三交地區(qū)加密煤層氣多分支水平井關(guān)鍵技術(shù)

任美洲

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

多分支水平井被引入煤層氣開發(fā)領(lǐng)域，成為目前煤層氣勘探開發(fā)中常用的技術(shù)手段之一。三交地區(qū)地處鄂爾多斯盆地東部邊緣，從構(gòu)造上講呈南北條帶狀展布，屬于呂梁山復(fù)背斜西翼的一部分，總體構(gòu)造為西傾的單斜構(gòu)造，有利于煤層氣的生成和儲存，該區(qū)域煤層氣資源儲量豐富［1］。但早期煤層氣勘探開發(fā)缺少整體規(guī)劃，多為粗放式開發(fā)，加上技術(shù)條件限制，該區(qū)域并未得到有效開發(fā)。隨著鉆井技術(shù)的日益成熟，近年在該區(qū)域進(jìn)行了水平井、分支井井網(wǎng)加密。加密井網(wǎng)的布置可進(jìn)一步探明區(qū)域煤層構(gòu)造、埋深及厚度；與鄰井形成整體降壓效果，提高區(qū)域煤層氣產(chǎn)量；在主井眼開多個(gè)分支，可大幅減少井場建設(shè)用地，降低鉆井成本，保護(hù)土地資源［2］。

1 加密多分支水平井的問題分析

由于加密煤層氣多分支水平井實(shí)際上是對原探明區(qū)域的二次開發(fā)，所以開發(fā)成本加大及技術(shù)要求提高。結(jié)合煤層氣多分支水平井的特點(diǎn)，在該區(qū)域?qū)嵤┘用苊簩託舛喾种骄饕嬖谝韵聠栴}［3-5］：

1）井場面積受限。在布井時(shí)一般考慮要盡可能的減少井場占地面積，這樣使鉆井技術(shù)難度大幅提高，必須一次性精確進(jìn)入目的煤層。

2）井身質(zhì)量要求高。確保與先期施工的直井進(jìn)行連通，連通后繼續(xù)在目的煤層鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深，并要保證后期完井作業(yè)順利。

3）目的煤層鉆遇率要求高。主井眼完成后，需按照設(shè)計(jì)要求完成分支井眼施工，保證煤層鉆遇率在95%以上。

2 應(yīng)對加密多分支水平井問題的關(guān)鍵技術(shù)

針對以上問題，在三交地區(qū)通過對以往鄰井成果資料分析，綜合對比地質(zhì)、錄井、測井資料進(jìn)行地層情況分析，正確篩選標(biāo)志層，預(yù)測目的煤層層位，進(jìn)行多分支井井眼軌道及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆進(jìn)過程地質(zhì)工程師做好巖屑錄井工作，比對分析不同層位巖性，計(jì)算目的煤層產(chǎn)狀，優(yōu)化井眼軌道及井身結(jié)構(gòu)，以精確中靶；綜合利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)、EMWD隨鉆測量系統(tǒng)及RMRS電磁測距系統(tǒng)，保證與生產(chǎn)直井確連通后繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深及煤層鉆遇率；優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)，優(yōu)化鉆井液體系，確保井眼光滑穩(wěn)定，為玻璃鋼篩管完井提供保障［6-7］。

3 關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

SJ107-H1井是位于在鄂爾多斯盆地東緣晉西撓摺帶中部，東臨呂梁隆起布置的一組加密煤層氣多分支水平井，是SJ107-1井組的水平井部分，其中SJ107-V1生產(chǎn)井已于2018年完成。受周邊交通情況影響及井場面積限制，按照設(shè)計(jì)要求，SJ107-H1井與SJ107-V1井近距離連通后，需繼續(xù)沿目的煤層鉆進(jìn)至井深約1000m處形成主井眼，側(cè)鉆開分支分支總進(jìn)尺約4000m，在主井眼下入Φ88.9mm玻璃鋼篩管完井。SJ107-H1井井位布置圖及井身結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖1、圖2。

圖1 SJ107-H1井井位布置圖

圖2 SJ107-H1井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 地層情況

三交地區(qū)各類巖層均有局部出露，第四系廣泛遍布于山梁和溝谷中。據(jù)鉆探揭露地層由老至新依次為：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、峰峰組；石炭系上統(tǒng)本溪組；二疊系下統(tǒng)太原組、山西組、下石盒子組，上石盒子組、石千峰組；三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組、中統(tǒng)二馬營組；以及新生界第三系上新統(tǒng)保德組、第四系中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)馬蘭組和全新統(tǒng)。從分布于全區(qū)的煤層氣及煤炭鉆井資料來看，主力煤層廣泛發(fā)育且分布穩(wěn)定。［1］三交地區(qū)地層簡況見表1。

表1 三交地區(qū)地層簡表

3.3 多分支井主井眼井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

多分支井的主井眼質(zhì)量是后續(xù)實(shí)施多分支井的關(guān)鍵，甚至直接影響多分支井的成敗。而井眼質(zhì)量往往是由軌道形式和井深結(jié)構(gòu)。根據(jù)三交地區(qū)地質(zhì)特征，及鄰近地質(zhì)資料分析。采用了“直-增-穩(wěn)-增-水平”的五段制軌道類型和典型的三開井身結(jié)構(gòu)。［4-7］一開用Φ311.15mm牙輪鉆頭，進(jìn)入巖石層不少于15m，下Φ244.48mm表層套管，封固地表疏松層、礫石層，固井水泥返至地面。二開用Φ215.9mm牙輪或PDC鉆頭鉆進(jìn)，完鉆深度465m，下入Φ168.28mm生產(chǎn)套管固井，注水泥返至地面。三開用Φ130.18mm牙輪或PDC鉆頭鉆進(jìn)，完成目的煤層進(jìn)尺5080.00m，下入Φ88.90mm玻璃鋼篩管579.97m完井。

3.4 鉆具組合優(yōu)化井眼軌跡控制技術(shù)

1）一開直井段。一開直井段采用塔式鉆具組合鉆進(jìn)，利用塔式鉆具組合下部鉆具重量大，剛度強(qiáng)，重心低，與井眼間隙小，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，保持了鉆頭平穩(wěn)工作，在保證鉆壓的情況下，能夠有效地采取有利的防斜打直措施，為下步造斜施工提供了有利的條件。

本井段鉆具組合如下：Φ311.15mm三牙輪鉆頭+雙母接頭+轉(zhuǎn)換接頭+Φ165mm無磁鉆鋌×1根+Φ165mm鉆鋌×3根+轉(zhuǎn)換接頭+Φ127mm加重鉆桿×1根

2）二開直井段+定向段。為保證二開直井段井下安全，減少因多次起下鉆對井底產(chǎn)生的抽吸激動(dòng)壓力影響，使用單彎螺桿+EMWD儀器的鉆具組合完成直井段和定向段施工。在直井施工過程中，為保證井身質(zhì)量，采取小鉆壓高轉(zhuǎn)速，輕壓吊打的方法，施工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測井斜，一旦井斜有增大的趨勢，及時(shí)定向鉆進(jìn)糾斜，直井段井斜得到很好的控制，最大井斜0.92°，滿足設(shè)計(jì)要求；在定向段施工中，每個(gè)單根測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)及時(shí)修正待鉆井段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，合理安排每個(gè)單根復(fù)合鉆進(jìn)和定向鉆進(jìn)配比，在滿足設(shè)計(jì)井斜方位的提下，盡量保證井眼軌跡平滑過渡。

本井段鉆具組合如下：Φ215.90mmPDC鉆頭+Φ165.00mm螺桿馬達(dá)×7.22m+坐鍵接頭×0.81m+轉(zhuǎn)換接頭×0.58m+Φ127.00mm無磁加重鉆桿（EMWD）×18.16m+Φ127.00mm加重鉆桿 ×55.41m+Φ127.00mm鉆桿串

3）三開連通井段。三開連通段使用強(qiáng)磁+單彎螺桿馬達(dá)+EMWD儀器的鉆具組合，在SJ107-V1直井下入RMRS儀器引導(dǎo)SJ107-H1井定向鉆進(jìn)，兩井連通前20m保證方位偏小1°～1.5°，保證連通時(shí)連通點(diǎn)偏離直井0.25～0.30m，以達(dá)到偏心連通的目的。連通采用提前預(yù)算對靶方位、靶心距做好連通預(yù)測，從而保證成功偏心連通。

本井段鉆具組合如下：Φ130.18mm鉆頭 ×0.24m+強(qiáng)磁接頭×0.42m+Φ101mm1.5°單彎螺桿馬達(dá)+單向接頭×0.52m+231×SLH90定向接頭×0.68m+Φ101mm無磁鉆鋌×9.22m+SLH90×210接頭+Φ73.00mm鉆桿串

4）三開煤層段+分支段。在三開煤層段施工中，利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，把鉆井技術(shù)、測井技術(shù)和錄井技術(shù)相結(jié)合，利用隨鉆測錄地質(zhì)信息控制井眼軌跡。利用平均伽馬曲線（GR）初步判斷鉆頭進(jìn)出煤層情況，根據(jù)高邊伽馬（HiGm）、低邊伽馬（LoGm）進(jìn)一步判斷煤層的頂?shù)装澹㈦S時(shí)做出井底井斜預(yù)測分析。［7-8］當(dāng)?shù)貙觾A角發(fā)生變化，找出相應(yīng)標(biāo)志層并計(jì)算出發(fā)生變化后的地層傾角，及時(shí)調(diào)整軌跡，確保軌跡在煤層中鉆進(jìn)。水平段較長、井眼摩阻力客觀存在，起下鉆附加拉力較大，為保證遇到復(fù)雜情況時(shí)有足夠的拉力余量應(yīng)對，最大限度的簡化鉆具組合，以滿足施工要求。［5-7］

本井段鉆具組合如下：Φ130.18mm鉆頭 +Φ101mm1.5°單彎螺桿馬達(dá)+單向閥+231×SLH90定向接頭+Φ101mm無磁鉆鋌×9.22m+SLH90×210接頭 +Φ73.00mm鉆桿串 +211×310接頭 ×0.3m+Φ73.00mm鉆桿串。

3.5 鉆井液優(yōu)化

一開鉆進(jìn)中主要鉆遇第四系黃土層，采用預(yù)水化膨潤土控制好失水；二開使用聚合物鉆井液體系，日常維護(hù)加入CMC、無熒光防塌潤滑劑、聚丙烯酰胺等藥品，以調(diào)整和維護(hù)泥漿性能，維護(hù)井壁穩(wěn)定，并能將井內(nèi)沉砂攜帶干凈，保證二開鉆進(jìn)順利進(jìn)行；三開為了確保鉆井液中的固相含量不對儲層產(chǎn)生破壞，提高產(chǎn)量，故采用清水鉆進(jìn)，采用四級固控系統(tǒng)對鉆井液進(jìn)行處理，每2h測定一次比重、黏度。各井段鉆井液性能見表2。

表2 鉆井液性能表

3.6 完井

根據(jù)煤層特性及煤層氣鉆完井特點(diǎn)，水平井裸眼易造成目的煤層井壁坍塌，鋼制篩管已腐蝕、壽命短、質(zhì)量大，且會對煤礦后期機(jī)械化采煤造成影響，而PE篩管由于其抗壓強(qiáng)度低，不能有效進(jìn)行通洗井作業(yè)，大大限制了水平井產(chǎn)量。因此，采用玻璃鋼篩管完井技術(shù)可有效解決以上問題。玻璃鋼篩管具有耐腐蝕、流體阻力小、脆性大的特點(diǎn)。玻璃鋼篩管結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。［8-11］

圖3 玻璃鋼篩管結(jié)構(gòu)示意圖

完鉆起鉆過程中，在起至每個(gè)分支側(cè)鉆點(diǎn)位置重新下入一次，并測量下入后的井斜方位，確保篩管下入過程中不會進(jìn)入分支井段。下篩管前使用原鉆具通井一次。通井下鉆過程中每個(gè)分支側(cè)鉆點(diǎn)位置開動(dòng)力頭劃眼處理一次，停止回轉(zhuǎn)上提下放無顯示后繼續(xù)下鉆通井。遇阻點(diǎn)開泵、回轉(zhuǎn)劃眼處理三遍，下鉆到底開泵循環(huán)至井口無煤粉返出，替入清水起鉆準(zhǔn)備下篩管。SJ107-H1井將Φ88.9mm×7.5mm玻璃鋼篩管65根，使用44根Φ88.9mm鉆桿接玻璃鋼篩管專用丟手工具送入主井眼421.32～1001.29m位置，下入玻璃鋼篩管總長度579.97m，投球憋壓至20MPa成功脫扣，起鉆完鉆，確定篩管送入預(yù)定位置。［12］

3.7 應(yīng)用效果

SJ107-H1井完鉆總進(jìn)尺5561.00m，該井由一個(gè)主井眼和7個(gè)分支井眼組成，其中主井眼井深1398.00m，7個(gè)分支井眼共進(jìn)尺4163.00m總進(jìn)尺。目的煤層總進(jìn)尺5080.00m，目的煤層有效進(jìn)尺4939.00m，有效煤層鉆遇率97.22%。主井眼在預(yù)定位置下入玻璃鋼篩管579.97m，下入井深421.32～1001.29m。該井為區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料進(jìn)行了有效補(bǔ)充，加密多分支井有效溝通儲層通道，煤層鉆遇率超過設(shè)計(jì)要求，為后期排采提供了可靠保障。SJ107-H1井井眼軌跡垂直投影圖和井眼軌跡水平投影圖見圖4、圖5。

圖4 井眼軌跡垂直投影圖

圖5 井眼軌跡水平投影圖

4 結(jié)論

1）在煤層氣儲量豐富、早期已形成較多井組的區(qū)域?qū)嵤┘用芏喾种骄捎行ПP活老井，進(jìn)一步減少開發(fā)成本，提高煤層氣產(chǎn)量，是對煤層氣資源二次開發(fā)的有效手段。

2）實(shí)施加密多分支水平井需要有先進(jìn)的裝備做支撐，綜合利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)、EMWD隨鉆測量系統(tǒng)及RMRS電磁測距系統(tǒng)是指導(dǎo)井眼軌道優(yōu)化和軌跡控制的關(guān)鍵，也是保證目的煤層鉆遇率的關(guān)鍵。

3）玻璃鋼篩管的性能決定了采用玻璃鋼篩管完井，不但可有效防止目的煤層井壁坍塌堵塞產(chǎn)氣通道，有利于后期煤層氣的排采。