煤層氣可控水平井鉆完井方式優化與應用

【摘? 要】沁水盆地是我國煤層氣開發的主力地區，擁有眾多煤層氣勘探和開發公司。近年來，煤層氣水平井鉆完井技術在該地區大量推廣應用，取得了很好的效果。本文通過優化可控煤層氣水平井鉆完井方式，在華北油田煤層氣區塊推廣試驗70余口，鉆井成功率100%，其中套管分段壓裂改造鉆井和壓裂總成本較裸眼多分支井降低45%，產量是裸眼多分支井的1.89倍，整體實現了煤層氣低成本高效開發的目標。

【關鍵詞】煤層氣;可控水平井;低成本;二開井身結構;半程固井

為了從根本上解決早期裸眼多分支水平井裸眼段井眼易垮塌、易堵塞、無法疏通作業、無法增產改造等問題，提出了可控水平井設計理念，通過全通徑二開井身結構、免鉆塞半程固井、穩定井壁低傷害鉆井液體系、鉆井方式以及完井工藝的優化完善，實現了“井眼可控、利于改造、快速高效、廣泛適應”的設計目標，同時，該類井水平段無論上傾還是下傾均可下入無桿泵實現工程井直接排采，無須打排采洞穴井，大幅度節省了鉆井投資，同時有利于實現水平井井組工廠化高效開發。煤層氣水平井技術集鉆井、完井和增產于一體，具有單井覆蓋面積大、開采速度快、采收率高、占地面積小等特點和優勢，是開發低壓、低滲煤層的重要手段。

1煤層氣水平井鉆完井方式優化

1.1設計理念

為了從根本上解決早期裸眼多分支水平井裸眼段井眼易垮塌、易堵塞、無法疏通作業、無法增產改造等問題，提出了可控水平井設計理念，可控水平井是指水平段主井眼下入管串支撐，具備主井眼穩定、可上傾下傾、可分段增產改造、可重入作業、可下泵排采等特點的一類水平井。其總體設計理念為：井眼可控、利于改造、快速高效、廣泛適應。

該類水平井主井眼設計為套管完井，從根本上解決了早期裸眼多分支水平井裸眼段井眼易垮塌、易堵塞、無法疏通作業、無法增產改造等問題。同時，該類井水平段無論上傾還是下傾均可下入無桿泵實現工程井直接排采，無須另打排采洞穴井，不僅大幅度節省了鉆井投資，而且有利于實現水平井井組工廠化高效開發。

1.2井型確定

裸眼多分支水平井大多是由1口工程井與1口排采井構成的1個井組，工程井在煤層內與排采井洞穴連通，并在煤層內延伸至設計長度，在水平段兩側鉆若干分支，裸眼完井。煤層氣U型井亦由1口直井和1口或多口水平井組成的井組，一般由小尺寸的PE篩管或玻璃鋼篩管完井。這兩種井型都存在井眼易垮塌、易堵塞、無法疏通作業、無法增產改造等問題。

1.3井身結構優選

井身結構設計是鉆井工程的基礎設計，它不但關系到鉆井工程的整體效益，而且還直接影響施工井的質量和壽命。早期的裸眼多分支水平井及U型井均采用三開井身結構，一開Φ244.5mm表層套管座入基巖，二開Φ177.8mm技術套管封固煤層以上地層，三開采用Φ152.3mm鉆頭煤層段鉆進主井眼并逐段回退鉆各分支井眼，水平段裸眼完井。

可控水平井如果仍沿襲三開井身結構，上部采用Φ177.8mm技術套管，水平段下入114.3mm管串，則存在水平段井眼通徑小，后期大排量大規模增產改造措施作業困難、下傾井無桿泵難以下入三開管串內，影響排水產氣等問題。

根據前期大量直斜井鉆井資料分析認為，沁水盆地鉆遇煤層上部地層均相對穩定，不存在異常壓力系統，煤層埋深相對較淺，可控水平井可考慮優選二開井身結構。一開下入Φ244.5mm表層套管封固上部疏松層、漏失層和地表水層，二開直接鉆完煤層水平段下入Φ139.7mm完井管串，封固煤層以上斜直井段。二開井身結構與三開井身結構相比，具有鉆井周期短、節省費用、全井眼通徑、利于分段增產改造、利于水平段下泵、上傾下傾均可、利于大規模井組開發等優勢，具有廣泛的適應性。

1.4二開井身結構固井方式的選擇

由于煤層巖石力學強度低，煤層段固井水泥漿容易漏入煤層，水泥返高難以控制，常常造成固井質量不合格。此外煤層與固井水泥力學強度差異大，即使固井質量合格，也無法保證后期改造時能全部有效封隔。因此，對于二開井身結構，選用半程固井技術，實現煤層上部固井，水平段不固井，固井水泥返高易控制，不污染煤層，篩管、套管井均適合。同時，針對煤層氣水平井開發特點，優選并改進了免鉆塞半程固井工具，固井完成后下入打撈工具一趟打撈，井眼通徑利于后期作業。對于半程固井的套管井，后期分段增產改造時，采用噴砂射孔工藝，依靠噴射射孔期間管外煤粉及細砂混合堆積、壓實形成段間封隔。

1.5魚骨狀可控水平井鉆進方式選擇

前期裸眼多分支水平井鉆進方式是先完成主支鉆井，然后采用逐段回退式側鉆各個分支井眼。這種鉆進方式完鉆后，主井眼不再是一個光滑的井眼，因此無法下入完井管串。

1.6鉆井液體系優選

由于煤層巖石力學強度低，割理裂隙較發育，在構造復雜地區煤層容易碎裂，因此，鉆井過程中井壁穩定性差，常伴有井眼垮塌卡鉆等復雜事故。

通過優選防漏防塌鉆井液類型，調整各材料配比、泥漿密度、粘度、失水等性能，優選的鉆井液體系分兩種：①絨囊、聚膜等無固相可降解鉆井液體系;②低成本聚合物防濾失鉆井液體系。上述兩種鉆井液體系均能滿足井壁穩定性和攜巖效果要求，確保二開鉆進過程中各類巖層井壁穩定，含水層不涌水、煤層段不漏失、不坍塌，實現二開安全快速鉆井，同時減少鉆井液損失，避免煤層深部污染。

1.7完井方式

篩管完井管串組合：引鞋+D139.7mm篩管串+免鉆塞半程固井工具（球座+封隔器+分級箍）+D139.7mm套管串。套管完井管串組合：引鞋+1根短篩管+D139.7mm套管串+免鉆塞半程固井工具（球座+封隔器+分級箍）+D139.7mm套管串。可控水平井為分段增產改造提供了可行條件，煤層滲透較差的地區，應采用套管完井，之后逐段噴砂射孔壓裂改造，能夠大幅度提高單井產量，相對均勻的動用儲量，提高資源采收率，使產量及效益最大化。煤層滲透性好的地區可考慮篩管完井，直接投產。

2現場應用效果

目前，某油田在山西沁水盆地已實施了75口井可控水平井鉆井試驗，其中單支可控水平井67口，魚骨狀可控水平井8口，鉆井成功率100%，鉆井周期大幅度縮短，鉆井費用顯著降低。篩管完井的可控水平井目前已投產并解吸45口井，流壓在1MPa以下井單井平均日產氣量可達3527m3/d;套管分段改造井已投產并解吸井15口，流壓在1MPa以下井平均日產氣量達6051m3/d，生產效果顯著。

3結論

可控水平井從根本上解決了早期裸眼多分支水平井裸眼段井眼易垮塌、易堵塞、無法疏通作業、無法增產改造等難題。二開井身結構可控水平井具有鉆井周期短、節省費用、全井眼通徑、利于分段增產改造、利于水平段下泵、上傾下傾均可、利于大規模井組開發等技術優勢，具有廣泛的適應性。經現場實施證明，可控水平井鉆井、分段改造、無桿泵排水采氣均能夠成功實施，鉆井成功率100%，增產改造有效率100%。煤層氣可控水平井在山西、河北、內蒙等地區的各類煤層均成功實施，為我國煤層氣的高效開發提供了一個新的技術手段，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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作者簡介：

毛志新，男，漢，1979年出生，高級工程師，中國石油大學（北京）博士后，鉆井工程專業，主要從事石油天然氣工程鉆完井技術研究和服務，現任東營志程石油技術有限公司總經理。

（作者單位：東營志程石油技術有限公司）