地質導向技術在煤層氣魚骨狀水平井關鍵技術環節的應用探討

劉勛才 黎 鋮 史彥飛 彭文昌 肖 磊

(中國石油渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司，河北 062552)

魚骨狀水平井由一個主支和多個分支組成，在鉆井過程中，一般采用前進式鉆進方式，取代了常規的先主支，后分支的后退式鉆進方式。在完成所有主支和分支的施工后，下入篩管完井。導向施工中，為了達到更大限度的增加滲濾面積的目的，需保證各分支的順利延伸及合理展布，現場人員需及時提出分支軌跡設計方案，并在軌跡控制上更加精細。鉆進過程中，為保證后期篩管的順利下入，在主支井眼軌跡優化、側鉆點留取及懸空側鉆等關鍵技術上做好相應的控制措施。

1 工藝特點及分支軌跡展布

煤層氣魚骨狀多分支水平井在水平段一般采用前進式鉆探方式，要求在適當的位置先扭方位完成第一個分支，再退回扭方位處側鉆施工主支，當鉆進至第二個分支起始點時，扭方位完成第二個分支，再退回側鉆主支(如圖1所示)。以此循環，在反復完成多個分支和主支后，下入篩管完井。從水平投影看，各分支與主支井眼成羽狀分布；從垂直投影圖看，在側鉆點附近，分支在主支井眼的上方，主支井眼與分支井眼成上下分布。主支井眼一般設計800～1000m，分支數4～6個，每個分支長度300m左右。現場施工中，導向師在不違背設計原則的前提下，可根據實際情況，對分支的展布及分離速度靈活掌握。為了獲得更大的滲濾面積，同側相鄰分支起始點間距一般控制在150～250m之間，異側相鄰分支起始點間距一般控制在70～130m之間。分支施工時，通過連續扭方位，逐漸與主支分離，分離角度主要按設計要求施工，扭方位的快慢，決定了分離距離的大小。在后幾個分支的施工中，經常由于水平段較長，在連續定向扭方位段，出現井下鉆具摩阻大、扭矩高、托壓嚴重而無法定向鉆進。因此，從分支整體布局及現場施工難度上考慮，前幾個分支可適當加快扭方位速度，減小相鄰分支間距，為后面的分支留足空間；后幾個分支可適當增加相鄰分支間距，降低扭方位速度，減小鉆進中存在的風險。

圖1 魚骨狀多分支水平井前進式鉆進方式水平、垂直投影圖

2 魚骨狀水平井施工難點

與其他類型的煤層氣水平井相比，魚骨狀水平井在鉆井施工中，除了鄰井資料缺乏、構造多變、煤層易垮塌、低成本隨鉆儀器落后等固有難點之外，該類井因其獨特的井型和后期作業要求，還存在以下幾方面的難點。首先，因為該類井為單主支，后期在主支中下入篩管完井，所以在主支施工時，對軌跡質量要求更高，應盡量提高軌跡控制精度，減少大幅度調整。其次，在軌跡展布上，與其他類型的多分支水平井相比，該類井分支與主支的分布更加墨守成規，現場需合理安排各分支之間的間距以及延伸足夠的長度，才能滿足控制面積的要求，獲得更多的泄油面積；其他類型的多分支井，若遇復雜情況，主支不能順利延伸，可選擇適當的側鉆點側鉆新的主支，而魚骨狀水平井若主支不能正常延伸，則后續所有施工將無法繼續進行。此外，由于該類井型的施工特點，對現場人員來說，在側鉆點留取、懸空側鉆、井壁穩定等關鍵技術環節上提出了更高的要求。

3 關鍵環節控制措施

通過總結山西煤層氣魚骨狀水平井現場施工特點，并結合多年來其他水平井施工經驗，對主支鉆進中的軌跡控制技術、側鉆點留取位置、懸空側鉆技術、篩管順利下入等關鍵技術進行了總結，形成了一套較實用的控制措施。

3.1 主支軌跡控制技術

通過多口井實鉆表面，煤層上部近頂板位置相對穩定，不易垮塌，保持在該部位鉆進，可大幅度降低井下復雜情況的發生。此外，懸空側鉆均為降斜側鉆，將軌跡控制在煤層上部，增加了側鉆點的選擇，同時減少了因降斜側鉆帶來的底出風險。山西煤層氣構造復雜，特別是小型正斷層和褶皺較為常見，煤層走勢、厚度、地層傾角變化快，難以掌握。此外，鄰井資料相對缺乏，主要靠地震資料預測地層走勢，而地震資料解釋精度低，難以滿足水平井施工的需求，參考價值較低，甚至給導向造成誤導，因此想要控制主支一直在煤層上部鉆進相當困難。現場根據煤層各區間伽馬值大小，將煤層細分為多個單元，并結合隨鉆伽馬曲線形態，隨時判斷軌跡在煤層中的位置。以zs79p2 井煤層內部特征為例，將煤層細分后不難發現，上部好煤伽馬值為整個煤層最低，伽馬值為13～20API，其上部頂矸、頂煤伽馬值均在40PAI以上，下部好煤伽馬值為20～30API(見表1和圖2)。在實施軌跡控制時，可依據這一特征，圍繞上部好煤導向施工，若伽馬值升高致40PAI以上，則說明軌跡向上穿行，需適當降斜；若伽馬值升高至20～30API，則說明軌跡進入下部好煤，需適當增斜。每次調整應盡量避免大段連續定向，采用小幅度多次的方式調整井斜，使軌跡圓滑，避免井眼軌跡出現較大的曲率波動。

圖2 zs79p2井煤層伽馬特征劃分

表1 zs79p2井煤層伽馬值統計表

3.2 側鉆點位置優選

魚骨狀水平井采用前進式鉆井方式，先扭方位施工分支，再退回扭方位處側鉆主支，側鉆點留取是否合理，直接影響主支的完成質量。結合懸空側鉆特點，側鉆點選擇應盡量滿足以下幾個要求：

(1)首先考慮控制面積，根據分支的整體展布，每個側鉆點之間的間距應控制在合理的范圍內；

(2)側鉆點附近應為井下正常井段，若出現垮塌、托壓嚴重等復雜工況，應另選合適的位置留取側鉆點；

(3)懸空側鉆均為降斜側鉆，因此側鉆點位置最好處于煤層中上部，確保側鉆成功后軌跡不會處于煤層底部或底出；

(4)側鉆點最好為分支扭方位增斜段，且井斜大于地層傾角2°～3°，有利于增加懸空側鉆的成功率；

(5)側鉆點位置應盡量避開構造變化段，避免側鉆成功后因構造變化而大幅度調整軌跡，影響軌跡質量；

(6)在每個側鉆點前20～30m應預留一個側鉆點，防止因側鉆失敗而無側鉆點可用的情況發生。

3.3 懸空側鉆技術要點

魚骨狀水平井單主支的井型，使得懸空側鉆成為施工中的技術要點，可以說側鉆是否成功決定魚骨狀水平井的成敗。主支懸空側鉆方法與其他井型基本相同，主要區別在于分支已提前扭方位，側鉆時只需以降斜為主，捎帶扭方位。為保證側鉆成功率，現場應注意以下幾項技術要點：

(1)側鉆前掌握側鉆點附近的井眼狀況，確保井下情況正常，無掉塊，上提下放鉆具摩阻小，若井下復雜，應先處理正常后再側鉆；

(2)側鉆前幾米嚴格控時，求穩而不求快，控時鉆進是整個側鉆施工最關鍵的環節；

(3)掌握側鉆點及側鉆后20～30m地層情況，弄清側鉆點井斜角與地層傾角的關系，要求側鉆成功后，井斜達到合適的大小，無需再次進行調整；

(4)側鉆時應以降斜為主，使分支與主支軌跡盡快分離，快速形成穩定的夾壁墻；

(5)側鉆成功后的前幾十米盡量避免快速上提、下放鉆具，避免破壞夾壁墻。

3.4 篩管順利下入控制措施

成功下入篩管是魚骨狀水平井順利完工的前提條件。下篩管過程中，必須保證每經過一個側鉆點，篩管都進入主支井眼而不是分支井眼。由于主支水平段較長，且存在多個側鉆點，使得下篩管作業成為后期施工中的難點。為解決這一難題，施工中應做好相應的控制措施。

(1)優化主支軌跡質量

較高的軌跡質量是篩管順利下入的有力保障。除了實時監測軌跡所處煤層位置，實施小幅度調整外，導向師還需結合區域構造特征及相關資料，預測待鉆地層走勢，提前做好施工模型，在構造變化段減少大幅度調整。

(2)前進式鉆進有利于篩管下入

為了利于篩管的下入，在鉆進方式上應選用前進式鉆進方式。如圖1、3所示，從兩種鉆進方式的垂直投影圖可看出，前進式鉆進方式主支井眼位于分支井眼下方，后退式鉆進方式主支井眼位于分支井眼上方。下篩管時，由于重力作用，前進式鉆進方式，更有利于篩管進入主井眼，因此，現場導向師需保證側鉆后，井斜至少小于側鉆前小 2°～3°。

圖3 魚骨狀多分支水平井后退式鉆進方式垂直投影圖

(3)使主、分支井眼快速分離，并形成穩定的夾壁墻

由于煤層易破碎的特性，使得側鉆點附近形成的夾壁墻很容易垮塌，因此在側鉆過程中，應盡快保證夾壁墻的形成，且夾壁墻的形狀不能為單一的垂直方向，最終的夾壁墻應在垂直和水平方向上都產生分離，防止在重力作用下發生垮塌。每次側鉆后，在向前鉆進100m左右時，應退回側鉆點位置，將工具面擺放在與側鉆時相同大小，上提下放鉆具3～4次，一方面確保主支井眼的通暢，另一方面破壞不穩定的夾壁墻，防止后續施工中發生垮塌。

(4)確保主井眼能夠重入

鉆進過程中起下鉆或下篩管前通井，必須保證每次都能順利重入主支井眼。若在側鉆點附近發生遇阻或摩阻大等問題，不能強行上提、下放鉆具，應提前擺好工具面，停泵后下放鉆具，成功下放后開泵測斜，驗證是否重入主支井眼成功，并通過循環清洗井眼。

4 應用效果

2016年以來，在山西沁水盆地施工的7口魚骨狀多分支水平井中，地質導向人員通過對關鍵技術環節的把握，不僅取得了煤層平均鉆遇率96.08%，水平段平均施工周期18.28天的較好鉆井指標，且取得了分支側鉆成功率100%，套管下入成功率100%的良好施工效果。以zs76-1-1井為例，在水平段施工前期，地質導向便結合設計要求和構造預測，對各分支側鉆位置進行了提前規劃，在不違背設計原則的前提下，有意避開構造變化段留取側鉆點。在水平段施工期間，盡量使側鉆點位置處于煤層中上部，本井除了L3側鉆點在煤層中下部外，其余均處于煤層中上部(圖4)，保證了側鉆的成功率。此外，本井加強了對地質資料的分析和煤層內部特征的識別，避免了在水平段中大幅度調整軌跡，保證了軌跡質量；同時，每側鉆成功一次新的主支，均對側鉆點位置按要求進行處理，保證了套管在主井眼的重入。正因為地質導向在每個技術環節采取的合理控制措施，才能使本井不但取得了煤層鉆遇率99.29%的較好指標，還能在正常工期內順利完工。

圖4 zs76-1-1井主支軌跡及分支側鉆點示意圖

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