沁水地區(qū)煤層氣水平對接多分支井鉆井工藝研究

申鵬磊

(山西藍焰煤層氣集團有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

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沁水地區(qū)煤層氣水平對接多分支井鉆井工藝研究

申鵬磊

(山西藍焰煤層氣集團有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

針對沁水地區(qū)煤層氣儲層的地質(zhì)特點及水平對接多分支井的施工技術(shù)難點，結(jié)合2012ZX-SP-01井組的鉆井方案，介紹了排采井和工程井的井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡優(yōu)化、懸空側(cè)鉆，以及運用方位伽馬判斷鉆頭與煤層相對位置等關(guān)鍵技術(shù)。實鉆井眼軌跡及后期排采效果表明，采用這一系列技術(shù)，能夠保證水平對接多分支井的順利實施，形成了較為成熟的煤層氣水平對接多分支井鉆井工藝，并取得了良好的排采效果。

煤層氣井；水平對接；多分支井鉆井；井眼軌跡；懸空側(cè)鉆；方位伽馬

0 引言

根據(jù)“山西晉城礦區(qū)采氣采煤一體化煤層氣開發(fā)示范工程”要求，山西藍焰煤層氣公司在寺河礦常店河3號煤保護煤柱上施工一口水平對接多分支井，目的是針對老區(qū)塊產(chǎn)氣量低的現(xiàn)狀，通過改變鉆井工藝來尋找提高產(chǎn)氣量的途徑。

煤層氣水平對接多分支井鉆井工藝主要是借鑒常規(guī)石油天然氣水平井鉆井工藝及國外開發(fā)煤層氣田的經(jīng)驗，先鉆一口排采直井，然后在合適位置(一般為距直井水平位移350 m左右)鉆一口水平井(工程井)與直井連通后，再進行目的煤層多分支井作業(yè)。通過連通+多分支井聯(lián)合作業(yè)，可以解決高陡構(gòu)造煤層中單一多分支井前期排水降壓困難的難題，并有效地溝通煤層中的節(jié)理和裂隙，增大煤層氣的解析面積，從而提高氣量。

1 地質(zhì)特點

2012ZX-SP-01井組位于山西省晉城市西偏北，井田位置跨沁水、陽城、澤州三縣，處于太行山脈南段西側(cè)，沁水盆地南緣。地貌形態(tài)屬剝蝕、侵蝕山地，以低山丘陵為主，溝谷發(fā)育，地形較為破碎，為二疊系砂泥巖風(fēng)化侵蝕和黃土風(fēng)成堆積地貌，山地相對高度較低，山峰標(biāo)高+1000 m左右，山地呈圓錐狀，多為黃土風(fēng)成堆積，山坡較陡(50°～60°)，基巖地層出露。井田地勢受河流影響，東西方向上中部為沁河，地勢較低，向東、向西較高；南北方向上北高南低，相對高差200～400 m。鉆遇地層主要為第四系、二疊系上石盒子組、下石盒子組和山西組，古生界二疊系山西組為主要含煤地層，其中3號煤層位于山西組中下部，上距K8砂巖約30 m，下距9號煤層約48 m，煤層厚度4.45～8.75 m，平均6.31 m。3號煤層穩(wěn)定，為煤層氣勘探的主要煤層。

2 水平對接多分支井鉆井技術(shù)難點

(1)本區(qū)塊3號煤層較厚，但煤質(zhì)性脆，節(jié)理裂隙較發(fā)育，存在天然裂縫。這種脆性地層容易造成井眼垮塌，卡鉆等復(fù)雜情況，甚至可能導(dǎo)致井眼報廢。

(2)為了保證2井對接成功率，排采井要提前施工，以便給工程井提供準(zhǔn)確的方位及煤層數(shù)據(jù)，在排采井施工中，要用造穴工具對目的煤層段擴孔造穴，造穴直徑≮500 mm，并確保整個井筒通暢。

(3)由于目的煤層埋藏較淺，而排采井與工程井水平距離較近(中半徑水平井)，井眼曲率一般為(8°～12°)/30 m，鉆壓和扭矩不易有效傳遞，同時鉆具也容易疲勞破損，這給鉆井作業(yè)帶來很大風(fēng)險。

(4)水平對接需引進對接設(shè)備，而對接設(shè)備的精確定位是能否對接成功的決定性因素。因此，要選擇技術(shù)參數(shù)高的對接設(shè)備。

(5)煤層中水平主井眼和分支井眼的設(shè)計要在降低施工難度的前提下最大限度地增加采氣面積，所以要對主支與分支的井底形狀，分支長短、角度、方位，以及分支間距進行優(yōu)化設(shè)計。

(6)在進行水平對接及分支側(cè)鉆過程中，必須做到對軌跡的精確控制，這樣才能保證精確“穿針”和分支的質(zhì)量。因此，對井眼軌跡導(dǎo)向提出了更高的要求。

(7)在煤層主井眼中鉆分支時，需要懸空側(cè)鉆，因此，在側(cè)鉆點的選擇、工具面的多少、鉆進時間的控制、鉆進技術(shù)參數(shù)的把握以及軌跡的預(yù)判上顯得極為講究。

(8)MWD隨鉆測斜儀需攜帶雙伽馬探管，利用監(jiān)測出的上下伽馬值來確定鉆頭與煤層的相對位置，保證煤層的鉆遇率。

(9)由于煤儲層本身就附存著游離的煤層氣，并且在不斷解析氣體，使用常規(guī)鉆井液雖然可以護壁，抑制煤層垮塌，但對煤層的污染和天然裂隙的堵塞影響很大，所以要針對煤層傷害機理，模擬出與煤層相適應(yīng)的無固相鉆井液，使其對煤層的破壞降到最低。

3 水平對接多分支井鉆井工藝

2012ZX-SP-01井組是由H01井和V01井組成，先鉆成V01井及H01井導(dǎo)眼，基本數(shù)據(jù)參見表1，設(shè)計著陸點A點采用垂深：H01地面標(biāo)高-V01地面標(biāo)高+V01煤層頂板深度-0.33(地層傾角補償)+2.50(進入深度)=785.33-657.83+331.68-0.33+2.50=461.35 m。

表1 2012ZX-SP-01井組基本數(shù)據(jù)(采用國家3度帶坐標(biāo))

3.1 井身結(jié)構(gòu)

V01井采用二開井身結(jié)構(gòu)：一開采用?311.15 mm鉆頭鉆進，下入?244.5 mm套管固井，水泥返至地面，二開采用?215.9 mm鉆頭鉆至3號煤層底板以下50 m，下入?177.8 mm生產(chǎn)套管，其中3號煤層段為玻璃鋼套管，固井水泥漿返至煤層段以上200 m。井底填砂至煤層底板，下入造穴工具，進行煤層段全段造穴，洞穴直徑≮500 mm(見圖1)。

圖1 V01井井身結(jié)構(gòu)

H01井采用三開井身結(jié)構(gòu)：一開與V01井相同，二開導(dǎo)眼采用?215.9 mm鉆頭，以最大井斜≯30°鉆至目的煤層，確定煤層深度后對二開造斜點進行調(diào)整，用水泥封井至造斜點；二開定向鉆進采用?215.9 mm鉆頭，鉆至著陸點(3號煤層頂板)，此時井斜應(yīng)為85°左右，并與V01井保持連通距離(一般為80 m)，然后下入?177.8 mm技術(shù)套管至煤層頂板以上10 m處，固井水泥返至煤層以上200 m，二開完鉆；三開采用?152.4 mm鉆頭沿煤層鉆進并與V01井連通，連通后繼續(xù)向前沿煤層鉆進，并分別施工2個主分支井和8個二級分支井(參見圖2)。裸眼完井。

3.2 井眼軌跡 沁水地區(qū)3號煤層一般較淺(500 m以內(nèi))，位垂比較大，H01井在二開造斜時井眼曲率采用8°/30m，并將著陸點控制在水平段預(yù)計點前20m。如果煤層預(yù)測深度發(fā)生變化，可以利用20 m的位移對井眼軌跡進行調(diào)整。入煤點選擇中上部煤層比較穩(wěn)定的部位，在距離V01井水平位移80 m左右(對接設(shè)備能夠接收信號最大距離就是80 m)時，靠近鉆頭處連接強磁接頭，并在V01井下入對接探管，確保探管感應(yīng)組件在洞穴內(nèi)。這時就可以通過對接地面機實時監(jiān)測的三維數(shù)據(jù)來微調(diào)整H01井井底井斜和方位，達到對接的目的。

圖2 H01井立體剖面圖

在多分支井設(shè)計中要把握以下幾點。

(1)隨著分支角度的增大，有效控制面積也越大，產(chǎn)量也越大，但通過預(yù)測模型計算不同夾角4分支水平井流入量與單支水平井流入量對比，當(dāng)分支角度超過45°后產(chǎn)量增加的幅度不大；而在施工中要保證分支井與主支井角度光滑漸變，“狗腿”度不宜過大，避免起下鉆具時因摩阻過大造成塌孔，所以分支與主支夾角最佳選擇是45°。

(2)主井眼的同側(cè)分支比異側(cè)對稱分支效果好，分支間的降壓作用互相疊加，壓降漏斗形成效果好于異側(cè)對稱分支，在設(shè)計中應(yīng)選擇雙主分支且每個主分支上布置同側(cè)等距分支。

(3)在總鉆井進尺相同的條件下，增加分支數(shù)意味著增加鉆井費用與施工難度，而通過數(shù)值模擬，在分支長度都相等的情況下對稱分支井在分支數(shù)超過4個(分支角度45°)后，產(chǎn)量增加幅度明顯變緩，所以設(shè)計方案采用雙主井眼，單側(cè)四分支結(jié)構(gòu)。

(4)在鉆壓滿足的條件下，盡量施工較長距離的分支，增大控制面積。

3.3 懸空側(cè)鉆

在主支上選好各分支起始點，對各分支進行鉆進時，首先需要懸空側(cè)鉆。懸空側(cè)鉆時，必須把握好“控時、降斜、變方位”三點，具體為：(1)控時,嚴(yán)格控制好進尺速度，前4 m以0.5 m/h的速度進行，時刻關(guān)注鉆具懸重和振動篩返出巖屑情況，確保側(cè)鉆出去后，按正常速度鉆進；(2)降斜，由于單彎螺桿本身的重力作用和長時間同一位置的滯留，螺桿處井斜會自然降低，調(diào)整工具面至降斜，順著降斜趨勢鉆進，更容易側(cè)鉆成功；(3)變方位，分支相對主支的方位大小決定側(cè)鉆時方位的增減調(diào)整趨勢。

3.4 采用方位伽馬

本區(qū)3號煤層屬高陡構(gòu)造煤層，煤層起伏很大，實鉆過程中按照設(shè)計軌跡鉆進容易鉆出煤層。為了保證煤層的鉆遇率，需在MWD隨鉆測斜儀器上加入伽馬來判斷是否在煤層中鉆進。而傳統(tǒng)的自然伽馬儀器沒有方位信息，雖然它能較好地指示鉆頭是否穿出煤層，但在意外鉆出煤層后不能及時指明如何重新回鉆到煤層中。H01井采用的是MWD+方位伽馬，方位伽馬是在普通伽馬探管上采用開窗結(jié)構(gòu)的聚焦伽馬探頭，探頭四周采用鎢進行屏蔽，地層里的伽馬射線，只可以通過這個窗口才能探測到(權(quán)重較大)，這樣可以實時上傳“上伽馬”、“下伽馬”、“總伽馬”數(shù)據(jù)，能明確指出該如何調(diào)整鉆頭軌跡才能以最快的速度重新回鉆到煤層中(見圖3)。

圖3 H01井煤層實鉆軌跡圖

4 應(yīng)用效果

本井組H01井二開鉆至622.67 m著陸，下入技術(shù)套管后，在井深689.03 m位置與V01井對接成功，之后延煤層順利鉆出2個主支井、8個分支井，其中最大井斜角96.7°，最大位移868.1 m，鉆進總進尺4610.56 m，煤層中穿行4002.56 m，煤層鉆遇率達到95.85%。全井組施工順利，井下安全無事故，施工完全達到設(shè)計要求。完井經(jīng)后期排采作業(yè)，目前氣量達到1.8×104m3/d，圓滿完成了設(shè)計的目的。

5 結(jié)論

(1)煤層氣水平對接多分支井最優(yōu)井眼軌跡采用雙主支同側(cè)等距4分支，且分支與主支呈45°夾角結(jié)構(gòu)。

(2)在水平段多分支井鉆進中，各分支懸空側(cè)鉆成功的關(guān)鍵在于：控時、降斜、變方位。

(3)在煤儲層起伏較大中水平鉆進時，應(yīng)采用方位伽馬來保證在煤層中的鉆遇率。

(4)實踐證明，運用水平對接多分支井鉆井工藝能夠有效解決在高陡構(gòu)造煤層中開采煤層氣的技術(shù)難題，取得了良好的排采效果。

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Study on CBM Horizontally Butted Multi-branch Well Drilling Technology in Qinshui Block/

SHENPeng-lei

(Blue Flame Coal-bed Gas in Shanxi Group LLC, Jincheng Shanxi 048000, China)

According to the geological characteristics of CBM reservoir in Qinshui region and the technical difficulties in horizontally butted multi-branch wells construction, and combined with the drilling scheme of 2012 ZX-SP-01 well group, this paper introduces the key technologies about the well bore structure of drainage well and engineering well, wellbore trajectory optimization and suspended sidetracking, as well as the determination of the bit position and azimuth to coalbed using azimuth gamma. The real drilling trajectory and the late drainage effects show that by this series of technologies, the successful horizontally butted multi-branch wells construction can be ensured to form mature drilling technology of CBM horizontally butted multi-branch wells for good results.

coal-bed gas well; horizontal butted; multi-branch drilling; well track; suspended sidetracking; azimuth gamma

2017-01-04；

2017-04-14

申鵬磊，男，漢族，1987年生，石油工程專業(yè)，從事瓦斯治理和煤層氣勘探開發(fā)研究工作，山西省晉城市澤州縣南村鎮(zhèn)，624855461@qq.com。

P634.7；TE842

B

1672-7428(2017)06-0065-04