探究煤層氣多分支水平井鉆井工藝

杜興隆

摘 要：煤層氣開采工藝不同于常規油田開采，需要利用適合于低壓、低滲透、低飽和煤層結構的開采工藝。多分支水平井鉆井技術作為一種綜合性強、開采率高的開采技術，已廣泛應用于煤層氣資源的開采工程中。本文將對煤層氣多分支水平井鉆井工藝的相關內容展開討論。

關鍵詞：煤層氣;多分支水平鉆井;造洞穴技術;欠平衡技術

1 概述

煤層氣作為一種儲存較為豐富的能源已經引起了世界各國的廣泛關注，關于煤層氣的開采工藝也不斷發展，已經形成了較為成熟的開發工藝。煤層氣90%以上以吸附狀態附著在煤巖體表面，只有少量氣體以游離態形式存儲在巖層的裂隙、孔隙或溶解在煤層水中。煤層氣的存儲方式決定了該類能源開采必須通過一定方式實現排水降壓，進而使煤層氣完成解吸-擴散-滲流，完成煤層氣的開采。我國煤層氣藏較為豐富，但低壓、低滲透、低飽和現象較為突出，煤層構造破壞現象嚴重，均勻性較差，給煤層氣的開采帶來了一定難度;多分支水平井技術是一項綜合性強、開發效率高、對環境破壞較低的一種開采工藝，因此被應用于煤層氣資源的開采。

2 多分支水平井鉆井工藝

2.1 工藝介紹

煤層氣多分支水平井鉆井工藝是一項集鉆井技術、完井技術、增產措施為一體的一種綜合性開采工藝，該工藝施工過程中主要包括煤層造洞穴技術、隨鉆地質導向技術、兩井對接技術、鉆水平分支井眼技術以及欠平衡技術等，技術含量高，風險大，單產量高、對環境友好，可廣泛應用于煤層氣的開采。

2.2 技術難點

煤層氣多分支水平井鉆井技術施工難度較高，這是由于該技術的技術含量較高，在施工過程中需要用到水平井與洞穴井連通、充氣欠平衡鉆井、鉆分支井眼以及地質導向等技術;在施工過程中，煤層段井壁結構穩定性較差，因此可使用小井眼鉆進技術，將經驗長度控制在1512cm。小井眼鉆進技術所使用的鉆具、測量儀器以及設備性能要高于普通油井鉆進設備。具體來說，其施工難點主要是以下幾個方面：

首先，煤層穩定性較差，對外力較為敏感。煤層氣藏所處的煤層質地較脆，且發育有互相垂直的天然裂縫，進行鉆進時要嚴格按照工藝進行操作，否則很容易引起井下坍塌、卡鉆事故，嚴重時可能會導致井眼報廢。其次，煤層污染問題。煤層在開采過程中容易受到污染，給能源的儲層保護工作帶來了極大的難度，為減少污染煤層段的鉆井液體系一般由充氣鉆井液、地層水、泡沫等組成。再次，煤層氣資源埋藏深度較淺，這就導致井眼曲率較大，鉆壓不符合正常作業標準，鉆柱只能超負荷運行這就容易導致安全事故。最后，煤層氣多分支水平井鉆井工藝在我國的發展仍處于起步階段，實踐經驗不足，生產工具多為新型儀器或工具，普及度較低，給我國的煤層氣資源的開采帶來難度。

2.3 煤層氣多分支井開采技術應用現狀

煤層氣開采始于國外，尤其是美國的開采技術已經發展較為成熟，如煤層氣欠平衡鉆井、空氣-泡沫鉆井、空穴完井、水平井以及多分支水平井等。我國煤層氣資源開采工藝發展較晚，鉆井、完井工程配套工藝相對來說需要進一步成熟，特別是利用多分支水平井鉆井技術時，鉆井工藝、井壁穩定、儲層保護、鉆井液體系、固井完井等方面存在一系列亟待解決的問題。

3 煤層多分支水平井鉆井工藝探究

3.1 井眼優化設計

井眼設計主要從井眼剖面、井身結構、井眼軌跡三個反面進行優化設計，以確保多分支水平井鉆井工藝的安全實施。

3.1.1 井眼剖面優化設計

煤層氣所在的煤層較淺，因此對井眼剖面進行設計時，應堅持在得到最大位移的前提下，盡量降低豎直方向的消耗量，以實現最大的水垂比。在對煤層氣多分支水平井井眼進行設計時，應對鉆機和鉆柱強度、頂驅設備、設計軌道的摩擦及扭矩、現場施工難度等因素進行綜合考慮。一般在設計過程中，應遵循以下幾項設計原則：

①在對井眼進行設計時，要對煤層氣藏、鉆柱力學、經濟性等因素進行多方勘探和實驗，然后以此為依據對井眼的長度、方位、距離進行設計，以達到最佳效果。

②在實施多分支水平井鉆井技術時，需要對軌道進行科學設計，一般來說軌道設計可采用多種方法，而方法不同所得軌道長度就存在差異。確定軌道時，應根據地質情況、經濟性、安全性等多項原則進行綜合對比，減少無效尺寸，確保設計軌道最短，尤其是地質條件較差地段的設計尺寸更要嚴格控制，確保施工安全的同時，還能提高企業的經濟效益。

③煤層氣藏所處煤層的井壁穩定性較差，主井眼和分支井眼可設置在煤層的中部及其以上部位，確保鉆井工藝的順利實施;同時井眼方位垂直于煤層最小主應力方向時，有利于井壁的穩定和煤層產能的優化。

④煤層氣多分支水平井的水平段一般為1000m，而垂直段則在500m以內，鉆柱能提供的鉆壓范圍有限，因此在設計多分支水平井井身剖面時，應對軌道進行科學設計，確保軌道能滿足滑動鉆進的工況要求。

⑤煤層多分支水平井鉆進工藝的特點是分支多，水平位移大，據統計，在整個鉆進過程中水平段的進尺約占總量的80%以上。多分支水平井鉆進技術的這項特點勢必會引發套管柱和鉆柱在井眼內面臨巨大摩擦的問題，使鉆柱在鉆進過程中的扭動過程極為困難。根據物理學相關理論可知，摩擦和扭矩是影響水平位移的主要因素，而對軌道進行優化設計則是減少摩擦和扭矩的有效途徑。

3.1.2 井身結構優化設計

井身結構的優劣直接決定了井的安全程度，是能否成功實現鉆進目的的首要前提。若井身結構出現設計缺陷，可能會導致套管鞋位置進入煤層，固井時水泥漿會將煤層壓裂，進而使井壁坍塌影響整個井眼的安全施工。在設計煤層氣多分支井身結構時，應注意其與常規油氣井之間的區別，水平井和洞穴井之間的連通性、煤層段井壁的穩定性問題以及后期的排水采氣問題都應該進行綜合考量。多分支井井身結構設計優化時需注意的問題有：煤層氣所在煤層結構較為復雜，技術套管不可深入到煤層中，防止固井過程水泥漿壓裂煤層，引起井壁坍塌，造成重大的經濟損失和人身損失。套管須將煤層上部大量出水的層位進行封堵，以確保抽排采氣的順利進行。多分支水平井呈多羽狀時，技術套管應下放到造斜點以上，為后續裸眼側鉆提供條件。若洞穴井井底需要造洞穴時，應在井底設置容量合適的口袋，口袋深度盡量加深，但不得揭開下部含水層。

3.1.3 井眼軌跡控制

首先，鉆進工具的選擇。井斜角、方位角、垂深是控制煤層多分支水平井定向的主要參數。水平井主井眼鉆進時，可使用塔式鉆具組合控制垂直段的井斜;若井斜較為嚴重，就需要使用糾斜鉆具組合，如鐘擺鉆具等;主井眼造斜段施工時，要使井眼軌跡順利出現在煤層中，就要確保工具的造斜率達到設計要求，一般采用定向鉆具組合，如導向馬達+隨鉆測斜儀組合;水平井主眼和10個分支使用地質導向鉆具組合完成鉆進任務，常用的鉆具組合形式有單彎螺桿鉆具+隨鉆測井儀+減阻器;鉆具通過連續滑動鉆進的方式，實現增斜、降斜;而穩斜則可通過復合鉆進的方式實現，該方式既可以根據需要對井眼狀態進行調整，還能實現連續鉆進的目的，對鉆井速度和軌跡精度的提升十分有利。

其次，井眼軌跡的控制。煤層氣多分支水平井鉆進施工時，井眼軌跡主要通過地質導向技術對其進行實時監控得以實現。施工前，先對前期的勘探資料建立區塊地質模型，然后利用隨鉆測井儀對地質情況進行測試，利用所測的儲層伽馬數值、電阻率等參數對所建立的地質模型進行調整，優化井眼軌跡。另外，通過對鉆進時泥漿返出巖屑情況判斷是否鉆穿煤層。

最后，側鉆工藝設計。煤層氣所處煤層結構穩定性差，因此多分支井的側鉆工藝與油井的側鉆工藝存在一定的差別，應對其進行科學設計。通過實踐證明，煤層多分支井側鉆時，應注意以下幾點：

①起鉆時應將鉆具設置于每個分支的設計側鉆點上方，上提鉆具后下放，將鉆柱中的扭力防空后開始懸空側鉆。

②采取連續滑動的方式進行側鉆，鉆具速度應嚴格控制，具體控制值如表1所示。按照既定鉆速施工，大約需要5h方可完成整個側鉆工序。

表1 ?鉆進速度控制方案

[進尺距離/m＼&鉆速m/h＼&1-2

2-3

3-10＼&0.8-1.2

1.2-2.5

3＼&]

③側鉆施工時，初期以滑動形式進行，至設計位置時則以復合方式鉆進，在鉆進過程中，操作人員要注意觀察摩擦阻力的變化情況以及扭矩的變化情況。鉆完一個分支井后，循環一周然后起鉆恢復至下一個分支的側鉆點。如此循環，直至完成所有分支井眼作業。

3.2 水平井與洞穴井連通技術

3.2.1 作業工具

水平井與洞穴井連通作業時，需要用到近鉆頭電磁測距技術，該技術的硬件主要為永磁短節、強磁針或探管。永磁短節由橫向排列的多個永磁體組成，長度約為40cm，其功能是提供一個恒定的待測磁場。探管由三部分組成，分別為加重桿、扶正器和傳感器組建，長度約為3m。工作時，永磁短節以旋轉的方式經過洞穴井附近區域，探管可對永磁短節產生的磁場信號進行采集，采集信號傳輸給計算機設備后，通過專業的計算軟件就可計算兩井之間的距離以及當前鉆頭的所處的位置。根據以上分析可知，進行水平井與洞穴井連通作業時所需的鉆具組合包括鉆頭、永磁短節、馬達、隨鉆測斜儀、鉆桿、無磁鉆鋌。

3.2.2 施工工藝

作業前先將2個井底所測的陀螺數據輸入到配套采集軟件中，對坐標系進行初始化;在進行連通作業時，探管由豎直井進入待測點，將永磁短節連接在鉆頭處，準備作業;當探頭測量范圍內進入鉆頭后，接收儀器可對當前磁場強度值進行實時接收，采集的數據信號傳輸給專業軟件后，通過計算可獲得當前井眼的位置。同時鉆具組合設備能對測點的閉合方位進行同步計算，對鉆頭方位的變化情況進行預測，適時根據鉆進情況調整鉆具，確保鉆進方向處于洞穴中心處。當鉆具組合設備接近洞穴時，作業人員可利用軌跡計算軟件對周圍環境進行立體掃描，以便于對水平井和洞穴中心之間的距離進行準確預測;此外，作業人員還可根據三維視圖中鉆具軌跡的變化趨勢判斷連通作業的施工狀況。綜上所述，利用組合鉆具可以實時、連續的對鉆頭位置進行監測，這是連通作業能夠成功的技術保障。

3.3 充空氣欠平衡技術

煤層氣藏所處的煤層特點是低壓、低滲透，適用于常規油田開采的過平衡鉆井技術會對儲層造成破壞，應采用其他鉆井技術。當前應用較多的鉆井液體系主要有泡沫流體、充空氣鉆井液、地層水和空氣。以充空氣欠平衡技術為例，該技術的工作原理是將空氣注入鉆井液內形成以液體為連續相，以氣體為離散相的新型鉆井液體系，可適用于低壓煤層的鉆井工藝，且不受地層水量的影響。下面將以油管注氣法為例，對該項技術的施工工藝進行說明。

油管注氣法是利用專用的工具將注氣油管和井下封隔器下放到洞穴井中，然后以油管為通道，將壓縮氣體通入到水平井環空。油管注氣技術適合用于煤儲層較深的洞穴井，且施工工藝容易控制，即使在近平衡注氣的情況下，也能在短時間內使壓縮空氣進入水平井環空，從而改善氣液兩相流的均勻性。除此以外，該工藝能實現欠值很小的欠平衡作業，這對于維護煤層井壁的穩定性十分有利。

充氣欠平衡作業施工時應嚴格按照施工工藝進行鉆進，以保障施工的安全性。如接單跟時注入氣體過多時，會將水平井直井段的泥漿排空，這很容易誘發井噴、地層坍塌等安全事故。為避免此類鉆井事故的發生，應在低于安全注氣壓力時就要停止氣體的注入。進行起、下鉆作業時，要保持鉆桿的平穩，尤其是在煤層段更應該緩慢長提，避免井眼坍塌。

4 結語

煤層氣多分支水平井鉆井工藝具有技術含量高、開采率高、對環境破壞性低等優點，可廣泛應用于煤層氣資源開采中。雖然我國對煤層氣資源的開采起步較晚，但經過近幾年的發展，已經形成了一套較為成熟的開采工藝，而多分支水平井鉆井工藝就是其中的一種，這就意味著我國已經初步具備了對該資源進行安全開采的能力。煤層氣資源的安全開采和利用，對于緩解我國能源緊缺與經濟發展之間的矛盾具有十分重要的意義。

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