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“慧磁”高精度定向对接井技术

发布时间:2018年04月19日
来源:探矿工程在线

定向对接井技术是采用定向钻进技术和特种钻井技术,使地面水平相距数百米或上千米的两口井在地下深处对接。然后向一口井注入淡水,另一口井采出高浓度卤水,实现两井连通水溶采矿的新技术。该技术被应用于盐、芒硝矿、天然碱等可溶性矿产开采中,也可应用于煤层气、水、石油、地热田、页岩气及干热岩等资源开采中。该技术突出的优点是利用水平钻井技术和测量技术,在矿层中建成固体溶解通道或气体释放通道,增大开采面积,从而提高矿产的回采率和生产率并延长生产井组的使用寿命。

在此技术应用之前可溶性矿产一般采用单井对流或压裂连通法进行开采,可控矿面积小,压裂法破坏地层,严重者可导致地面建筑垮塌。

一、技术原理

由勘探技术研究所研制成功的“慧磁”高精度定向对接井技术是在定向对接井技术基础上发展成的一种高效、节能,具有高精度中靶特点的定向对接井技术,集成了定向钻进技术、随钻测量技术及“慧磁”定向钻进高精度中靶技术等先进技术,引导钻头准确进入靶区矿层,使位于地下数百米甚至数千米的两井或多井在矿层内实现对接连通,从而为水溶性矿产如盐、碱、芒硝等或气体矿产的开采提供一种高效、绿色、节能、无开挖、无尾矿的先进的技术方法。“慧磁”高精度定向对接井技术原理图见图1

1 “慧磁”高精度定向对接井技术工作原理图

二、关键器具——“慧磁”钻井中靶导向系统

早期的盐卤井多采用自然溶通或地层压裂连通,连通率较低,且易对地层产生破坏;后来采用定向钻井技术和随钻测量技术(MWD)实现直接钻通,取得了技术突破;但传统的MWD随钻测量技术存在累计误差的固有缺陷,且随着井深的增加,产生的偏差越来越大,因此,对于靶区小于5m的对接工程,仍然存在连通率偏低的问题。为此研发了定向钻进高精度中靶系统,营造人工磁场,抛开地磁克服了常规MWD产生的累计误差,测量靶点和钻头的相对位置,进行引导中靶,具有越趋近靶点,测量精度越高的优点。“慧磁”钻井中靶导向系统外观图见图2

2 “慧磁”钻井中靶导向系统

“慧磁”钻井中靶导向系统采用旋转磁测量技术,实现了精确中靶的目的。大量的中靶作业表明,在靶区直径低至50cm的靶区内,仍能实现一次钻进、直接连通,这说明该系统具有极高的中靶精度。最直接的证明是,在山西乡宁的煤层气对接井中,靶井采用直径50cm钻头扩孔形成底部靶区,在实际中靶作业时,取得了直接钻进、一次连通的效果。

三、高精度定向对接井技术优势

采用定向钻井技术直接将两井高效对接连通,具有以下优势:

l1)矿山开采布井占地少,节约了宝贵的土地资源,是一种典型的绿色开采方法;

2)技术先进,能实现一次对接成功,不需要建槽,而且避免了反复中靶作业,实现节能开采;

3)两井水平距离长,可达300m,控矿范围大大增加,可采矿石量大,两井使用寿命长;

l4)两井井位不受地形地貌的限制,对接点可以控制,不受任何条件限制; 

l5)不论何种构造的矿床,不论矿床品位的高低,这种方法均可应用。对其他岩层均不产生污染;

6)卤水浓度高质量稳,井内事故少。

四、扩展的新型的分支平行井组

常规的定向对接井一般是简单的两井对接模式。为提高回采率和降低建井成本,应用高精度定向对接井技术可设计多分支平行井组,如图3所示,分支平行井组由一个水平井和四个垂直井所组成,采用随钻测量技术(MWD)、随钻测井技术(LWD)和定向钻进高精度中靶系统等进行施工,最终形成两个平行的采矿通道。该井组已应用于土耳其BEYPAZARI天然碱矿水溶钻井采矿工程中,取得了良好的采矿效果。其优势在于:(1)采用一个水平井实现了两个采矿通道,减少了建井工作量;(2)两个平行通道组成一个矩形开采区域,可在合理保留矿柱的同时,有效地提高矿产回采率;(3)水平井作为一个连通工艺井,完井后采用水泥浆回填,可减少套管和中心管材料费用;(4)采矿通道两端各由一个垂直井通过取芯取得矿层数据(标高和厚度),为水平井准确进入矿层提供准确的数据,最大限度地保证足够的遇矿率。

3  多分支平行井组模式示意图

五、重要意义

2004年以前,在施工对接井时仅依赖大地磁场的引导,采用磁性随钻测斜仪测量钻井轨迹。由于其具有固有的累计偏差的特征,因而对接井的一次连通率仅30-50%,二次连通率仅50-80%,甚至有很多对接井历经7-9次才实现连通。

2009年“慧磁”钻井中靶导向系统开发成功后,中国地质调查局勘探技术研究所利用该仪器相继完成200余次的连通作业,一次连通率达95%以上,二次连通率接近100%

“慧磁”高精度定向及对接井技术以其精确定向引导功能,开创了水平井采矿的新纪元,为我国能源或资源增添了一种全新的绿色采矿手段,使得我国的定向钻井技术居于世界前列,并为全球采矿业注入了新的活力。

六、应用情况

“慧磁”高精度定向及对接井技术由中国地质调查局勘探技术研究所研究成功后很快就实现了商业化,在盐矿、天然碱矿等水溶性矿产开采和煤层气(CBM)、地下煤层气化(UCG)、蒸汽辅助重力驱动稠油(SAGD)等领域发挥着越来越重要的作用。尤其是在全球最大的两家天然碱矿即土耳其BEYPAZARI天然碱矿和KAZAN天然碱矿,“慧磁”高精度定向技术作为必备基础技术自2009年一直在被应用。土耳其施工现场图见图4,对接井连通瞬间图见图5

土耳其两个天然碱矿增设计了三井组水平对井模式,常规的水平对接井模式是一口水平井和一口垂直井对接。项目实施过程中为了提高采收率,缩短工期设计了三井组模式,即一口水平井直接连通两口垂直井,先完成两口垂直井,再钻水平井,对接时首先连通第一个垂直井,然后连通第二个垂直井,形成三井组采矿单元。实施对接时,远靶点水平钻进利用MWD无线随钻仪进行导向钻进,配备的伽马短节保证钻头在矿层中。钻至近靶点中靶段后下入升级后的磁中靶系统,测量钻头和靶井中探管的相对距离、顶角偏差和方位偏差,从而指导钻头下一步钻进方向,进行中靶作业,最终实现了一次对接成功的效果。

土耳其BEYPAZARI碱矿应用了60余个三井组模式的对接,土耳其KAZAN天然碱矿应用了70余个三井组模式的对接。每个井组需要对接连通2次,共需要对接连通次数92次。实现对接连通是检验工程成败的关键,如果没有实现连通则业主不发放井组完工证书。目前在BEYPAZARI已形成年产100万吨纯碱生产能力,在KAZAN天然碱矿将形成250万吨纯碱生产能力。

4  土耳其卡赞对接井施工现场图


5  土耳其卡赞对接井连通瞬间图

[责任编辑:dc]

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