煤層氣開發的多分支水平井鉆井技術

張紹雄 張 媛

中國石油山西煤層氣勘探開發分公司 （山西 晉城 048026）

煤層氣開發的多分支水平井鉆井技術

張紹雄 張 媛

中國石油山西煤層氣勘探開發分公司 （山西 晉城 048026）

應用多分支水平井鉆井技術開發煤層氣，是提高單井產量、降低綜合成本的有效手段。結合山西煤層氣多分支水平井鉆井實踐，介紹了其工藝特點、應用技術及存在的問題。研究結果表明，應用多分支水平井鉆井技術進行煤層氣開發，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（俗稱瓦斯）是繼石油、天然氣之后的又一新型、清潔能源。我國煤層氣資源豐富，特別是山西沁水盆地具有煤層埋深淺、范圍廣、厚度大且穩定、含氣量高、易于解析等特點，是開發煤層氣的最有利地區。2006年，中國石油天然氣股份有限公司制定了“開發煤層氣，奉獻新能源”的發展戰略，成立了山西煤層氣勘探開發分公司，在山西沁水盆地開展了大規模的煤層氣勘探開發工作。

借鑒國內外開發煤層氣的經驗，應用多分支水平井技術可大大增加煤層滲濾面積，是提高單井產氣量和采收率、降低綜合成本、縮短投資回收期的有效手段和途徑。2007年股份公司經過分析論證，確定了以水平井為主、普通直井及叢式井（定向井）為輔開發煤層氣的鉆井原則，隨即開始大規模應用了多分支水平井鉆井技術。截止到2009年底，共完成多分支水平井49口，建成了2.5億m3煤層氣生產能力，最高產氣井單井日產氣量達到4.6萬m3。本文根據多分支水平井鉆井實踐，介紹其工藝特點并探討所存在的問題。

煤層氣多分支水平井的特點

煤層氣水平井借鑒了常規石油天然氣水平井鉆井工藝技術，但由于其工作對象以及煤層氣儲藏性質、排采方式的不同，因而在設計、施工工藝等方面有其獨特的特點。

1 開發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開發煤層氣，目前一般選擇一個主力煤層開發，在單一層位類似水平面上鉆多分支。這與油井在2個以上層位鉆出多分支不同。

2 目的層段分支及進尺較多

由于煤儲層地層壓力、滲透率相對較低，要達到提高煤層氣產量的目的，需要比常規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個主支,在主支兩側要鉆多個(一般6～8個)分支，累計煤層段進尺一般要達到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煤層氣開發區往往也是煤炭開采區（如山西沁水盆地），按照國家“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由于完井技術的限制，現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

煤層強度及膠結程度較差，易垮塌。根據國內外煤層氣多分支水平井的鉆井經驗，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（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氣。煤層氣多分支水平井由于其工藝上的特點，很難在水平井眼下入排采管柱及設備進行排水，需要一口專門的排采直井進行排水及產氣，而這口直井必須與水平井連通才能達到目的。所以煤層氣多分支水平井一般都是先打一口排采直井，再在適當位置（一般距直井200m左右）打水平井（稱其為工藝井）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

煤層氣多分支水平井是多項先進鉆井技術的綜合運用。歸納起來有以下8項主要技術：

1 井身結構及井眼軌跡優化設計技術

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，還要根據地質構造、煤層展布情況確定分支數量及方向，所以井身結構、井眼軌跡及分支井底形狀的優化設計也顯得尤為重要。而在山西沁水盆地所鉆多分支水平井，由于地處山區，地勢崎嶇，在滿足地質設計要求的同時，要根據地勢特點選擇排采直井與工藝井的井口位置，再進行井身結構及井眼軌跡的優化設計。

（1）井身結構。排采直井一般采用二開井身結構：一開使用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井身結構：一開與排采直井類似；二開使用Φ215.9mm鉆頭鉆至接近著陸點（煤層，一般井斜達到80°左右）完鉆，距離排采直井（洞穴）60m左右，為連通留有余地。下入套管尺寸根據鉆機類型、預計煤層煤質及構造特點，按照三開鉆頭尺寸選擇技術套管。

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

（2）井眼重復利用工藝井身結構。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。山西煤層氣勘探開發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個井眼。其井身結構及施工工藝是：二開鉆完設計井深，下入套管并在套管的適當位置加入固井分級箍，固井打完水泥漿后立即打開分級箍循環排出上部水泥漿。三開鉆完一口水平井后，在分級箍以下套管內下入封隔器，下入割刀割斷分級箍以上套管并起出，在適當位置打水泥塞。下口不同方向的多分支水平井即利用該井眼側鉆完成二開及三開的工序。

（3）連通前井眼軌跡的設計。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。如此應選擇單增剖面、中曲率半徑軌跡類型，造斜率一般在8°～15°/30m，同時應計算校核技術套管能否順利下入。

（4）水平主井眼及分支井眼的設計。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鍵。其分支數量、長度、夾角大小、井底形狀等關系到采氣面積、施工難度等，因而對此進行優化設計是很重要的。從國內外鉆井實踐看，有多種不同的類型，最典型的是美國CDX公司已取得專利的 “羽狀”設計。山西煤層氣勘探開發分公司所實施的多分支水平井，對分支形狀、水平段長度、分支角度和方位、分支間距等重要參數進行了分析研究和對比論證，認為“2主支+6分支”的設計是適合山西煤層特點的，最佳參數是：主井眼之間夾角20°～30°、主支長度應該在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、分支長度300～400m、同側3分支、扇形分布；煤層段進尺達到4 000m以上。每口井大約覆蓋0.3～0.4km2的含氣面積，相當于10～15口普通煤層氣直井控制的面積。

2 直井裸眼造穴技術

直井是煤層氣排采的生產井，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械造穴2種方法，一般使用機械造穴工具，洞穴直徑可達1～1.5m,通常0.6～0.8m即可滿足連通要求。

3 井眼連通技術（國內稱之為“穿針”技術）

水平井眼在進入煤層后必須與排采直井連通才能鉆主支及分支。要實現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”技術。目前美國Vector公司具有該技術專利，其精確定位設備“RMRS”系統是利用一個旋轉的磁性接頭在正鉆井中產生一個從幾十米外就可以探測到的磁場信號，在目標井（直井）中下入有線探管測量磁場強度和方向，通過分析測量數據判斷鉆頭與洞穴的相對位置，在連通之前對軌跡進行有效調整以實現連通。

4 欠平衡鉆井技術

為了保護產層，加快速度，有利于攜帶煤屑，采用在排采直井注氣實現欠平衡鉆井的技術。從另一口井注入氣體到水平井的“中間”，實現在環空“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

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；③連通后的主支及分支分布按照設計，各呈一定角度，才能達到控制面積廣的目的。而在井眼尺寸小，鉆具“柔軟”且進尺多的情況下難度更大。實踐中采用隨鉆導向鉆具組合及隨鉆測量系統，通過LWD、EM-MWD等隨鉆測量的工程參數（井斜、方位、工具面角等），利用地面計算機軟件進行跟蹤分析，確定鉆頭的位置，并通過地面工具面的擺放、鉆井參數及措施的落實，達到控制井眼軌跡，使其按預計方向前進的目的。

6 懸空側鉆技術

在水平主井眼上鉆分支井眼時，無導斜器或水泥塞作為依托側鉆。要實現定點水平側鉆出各分支，在側鉆點的選擇、工具面的擺放、技術參數的制訂、操作措施的控制以及施工上的分析判斷是極為講究的。

7 地質導向鉆井技術

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”，所以實鉆中按設計軌跡鉆進也會鉆出煤層。為了保證井眼在煤層中延伸，需要應用地質導向技術，即在LWD、EMMWD隨鉆測量儀器中加“電阻率、方向伽瑪、平均伽瑪”等測取相應地層參數，通過地面識別系統分析判斷是否在煤層中鉆進。

8 小井眼鉆井技術

煤層氣多分支水平井一般采用Φ152.4mm、Φ120.65mm鉆頭鉆進，如此小井眼、長裸眼鉆進，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、循環壓力的控制、事故處理等多方面比常規井眼更難的問題。

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

煤層氣多分支水平井鉆井技術的攻關方向

從山西數10口煤層氣多分支水平井鉆井實踐看，目前鉆此類井還存在較大的問題或技術難點。實施時有較大的風險，主要是由于部分井完成的主支及分支方向與長度達不到設計要求；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。這主要是地質因素：鉆遇斷層使得井眼難以繼續延伸；煤層破碎易垮、易掉塊對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題，需要在以下幾個方面深入研究及攻關。

1 地質精細描述及井位優選是基礎

特別是在預鉆區域要結合地下煤層展布、煤層性質、煤層埋深、斷層發育以及地面山區地形、地貌等情況綜合評價，必要時應先打評價井，取心分析煤質，以確定是否適合鉆多分支水平井，確定井組井數、位置以及井眼延伸方向、長度等。

2 防止井眼（主要是煤層）垮塌是關鍵

由于煤層存儲及解析的特性，目前保護、釋放煤層氣最直接、有效、經濟的措施是使用清水鉆進。但清水不能有效地起到護壁、抑制垮塌的作用，這是目前多分支水平井鉆進最大的難題。應進行煤層污染、解堵等方面的研究，開發既能防止煤層垮塌又能有效保護煤層的鉆井液。

3 研究小井眼鉆進的系列技術問題

諸如進一步優化井身結構、優化井身剖面設計、優化鉆具組合；優選小井眼鉆進技術參數，包括鉆壓、轉速等工程參數、排量、泵壓等水力參數、注氣量及注氣壓力等；研究如何解決主、分支井眼清潔問題，及時把鉆屑、煤屑清理（攜帶）出井筒返出地面，保證井眼的暢通；研制長壽命小螺桿、小型無接頭（無臺階）鉆具、“內置式”可打撈隨鉆測量儀器等；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方面的問題：①保證鉆井施工的順利，解決鉆頭、螺桿、測量儀器的壽命、鉆井設備的連續工作以及井眼清潔問題，保證一次性完成預計進尺；②關系到以后采氣產量，如果所鉆井眼垮塌或巖屑堵塞，或將前面所鉆井眼堵塞又不能重入處理，必將會影響到產氣量。

結束語

發展低碳經濟、開發新能源是我國今后發展的重要戰略，煤層氣的開發前景廣闊。應用多分支水平井鉆井技術開發煤層氣，具有產量高、產出快、便于管理、綜合成本低、經濟效益好的優勢，而且占地面積小、有利于保護環境、有利于采煤采氣一體化，是今后開發煤層氣的方向。但實施多分支水平井還面臨著單井成本高、技術要求高、操作風險大等問題。期望廣大技術人員積極投入煤層氣多分支水平井鉆井技術的研究中來，破解技術難題，使這一技術得到更廣泛的推廣應用，共同為新能源的開發做出貢獻。

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，現主要從事鉆井技術和管理。

尉立崗

2010-11-09