沁水盆地南部煤層氣鉆井工藝技術適用性分析及對策

倪元勇 崔樹清 王風銳 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適用性分析及對策

倪元勇1崔樹清1王風銳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簡單，與科學的排采技術配套后，能夠取得較好排采效果，能夠達到煤層氣低成本開發的目的。裸眼完井方式下的煤層氣多分支井鉆井技術，經過技術引入、規模引進和自主組織技術研發應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。但由于受儲層保護、井眼穩定等問題的制約，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適應性較弱，需要進行技術改進。

煤層氣鉆井技術 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投入較大、研 究程度較高的區域。開發層系主要是二疊系山西組的3號煤層，埋藏深度300～800m。該地區地層壓力正常，塌坍壓力較低，破裂壓力較高，地層較為穩定。目前開發主要采用直 (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。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。

圖1 多分支水平井井組示意圖

1 直 (斜)井鉆井技術及適用性

由于煤層氣儲層埋藏淺、鉆遇地層穩定，直(斜)井鉆井較常規油氣簡單。井身結構為二開，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(井網要求)。鉆機選用鉤載60～80t的水源鉆機，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整流變性即能滿足施工要求。

煤層氣井產量較常規油氣井低，直 (斜)井所采用的鉆井工藝技術盡管簡單，但與科學的排采技術配套后，能夠達到煤層氣低成本開發的目的。

2 多分支水平井鉆井技術及適用性

華北油田于2005年開始探索水平井煤層氣開發應用，水平井鉆井技術的發展可劃分為三個階段:2005～2006年，為初步引入試驗階段;2007～2009年，為規模引進建產階段;2010年至今，為自主組織研發應用階段。

2.1 多分支水平井技術引入階段

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計井深，然后逐一退出鉆出各側分支;

(4)水平段鉆進時，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)地質導向主要用伽瑪值、含烴量、鉆時等參數綜合判斷。

2.1.2 實施情況

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

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，鉆井過程發生斷鉆具、斷套銑筒等事故，井壁嚴重坍塌，鉆具不能重入，被迫棄井。該井水平段總進尺1213m，鉆遇煤層進尺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，但實鉆軌跡與設計相差較大 (圖2)。該井水平段進尺 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塊實施了FP1-1井，鉆井施工過程順利，達到了預定目標 (圖3)。

圖3 FP1-1井井眼軌跡

該井水平進尺5158m，煤層鉆遇率90%，總進尺6094m。經兩個多月的排水試采，平均產氣量0.8 ×104m3/d，最高達到1.5 ×104m3/d。

2.1.3 階段認識

煤層產狀、斷層情況等地質資料，是多分支水平井設計、導向施工的基礎，是鉆井成功的重要保證。晉平2-0-2井由于煤層產狀不清，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鉆點，最終未能達到地質目的。

2.2 規模引進多分支水平井技術實施階段

在多分支水平井引入先導試驗見到一定效果的基礎上，根據股份公司對煤層氣開發的總體部署，華北油田規模引進多分支水平井技術實施產能建設，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)水平段鉆進時，通過排采直井泵入鉆井液從工藝井返出，幫助攜巖，發展為充氣輔助攜巖;

(3)鉆機選型逐步優化，選用T200XD;

(4)鉆具設計逐步優化，采用了無接箍鉆具。

2.2.2 階段認識

(1)煤層構造復雜，直接關系到煤層多分支水平井工程是否順利;

(2)不同區帶含氣量差異大，對水平井產量有直接影響;

(3)主、分支產狀 (走向)及分布 (控制面積)影響產量;

(4)不同鉆井循環介質直接影響產量。

2.3 自主組織多分支水平井技術研發應用階段

通過多分支水平井初步引入和規模引進建產，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示范工程”為支撐，自主設計、自主組織施工，組織國內鉆探企業進行技術攻關。通過兩年多的技術研發和實踐，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。

2.3.1 工程設計技術

(1)上傾軌道設計:煤層氣的采出需要經過解析、擴散、滲流等復雜過程，這個過程的前提就是排水、輸灰，形成上傾軌道設計。

(2)井身剖面設計:主水平井眼采用中曲率半徑和“直—增—增—穩 (水平段)”的連增復合型剖面，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)井底結構設計:以煤層吸附解吸模型結合煤層氣滲流理論，建立了煤層氣分支水平井結構優化設計模型，通過對比論證分支形態、水平段長度、分支角度和方位、分支間距等參數變化對產能的影響，形成了井底多分支結構設計技術。

分支數:2個主支、6～8個分支

總進尺: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 復合造洞穴技術

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

2.3.3 井眼連通技術

通過在直井和工藝井分別發射和接受強磁信號，已掌握了兩井連通工藝，實現了一次性連通成功。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

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 鉆進工藝技術

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

2.3.6 地質導向技術

創建了MWD+360°GR導向模式，利用直井的伽瑪測量數值，建立井組煤層段的伽瑪模型，根據該模型指導水平分支井地質導向工作。地質導向技術日趨成熟，煤層鉆遇率逐步提高，最高達到了 98.3%。

2.3.7 軌跡控制技術

懸空側鉆技術日趨成熟，井底結構符合率逐步提高。一是主支側鉆點預留技術;二是采用微降斜側鉆技術。

2.3.8 事故預防及處理技術

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

2.4 多分支水平井鉆井技術的適用性分析

裸眼完井方式下的煤層氣多分支井鉆井技術目前已基本掌握，并且實現了施工隊伍國內化。但真正作為煤層氣少井高產的高效開發技術，還有大量的工作需要探索。從目前已建成的開發區塊初步統計來看，已投產的水平井“二八”現象明顯，即:20%的井產出80%的產氣量，水平井無產量的井較多。

多分枝水平井引進后，沒有明顯的技術突破，在一定程度上限制了水平井的規模應用，歸結為四個主要技術問題:

(1)目前實施的軌跡強調在煤層延伸，由于煤層極易垮塌，導致鉆井事故頻出，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，當鉆遇底部結構煤時，排采可能造成“灰堵”，不利于高產;

(3)由于水平井段不穩定，若完井后產量低，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，但在后續抽排中易出現洞穴垮塌，或者井眼部分錯位，導致排采難以入位。

綜上所述，引進的多分支水平井對沁水盆地煤層氣開發適應性弱，必須進行技術改進。

3 煤層氣水平井鉆井技術改進方向

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

3.1 技術瓶頸問題分析

目前多分支水平井應用存在兩大主要技術瓶頸問題:一是攜帶煤巖及儲層保護問題;二是井眼重入作業問題。

3.1.1 攜帶煤巖及儲層保護問題

煤層氣水平分支井均為裸眼完井方式，鉆井循環介質既是鉆井液，又是完井液。鉆井液不但要具有攜帶巖屑、維護井壁穩定、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，并能增強井壁穩定，確保分支展布、控制面積等達到設計要求。但泥漿作為鉆井液會導致儲層受到嚴重傷害，產能受到影響。

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

3.1.2 井眼重入問題

(1)可鉆性好導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行劃眼時，容易劃出新井眼，實現不了井眼重入。這樣，使水平分支井的形狀和長度達不到預期的要求。

(2)井壁失穩導致井眼不規則，完井或作業管柱難于重入。由于煤層破碎、膠結差，即使井壁大面積坍塌，也難于鉆成較為規則的井眼，導致完井、修井、洗井等作業時其管柱下不到位置，無法實施維護性作業。

3.2 技術改進方向

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

(2)開展煤層井壁失穩機理和煤層強度隨鉆檢測技術研究;

(3)開展在多分支水平井的主支和分支下PE篩管現場試驗;

(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在樊莊區塊的應用 ［J］.煤田地質與勘探，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對策 ［J］.天然氣工業，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］.石油學報，2007，28(3):112-115.

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

［5］崔樹清，王風銳，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，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示范工程”(2011ZX05061)

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

(責任編輯 韓甲業)