倪元勇 崔樹清 王風(fēng)銳 孫金峰

(1.中國石油華北油田公司，河北 062552;2.渤海鉆探工程有限公司，天津 300457)

沁水盆地南部煤層氣鉆井工藝技術(shù)適用性分析及對策

倪元勇1崔樹清1王風(fēng)銳1孫金峰2

(1.中國石油華北油田公司，河北 062552;2.渤海鉆探工程有限公司，天津 300457)

沁水盆地南部煤層氣開發(fā)主要采用直 (斜)井和多分支水平井兩種井型。實踐證明，直 (斜)井所采用的鉆井工藝技術(shù)簡單，與科學(xué)的排采技術(shù)配套后，能夠取得較好排采效果，能夠達(dá)到煤層氣低成本開發(fā)的目的。裸眼完井方式下的煤層氣多分支井鉆井技術(shù)，經(jīng)過技術(shù)引入、規(guī)模引進(jìn)和自主組織技術(shù)研發(fā)應(yīng)用三個階段的探索實踐，形成了一系列煤層氣水平井鉆井配套技術(shù)。但由于受儲層保護(hù)、井眼穩(wěn)定等問題的制約，裸眼完井方式下的煤層氣多分支井對沁水盆地煤層氣開發(fā)適應(yīng)性較弱，需要進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

煤層氣鉆井技術(shù) 直井 多分支水平井 適用性 對策

沁水盆地是中國煤層氣勘探開發(fā)投入較大、研 究程度較高的區(qū)域。開發(fā)層系主要是二疊系山西組的3號煤層，埋藏深度300～800m。該地區(qū)地層壓力正常，塌坍壓力較低，破裂壓力較高，地層較為穩(wěn)定。目前開發(fā)主要采用直 (斜)井和煤層多分支水平井兩種井型。直 (斜)井采用套管射孔完井方式，通過壓裂對儲層改造后投產(chǎn)。多分支水平井一般由排采直井和煤層多分支水平井組成 (圖1)，采用裸眼完方式，通過排采直井抽排投產(chǎn)。

圖1 多分支水平井井組示意圖

1 直 (斜)井鉆井技術(shù)及適用性

由于煤層氣儲層埋藏淺、鉆遇地層穩(wěn)定，直(斜)井鉆井較常規(guī)油氣簡單。井身結(jié)構(gòu)為二開，D244.5mm表層套管坐入基巖10m，水泥返至煤層以上300m，D139.7mm生產(chǎn)套管下至煤層以下60m。定向井要求井斜小于30度 (排采要求)，井底位移250～300m(井網(wǎng)要求)。鉆機(jī)選用鉤載60～80t的水源鉆機(jī)，小巧、輕便、占地少。鉆井液為膨潤土漿或聚合物膨潤土漿，套管一般選用J55，水泥漿一般采用原漿稍調(diào)整流變性即能滿足施工要求。

煤層氣井產(chǎn)量較常規(guī)油氣井低，直 (斜)井所采用的鉆井工藝技術(shù)盡管簡單，但與科學(xué)的排采技術(shù)配套后，能夠達(dá)到煤層氣低成本開發(fā)的目的。

2 多分支水平井鉆井技術(shù)及適用性

華北油田于2005年開始探索水平井煤層氣開發(fā)應(yīng)用，水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展可劃分為三個階段:2005～2006年，為初步引入試驗階段;2007～2009年，為規(guī)模引進(jìn)建產(chǎn)階段;2010年至今，為自主組織研發(fā)應(yīng)用階段。

2.1 多分支水平井技術(shù)引入階段

2.1.1 鉆井工藝要點

(1)鉆排采直井并在煤層處造洞穴 (圖1);

(2)鉆工藝井與排采直井在洞穴處連通;

(3)沿煤層鉆一主支至設(shè)計井深，然后逐一退出鉆出各側(cè)分支;

(4)水平段鉆進(jìn)時，通過排采直井泵入鉆井液從工藝井返出，幫助攜巖;

(5)鉆井液為清水;

(6)地質(zhì)導(dǎo)向主要用伽瑪值、含烴量、鉆時等參數(shù)綜合判斷。

2.1.2 實施情況

2005年12月15日至2006年6月5日，華北油田引進(jìn)了美國CDX公司羽狀水平井技術(shù)，在沁水盆地樊莊區(qū)塊實施晉平2-0-2和晉平2-0-4兩口先導(dǎo)試驗井。

晉平2-0-2井在主井眼方向鉆了7個井眼，沒有鉆成徑向分支，鉆井過程發(fā)生斷鉆具、斷套銑筒等事故，井壁嚴(yán)重坍塌，鉆具不能重入，被迫棄井。該井水平段總進(jìn)尺1213m，鉆遇煤層進(jìn)尺592m，煤層鉆遇率48.8%。晉平2-0-4井在主井眼方向鉆了四個井眼，徑向方向鉆了四個分支，但實鉆軌跡與設(shè)計相差較大 (圖2)。該井水平段進(jìn)尺 4098m，鉆遇煤層 3340m，煤層鉆遇率81.5%。

圖2 晉平2-0-4井徑向分支實鉆軌跡與設(shè)計軌跡示意圖

2006年8月10日至9月7日，組織奧瑞安公司在本區(qū)塊實施了FP1-1井，鉆井施工過程順利，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo) (圖3)。

圖3 FP1-1井井眼軌跡

該井水平進(jìn)尺5158m，煤層鉆遇率90%，總進(jìn)尺6094m。經(jīng)兩個多月的排水試采，平均產(chǎn)氣量0.8 ×104m3/d，最高達(dá)到1.5 ×104m3/d。

2.1.3 階段認(rèn)識

煤層產(chǎn)狀、斷層情況等地質(zhì)資料，是多分支水平井設(shè)計、導(dǎo)向施工的基礎(chǔ)，是鉆井成功的重要保證。晉平2-0-2井由于煤層產(chǎn)狀不清，用鉆頭去找煤層，在主井眼方向鉆了7個井眼才找到煤層，但已找不到適合的側(cè)鉆點，最終未能達(dá)到地質(zhì)目的。

2.2 規(guī)模引進(jìn)多分支水平井技術(shù)實施階段

在多分支水平井引入先導(dǎo)試驗見到一定效果的基礎(chǔ)上，根據(jù)股份公司對煤層氣開發(fā)的總體部署，華北油田規(guī)模引進(jìn)多分支水平井技術(shù)實施產(chǎn)能建設(shè)，組織了美國奧瑞安公司實施鉆采工程總包45口井。

2.2.1 技術(shù)特點

(1)由單主支過渡為雙主支 (圖4);

圖4 煤層氣雙主支示意圖

(2)水平段鉆進(jìn)時，通過排采直井泵入鉆井液從工藝井返出，幫助攜巖，發(fā)展為充氣輔助攜巖;

(3)鉆機(jī)選型逐步優(yōu)化，選用T200XD;

(4)鉆具設(shè)計逐步優(yōu)化，采用了無接箍鉆具。

2.2.2 階段認(rèn)識

(1)煤層構(gòu)造復(fù)雜，直接關(guān)系到煤層多分支水平井工程是否順利;

(2)不同區(qū)帶含氣量差異大，對水平井產(chǎn)量有直接影響;

(3)主、分支產(chǎn)狀 (走向)及分布 (控制面積)影響產(chǎn)量;

(4)不同鉆井循環(huán)介質(zhì)直接影響產(chǎn)量。

2.3 自主組織多分支水平井技術(shù)研發(fā)應(yīng)用階段

通過多分支水平井初步引入和規(guī)模引進(jìn)建產(chǎn)，華北油田從2010年開始，以國家科技重大專項“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”為支撐，自主設(shè)計、自主組織施工，組織國內(nèi)鉆探企業(yè)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。通過兩年多的技術(shù)研發(fā)和實踐，克服了井壁垮塌、井眼重入困難等情況，事故逐漸減少、機(jī)械鉆速逐步提高，形成了煤層氣多分支水平井一系列鉆井配套技術(shù)。

2.3.1 工程設(shè)計技術(shù)

(1)上傾軌道設(shè)計:煤層氣的采出需要經(jīng)過解析、擴(kuò)散、滲流等復(fù)雜過程，這個過程的前提就是排水、輸灰，形成上傾軌道設(shè)計。

(2)井身剖面設(shè)計:主水平井眼采用中曲率半徑和“直—增—增—穩(wěn) (水平段)”的連增復(fù)合型剖面，井眼軌跡圓滑、摩阻和扭矩小，造斜點選在煤層頂部巖層上，增斜段曲率半徑為50～100m。

(3)井底結(jié)構(gòu)設(shè)計:以煤層吸附解吸模型結(jié)合煤層氣滲流理論，建立了煤層氣分支水平井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型，通過對比論證分支形態(tài)、水平段長度、分支角度和方位、分支間距等參數(shù)變化對產(chǎn)能的影響，形成了井底多分支結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。

分支數(shù):2個主支、6～8個分支

總進(jìn)尺:4000～5000m

主支長:800～1000m

分支間距:100～150m

兩個主支夾角:10～15°

分支與主支夾角:20～45°

單井控制面積:≥0.3km2

2.3.2 復(fù)合造洞穴技術(shù)

通過現(xiàn)場應(yīng)用實踐，形成了具有獨特設(shè)計理念的系列裸眼造穴工具及工藝，按工藝要求可調(diào)整造穴尺寸從0.4m至2m。

2.3.3 井眼連通技術(shù)

通過在直井和工藝井分別發(fā)射和接受強(qiáng)磁信號，已掌握了兩井連通工藝，實現(xiàn)了一次性連通成功。兩井交匯的靶心距最小10cm，最大30cm。

2.3.4 充氣輔助攜巖技術(shù)

由于煤層的破碎性，井壁易剝落掉塊，甚至坍塌。鉆井液必須具有足夠的攜巖能力，否則易發(fā)生卡鉆事故。采用清水作為鉆井液，攜巖能力受到限制。為解決攜巖問題，在水平井段鉆進(jìn)過程中，從洞穴直井充氣，增加鉆井液返速，鉆井液 (清水)攜巖能力得到大幅度提升。

2.3.5 鉆進(jìn)工藝技術(shù)

圍繞動力鉆具、鉆頭、鉆井方式等措施的優(yōu)選優(yōu)化，全面掌握了現(xiàn)場施工技術(shù)，鉆井速度及煤層鉆遇率逐步提高。

2.3.6 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

創(chuàng)建了MWD+360°GR導(dǎo)向模式，利用直井的伽瑪測量數(shù)值，建立井組煤層段的伽瑪模型，根據(jù)該模型指導(dǎo)水平分支井地質(zhì)導(dǎo)向工作。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)日趨成熟，煤層鉆遇率逐步提高，最高達(dá)到了 98.3%。

2.3.7 軌跡控制技術(shù)

懸空側(cè)鉆技術(shù)日趨成熟，井底結(jié)構(gòu)符合率逐步提高。一是主支側(cè)鉆點預(yù)留技術(shù);二是采用微降斜側(cè)鉆技術(shù)。

2.3.8 事故預(yù)防及處理技術(shù)

形成了煤層垮塌監(jiān)測和處理技術(shù)，形成了早預(yù)防、早判定、早處理工程措施。一是從返砂、泵壓、扭矩等參數(shù)及加強(qiáng)坐崗方面盡早捕捉垮塌現(xiàn)象;二是從盡快采取活動鉆具、倒劃等相應(yīng)措施入手，制定了針對性管理、技術(shù)、操作措施。

2.4 多分支水平井鉆井技術(shù)的適用性分析

裸眼完井方式下的煤層氣多分支井鉆井技術(shù)目前已基本掌握，并且實現(xiàn)了施工隊伍國內(nèi)化。但真正作為煤層氣少井高產(chǎn)的高效開發(fā)技術(shù)，還有大量的工作需要探索。從目前已建成的開發(fā)區(qū)塊初步統(tǒng)計來看，已投產(chǎn)的水平井“二八”現(xiàn)象明顯，即:20%的井產(chǎn)出80%的產(chǎn)氣量，水平井無產(chǎn)量的井較多。

多分枝水平井引進(jìn)后，沒有明顯的技術(shù)突破，在一定程度上限制了水平井的規(guī)模應(yīng)用，歸結(jié)為四個主要技術(shù)問題:

(1)目前實施的軌跡強(qiáng)調(diào)在煤層延伸，由于煤層極易垮塌，導(dǎo)致鉆井事故頻出，鉆井周期長，鉆井成本高;

(2)水平井軌跡追求煤層鉆遇率，在一些井段形成“U”型，排采液形成水塞，當(dāng)鉆遇底部結(jié)構(gòu)煤時，排采可能造成“灰堵”，不利于高產(chǎn);

(3)由于水平井段不穩(wěn)定，若完井后產(chǎn)量低，井眼不可能重入，難以找到原因，沒有有效的處理措施;

(4)目前，排采井在煤層中造“洞穴”，方便了水平井與直井穿針連通，但在后續(xù)抽排中易出現(xiàn)洞穴垮塌，或者井眼部分錯位，導(dǎo)致排采難以入位。

綜上所述，引進(jìn)的多分支水平井對沁水盆地煤層氣開發(fā)適應(yīng)性弱，必須進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

3 煤層氣水平井鉆井技術(shù)改進(jìn)方向

裸眼完井方式下的煤層氣多分支井鉆井技術(shù)目前已基本掌握，并且實現(xiàn)了施工隊伍國內(nèi)化。但真正作為煤層氣少井高產(chǎn)的高效開發(fā)技術(shù)，還有大量的工作需要探索。

3.1 技術(shù)瓶頸問題分析

目前多分支水平井應(yīng)用存在兩大主要技術(shù)瓶頸問題:一是攜帶煤巖及儲層保護(hù)問題;二是井眼重入作業(yè)問題。

3.1.1 攜帶煤巖及儲層保護(hù)問題

煤層氣水平分支井均為裸眼完井方式，鉆井循環(huán)介質(zhì)既是鉆井液，又是完井液。鉆井液不但要具有攜帶巖屑、維護(hù)井壁穩(wěn)定、冷卻鉆頭等功能，更要具有不傷害煤層氣解吸排出的功能。

(1)泥漿作為鉆井液，能將煤 (鉆)屑和井壁坍塌物及時帶出，并能增強(qiáng)井壁穩(wěn)定，確保分支展布、控制面積等達(dá)到設(shè)計要求。但泥漿作為鉆井液會導(dǎo)致儲層受到嚴(yán)重傷害，產(chǎn)能受到影響。

(2)清水作為鉆井液，可最大限度保護(hù)儲層不受傷害，但由于攜巖能力有限，導(dǎo)致分支展布、控制面積等難以達(dá)到要求，同樣影響產(chǎn)能。

3.1.2 井眼重入問題

(1)可鉆性好導(dǎo)致鉆井過程中難于重入。多分支水平井的主井眼和分支井眼當(dāng)一趟鉆不能完成時，由于煤層可鉆性較好，下鉆過程中遇阻卡進(jìn)行劃眼時，容易劃出新井眼，實現(xiàn)不了井眼重入。這樣，使水平分支井的形狀和長度達(dá)不到預(yù)期的要求。

(2)井壁失穩(wěn)導(dǎo)致井眼不規(guī)則，完井或作業(yè)管柱難于重入。由于煤層破碎、膠結(jié)差，即使井壁大面積坍塌，也難于鉆成較為規(guī)則的井眼，導(dǎo)致完井、修井、洗井等作業(yè)時其管柱下不到位置，無法實施維護(hù)性作業(yè)。

3.2 技術(shù)改進(jìn)方向

(1)強(qiáng)化鉆井液體系研究，研發(fā)適合煤層特點的泥漿體系，在保護(hù)煤層不受污染的前提下，提高井壁穩(wěn)定性和攜巖效果;

(2)開展煤層井壁失穩(wěn)機(jī)理和煤層強(qiáng)度隨鉆檢測技術(shù)研究;

(3)開展在多分支水平井的主支和分支下PE篩管現(xiàn)場試驗;

(4)積極探索適合沁水盆地煤層特點的新井型。

［1］董建輝，王先國，喬磊，等.煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)在樊莊區(qū)塊的應(yīng)用 ［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2008，36(4):21-24.

［2］李景明，巢海燕，李小軍，等.中國煤層氣資源特點及開發(fā)對策 ［J］.天然氣工業(yè)，2009，29(4):9-13.

［3］喬磊，申瑞臣，黃洪春，等.煤層氣多分支水平鉆井工藝研究 ［J］.石油學(xué)報，2007，28(3):112-115.

［4］田中蘭.山西晉城地區(qū)煤層氣鉆井完井技術(shù) ［J］.煤層氣地質(zhì)與勘探，2001，29(3):25-28.

［5］崔樹清，王風(fēng)銳，劉順良，等.2011.沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井工藝 ［J］.天然氣工業(yè)，2011，31(11):18-21.

Applicability Analysis and Countermeasures on CBM Drilling Technology in the Southern Qinshui Basin

NI Yuanyong1，CUI Shuqing1，WANG Fengrui1，SUN Jinfeng2
(1.North China Oilfield Company，PetroChina，Hebei 062552;2.Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300457)

Vertical(oblique)wells and multi-branch horizontal wells are the two kinds of well which have been used in the CBM development in the Southern Qinshui Basin.The technology of straight(oblique)wells is simple，and can obtain good development effect by applying scientific drainage technology and achieve the goal of CBM development with low cost.CBM multilateral horizontal well drilling technology，which is a type of open hole completion methods，has been formed a series of matching technologies through three stages of exploration and practices，including technology introduction，scaled introduction and technologies independently developed.However，due to the reservoir protection and borehole stability problems such as restriction，CBM multilateral wells are weak in adaptability to CBM development in Qinshui Basin，and technical improvement is needed.

CBM drilling technology;vertical well;multilateral horizontal well;applicability;countermeasures

國家重大科技專項“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”(2011ZX05061)

倪元勇，男，華北油田公司鉆采工程部副經(jīng)理，高級工程師，長期從事煤層氣鉆完井技術(shù)研究和技術(shù)管理工作。

(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))