑽具接頭5'和用於與鑽頭連接的鑽頭接頭6'。以上環形永久磁鐵I'的軸向孔的直徑比鑽具接頭5'的內孔的直徑大O 5mm。本發明提供的磁信號發生裝置具有以下優點:1、結構簡單、製作方便；2、環形永久磁鐵與接頭主體同軸，轉動時受力均勻，整體穩定性高，不易分離；3、環形永久磁鐵安裝於接頭主體內部，即便分離也不會因掉到鑽孔內部而影響鑽進；4、環形永久磁鐵南北兩極分布在與其軸垂直的側面上，能在較小空間內產生更大的磁矩；5、接頭主體表面沒有徑向孔，整體機械強度高，工作壽命長。以上所述僅為本發明較佳的實施方式，並非用來限定本發明的實施範圍，但凡在本發明的保護範圍內所做的等效變化及修飾， 皆應認為落入了本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種水平分支多井組對接井，其特徵在於:採用一口水平井對應至少兩個垂直井組的分布結構，每個垂直井組包括至少兩口垂直井；每個垂直井組的垂直井分別在各自底部的靶點處與所述水平井連通，構成與各垂直井組一一對應的水平採礦通道，其中，垂直井的底部的靶點位於目標礦層中。
2.根據權利要求1所述的水平分支多井組對接井，其特徵在於:所述水平井在同一分支點與各垂直井組連通。
3.根據權利要求2所述的水平分支多井組對接井的施工方法，包括各垂直井的施工方法和水平井的施工方法，所述垂直井的施工方法為: 步驟1:鑽進垂直井到目標礦層，為垂直井下入垂直井表層套管和垂直井技術套管並用油井水泥固井； 步驟2:為垂直井安裝井口裝置，將中心管下入垂直井的底部進行建槽，以在垂直井的底部形成溶腔，所述溶腔的中心形成垂直井的靶點；其特徵在於， 所述水平井的施工方法為: 步驟1:進行水平井垂直段的施工，首先採用大直徑鑽頭常規迴轉鑽進垂直段至設計深度，提鑽並進行錄井和測井，洗井後下入水平井表層套管並用油井水泥固井；再採用中直徑鑽頭常規迴轉鑽進垂直段至設計的造斜點； 步驟2:進行水平井造斜段的施工，提鑽更換為造斜鑽具組合，採用中直徑鑽頭鑽進造斜段，利用有線或者無線隨鑽測量儀連續監測和控制鑽進軌跡，鑽遇目標礦層達到見礦點後提鑽並進行錄井和測井，洗井後下入水平井技術套管並用油井水泥固井； 步驟3:進行水平井水平段的施工，採用小直徑鑽頭先鑽進與第一垂直井組連通的第一條水平採礦通道，再從第一條水平採礦通道上選取的分支點開始順次鑽進與其他垂直井組連通的水平採礦通道，使得水平段的施工包括見礦點和第一垂直井組的與見礦點臨近的靶點間的對接，分支點和其他垂直井組的與分支點臨近的靶點間的對接，以及同一垂直井組的相鄰祀點間的對接，所述對接的起始點被稱為起始祀點，終止點被稱為終止祀點，所述起始靶點與終止靶點間的對接方法為: 採用小直徑鑽頭從起始靶點開始鑽進，在距離終止靶點的預定距離處，從水平井提鑽，並在鑽頭後造斜鑽具前加入磁信號發生裝置，另外，打開終止靶點所在的垂直井的井口裝置，用測井電纜下入探管至終止靶點處，利用旋轉磁導向方法引導鑽頭連通終止靶點；之後，水平井提鑽，取下磁信號發生裝置，從終止靶點所在的垂直井中提出探管並關閉井口裝置。
4.根據權利要求3所述的施工方法，其特徵在於:所述磁信號發生裝置包括接頭主體和環形永久磁鐵，所述環形永久磁鐵安裝於接頭主體內部的水眼中，環形永久磁鐵的外徑與水眼的直徑相配合，且環形永久磁鐵與接頭主體同軸，所述環形永久磁鐵的外壁通過工業膠水與接頭主體的形成水眼的內壁粘接在一起，使環形永久磁鐵與接頭主體粘合為一整體；所述接頭主體的一端為與水眼相通、且同軸的用於與鑽具連接的鑽具接頭，另一端為與水眼相通、且同軸的用於與鑽頭連接的鑽頭接頭。
全文摘要
本發明公開了一種水平分支多井組對接井及其施工方法，該對接井採用一口水平井對應至少兩個垂直井組的分布結構，每個垂直井組包括至少兩口垂直井；每個垂直井組的垂直井分別在各自底部的靶點處與所述水平井連通，構成與各垂直井組一一對應的水平採礦通道，其中，垂直井的底部的靶點位於目標礦層中。本發明採用了新穎的鑽井分布形式，可增加礦層裸露面積，提高採礦效率，降低鑽井成本，減少工期，降低採礦風險。
文檔編號E21B43/30GK103216234SQ20131014381
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月23日 優先權日2013年4月23日
發明者胡漢月, 劉志強, 劉海翔, 林修闊, 劉汪威, 隆東 申請人:中國地質科學院勘探技術研究所, 地質礦產廊坊聚力巖土工程開發公司