煤層氣仿樹形水平井鉆完井技術研究與應用

李 浩 譚天宇 徐明磊 畢 毅 李宗源 付 瀟

(1.中國石油渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，河北 062552；2.中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導試驗基地，河北 062552；3.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司，河北 062552；4.中國石油渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司，河北 062552)

華北油田在山西沁水盆地南部煤層氣田登記區總面積超過5000km2，煤層氣總資源量超過1萬億m3。為了加快煤層氣開發進程，從2005年開始，華北油田先后引進了美國CDX公司的煤層氣羽狀分支水平井技術和奧瑞安公司的煤層多分支水平井技術，并進行了先導試驗。后來應用國內技術進行了規模建產，共實施煤層多分支水平井90多口?？傮w鉆井事故率較高，達到了38%，煤層氣多分支水平井成井技術成為制約煤層氣多分支水平井鉆完井技術的瓶頸。為增加多分支水平井成井效率，創新提出“主支疏通、分支控面、脈支增產”的仿樹形水平井，并成功在現場應用，使我國煤層氣水平井鉆完井技術取得巨大進步。

1 煤層氣多分支水平井簡介

國內大規模實施的煤層氣多分支水平井一般由一口多分支水平井(或工藝井)和一口排采直井(或洞穴直井)組成，全稱為煤層氣多分支水平井井組，簡稱煤層氣多分支水平井(圖1)。其中工藝井一般由2個主支和6～8個分支組成，主支、分支全部在煤層內鉆進，煤層總進尺在4000m以上；排采直井在煤層井段造洞穴，工藝井與排采直井在洞穴處連通。一般情況下在井組完鉆后，工藝井打水泥塞封井，后期在洞穴直井排采。

圖1 煤層氣多分支水平井組示意圖

2 仿樹形水平井簡介

2.1 井型提出

煤層機械強度低，裂縫和割理發育，均質性差，存在較高剪切應力作用。因而煤層井壁極不穩定，在多分支水平井鉆完井過程中及后期排采過程中極易發生井壁坍塌。其中鉆井過程中，長期的作業通道主支及分支側鉆產生的夾壁墻，都極易坍塌，導致多分支水平井成井效率低下；后期排采過程中，煤層井眼坍塌，影響煤層氣產量；排采直井在煤層洞穴井段易產生錯位，造成下泵困難。

鑒于以上問題，創新思維，把多分支水平井主支上提(或下放)，使其建立在煤層的頂板(底板)泥巖內，同時在頂板泥巖內造洞穴、連通、側鉆等，改善了煤層氣多分支水平井的成井效率，形成了煤層氣仿樹形水平井鉆完井技術。

2.2 井型組成

仿樹形水平井由一口工藝井，兩口洞穴直井組成。其中工藝井由一個主支，多個分支，若干脈支組成(圖2)。主支建立在煤層頂板泥巖內，主要作用是排水采氣的通道；分支在主支上側鉆進入煤層，主要作用是控制面積；脈支在分支上側鉆，鉆穿煤層的多套夾矸，溝通煤層，主要作用是增加煤層氣產量。因為煤層氣是解吸氣，需經過排水后才能解吸，因此保證排水的順利進行，主支、分支采用上傾鉆進。工藝井主支在煤層頂板泥巖內與兩洞穴直井連通。仿樹形水平井中的工藝井及洞穴直井都可作為排采井或觀察井。

圖2 仿樹形水平井組示意圖

3 主支在煤層頂板泥巖鉆進對煤層氣解吸的影響

常規多分支水平井主支、分支都在煤層內鉆進，主支、分支都解吸，同時貢獻煤層氣產量。而仿樹形水平井主支建立在煤層頂板泥巖內，分支再側鉆進入煤層，主支及分支的泥巖井段不會對煤層氣的解吸產生貢獻。通過計算，若泥巖主支建立在距煤層頂垂深1～4m范圍內，基本不會對多分支水平井的控制面積產生影響(解吸半徑按100m計算)。泥巖主支不能達到的控制區域，所鉆分支基本能夠覆蓋，基本不會產生解吸盲區。

通過現場的實鉆情況也可以看出，主支在頂板泥巖內鉆進，不會產生解吸盲區。完成的ZS1P-3H井分支側鉆數據如表1所示，分支泥巖側鉆點距煤層頂垂深最大為3m,進煤點距側鉆點的無效進尺長度最大為69m，進煤點距主支的垂直距離則更小，肯定會小于100m的解吸半徑，因此基本不會影響多分支水平井的煤層氣解吸。

表1 ZS1P-3H井分支側鉆統計表

4 煤層頂板泥巖研究

在進行主支在煤層頂板泥巖鉆進現場施工前，對沁水盆地煤層頂板泥巖進行了礦物成分、強度、裂縫等分析研究。

4.1 礦物成分分析

取沁水盆地晉城市澤州縣下村鎮成莊礦的煤層頂板泥巖進行研究。巖樣為炭質泥頁巖，層狀構造，發育有大量節理裂隙，大部分節理裂隙順層發育，部分與產層垂直。

經過用光學顯微鏡的微觀觀測與X衍射分析，結果顯示，頂板泥巖主要成分為石英，局部可見少量菱鐵礦；石英含量較高，而水敏性礦物(綠泥石)含量低，說明水敏性差。

4.2 強度分析

巖樣進行加工，制成約φ5×10cm的巖心。進行了室內單軸抗壓破壞試驗及清水浸泡試驗。

單軸抗壓實驗結果顯示：自然樣抗壓強度平均為59.52MPa。巖樣都是順層劈裂，說明巖層的層狀構造使得其順層方向裂隙豐富。

巖樣經過半年的清水浸泡實驗發現，巖心依然完整、堅硬(圖3)?？傻贸鼋Y論：靜置條件下，清水浸泡不會造成煤層頂板泥巖的水化分散和垮塌現象的出現。

圖3 巖樣清水浸泡前和浸泡半年后的對比圖

4.3 裂縫分析

從取的大塊巖樣及破壞試驗都可以看出，煤層頂板泥巖存在裂縫。

另外通過對所鉆排采直井的煤層頂板泥巖進行微電成像測井，并進行解釋證明，頂板泥巖存在裂縫，流體侵入可能易發生掉塊，因此進行了頂板泥巖加固的研究。

5 煤層頂板頂板泥巖固壁技術研究及應用

對煤層頂板泥巖進行了固壁技術研究，主要采用化學擠注加固的方法。形成了非儲層化學擠注法固壁技術。

5.1 室內研究

室內主要對固壁劑的配方、固壁劑凝固時間、固壁工藝等進行了研究，研究發現通過固壁劑加固的泥巖強度顯著增加。

實驗數據表明(表2)：固壁之后泥巖強度是用鉆井液侵泡過后泥巖強度的2倍以上，說明固壁對井壁穩定有明顯提高作用。

表2 不同方式處理后的巖樣單軸抗壓實驗數據統計表

5.2 現場應用

對研究的固壁技術在ZS1P-5H井的泥巖主支進行了現場試驗，整個泥巖主支分四段進行固壁作業。對泥巖主支加固后，保證了ZS1P-5H井全井13個分支，26個脈支約10000m進尺的安全無事故鉆進。

6 煤層頂板泥巖造穴技術研究及應用

專門設計了單翼泥巖造穴工具，該工具有一個刀翼,工作時刀翼打開，與本體基本成90°角。該工具具有結構簡單、抗扭強度高、能承受井底復雜工況等的優點。單翼造穴工具的結構主要由本體、心軸和刀翼三部分組成。

對設計的單翼造穴工具進行了有限元分析，找到受力集中部位，進行工具設計的優化改進。在現場試驗過程中，對造穴工具進行多次結構改進，并對造穴工藝進行了優化，形成了煤層頂板泥巖造穴技術。

7 煤層頂板泥巖連通技術研究及應用

7.1 兩井連通原理

水平井井中下入永磁短節，目標點井中下入探管，探管采集永磁短節產生的磁場信號，通過軟件，準確計算兩井之間的距離和當前鉆頭的方位，為定向作業提供準確數據，從而實現兩井的連通。

7.2 兩井煤層頂板泥巖連通現場應用

兩井的泥巖連通與煤層連通從原理及施工工藝上無本質區別，但是泥巖連通更加強調硬連通，必須更加精細操作及計算。通過幾口井的現場試驗(表3)，形成了煤層頂板泥巖主支的近、遠端連通技術。

表3 部分井次煤層頂板泥巖連通情況統計表

8 井眼清潔技術研究及應用

8.1 雙管雙循環技術研究

煤儲層極易受到污染，在鉆進煤層時不能使用懸浮性好，切力高的鉆井液，只能使用清水，而清水的攜巖性能差，因此研究發明了雙管雙循環攜巖技術。

雙管雙循環技術原理：在二開井眼中完后，下如雙層技術套管，外層套管固井，內層套管不固井，作為活動套管。在外管及內管的環空注入流體，流體通過內管的射流發生器反轉進入鉆具與內管的環空，加之鉆井的正常循環，增加循環介質的環控返速，提高斜井段及上直段流體攜巖能力。研制配套了雙管雙循環專用工具，包括射流發生器、自封封隔器、內管防轉插接座、插接頭、專用套管頭、地面慮砂裝置等。

8.2 雙管雙循環技術現場應用

ZS1P-5H井應用了雙管雙循環攜巖技術，其中在進行L2分支、L5分支上的第二個脈支、L10分支和L11分支上的第一個脈支的煤層鉆進時，都發生了大規模的煤層垮塌(圖4)，但是在用清水鉆進的情況下，未發生卡鉆事故，說明了雙管雙循環技術的超強攜巖能力。

圖4 ZS1P-5H井L10垮塌掉塊實物圖

9 仿樹形水平井導向技術研究及應用

9.1 煤層及泥巖導向研究

煤層主要是根據煤層與其頂、底板泥巖的伽馬特征值不同進行導向；細分目的煤層的伽馬值，進行頂出或底出判斷。

頂板泥巖無明顯的伽馬特征值，經過以下分析研究，形成了頂板泥巖幾何導向技術。

(1)利用鉆井及測井資料(或取芯)，強化對主支泥巖的地質認識；

(2)精細分析地震解釋剖面與鄰井實鉆資料，預測地層傾角并確定幾何導向控制點；

(3)鉆前分析鄰井(包括洞穴井)煤層頂部泥巖巖電組合特征，進而確定導向依據，實現跟蹤判斷。

9.2 現場應用

ZS1P-3H井泥巖主支經過兩次見煤，打塞側鉆后，全部在煤層頂板泥巖內，距煤層頂的垂直距離最大為3m。

ZS1P-5H井全部泥巖主支共783m進尺無一次見煤，全部在煤層頂板泥巖內。該井共完成1個泥巖主支，13個分支，26個脈支。全井總進尺12288m，煤層進尺9408m，見煤后的煤層鉆遇率達到98.91%。全井無任何復雜事故，順利完成。

10 結論及建議

(1)ZS1P-5井共完成1個主支，13個分支，26個脈支。全井總進尺為12288m，煤層進尺為9408m，雖然全井發生四次煤層坍塌，但未發生任何井下復雜事故。ZS1P-5井的順利完成，標志著初步形成了煤層氣仿樹形水平井鉆完井技術。

(2)ZS1P-3井和ZS1P-5井的成功試驗，標志著主支在煤層頂板泥巖鉆進技術基本成熟，且由于頂板泥巖穩定，形成的泥巖主支井眼穩定，主支與分支的泥巖夾壁墻穩定，增加了煤層氣水平井的成井效率。

(3)主支在煤層頂板泥巖鉆進解決了主支的穩定、解決了分支側鉆夾壁墻的穩定性、解決了直井洞穴的穩定性，但是不能避免煤層的垮塌。仿樹形水平井ZS1P-5H井通過加密分支，鉆進脈支來分化煤層垮塌對井眼堵塞的危害，但不能阻止后期排采過程中煤層井眼垮塌。建議在主支煤層頂板泥巖鉆進的基礎上，進行煤層分支非金屬篩管完井試驗，保證主支、分支井眼的長期有效性。