一种煤层水平井的地质导向方法与流程

本技术涉及煤层气导向钻井，尤其涉及一种煤层水平井的地质导向方法。

背景技术：

1、水平井是最大井斜角达到或着接近90°（一般不小于86°）、并在目的层中维持一定长度水平井段的特殊井，煤层气水平钻井是结合常规油气钻井技术和煤层实际特征发展起来的一种钻井技术，该技术能有效地解决低渗煤层采用直井、定向井存在的泄压面积小、采收率及产量低的问题，广泛应用于煤层气的开采作业中。

2、近年来，我国水平井施工技术快速发展，地质导向技术受到广泛应用，地质导向(geosteering)是指在水平井的钻进过程中，根据各种地质资料、随钻测井及测量数据，实时地调整井眼轨迹的测量控制技术。该技术能够提升水平井的施工效率和施工效果，全面发挥地质导向技术的价值，为水平井施工工作的良好发展夯实基础。

3、就水平井技术而言,在煤层平坦的地区实施更具优势；然而，随着煤层走向的变化，导向钻具可能发生上切出煤或下切出煤的情况，需要及时通过测量信息判断井眼轨迹是否偏离煤层，并及时调整钻头返回目的层。但是，对于倾角较大的煤层，普通的水平井技术会存在较大的限制。

4、目前现有技术中通过使用lwd仪器（业内又称为定向仪器）实时进行数据记录，在地面时将定向仪器与伽马探管组装在一起，使定向仪器的高边和伽马探管的高边处于同一方向；后续在导向钻具钻进过程中，当定向仪器转动至正上方或正下方位置时，才能向显示器传送伽马探管测得的上/下伽马值，形成上、下伽马曲线以判断钻头的上/下切出煤情况，进而对钻头作及时调整，使之回到目的层内。

5、对于煤层气井的目的煤层倾角大于15°以上，即可认为是高陡构造煤层；如果煤层倾角在35°～55°，就需要分析钻井井眼轨迹在煤层中会出现的三维效应，导向钻具的出煤方向会由上/下切出煤变成左/右切出煤。

6、参照图1，当出现左/右切出煤的情况时，定向仪器和伽马探管旋转至刚出层位置，由于定向仪器的高边并不朝向正上方或正下方，此时定向仪器不向显示器传送伽马值；当定向仪器的高边再次转向正上方时，定向仪器和伽马探管的高边仍处于煤层内，此时传送的上伽马值并没有发生明显变化。直到位于正上方的定向仪器的高边穿出煤层外，传送的上伽马值才会发生明显变化，这导致上/下伽马值的测量结果存在滞后性，难以在第一时间内判断出层情况的发生，因而有待改进。

技术实现思路

1、基于此，本技术提供了一种煤层水平井的地质导向方法，能够在钻头发生出煤时及时得知，进而快速调整钻头返回目的煤层，提高煤层的钻遇率。

2、本技术提供的一种煤层水平井的地质导向方法采用如下技术方案：

3、一种煤层水平井的地质导向方法，包括以下步骤：

4、步骤s1，煤层特征判定；通过现场勘测，预先得知煤层的倾角角度、煤层厚度及煤层走向；

5、步骤s2，导向钻具组装；将钻头、单弯螺杆、无磁钻铤和钻杆依次组装，定向仪器与伽马探管安装在无磁钻铤内部，定向仪器的高边与单弯螺杆的高边对齐；伽马探管的高边位置需根据煤层倾角的角度确定，存在以下两种情况：

6、1）当煤层倾角角度≤35°时，使定向仪器高边与伽马探管高边保持对齐；

7、2）当煤层倾角角度在35°～55°范围时，使定向仪器高边与伽马探管高边之间错位形成预设夹角，预设夹角的角度在20°～60°范围内，且当定向仪器的高边朝向正上方时，伽马探管能够基于预先勘测结果、位于定向仪器靠近煤层低处的一侧；

8、步骤s3，煤层钻进；使导向钻具沿着煤层走向钻进，利用定向仪器进行实时数据记录；钻进过程中仪器测得的井斜、方位数据和伽马曲线从井下传送至地面接收器，通过数据观测不断修正井眼轨迹；

9、步骤s4，出煤后重新找煤；通过伽马曲线的变化情况判断钻头是否出煤层，并在出煤发生后，利用伽马曲线判断具体出煤情况，对钻头进行调整使之重新回到目的煤层。

10、通过采用上述的技术方案，在施工之前对现场地区进行勘测，能够对当地的煤层构造形成基本了解，同时确定煤层倾角的大小。在煤层倾角小于35°时，可判定为小倾角煤层，导向钻具组装时使定向仪器高边、单弯螺杆高边以及伽马探管高边均朝向正上方、相互对齐，钻头钻进过程中，定向仪器高边转动至正上方或正下方位置时能够发送伽马信号至地面接收器以形成伽马曲线，通过伽马曲线观测并修正井眼轨迹，并在出煤发生时能够及时发现并快速应对，提高煤层的钻遇率。

11、当煤层倾角在35°～55°范围内时，可判定为大倾角煤层；导向钻具组装时使定向仪器高边与单弯螺杆高边均朝向正上方，然后使伽马探管与定向仪器之间形成一个预设夹角。在钻头钻进过程中，定向仪器高边转动至正上方或正下方位置时，由于预设夹角的存在，伽马探管的高边能够位于煤层外，传送的伽马曲线能够在第一时间发生明显变化，以便于施工人员及时得知出煤情况并判断出煤发生位置，进而能够快速调整钻头返回目的煤层，提高煤层的钻遇率。

12、可选的，在步骤s1中，当煤层倾角角度在35°～55°范围时，将预设夹角的角度调整至与煤层倾角的角度一致。

13、通过采用上述的技术方案，通过将预设夹角的角度调整至与煤层倾角的角度一致，钻头发生左/右切出煤情况时，即使定向仪器与伽马探管仍处于煤层内，在定向仪器朝向正上方或正下方位置时，伽马探管的高边便能够第一时间位于煤层外，测得伽马曲线并传送至地面接收器，以便于施工人员在第一时间及时得知出煤情况的发生，更有利于施工人员将钻头调整至返回目的煤层，并且此方式下具有更高的调整精度，更有利于钻头准确回到目的煤层。

14、可选的，在步骤s2中，定向仪器与伽马探管之间螺纹连接，且伽马探管位于定向仪器靠近钻头的一侧；无磁钻铤通过定向接头转动连接于单弯螺杆。

15、通过采用上述的技术方案，通过使伽马探管螺纹连接于定向仪器，施工人员能够方便地旋转调整伽马探管高边与定向仪器高边之间的预设夹角；另外，无磁钻铤通过定向接头转动连接于单弯螺杆，能够在钻头钻进过程使定向仪器与伽马探管随之旋转，以便于测得上伽马曲线及下伽马曲线。

16、可选的，在步骤s3中，定向仪器内置有用于测量重力加速度的传感器，当定向仪器转动至高边朝向正上方或正下方位置时，传感器触发定向仪器发送信号至地面接收器，将伽马探管分别测得的上伽马值和下伽马值传送至地面接收器，从而分别形成上伽马曲线和下伽马曲线。

17、通过采用上述的技术方案，传感器的设置使得定向仪器仅在转动至高边朝向正上方或正下方的位置时才会向地面接收器发送测得的伽马值，其中测得的上伽马值与方位数据相结合，能够形成上伽马曲线；测得的下伽马值与方位数据相结合，能够形成下伽马曲线，通过上、下伽马曲线能够准确判断钻头的走向及出煤情况，便于找煤，提高煤层的钻遇率。

18、可选的，在步骤s3中，当煤层倾角角度≤35°时，钻头的出煤方式为上/下切出煤，井眼轨迹的修正存在如下两种情况：

19、1）当上伽马值先出现明显变化，接着下伽马值出现响应时，表明地层下倾或井眼上行，钻头可能向上切出煤层，需要将导向钻具向下微调以进行轨迹修正；

20、2）当下伽马值先出现明显变化，接着上伽马值出现响应时，表明地层上倾或井眼下行，钻头可能向下切出煤层，需要将导向钻具向上微调以进行轨迹修正。

21、通过采用上述的技术方案，伽马探管测量的是岩层中自然存在的放射性核素衰变过程中放射出的伽马射线，通过闪烁计数器俘获来自地层的伽马射线，因此，当伽马探管越靠近岩层时，所测得的伽马数值越大。针对小倾角煤层，钻进过程中倘若上伽马值先出现明显变化、接着下伽马值出现响应，说明伽马探管逐渐靠近顶部岩层，可能向上切出煤层，需要将导向钻具向下微调以进行轨迹修正；而倘若下伽马值先出现明显变化、接着上伽马值出现响应，说明伽马探管逐渐靠近底部岩层，可能向下切出煤层，需要将导向钻具向上微调以进行轨迹修正。

22、可选的，在步骤s4中，煤层倾角角度≤35°；在确认出煤情况发生后，使钻头沿井眼轨迹回退，并在回退过程中依次记录上、下伽马数值，通过方位数据和上、下伽马数据分别绘制上、下伽马曲线，找到上、下伽马值的突变位置，判断为上切出煤还是下切出煤，并选择对应措施：

23、1）判断为上切出煤时，在回退后的位置将导向钻具向下微调以重新找到目的煤层；

24、2）判断为下切出煤时，在回退后的位置将导向钻具向上微调以重新找到目的煤层。

25、通过采用上述的技术方案，在钻头已经切出煤层之后，控制钻头沿井眼轨迹回退，回退过程分为多次，且每次回退后都停留一段时间，此时定向仪器高边转动至朝向正上方或正下方的位置，伽马探管能够发送上伽马值和下伽马值至地面接收器，多次测量之后得到上、下伽马曲线，通过上、下伽马曲线能够判断出具体出煤位置及出煤方式，进而能够针对性地对导向钻具进行微调，使之重新回到目的煤层中进行钻进。

26、可选的，在步骤s3中，当煤层倾角角度在35°～55°范围时，钻头的出煤方式为左/右切出煤，井眼轨迹的修正存在如下四种情况：

27、1）基于预先勘测结果、煤层低处位于煤层右侧时，倘若上伽马值先出现明显变化，接着下伽马值出现响应时，表明地层下倾或井眼上行，钻头可能向右切出煤层，需要将导向钻具向左下方向微调；

28、2）基于预先勘测结果、煤层低处位于煤层右侧时，倘若下伽马值先出现明显变化，接着上伽马值出现响应时，表明地层上倾或井眼下行，钻头可能向左切出煤层，需要将导向钻具向右上方向微调；

29、3）基于预先勘测结果、煤层低处位于煤层左侧时，倘若上伽马值先出现明显变化，接着下伽马值出现响应时，表明地层下倾或井眼上行，钻头可能向左切出煤层，需要将导向钻具向右下方向微调；

30、4）基于预先勘测结果、煤层低处位于煤层右侧时，倘若下伽马值先出现明显变化，接着上伽马值出现响应时，表明地层上倾或井眼下行，钻头可能向右切出煤层，需要将导向钻具向左上方向微调。

31、通过采用上述的技术方案，针对不同倾斜方向的大倾角煤层，根据钻进过程中上伽马值与下伽马值的变化情况，能够预测出钻进过程中对应的出煤情况；根据出煤情况能够有针对性地调整导向钻具的位置及方向，从而对井眼轨迹进行修正，使之沿着煤层的方向钻进，提高钻遇率。

32、可选的，在步骤s4中，煤层倾角角度在35°～55°范围内；在确认出煤情况发生后，使钻头沿井眼轨迹回退，并在回退过程中依次记录上、下伽马数值，通过方位数据和上、下伽马数据分别绘制上、下伽马曲线，找到上、下伽马值的突变位置，判断为上切出煤还是下切出煤，并选择对应措施：

33、1）基于预先勘测结果、煤层低处位于煤层右侧时，若判断为右切出煤，在回退后的位置将导向钻具向左下方向微调以重新找到目的煤层；

34、2）基于预先勘测结果、煤层低处位于煤层右侧时，若判断为下切出煤，在回退后的位置将导向钻具向右上方向微调以重新找到目的煤层；

35、3）基于预先勘测结果、煤层低处位于煤层左侧时，若判断为左切出煤，在回退后的位置将导向钻具向右下方向微调以重新找到目的煤层；

36、4）基于预先勘测结果、煤层低处位于煤层左侧时，若判断为右切出煤，在回退后的位置将导向钻具向左上方向微调以重新找到目的煤层。

37、通过采用上述的技术方案，在钻头已经切出煤层之后，控制钻头沿井眼轨迹回退，回退过程分为多次，且每次回退后都停留一段时间，此时定向仪器高边转动至朝向正上方或正下方的位置，伽马探管能够发送上伽马值和下伽马值至地面接收器，多次测量之后得到上、下伽马曲线，通过上、下伽马曲线能够判断出具体出煤位置及出煤方式，进而能够针对性地对导向钻具进行微调，使之重新回到目的煤层中进行钻进。

38、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

39、1.当判定煤层为大倾角煤层时，通过调整伽马探管使之与定向仪器之间形成一个预设夹角，定向仪器高边转动至正上方或正下方位置时，由于预设夹角的存在，伽马探管的高边能够位于煤层外，传送的伽马曲线能够在第一时间发生明显变化，以便于施工人员及时得知出煤情况并判断出煤发生位置，进而能够快速调整钻头返回目的煤层，提高煤层的钻遇率；

40、2.针对大倾角煤层，钻进过程中倘若上伽马值先出现明显变化、接着下伽马值出现响应，说明伽马探管逐渐靠近顶部岩层，可能向右切出煤层，需要将导向钻具向左下方向微调以进行轨迹修正；而倘若下伽马值先出现明显变化、接着上伽马值出现响应，说明伽马探管逐渐靠近底部岩层，可能向下切出煤层，需要将导向钻具向右上方向微调以进行轨迹修正。