煤層氣開(kāi)發(fā)的多分支水平井鉆井技術(shù)

張紹雄 張 媛

中國(guó)石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司 （山西 晉城 048026）

煤層氣開(kāi)發(fā)的多分支水平井鉆井技術(shù)

張紹雄 張 媛

中國(guó)石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司 （山西 晉城 048026）

應(yīng)用多分支水平井鉆井技術(shù)開(kāi)發(fā)煤層氣，是提高單井產(chǎn)量、降低綜合成本的有效手段。結(jié)合山西煤層氣多分支水平井鉆井實(shí)踐，介紹了其工藝特點(diǎn)、應(yīng)用技術(shù)及存在的問(wèn)題。研究結(jié)果表明，應(yīng)用多分支水平井鉆井技術(shù)進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)，可提高氣井單井的綜合收益。

煤層氣 多分支水平井 鉆井

概 述

煤層氣（俗稱(chēng)瓦斯）是繼石油、天然氣之后的又一新型、清潔能源。我國(guó)煤層氣資源豐富，特別是山西沁水盆地具有煤層埋深淺、范圍廣、厚度大且穩(wěn)定、含氣量高、易于解析等特點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)煤層氣的最有利地區(qū)。2006年，中國(guó)石油天然氣股份有限公司制定了“開(kāi)發(fā)煤層氣，奉獻(xiàn)新能源”的發(fā)展戰(zhàn)略，成立了山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，在山西沁水盆地開(kāi)展了大規(guī)模的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工作。

借鑒國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)煤層氣的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用多分支水平井技術(shù)可大大增加煤層滲濾面積，是提高單井產(chǎn)氣量和采收率、降低綜合成本、縮短投資回收期的有效手段和途徑。2007年股份公司經(jīng)過(guò)分析論證，確定了以水平井為主、普通直井及叢式井（定向井）為輔開(kāi)發(fā)煤層氣的鉆井原則，隨即開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用了多分支水平井鉆井技術(shù)。截止到2009年底，共完成多分支水平井49口，建成了2.5億m3煤層氣生產(chǎn)能力，最高產(chǎn)氣井單井日產(chǎn)氣量達(dá)到4.6萬(wàn)m3。本文根據(jù)多分支水平井鉆井實(shí)踐，介紹其工藝特點(diǎn)并探討所存在的問(wèn)題。

煤層氣多分支水平井的特點(diǎn)

煤層氣水平井借鑒了常規(guī)石油天然氣水平井鉆井工藝技術(shù)，但由于其工作對(duì)象以及煤層氣儲(chǔ)藏性質(zhì)、排采方式的不同，因而在設(shè)計(jì)、施工工藝等方面有其獨(dú)特的特點(diǎn)。

1 開(kāi)發(fā)目的層單一且為水平面多分支

利用多分支水平井鉆井技術(shù)開(kāi)發(fā)煤層氣，目前一般選擇一個(gè)主力煤層開(kāi)發(fā)，在單一層位類(lèi)似水平面上鉆多分支。這與油井在2個(gè)以上層位鉆出多分支不同。

2 目的層段分支及進(jìn)尺較多

由于煤儲(chǔ)層地層壓力、滲透率相對(duì)較低，要達(dá)到提高煤層氣產(chǎn)量的目的，需要比常規(guī)油氣井更多的滲濾面積與排氣通道，因而在煤層段所鉆分支更多，一般1～2個(gè)主支,在主支兩側(cè)要鉆多個(gè)(一般6～8個(gè))分支，累計(jì)煤層段進(jìn)尺一般要達(dá)到4 000m以上。

3 采用裸眼完井方式

煤層氣多分支水平井一般采用裸眼完井方式，其原因：①煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)往往也是煤炭開(kāi)采區(qū)（如山西沁水盆地），按照國(guó)家“先采氣、后采煤”、“采氣采煤一體化”的要求，采完氣還要采煤，而采煤是禁忌在煤層有金屬套管的；②由于完井技術(shù)的限制，現(xiàn)在多分支井還較難下入完井套管或篩管。

4 主井眼及分支井眼尺寸較小

煤層強(qiáng)度及膠結(jié)程度較差，易垮塌。根據(jù)國(guó)內(nèi)外煤層氣多分支水平井的鉆井經(jīng)驗(yàn)，較小井眼有利于防止煤層垮塌。一般完井井眼尺寸為Φ152.4mm或Φ120.65mm。

5 采用成對(duì)（1+1）井組，連通鉆井工藝

一口井完成后，一般需要排水降壓使煤層氣解析才能產(chǎn)氣。煤層氣多分支水平井由于其工藝上的特點(diǎn)，很難在水平井眼下入排采管柱及設(shè)備進(jìn)行排水，需要一口專(zhuān)門(mén)的排采直井進(jìn)行排水及產(chǎn)氣，而這口直井必須與水平井連通才能達(dá)到目的。所以煤層氣多分支水平井一般都是先打一口排采直井，再在適當(dāng)位置（一般距直井200m左右）打水平井（稱(chēng)其為工藝井）與直井連通，而后再鉆多分支的。

煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)

煤層氣多分支水平井是多項(xiàng)先進(jìn)鉆井技術(shù)的綜合運(yùn)用。歸納起來(lái)有以下8項(xiàng)主要技術(shù)：

1 井身結(jié)構(gòu)及井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

由于煤層氣井一般較淺，排采直井與工藝井的井口距離要適當(dāng)，還要根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、煤層展布情況確定分支數(shù)量及方向，所以井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡及分支井底形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)也顯得尤為重要。而在山西沁水盆地所鉆多分支水平井，由于地處山區(qū)，地勢(shì)崎嶇，在滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，要根據(jù)地勢(shì)特點(diǎn)選擇排采直井與工藝井的井口位置，再進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)及井眼軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）井身結(jié)構(gòu)。排采直井一般采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)：一開(kāi)使用Φ311.1mm鉆頭鉆至井深50～60m,封住地表松散地層，下入Φ244.5mm表層套管固井，水泥返至地面；二開(kāi)使用Φ215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深（一般目的煤層底以下60m），下入Φ177.8mm生產(chǎn)套管，在煤層井段加1根玻璃鋼套管以便造穴，固井水泥返至煤頂以上200m。

工藝井一般采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)：一開(kāi)與排采直井類(lèi)似；二開(kāi)使用Φ215.9mm鉆頭鉆至接近著陸點(diǎn)（煤層，一般井斜達(dá)到80°左右）完鉆，距離排采直井（洞穴）60m左右，為連通留有余地。下入套管尺寸根據(jù)鉆機(jī)類(lèi)型、預(yù)計(jì)煤層煤質(zhì)及構(gòu)造特點(diǎn)，按照三開(kāi)鉆頭尺寸選擇技術(shù)套管。

一般2種尺寸：一種是下入Φ177.8mm技術(shù)套管固井，三開(kāi)用Φ152.4mm鉆頭鉆水平主井眼及分支井眼；另一種是下入Φ139.7mm技術(shù)套管固井，三開(kāi)用Φ120.65mm鉆頭鉆水平主井眼及分支井眼。

（2）井眼重復(fù)利用工藝井身結(jié)構(gòu)。利用同一口工藝井（上直段井眼）打多口多分支水平井是加快鉆井速度、降低鉆井成本的有效途徑。山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司所完成的水平井中，有多口工藝井是利用的同一井眼，最多的是4口井共用1個(gè)井眼。其井身結(jié)構(gòu)及施工工藝是：二開(kāi)鉆完設(shè)計(jì)井深，下入套管并在套管的適當(dāng)位置加入固井分級(jí)箍，固井打完水泥漿后立即打開(kāi)分級(jí)箍循環(huán)排出上部水泥漿。三開(kāi)鉆完一口水平井后，在分級(jí)箍以下套管內(nèi)下入封隔器，下入割刀割斷分級(jí)箍以上套管并起出，在適當(dāng)位置打水泥塞。下口不同方向的多分支水平井即利用該井眼側(cè)鉆完成二開(kāi)及三開(kāi)的工序。

（3）連通前井眼軌跡的設(shè)計(jì)。煤層深度及工藝井與排采直井的距離，影響著井眼軌跡剖面類(lèi)型的選擇。山西沁水盆地，煤層埋深變化較大，一般在300～750m之間，而2井之間的距離一般在200m左右。如此應(yīng)選擇單增剖面、中曲率半徑軌跡類(lèi)型，造斜率一般在8°～15°/30m，同時(shí)應(yīng)計(jì)算校核技術(shù)套管能否順利下入。

（4）水平主井眼及分支井眼的設(shè)計(jì)。連通后的水平主井眼及分支井眼是煤層氣多分支水平井的關(guān)鍵。其分支數(shù)量、長(zhǎng)度、夾角大小、井底形狀等關(guān)系到采氣面積、施工難度等，因而對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是很重要的。從國(guó)內(nèi)外鉆井實(shí)踐看，有多種不同的類(lèi)型，最典型的是美國(guó)CDX公司已取得專(zhuān)利的 “羽狀”設(shè)計(jì)。山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司所實(shí)施的多分支水平井，對(duì)分支形狀、水平段長(zhǎng)度、分支角度和方位、分支間距等重要參數(shù)進(jìn)行了分析研究和對(duì)比論證，認(rèn)為“2主支+6分支”的設(shè)計(jì)是適合山西煤層特點(diǎn)的，最佳參數(shù)是：主井眼之間夾角20°～30°、主支長(zhǎng)度應(yīng)該在1 000m；分支夾角為30°、方位與天然裂縫方向相交、分支間距為100～200m、分支長(zhǎng)度300～400m、同側(cè)3分支、扇形分布；煤層段進(jìn)尺達(dá)到4 000m以上。每口井大約覆蓋0.3～0.4km2的含氣面積，相當(dāng)于10～15口普通煤層氣直井控制的面積。

2 直井裸眼造穴技術(shù)

直井是煤層氣排采的生產(chǎn)井，為了保證工藝井與直井的連通，要在直井的煤層位置“造穴”。其工藝過(guò)程為：在直井的完井套管的煤層位置下入一根玻璃鋼套管固井，下入內(nèi)割刀割斷玻璃鋼套管，下入造穴工具在煤層段造穴，清洗井眼，填砂至煤層底。目前有水力噴射射流造穴與機(jī)械造穴2種方法，一般使用機(jī)械造穴工具，洞穴直徑可達(dá)1～1.5m,通常0.6～0.8m即可滿足連通要求。

3 井眼連通技術(shù)（國(guó)內(nèi)稱(chēng)之為“穿針”技術(shù)）

水平井眼在進(jìn)入煤層后必須與排采直井連通才能鉆主支及分支。要實(shí)現(xiàn)Φ152.4mm或Φ120.65mm的小井眼在幾百米深度的地層與直井縱橫相交，需要精確的“制導(dǎo)”技術(shù)。目前美國(guó)Vector公司具有該技術(shù)專(zhuān)利，其精確定位設(shè)備“RMRS”系統(tǒng)是利用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁性接頭在正鉆井中產(chǎn)生一個(gè)從幾十米外就可以探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)，在目標(biāo)井（直井）中下入有線探管測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)判斷鉆頭與洞穴的相對(duì)位置，在連通之前對(duì)軌跡進(jìn)行有效調(diào)整以實(shí)現(xiàn)連通。

4 欠平衡鉆井技術(shù)

為了保護(hù)產(chǎn)層，加快速度，有利于攜帶煤屑，采用在排采直井注氣實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井的技術(shù)。從另一口井注入氣體到水平井的“中間”，實(shí)現(xiàn)在環(huán)空“氣液混合”降低液柱壓力的欠平衡鉆井，此種情況只有在煤層氣的多分支水平井才有。

5 井眼軌跡控制技術(shù)

煤層氣多分支水平井的井眼軌跡控制與一般水平井相比是需要更精確，其原因是：①煤層淺，工藝井與排采井距離短，已接近短半徑水平井；②需要“穿針”精確制導(dǎo)；③連通后的主支及分支分布按照設(shè)計(jì)，各呈一定角度，才能達(dá)到控制面積廣的目的。而在井眼尺寸小，鉆具“柔軟”且進(jìn)尺多的情況下難度更大。實(shí)踐中采用隨鉆導(dǎo)向鉆具組合及隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)LWD、EM-MWD等隨鉆測(cè)量的工程參數(shù)（井斜、方位、工具面角等），利用地面計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行跟蹤分析，確定鉆頭的位置，并通過(guò)地面工具面的擺放、鉆井參數(shù)及措施的落實(shí)，達(dá)到控制井眼軌跡，使其按預(yù)計(jì)方向前進(jìn)的目的。

6 懸空側(cè)鉆技術(shù)

在水平主井眼上鉆分支井眼時(shí)，無(wú)導(dǎo)斜器或水泥塞作為依托側(cè)鉆。要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)水平側(cè)鉆出各分支，在側(cè)鉆點(diǎn)的選擇、工具面的擺放、技術(shù)參數(shù)的制訂、操作措施的控制以及施工上的分析判斷是極為講究的。

7 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)

地下煤層并不是“一馬平川”的，由于一些小斷層鉆前難以判斷，加之煤層的“起伏”，所以實(shí)鉆中按設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)也會(huì)鉆出煤層。為了保證井眼在煤層中延伸，需要應(yīng)用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，即在LWD、EMMWD隨鉆測(cè)量?jī)x器中加“電阻率、方向伽瑪、平均伽瑪”等測(cè)取相應(yīng)地層參數(shù)，通過(guò)地面識(shí)別系統(tǒng)分析判斷是否在煤層中鉆進(jìn)。

8 小井眼鉆井技術(shù)

煤層氣多分支水平井一般采用Φ152.4mm、Φ120.65mm鉆頭鉆進(jìn)，如此小井眼、長(zhǎng)裸眼鉆進(jìn)，要解決小螺桿、小鉆頭、小鉆具的使用壽命以及在井下工作情況判斷、加壓、井眼清潔、工具面擺放、循環(huán)壓力的控制、事故處理等多方面比常規(guī)井眼更難的問(wèn)題。

上述煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)，只是主要或特色技術(shù)，實(shí)際施工中所應(yīng)用的工藝技術(shù)還有很多，設(shè)備配套也有一定要求。如鉆機(jī)需要配置頂驅(qū)、空氣欠平衡鉆井需要安裝井控設(shè)備，特別是旋轉(zhuǎn)控制頭、液氣分離器等。

煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)的攻關(guān)方向

從山西數(shù)10口煤層氣多分支水平井鉆井實(shí)踐看，目前鉆此類(lèi)井還存在較大的問(wèn)題或技術(shù)難點(diǎn)。實(shí)施時(shí)有較大的風(fēng)險(xiǎn)，主要是由于部分井完成的主支及分支方向與長(zhǎng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；鉆井事故，特別是煤層垮塌或掉塊造成的卡鉆事故較多，且難以處理致使鉆具、儀器落井。這主要是地質(zhì)因素：鉆遇斷層使得井眼難以繼續(xù)延伸；煤層破碎易垮、易掉塊對(duì)小井眼造成的威脅特別大。為了解決煤層氣多分支水平井鉆井問(wèn)題，需要在以下幾個(gè)方面深入研究及攻關(guān)。

1 地質(zhì)精細(xì)描述及井位優(yōu)選是基礎(chǔ)

特別是在預(yù)鉆區(qū)域要結(jié)合地下煤層展布、煤層性質(zhì)、煤層埋深、斷層發(fā)育以及地面山區(qū)地形、地貌等情況綜合評(píng)價(jià)，必要時(shí)應(yīng)先打評(píng)價(jià)井，取心分析煤質(zhì)，以確定是否適合鉆多分支水平井，確定井組井?dāng)?shù)、位置以及井眼延伸方向、長(zhǎng)度等。

2 防止井眼（主要是煤層）垮塌是關(guān)鍵

由于煤層存儲(chǔ)及解析的特性，目前保護(hù)、釋放煤層氣最直接、有效、經(jīng)濟(jì)的措施是使用清水鉆進(jìn)。但清水不能有效地起到護(hù)壁、抑制垮塌的作用，這是目前多分支水平井鉆進(jìn)最大的難題。應(yīng)進(jìn)行煤層污染、解堵等方面的研究，開(kāi)發(fā)既能防止煤層垮塌又能有效保護(hù)煤層的鉆井液。

3 研究小井眼鉆進(jìn)的系列技術(shù)問(wèn)題

諸如進(jìn)一步優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化井身剖面設(shè)計(jì)、優(yōu)化鉆具組合；優(yōu)選小井眼鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，包括鉆壓、轉(zhuǎn)速等工程參數(shù)、排量、泵壓等水力參數(shù)、注氣量及注氣壓力等；研究如何解決主、分支井眼清潔問(wèn)題，及時(shí)把鉆屑、煤屑清理（攜帶）出井筒返出地面，保證井眼的暢通；研制長(zhǎng)壽命小螺桿、小型無(wú)接頭（無(wú)臺(tái)階）鉆具、“內(nèi)置式”可打撈隨鉆測(cè)量?jī)x器等；配套適合小井眼的快速處理事故的工具等等。

4 研究如何進(jìn)行井眼重入及防堵

鉆完主、分支井眼后，往往較難再次下入鉆具、工具“通井”，這就要涉及2方面的問(wèn)題：①保證鉆井施工的順利，解決鉆頭、螺桿、測(cè)量?jī)x器的壽命、鉆井設(shè)備的連續(xù)工作以及井眼清潔問(wèn)題，保證一次性完成預(yù)計(jì)進(jìn)尺；②關(guān)系到以后采氣產(chǎn)量，如果所鉆井眼垮塌或巖屑堵塞，或?qū)⑶懊嫠@井眼堵塞又不能重入處理，必將會(huì)影響到產(chǎn)氣量。

結(jié)束語(yǔ)

發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)新能源是我國(guó)今后發(fā)展的重要戰(zhàn)略，煤層氣的開(kāi)發(fā)前景廣闊。應(yīng)用多分支水平井鉆井技術(shù)開(kāi)發(fā)煤層氣，具有產(chǎn)量高、產(chǎn)出快、便于管理、綜合成本低、經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)勢(shì)，而且占地面積小、有利于保護(hù)環(huán)境、有利于采煤采氣一體化，是今后開(kāi)發(fā)煤層氣的方向。但實(shí)施多分支水平井還面臨著單井成本高、技術(shù)要求高、操作風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。期望廣大技術(shù)人員積極投入煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)的研究中來(lái)，破解技術(shù)難題，使這一技術(shù)得到更廣泛的推廣應(yīng)用，共同為新能源的開(kāi)發(fā)做出貢獻(xiàn)。

Applying the drilling technology of multiple branching horizontal to the exploration of coal-bed gas is one effective means to increase the output of the single well and reduce the comprehensive cost.Combined with the drilling practice of multiple branching horizontal well for coal-bed gas in Shanxi,an introduction is given to its technological characteristics,applied technology and existing problems.It is shown that exploring the coal-bed gas by applying multiple branching horizontal well technologies can increase the comprehensive benefits of the single gas well.

coal-bed gas;multiple branching horizontal well;drilling well

張紹雄（1957-），工程師，現(xiàn)主要從事鉆井技術(shù)和管理。

尉立崗

2010-11-09