煤层气多分支水平井技术及现场应用

煤层气多分支水平井技术及现场应用

煤层气多分支水平井技术及现场应用

乔 磊 申瑞臣 黄洪春 王开龙

（中国石油勘探开发研究院廊坊分院完井所 河北廊坊 065007）

【摘 要】 多分支水平井是目前煤层气高效开发的主要手段之一，尤其适用于低压、低渗、低产煤层的开

发。本文较系统地阐述了煤层气多分支水平井工艺，重点介绍了充气欠平衡技术、井眼轨迹优化设计与控制技术、水平井与洞穴井对接技术、煤层造洞穴技术等，最后详细介绍了中石油第一口煤层气多分支水平井武M1－1井的设计与施工情况。

【主题词】 煤层气 多分支水平井 欠平衡 两井对接 井壁稳定 造洞穴

多分支水平井是指在主水平井眼的两侧不同位置分别侧钻出多个水平分支井眼，也可以在分支上继续钻二级分支，因其形状像羽毛，国外也将其称为羽状水平井[1]等。多分支水平井集钻井、完井和增产措施于一体，是开发低压、低渗煤层的主要手段。煤层气多分支水平井工艺集成了煤层造洞穴、两井对接、随钻地质导向、钻水平分支井眼、欠平衡等多项先进的钻井技术，具有技术含量高和钻井风险大的特点。目前美国、加拿大、澳大利亚等国应用多分支水平井开采煤层气已取得了非常好的效益[2]，而我国处于刚刚起步阶段。2005年廊坊分院组织施工的武M1－1羽状水平井顺利完钻，该井垂深达900m，是世界最深的一口煤层气羽状水平井。2005年底山西晋城大宁煤矿完成DNP01、DNP02两口羽状水平井，每口井的日产气量约为2～3万方。2006年2月中联煤公司完成了DS－01井的钻井施工，目前该井处于排水阶段。与此同时，华北与CDX、长庆、辽河、远东能源等国内外企业都已启动了羽状水平井开发煤层气的项目。多分支水平井是煤层气高效开发方式的发展趋势，该技术的普遍应用必将为煤层气的勘探开发带来突破性进展，在我国掀起开发煤层气的热潮。 1 煤层气多分支水平井钻井技术难点分析

煤层气多分支水平井工艺集成了水平井与洞穴井的连通、钻分支井眼、充气欠平衡钻井和地质导向技术等，这是一项技术性强、施工难度高的系统工程。同时为了保持煤层的井壁稳定，煤层段一般采用小井眼钻进（φ152.4mm井眼），因而对钻井工具、测量仪器和设备性能等方面都提出了新的要求。煤层气多分支水平井面临的主要难点可概括为如下几点：

（1）煤层比较脆，而且存在着互相垂直的天然裂缝，而这种脆性地层中钻进极易引起井下垮塌、卡钻等复杂事故，甚至井眼报废。

（2）煤层易受污染，储层保护的难度大，一般需采用充气钻井液、泡沫或清水等作为煤层不受污染的钻井液体系。

（3）由于煤层埋藏比较浅，同时井眼的曲率较大，钻压难以满足要求，同时钻水平分支井眼时钻柱易发生疲劳破坏，导致井下复杂。

（4）煤层气多分支水平井工艺属于钻井新工艺，涉及到许多新式的工具和仪器，例如用于两井连通的电磁测量装置、小尺寸的地质导向工具和高效减阻短节（AG-itator）等，目前这些装备和仪器在国内仍是一片空白。 2 井眼剖面设计与轨迹控制技术 2.1 井眼剖面优化设计

因为煤层一般较浅，所以煤层气多分支水平井主水平井眼采用消耗较少垂深而得到较大位移的

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理念进行井身剖面设计，从而达到更大的水垂比。煤层气多分支水平井井身剖面设计主要考虑的因素有钻机和顶驱设备的能力、井眼的摩阻/扭矩大小、钻柱的强度、现场施工的难易程度等因素，主要有以下几项设计原则： 2.1.1 主井眼入煤层方位的确定

考虑煤层的产能优化和井壁稳定，尽量让进入煤层的井眼方位垂直于煤层最小主应力方向。 2.1.2 井眼轨迹设计必须满足现场施工工况的要求

由于煤层气多分支水平井垂直井段短，通常在500m以内，而水平段一般在1000m以上，钻柱能提供的钻压是有限的，所以在多分支水平井井身剖面设计中，要使所设计的井眼轨迹满足滑动钻进时的工况要求。

2.1.3 井身剖面设计应当是满足各种设计条件下的最短轨迹

根据煤田地质确定的目标点，按照不同设计方法设计出来的轨道，其长度是不同的。显然应尽可能选择轨迹长度短的轨道，减少无效进尺，既可以提高钻井的经济效益，也可以降低施工风险。同时应尽量缩小可钻性较差的地层进尺，例如尽量避开研磨性的宁武盆地石盒子组地层。 2.1.4 钻柱摩阻和扭矩最小

煤层气多分支井的显著特点是水平位移大，分支较多，80%以上的进尺为水平段，从而导致钻柱和套管柱在井眼内摩阻和扭矩很大，以及钻压难以加上等问题，摩阻和扭矩是多分支水平井的水平位移大小的主要限制因素，所以应尽可能选择摩阻扭矩小的轨迹。

2.1.5 考虑到煤层的井壁稳定性差，主井眼和分支井眼要处于煤层的中上部位，以利于安全钻进。 2.1.6 分支井眼长度、方位和距离的优化设计需要结合煤层气藏、钻柱力学和经济评价等多方面的因素进行综合考虑。 2.2 井身结构优化设计

井身结构优化设计是保证全井安全、快速钻达目的层并达到开发目的的重要前提。2005年某国外公司在山西打了一口煤层气多分支水平井，由于设计的套管鞋进入了煤层，固井时密度为1.80g/cm的水泥浆将煤层压裂，导致三开后的井壁坍塌，从而影响了整个井的施工。煤层气多分支井井身结构设计与常规油气井的设计略有区别，需考虑洞穴井与水平井的连通、后期的排水采气和煤层的井壁稳定等因素。水平分支井通常采用的井身结构为：φ244.5mm表层套管×H1＋φ177.8mm技术套管×H2（下至造斜段结束处）＋φ152.4mm主水平井眼（裸眼完井）＋φ152.4mm分支水平井眼。洞穴井的井身结构一般为：φ244.5mm表层套管×H1＋φ177.8mm技术套管×H2（煤层顶）＋裸眼段（包括口袋）。另外煤层气多分支井井身结构的优化设计还需考虑以下因素：

（1）由于煤层承压强度低，技术套管一定不能下到煤层中，防止固井时将煤层压裂，导致后续钻进过程中的井壁坍塌。

（2）从抽排采气的角度考虑，套管必须将煤层上部大量出水的层位封堵。

（3）为了在洞穴井井底造洞穴，井底必须留有合理容量的口袋。口袋留深以不揭开下部含水层为基本原则，应优先考虑增大口袋留深。

（4）如果多分支水平井为多羽状，则水平井的技术套管不能够下到造斜段中，应下到造斜点以上部分，以便于后续的裸眼侧钻。 2.3 井眼轨迹控制技术

煤层气多分支水平井定向控制的主要参数包括：井斜角、方位角、垂深。水平井主井眼垂直段重点控制井斜，所以常用塔式钻具组合，如果井斜较严重，应使用钟摆钻具等纠斜钻具组合。主井

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眼造斜段一般使用“导向马达+MWD”的常用定向钻具组合，施工过程中要确保工具的造斜率能够达到设计要求，使井眼轨迹在煤层中顺利着陆。水平主井眼及分支一般采用“单弯螺杆钻具+LWD+减阻器”的地质导向钻具组合钻进，通过连续滑动钻进的方式实现增斜、降斜，通过复合钻进的方式稳斜，既达到了连续钻进的目的，又可随时根据需要调整井眼状态，有效地提高了钻井速度和轨迹控制精度。为了很好地将井眼轨迹控制在煤层中，采用地质导向技术进行井眼轨迹实时监测与控制。首先利用前期地震的资料建立区块的地质模型，然后利用从LWD随钻监测到的储层伽玛、电阻率参数来修正地质模型并调整井眼轨迹。另外，定向井工程师可以结合综合录井仪实时监测到的钻时和泥浆返出的岩屑，判断钻头是否穿出煤层。

煤层中的各个分支是在裸眼中侧钻完成的，裸眼侧钻是煤层气多分支井钻井中的难点。由于煤层比较脆，所以煤层气多分支井的侧钻不同于油井的侧钻，具体的侧钻工艺如下：

（1）起钻至每一个分支的设计侧钻点上部，然后开始上提下放，将钻柱中的扭力释放后开始悬空侧钻。

（2）侧钻时采取连续滑动的方式，严格控制ROP30S参数（30s的平均机械钻速），新井眼进尺的1～2m内ROP30S控制为0.8～1.2m/h，2～3m内控制为1.2～2.5m/h，3～10m内控制为3m/h，整个侧钻工序预计需要5个小时。

（3）侧钻时将工具面角摆到?140~?150o，首先向左/右下方侧钻，形成了一条向下倾斜的曲线，如下图所示。因为钻柱处于水平井眼的底部，而不是中心线部位，?140~?150o的工具面角能够让钻头稳定地和井眼接触，以防止振动引起煤层的跨塌。

（4）滑动侧钻至设计方位和井斜后开始复合钻进，钻进过程中要密切注意摩阻扭矩的变化。钻完每一个分支后，至少循环一周，然后起钻至下个分支的侧钻点位置。重复上述步骤，完成其余分支井眼的作业。

侧钻点 侧钻过程 侧钻过程 图1 裸眼侧钻垂直剖面示意图

煤储层 3 煤层造洞穴技术

为了易于实现水平井与洞穴井在煤层中成功对接并且建立气液通道，需要在洞穴井的煤层部位造一洞穴，洞穴的直径一般为0.8～1.5m，高为2～5m。目前有两种造穴方式，即水力造穴和机械工具造穴。水力射流造穴法利用了高压水射流破碎岩石的能力，施工中用钻具把特殊设计的水力射流装置（图2）送入造穴井段，开泵循环，使循环钻井液在经过小喷嘴时产生高压水力射流，破坏煤储层,形成洞穴。

机械工具造穴利用机械切削的原理，用钻具把特殊设计的机械装置送入造穴井段，然后通过液压控制方式使造穴工具的刀杆张开，并在钻具的带动下旋转，切削储层,形成满足实际需要的洞穴。

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图2 水力射流造穴示意图

图 机械式造穴工具 图3 常见的机械式造穴工具

4 水平井与洞穴井连通技术

两井连通过程中采用的技术为近钻头电磁测距法,国外通常称为Rotating Magnet Ranging Service，英文缩写为RMRS。RMRS这一概念是在1995年提出的。随着两井对接技术服务的市场需求，到1999年该技术得到了进一步发展并逐渐走向成熟[3]。目前RMRS技术在CBM井、SAGD、控制井喷等领域得到了广泛应用。

RMRS技术的硬件构成包括永磁短节和强磁计或探管。永磁短节的长度约为40㎝，由横行排列的多个永磁体组成，它主要用来提供一个恒定的待测磁场，电磁信号的有效传播距离为40m。探管由三部分组成：扶正器、传感器组件、加重杆，其长度约为3m。当旋转的永磁短节通过洞穴井附近区域时，探管可采集永磁短节产生的磁场强度信号，最后通过采集软件可准确计算两井间的距离和当前钻头的位置。RMRS必须与MWD和马达等配合使用，钻具组合通常为：钻头＋永磁短节＋马达＋无磁钻挺＋MWD＋钻杆。

连通过程中首先在直井中下入探管（图4），在钻头处连接一个永磁短节。连通前首先将两个井井底所测的陀螺数据输入到RivCross配套采集软件中，初始化坐标系。当钻头进入到探头的测量范围后，接收仪器就可以不断地收到当前磁场的强度值[4]（Hx、Hy和Hz）,定向井工程师然后根据采集的测点数据判断出当前的井眼位置，实时计算当前测点的闭合方位并预测钻头处方位的变化，然后通过调整工具面及时地将井眼方向纠正至洞穴中心的位置。接近洞穴时，根据防碰原理，利用专用的轨迹计算软件进行柱面法扫描，判断水平井与洞穴中心的距离，从3D视图上分析轨迹每接近洞穴一步其变化趋势，以达到连通的目的。

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图4 两井连通示意图

5 充气欠平衡技术

中国的煤层普遍具有低压、低渗的特点，为了保护储层，不宜采用常规的过平衡钻井技术。目前适合煤储层的钻井液体系主要有四种，即充气钻井液、泡沫流体、地层水和空气。充气钻井液[5]是将气体注入钻井液内形成以气体为离散相，液体为连续相的充气钻井液体系。它主要适合于地层压力系数为0.7～1.0g/cm3之间的储层，而且不受地层大量出水的影响。充气钻井液保护储层的机理是通过泥浆中充气以减少其当量密度，从而降低液柱对井底的压力，最后达到在井底形成负压差以实现欠平衡钻井。煤层气多分支水平井常用的注气方法为洞穴井井筒注气法（图5）和油管注气法（图6）。洞穴井井筒注气法工艺简单，成本低，适用于浅层煤层气的开发。但是对于深层煤层气的开发，由于洞穴井井筒体积较大，小的注气量难以形成稳定的气液两相流，最后导致欠平衡工艺效果很差，所以垂深超过500米的井很少使用。

油管注气法是一种实用的注气方法，洞穴井完钻后下入注气油管和井下封隔器，然后压缩气体通过油管进入到水平井的环空，这种注气方式适合在煤储层较深的洞穴井中使用。即使在近平衡注气的情况下（注气量很小），由于注气油管直径较小，压缩空气能在短时间内进入水平井环空，从而改善了气液两相流的均匀性，使欠平衡工艺更容易控制。另外油管注气法容易实现欠值很小时的欠平衡作业，如?P?0.5～1MPa，这样对于煤层井壁的稳定性具有相当大的益处，从而实现了既保护煤层又安全钻进的目的。

为了实现充气欠平衡的安全钻进，还需规范欠平衡起下钻、欠平衡接单根等作业，例如接单根时的过量注气容易将水平井直井段的泥浆排空，从而诱发井喷、地层坍塌等钻井事故。具体作业原则如下：

（1）当注气压力低于安全注气压力时立即停止注气，安全注气压力由注气量、井身结构、泥浆密度等因素决定。

（2）环空有大量气体返出时严禁接单根，必须停止注气，然后等到空气全部返出时才可以接单根。

（3）进行起下钻作业时，上提下放速度应平稳，尤其在煤层段应缓慢上提，防止引起井眼坍塌。 （4）由于煤层中的钻速较高，环空中的煤屑量较多，每钻进30～60m应充分循环钻井液。

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