专利名称：一种水平分支多井组对接井及其施工方法
技术领域：
本发明涉及地质矿产开采技术领域，尤其涉及一种水平分支多井组对接井及其施工方法，该种水平分支多井组对接井适用于可溶性固体矿产、煤层气、稠油蒸汽辅助重力开采和页岩气开采，特别适用于盐矿和天然碱矿的开采。
背景技术：
地质矿产包括天然气、煤成气、煤层气、煤矿瓦斯等气体矿产，石油、地下水等液体矿产，煤、金属等固体矿产。适用于开采这些地质矿产的井型有多种多样，其中水平对接井应用比较普遍。目前，水平对接井通常采用如图1所示的一口水平井3A对接一口垂直井2A的结构。水平对接井是指目标矿层8井斜角达到或接近90°，井身沿水平方向或者目标矿层8钻进一定长度与垂直井2A在目标矿层8对接的井，从地面I开孔，先钻进水平井3A的垂直段3A1，再从造斜点B开始以预先设计的造斜半径R·钻进造斜段3A2，钻遇见矿点P后，沿目标矿层8钻进一定长度的水平段6A，与垂直井2A的目标靶点T对接连通，其中，本领域技术人员均清楚，在钻进垂直井2A后要下入表层套管9A和技术套管10A，在钻进垂直段3A1后要下入表层套管，在钻进造斜段3A2后要下入技术套管。相对于垂直井2A来说，水平对接井可以极大地增大矿层裸露面积，提高矿产产量。目前通常采用随钻测量的方法实现水平井与垂直井的对接，该种方法具有相对较大的测量误差，这也是目前通常采用单一的一对一的钻井结构的主要原因。水平对接井采用单一的一对一的钻井结构，存在以下主要缺陷:1)水平井的造斜段与矿层接触部位在经过长时间开采后，容易堆积岩屑和上部岩层垮塌，从而堵塞通道造成整个井组报废；2)水平井工程造价为垂直井的2 3倍，采用传统水平对接井大规模开采矿区，提高了工程造价；3)采用传统水平对接井大规模开采矿区时，每口水平井均要施工垂直段和造斜段来完成水平采矿通道对接，提高了工程工作量和延长了工期。
发明内容
本发明的一个目的是针对单一的一对一的钻井结构存在的技术缺陷，提供一种水平分支多井组对接井，该种钻井分布形式能够增加矿层裸露面积、提高采矿效率、降低钻井成本、减少工期和降低采矿风险。本发明采用的技术方案为:一种水平分支多井组对接井，采用一口水平井对应至少两个垂直井组的分布结构，每个垂直井组包括至少两口垂直井；每个垂直井组的垂直井分别在各自底部的靶点处与所述水平井连通，构成与各垂直井组一一对应的水平采矿通道，其中，垂直井的底部的靶点位于目标矿层中。其中，所述水平井在同一分支点与各垂直井组连通。本发明的另一个目的是提供一种可形成上述水平分支多井组对接井的施工方法。本发明采用的技术方案为:一种水平分支多井组对接井的施工方法，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为:步骤1:钻进垂直井到目标矿层，为垂直井下入垂直井表层套管和垂直井技术套管并用油井水泥固井，所述垂直井为待与水平井连通的目标靶井；步骤2:为垂直井安装井口装置，将中心管下入垂直井的底部进行建槽，以在垂直井的底部形成溶腔，所述溶腔的中心为目标靶井的靶点；所述水平井的施工方法为:步骤1:进行水平井垂直段的施工，首先采用大直径钻头常规回转钻进垂直段至设计深度，提钻并进行录井和测井，洗井后下入水平井表层套管并用油井水泥固井；再采用中直径钻头常规回转钻进垂直段至设计的造斜点；步骤2:进行水平井造斜段的施工，提钻更换为造斜钻具组合，采用中直径钻头钻进造斜段，利用有线或者无线随钻测量仪连续监测和控制钻进轨迹，钻遇目标矿层达到见矿点后提钻并进行录井和测井，洗井后下入水平井技术套管并用油井水泥固井；步骤3:进行水平井水平段的施工，采用小直径钻头先钻进与第一垂直井组连通的第一条水平采矿通道，再从第一条水平采矿通道上选取的分支点开始顺次钻进与其他垂直井组连通的水平采矿通道，使得水平段的施工包括见矿点和第一垂直井组的与见矿点临近的靶点间的对接，分支点和其他垂直井组的与分支点临近的靶点间的对接，以及同一垂直井组的相邻靶点间的对接，所述对接的起始点被称为起始靶点，终止点被称为终止靶点，所述起始靶点与终止靶点间的对接方法为:采用小直径钻头从起始靶点开始钻进，在距离终止靶点的预定距离处，从水平井提钻，并在钻头后造斜钻具前加入磁信号发生装置，另外，打开终止靶点所在的垂直井的井口装置，用测井电缆下入探管至终止靶点处，利用旋转磁导向方法引导钻头连通终止靶点；之后，水平井提钻，取下磁信 号发生装置，从终止靶点所在的垂直井中提出探管并关闭井口
>J-U ρ α装直。其中，所述磁信号发生装置包括接头主体和环形永久磁铁，所述环形永久磁铁安装于接头主体内部的水眼中，环形永久磁铁的外径与水眼的直径相配合，且环形永久磁铁与接头主体同轴，所述环形永久磁铁的外壁通过工业胶水与接头主体的形成水眼的内壁粘接在一起，使环形永久磁铁与接头主体粘合为一整体；所述接头主体的一端为与水眼相通、且同轴的用于与钻具连接的钻具接头，另一端为与水眼相通、且同轴的用于与钻头连接的钻头接头。本发明的有益效果为:采用本发明的水平分支多井组对接井，由于对于每条水平采矿通道而言，均增加了位于最前方的靶点，克服了造斜段见矿点处容易堆积岩屑引起的通道堵塞，使水平通道可以在水平井和垂直井组的各垂直井之间进行任意循环；另外，本发明的对接井布局及钻进方法丰富了钻井井型，增加了矿层裸露面积，提高了采矿效率，降低了钻井成本，减少了工期，降低了采矿风险。而本发明的施工方法在水平井造斜段和水平段钻进过程中，利用随钻测量仪连续监测和控制钻进轨迹，并在水平井与垂直井的对接过程中，利用旋转磁导向技术实现准确中靶，保证了本发明的水平分支多井组对接井的实施。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是典型的水平对接井剖面示意图。图2是根据本发明的水平分支多井组对接井的一种布局结构的立体示意图。图3a、3b分别示出了根据本发明的水平分支多井组对接井的不同的布局结构的平面示意图；图4示出了本发明的施工方法中采用的磁信号发生装置的结构剖面图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明。实施例1:如图2所示，本实施例的水平分支多井组对接井采用一口水平井3对应两个垂直井组的分布结构，第一垂直井组又包括两口垂直井21a、21b，第二垂直井组又包括两口垂直井22a、22b ;垂直井21a、21b、22a、22b分别在各自底部的靶点处(图中标识了垂直井21a的靶点21T1和垂直井21b的靶点21T2)与水平井3连通，构成与两个垂直井组一一对应的第一和第二水平采矿通道61、62，其中，垂直井的底部的靶点位于目标矿层中8。实施例2:如图3a所示，本实施例的水平分支多井组对接井采用一口水平井3对应两个垂直井组的分布结构，两个垂直井组又分别包括三口垂直井，共形成两个水平采矿通道。实施例3:如图3b所示，本实施例的水平分支多井组对接井采用一口水平井3对应三个垂直井组的分布结构，每个垂直井组又分别包括两口垂直井，共形成三个水平采矿通道。现以实施例1的分布结构为例，具体说明本发明的水平分支多井组对接井的施工方法:步骤1:分别钻进四口垂直井2la、2lb、22a、22b到目标矿层8，进行录井和测井，以准确判断出目标矿层8的钻井深度，控制好钻孔井斜使其尽量垂直，在相应深度处分别下入垂直井表层套管9和垂直井技术套管10，并用油井水泥固井；在此，钻进垂直井的方法与现有方法相同；步骤2:分别对各垂直井21a、21b、22a、22b安装井口装置，下入中心管进行建槽，以在各垂直井的底部形成溶腔7，溶腔7的中心为各垂直井的待进行对接的靶点，在此，本领域技术人员应当清楚，溶腔7的半径至少要满足与水平井3连通的最低要求；在此，溶腔7的形成也为现有技术；步骤3:进行水平井垂直段3A1的施工，首先采用大直径钻头常规回转钻进垂直段3A1到设计深度，提钻并进行录井和测井，洗井后下入水平井表层套管并用油井水泥固井；再采用中直径钻头常规回转钻进垂直段3A1至预先设计的造斜点B ；步骤4:进行水平井造斜段3A2的施工，提钻更换为造斜钻具组合，采用中直径钻头钻进造斜段3A2，利用有线或无线随钻测量仪连续监测和控制钻进轨迹，钻遇目标矿层8达到见矿点P，提钻并进行录井和测井，洗井后下入水平井技术套管并用油井水泥固井；步骤5:进行水平井水平段的施工，首先采用小直径钻头沿矿层水平或近水平从见矿点钻进第一水平采矿通道61，在临近见矿点的垂直井21a的靶点21T1的预定距离处，水平井3提钻，在钻头后造斜钻具前加入磁信号发生装置，并将靶点21T1所在垂直井21a的井口装置打开，用测井 电缆11下入探管12至靶点21T1处，利用旋转磁导向技术引导水平井3对接连通靶点21T1 ;水平井3提钻，取下磁信号发生装置，从靶点21T1所在垂直井21a中提出探管12，并关闭垂直井21a的井口装置；步骤6:继续钻进第一水平采矿通道61，在距离靶点21T2的预定距离处，水平井3提钻，在钻头后造斜钻具前加入磁信号发生装置，并将靶点21T2所在垂直井21b的井口装置打开，用测井电缆11下入探管12至靶点21T2，利用旋转磁导向技术引导水平井3对接连通靶点21T2 ;水平井3提钻，取下磁信号发生装置，从靶点21T2所在垂直井21b中提出探管12，并关闭垂直井21b的井口装置；步骤7:根据确定的分支点C位置，按步骤5和6完成第二水平采矿通道的施工。上述分支点C的位置位于见矿点与距离临近见矿点的垂直井21a的靶点21T1之间，另外，对于施工中所需的井距、造斜半径、造斜点、相邻水平采矿通道间的距离、步骤3中的设计深度等工程参数，本领域技术人员可根据矿区情况、目标矿层埋深、工程需要及现有技术条件来设计，这是设计人员必须具备的能力，本发明的目的并不在于提出一种新的设计理论，因此，对该部分内容不作进一步说明。另外，本领域技术人员可在本发明提供的技术方案的基础上根据矿区情况、工程需要及施工条件，通过改变垂直井组的数量及各垂直井组的垂直井的数量，构成不同井组形式的对接井。以上大、中和小直径钻头是相对概念，只是用来说明不同阶段采用的钻头直径的大小关系，并不是用来限定所采用的钻头直径的范围。以上提及的旋转磁导向技术也为现有的导向技术，本发明的要点在于利用旋转磁导向技术实施精确对接，现有的磁信号发生装置中的磁铁布置在接头主体上钻出的径向孔中，并用卡簧和胶固定。 这种布置方式的缺点是:1、接头主体上需要加工多个孔，严重影响主体的机械强度；2、固定用胶长期与钻井液和孔壁接触，容易受腐蚀和磨损，影响使用寿命；3、磁铁与主体不同轴，转动时会受到向外的径向力，存在脱离主体的风险；4、磁铁脱离主体后不仅会影响磁性测量仪器的正常工作，还会阻碍正常的钻进作业。本发明的另一方面是提供了经改进的磁信号发生装置。如图4所示，该磁信号发生装置包括环形永久磁铁I'和接头主体2'，环形永久磁铁Γ沿着接头主体2'轴线方向布置于接头主体2'内部的水眼中，使环形永久磁铁Ii与接头主体2'同轴(该同轴应理解为包括同轴或近似同轴的情况)，要求同轴度通常不超过0.20mm,环形永久磁铁I'的外径与水眼的直径相配合，环形永久磁铁I'的外壁通过工业胶水与接头主体2'的形成水眼的内壁粘接在一起，使环形永久磁铁Γ与接头主体2/粘合为一整体。根据环形永久磁铁的磁极、磁场分布特点可知，环形永久磁场的北极3'和南极4'分设于过其轴线的中截面的两侧，使上半环为磁北极，北极磁力线向磁铁外方向，下半环为磁南极，南极磁力线向磁铁内方向。该接头主体2'还设置有与水眼相通的用于与钻具连接的钻具接头5'和用于与钻头连接的钻头接头6'。以上环形永久磁铁I'的轴向孔的直径比钻具接头5'的内孔的直径大O 5mm。本发明提供的磁信号发生装置具有以下优点:1、结构简单、制作方便；2、环形永久磁铁与接头主体同轴，转动时受力均匀，整体稳定性高，不易分离；3、环形永久磁铁安装于接头主体内部，即便分离也不会因掉到钻孔内部而影响钻进；4、环形永久磁铁南北两极分布在与其轴垂直的侧面上，能在较小空间内产生更大的磁矩；5、接头主体表面没有径向孔，整体机械强度高，工作寿命长。以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用来限定本发明的实施范围，但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰， 皆应认为落入了本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种水平分支多井组对接井，其特征在于:采用一口水平井对应至少两个垂直井组的分布结构，每个垂直井组包括至少两口垂直井；每个垂直井组的垂直井分别在各自底部的靶点处与所述水平井连通，构成与各垂直井组一一对应的水平采矿通道，其中，垂直井的底部的靶点位于目标矿层中。
2.根据权利要求1所述的水平分支多井组对接井，其特征在于:所述水平井在同一分支点与各垂直井组连通。
3.根据权利要求2所述的水平分支多井组对接井的施工方法，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为: 步骤1:钻进垂直井到目标矿层，为垂直井下入垂直井表层套管和垂直井技术套管并用油井水泥固井； 步骤2:为垂直井安装井口装置，将中心管下入垂直井的底部进行建槽，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点；其特征在于， 所述水平井的施工方法为: 步骤1:进行水平井垂直段的施工，首先采用大直径钻头常规回转钻进垂直段至设计深度，提钻并进行录井和测井，洗井后下入水平井表层套管并用油井水泥固井；再采用中直径钻头常规回转钻进垂直段至设计的造斜点； 步骤2:进行水平井造斜段的施工，提钻更换为造斜钻具组合，采用中直径钻头钻进造斜段，利用有线或者无线随钻测量仪连续监测和控制钻进轨迹，钻遇目标矿层达到见矿点后提钻并进行录井和测井，洗井后下入水平井技术套管并用油井水泥固井； 步骤3:进行水平井水平段的施工，采用小直径钻头先钻进与第一垂直井组连通的第一条水平采矿通道，再从第一条水平采矿通道上选取的分支点开始顺次钻进与其他垂直井组连通的水平采矿通道，使得水平段的施工包括见矿点和第一垂直井组的与见矿点临近的靶点间的对接，分支点和其他垂直井组的与分支点临近的靶点间的对接，以及同一垂直井组的相邻祀点间的对接，所述对接的起始点被称为起始祀点，终止点被称为终止祀点，所述起始靶点与终止靶点间的对接方法为: 采用小直径钻头从起始靶点开始钻进，在距离终止靶点的预定距离处，从水平井提钻，并在钻头后造斜钻具前加入磁信号发生装置，另外，打开终止靶点所在的垂直井的井口装置，用测井电缆下入探管至终止靶点处，利用旋转磁导向方法引导钻头连通终止靶点；之后，水平井提钻，取下磁信号发生装置，从终止靶点所在的垂直井中提出探管并关闭井口装置。
4.根据权利要求3所述的施工方法，其特征在于:所述磁信号发生装置包括接头主体和环形永久磁铁，所述环形永久磁铁安装于接头主体内部的水眼中，环形永久磁铁的外径与水眼的直径相配合，且环形永久磁铁与接头主体同轴，所述环形永久磁铁的外壁通过工业胶水与接头主体的形成水眼的内壁粘接在一起，使环形永久磁铁与接头主体粘合为一整体；所述接头主体的一端为与水眼相通、且同轴的用于与钻具连接的钻具接头，另一端为与水眼相通、且同轴的用于与钻头连接的钻头接头。
全文摘要
本发明公开了一种水平分支多井组对接井及其施工方法，该对接井采用一口水平井对应至少两个垂直井组的分布结构，每个垂直井组包括至少两口垂直井；每个垂直井组的垂直井分别在各自底部的靶点处与所述水平井连通，构成与各垂直井组一一对应的水平采矿通道，其中，垂直井的底部的靶点位于目标矿层中。本发明采用了新颖的钻井分布形式，可增加矿层裸露面积，提高采矿效率，降低钻井成本，减少工期，降低采矿风险。
文档编号E21B43/30GK103216234SQ20131014381
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者胡汉月, 刘志强, 刘海翔, 林修阔, 刘汪威, 隆东 申请人:中国地质科学院勘探技术研究所, 地质矿产廊坊聚力岩土工程开发公司