煤層氣仿樹(shù)形水平井鉆完井技術(shù)研究與應(yīng)用

李 浩 譚天宇 徐明磊 畢 毅 李宗源 付 瀟

(1.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，河北 062552；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司煤層氣開(kāi)采先導(dǎo)試驗(yàn)基地，河北 062552；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司，河北 062552；4.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北 062552)

華北油田在山西沁水盆地南部煤層氣田登記區(qū)總面積超過(guò)5000km2，煤層氣總資源量超過(guò)1萬(wàn)億m3。為了加快煤層氣開(kāi)發(fā)進(jìn)程，從2005年開(kāi)始，華北油田先后引進(jìn)了美國(guó)CDX公司的煤層氣羽狀分支水平井技術(shù)和奧瑞安公司的煤層多分支水平井技術(shù)，并進(jìn)行了先導(dǎo)試驗(yàn)。后來(lái)應(yīng)用國(guó)內(nèi)技術(shù)進(jìn)行了規(guī)模建產(chǎn)，共實(shí)施煤層多分支水平井90多口?？傮w鉆井事故率較高，達(dá)到了38%，煤層氣多分支水平井成井技術(shù)成為制約煤層氣多分支水平井鉆完井技術(shù)的瓶頸。為增加多分支水平井成井效率，創(chuàng)新提出“主支疏通、分支控面、脈支增產(chǎn)”的仿樹(shù)形水平井，并成功在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，使我國(guó)煤層氣水平井鉆完井技術(shù)取得巨大進(jìn)步。

1 煤層氣多分支水平井簡(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)大規(guī)模實(shí)施的煤層氣多分支水平井一般由一口多分支水平井(或工藝井)和一口排采直井(或洞穴直井)組成，全稱為煤層氣多分支水平井井組，簡(jiǎn)稱煤層氣多分支水平井(圖1)。其中工藝井一般由2個(gè)主支和6～8個(gè)分支組成，主支、分支全部在煤層內(nèi)鉆進(jìn)，煤層總進(jìn)尺在4000m以上；排采直井在煤層井段造洞穴，工藝井與排采直井在洞穴處連通。一般情況下在井組完鉆后，工藝井打水泥塞封井，后期在洞穴直井排采。

圖1 煤層氣多分支水平井組示意圖

2 仿樹(shù)形水平井簡(jiǎn)介

2.1 井型提出

煤層機(jī)械強(qiáng)度低，裂縫和割理發(fā)育，均質(zhì)性差，存在較高剪切應(yīng)力作用。因而煤層井壁極不穩(wěn)定，在多分支水平井鉆完井過(guò)程中及后期排采過(guò)程中極易發(fā)生井壁坍塌。其中鉆井過(guò)程中，長(zhǎng)期的作業(yè)通道主支及分支側(cè)鉆產(chǎn)生的夾壁墻，都極易坍塌，導(dǎo)致多分支水平井成井效率低下；后期排采過(guò)程中，煤層井眼坍塌，影響煤層氣產(chǎn)量；排采直井在煤層洞穴井段易產(chǎn)生錯(cuò)位，造成下泵困難。

鑒于以上問(wèn)題，創(chuàng)新思維，把多分支水平井主支上提(或下放)，使其建立在煤層的頂板(底板)泥巖內(nèi)，同時(shí)在頂板泥巖內(nèi)造洞穴、連通、側(cè)鉆等，改善了煤層氣多分支水平井的成井效率，形成了煤層氣仿樹(shù)形水平井鉆完井技術(shù)。

2.2 井型組成

仿樹(shù)形水平井由一口工藝井，兩口洞穴直井組成。其中工藝井由一個(gè)主支，多個(gè)分支，若干脈支組成(圖2)。主支建立在煤層頂板泥巖內(nèi)，主要作用是排水采氣的通道；分支在主支上側(cè)鉆進(jìn)入煤層，主要作用是控制面積；脈支在分支上側(cè)鉆，鉆穿煤層的多套夾矸，溝通煤層，主要作用是增加煤層氣產(chǎn)量。因?yàn)槊簩託馐墙馕鼩?，需?jīng)過(guò)排水后才能解吸，因此保證排水的順利進(jìn)行，主支、分支采用上傾鉆進(jìn)。工藝井主支在煤層頂板泥巖內(nèi)與兩洞穴直井連通。仿樹(shù)形水平井中的工藝井及洞穴直井都可作為排采井或觀察井。

圖2 仿樹(shù)形水平井組示意圖

3 主支在煤層頂板泥巖鉆進(jìn)對(duì)煤層氣解吸的影響

常規(guī)多分支水平井主支、分支都在煤層內(nèi)鉆進(jìn)，主支、分支都解吸，同時(shí)貢獻(xiàn)煤層氣產(chǎn)量。而仿樹(shù)形水平井主支建立在煤層頂板泥巖內(nèi)，分支再側(cè)鉆進(jìn)入煤層，主支及分支的泥巖井段不會(huì)對(duì)煤層氣的解吸產(chǎn)生貢獻(xiàn)。通過(guò)計(jì)算，若泥巖主支建立在距煤層頂垂深1～4m范圍內(nèi)，基本不會(huì)對(duì)多分支水平井的控制面積產(chǎn)生影響(解吸半徑按100m計(jì)算)。泥巖主支不能達(dá)到的控制區(qū)域，所鉆分支基本能夠覆蓋，基本不會(huì)產(chǎn)生解吸盲區(qū)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)鉆情況也可以看出，主支在頂板泥巖內(nèi)鉆進(jìn)，不會(huì)產(chǎn)生解吸盲區(qū)。完成的ZS1P-3H井分支側(cè)鉆數(shù)據(jù)如表1所示，分支泥巖側(cè)鉆點(diǎn)距煤層頂垂深最大為3m,進(jìn)煤點(diǎn)距側(cè)鉆點(diǎn)的無(wú)效進(jìn)尺長(zhǎng)度最大為69m，進(jìn)煤點(diǎn)距主支的垂直距離則更小，肯定會(huì)小于100m的解吸半徑，因此基本不會(huì)影響多分支水平井的煤層氣解吸。

表1 ZS1P-3H井分支側(cè)鉆統(tǒng)計(jì)表

4 煤層頂板泥巖研究

在進(jìn)行主支在煤層頂板泥巖鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)施工前，對(duì)沁水盆地煤層頂板泥巖進(jìn)行了礦物成分、強(qiáng)度、裂縫等分析研究。

4.1 礦物成分分析

取沁水盆地晉城市澤州縣下村鎮(zhèn)成莊礦的煤層頂板泥巖進(jìn)行研究。巖樣為炭質(zhì)泥頁(yè)巖，層狀構(gòu)造，發(fā)育有大量節(jié)理裂隙，大部分節(jié)理裂隙順層發(fā)育，部分與產(chǎn)層垂直。

經(jīng)過(guò)用光學(xué)顯微鏡的微觀觀測(cè)與X衍射分析，結(jié)果顯示，頂板泥巖主要成分為石英，局部可見(jiàn)少量菱鐵礦；石英含量較高，而水敏性礦物(綠泥石)含量低，說(shuō)明水敏性差。

4.2 強(qiáng)度分析

巖樣進(jìn)行加工，制成約φ5×10cm的巖心。進(jìn)行了室內(nèi)單軸抗壓破壞試驗(yàn)及清水浸泡試驗(yàn)。

單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：自然樣抗壓強(qiáng)度平均為59.52MPa。巖樣都是順層劈裂，說(shuō)明巖層的層狀構(gòu)造使得其順層方向裂隙豐富。

巖樣經(jīng)過(guò)半年的清水浸泡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖心依然完整、堅(jiān)硬(圖3)?？傻贸鼋Y(jié)論：靜置條件下，清水浸泡不會(huì)造成煤層頂板泥巖的水化分散和垮塌現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3 巖樣清水浸泡前和浸泡半年后的對(duì)比圖

4.3 裂縫分析

從取的大塊巖樣及破壞試驗(yàn)都可以看出，煤層頂板泥巖存在裂縫。

另外通過(guò)對(duì)所鉆排采直井的煤層頂板泥巖進(jìn)行微電成像測(cè)井，并進(jìn)行解釋證明，頂板泥巖存在裂縫，流體侵入可能易發(fā)生掉塊，因此進(jìn)行了頂板泥巖加固的研究。

5 煤層頂板頂板泥巖固壁技術(shù)研究及應(yīng)用

對(duì)煤層頂板泥巖進(jìn)行了固壁技術(shù)研究，主要采用化學(xué)擠注加固的方法。形成了非儲(chǔ)層化學(xué)擠注法固壁技術(shù)。

5.1 室內(nèi)研究

室內(nèi)主要對(duì)固壁劑的配方、固壁劑凝固時(shí)間、固壁工藝等進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)固壁劑加固的泥巖強(qiáng)度顯著增加。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明(表2)：固壁之后泥巖強(qiáng)度是用鉆井液侵泡過(guò)后泥巖強(qiáng)度的2倍以上，說(shuō)明固壁對(duì)井壁穩(wěn)定有明顯提高作用。

表2 不同方式處理后的巖樣單軸抗壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)研究的固壁技術(shù)在ZS1P-5H井的泥巖主支進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，整個(gè)泥巖主支分四段進(jìn)行固壁作業(yè)。對(duì)泥巖主支加固后，保證了ZS1P-5H井全井13個(gè)分支，26個(gè)脈支約10000m進(jìn)尺的安全無(wú)事故鉆進(jìn)。

6 煤層頂板泥巖造穴技術(shù)研究及應(yīng)用

專門設(shè)計(jì)了單翼泥巖造穴工具，該工具有一個(gè)刀翼,工作時(shí)刀翼打開(kāi)，與本體基本成90°角。該工具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗扭強(qiáng)度高、能承受井底復(fù)雜工況等的優(yōu)點(diǎn)。單翼造穴工具的結(jié)構(gòu)主要由本體、心軸和刀翼三部分組成。

對(duì)設(shè)計(jì)的單翼造穴工具進(jìn)行了有限元分析，找到受力集中部位，進(jìn)行工具設(shè)計(jì)的優(yōu)化改進(jìn)。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)造穴工具進(jìn)行多次結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對(duì)造穴工藝進(jìn)行了優(yōu)化，形成了煤層頂板泥巖造穴技術(shù)。

7 煤層頂板泥巖連通技術(shù)研究及應(yīng)用

7.1 兩井連通原理

水平井井中下入永磁短節(jié)，目標(biāo)點(diǎn)井中下入探管，探管采集永磁短節(jié)產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)軟件，準(zhǔn)確計(jì)算兩井之間的距離和當(dāng)前鉆頭的方位，為定向作業(yè)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)兩井的連通。

7.2 兩井煤層頂板泥巖連通現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

兩井的泥巖連通與煤層連通從原理及施工工藝上無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但是泥巖連通更加強(qiáng)調(diào)硬連通，必須更加精細(xì)操作及計(jì)算。通過(guò)幾口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(表3)，形成了煤層頂板泥巖主支的近、遠(yuǎn)端連通技術(shù)。

表3 部分井次煤層頂板泥巖連通情況統(tǒng)計(jì)表

8 井眼清潔技術(shù)研究及應(yīng)用

8.1 雙管雙循環(huán)技術(shù)研究

煤儲(chǔ)層極易受到污染，在鉆進(jìn)煤層時(shí)不能使用懸浮性好，切力高的鉆井液，只能使用清水，而清水的攜巖性能差，因此研究發(fā)明了雙管雙循環(huán)攜巖技術(shù)。

雙管雙循環(huán)技術(shù)原理：在二開(kāi)井眼中完后，下如雙層技術(shù)套管，外層套管固井，內(nèi)層套管不固井，作為活動(dòng)套管。在外管及內(nèi)管的環(huán)空注入流體，流體通過(guò)內(nèi)管的射流發(fā)生器反轉(zhuǎn)進(jìn)入鉆具與內(nèi)管的環(huán)空，加之鉆井的正常循環(huán)，增加循環(huán)介質(zhì)的環(huán)控返速，提高斜井段及上直段流體攜巖能力。研制配套了雙管雙循環(huán)專用工具，包括射流發(fā)生器、自封封隔器、內(nèi)管防轉(zhuǎn)插接座、插接頭、專用套管頭、地面慮砂裝置等。

8.2 雙管雙循環(huán)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

ZS1P-5H井應(yīng)用了雙管雙循環(huán)攜巖技術(shù)，其中在進(jìn)行L2分支、L5分支上的第二個(gè)脈支、L10分支和L11分支上的第一個(gè)脈支的煤層鉆進(jìn)時(shí)，都發(fā)生了大規(guī)模的煤層垮塌(圖4)，但是在用清水鉆進(jìn)的情況下，未發(fā)生卡鉆事故，說(shuō)明了雙管雙循環(huán)技術(shù)的超強(qiáng)攜巖能力。

圖4 ZS1P-5H井L10垮塌掉塊實(shí)物圖

9 仿樹(shù)形水平井導(dǎo)向技術(shù)研究及應(yīng)用

9.1 煤層及泥巖導(dǎo)向研究

煤層主要是根據(jù)煤層與其頂、底板泥巖的伽馬特征值不同進(jìn)行導(dǎo)向；細(xì)分目的煤層的伽馬值，進(jìn)行頂出或底出判斷。

頂板泥巖無(wú)明顯的伽馬特征值，經(jīng)過(guò)以下分析研究，形成了頂板泥巖幾何導(dǎo)向技術(shù)。

(1)利用鉆井及測(cè)井資料(或取芯)，強(qiáng)化對(duì)主支泥巖的地質(zhì)認(rèn)識(shí)；

(2)精細(xì)分析地震解釋剖面與鄰井實(shí)鉆資料，預(yù)測(cè)地層傾角并確定幾何導(dǎo)向控制點(diǎn)；

(3)鉆前分析鄰井(包括洞穴井)煤層頂部泥巖巖電組合特征，進(jìn)而確定導(dǎo)向依據(jù)，實(shí)現(xiàn)跟蹤判斷。

9.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

ZS1P-3H井泥巖主支經(jīng)過(guò)兩次見(jiàn)煤，打塞側(cè)鉆后，全部在煤層頂板泥巖內(nèi)，距煤層頂?shù)拇怪本嚯x最大為3m。

ZS1P-5H井全部泥巖主支共783m進(jìn)尺無(wú)一次見(jiàn)煤，全部在煤層頂板泥巖內(nèi)。該井共完成1個(gè)泥巖主支，13個(gè)分支，26個(gè)脈支。全井總進(jìn)尺12288m，煤層進(jìn)尺9408m，見(jiàn)煤后的煤層鉆遇率達(dá)到98.91%。全井無(wú)任何復(fù)雜事故，順利完成。

10 結(jié)論及建議

(1)ZS1P-5井共完成1個(gè)主支，13個(gè)分支，26個(gè)脈支。全井總進(jìn)尺為12288m，煤層進(jìn)尺為9408m，雖然全井發(fā)生四次煤層坍塌，但未發(fā)生任何井下復(fù)雜事故。ZS1P-5井的順利完成，標(biāo)志著初步形成了煤層氣仿樹(shù)形水平井鉆完井技術(shù)。

(2)ZS1P-3井和ZS1P-5井的成功試驗(yàn)，標(biāo)志著主支在煤層頂板泥巖鉆進(jìn)技術(shù)基本成熟，且由于頂板泥巖穩(wěn)定，形成的泥巖主支井眼穩(wěn)定，主支與分支的泥巖夾壁墻穩(wěn)定，增加了煤層氣水平井的成井效率。

(3)主支在煤層頂板泥巖鉆進(jìn)解決了主支的穩(wěn)定、解決了分支側(cè)鉆夾壁墻的穩(wěn)定性、解決了直井洞穴的穩(wěn)定性，但是不能避免煤層的垮塌。仿樹(shù)形水平井ZS1P-5H井通過(guò)加密分支，鉆進(jìn)脈支來(lái)分化煤層垮塌對(duì)井眼堵塞的危害，但不能阻止后期排采過(guò)程中煤層井眼垮塌。建議在主支煤層頂板泥巖鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行煤層分支非金屬篩管完井試驗(yàn)，保證主支、分支井眼的長(zhǎng)期有效性。