煤层气开发的多分支水平井钻井技术

张绍雄 张 媛

中国石油山西煤层气勘探开发分公司 （山西 晋城 048026）

煤层气开发的多分支水平井钻井技术

张绍雄 张 媛

中国石油山西煤层气勘探开发分公司 （山西 晋城 048026）

应用多分支水平井钻井技术开发煤层气，是提高单井产量、降低综合成本的有效手段。结合山西煤层气多分支水平井钻井实践，介绍了其工艺特点、应用技术及存在的问题。研究结果表明，应用多分支水平井钻井技术进行煤层气开发，可提高气井单井的综合收益。

煤层气 多分支水平井 钻井

概 述

煤层气（俗称瓦斯）是继石油、天然气之后的又一新型、清洁能源。我国煤层气资源丰富，特别是山西沁水盆地具有煤层埋深浅、范围广、厚度大且稳定、含气量高、易于解析等特点，是开发煤层气的最有利地区。2006年，中国石油天然气股份有限公司制定了“开发煤层气，奉献新能源”的发展战略，成立了山西煤层气勘探开发分公司，在山西沁水盆地开展了大规模的煤层气勘探开发工作。

借鉴国内外开发煤层气的经验，应用多分支水平井技术可大大增加煤层渗滤面积，是提高单井产气量和采收率、降低综合成本、缩短投资回收期的有效手段和途径。2007年股份公司经过分析论证，确定了以水平井为主、普通直井及丛式井（定向井）为辅开发煤层气的钻井原则，随即开始大规模应用了多分支水平井钻井技术。截止到2009年底，共完成多分支水平井49口，建成了2.5亿m3煤层气生产能力，最高产气井单井日产气量达到4.6万m3。本文根据多分支水平井钻井实践，介绍其工艺特点并探讨所存在的问题。

煤层气多分支水平井的特点

煤层气水平井借鉴了常规石油天然气水平井钻井工艺技术，但由于其工作对象以及煤层气储藏性质、排采方式的不同，因而在设计、施工工艺等方面有其独特的特点。

1 开发目的层单一且为水平面多分支

利用多分支水平井钻井技术开发煤层气，目前一般选择一个主力煤层开发，在单一层位类似水平面上钻多分支。这与油井在2个以上层位钻出多分支不同。

2 目的层段分支及进尺较多

由于煤储层地层压力、渗透率相对较低，要达到提高煤层气产量的目的，需要比常规油气井更多的渗滤面积与排气通道，因而在煤层段所钻分支更多，一般1～2个主支,在主支两侧要钻多个(一般6～8个)分支，累计煤层段进尺一般要达到4 000m以上。

3 采用裸眼完井方式

煤层气多分支水平井一般采用裸眼完井方式，其原因：①煤层气开发区往往也是煤炭开采区（如山西沁水盆地），按照国家“先采气、后采煤”、“采气采煤一体化”的要求，采完气还要采煤，而采煤是禁忌在煤层有金属套管的；②由于完井技术的限制，现在多分支井还较难下入完井套管或筛管。

4 主井眼及分支井眼尺寸较小

煤层强度及胶结程度较差，易垮塌。根据国内外煤层气多分支水平井的钻井经验，较小井眼有利于防止煤层垮塌。一般完井井眼尺寸为Φ152.4mm或Φ120.65mm。

5 采用成对（1+1）井组，连通钻井工艺

一口井完成后，一般需要排水降压使煤层气解析才能产气。煤层气多分支水平井由于其工艺上的特点，很难在水平井眼下入排采管柱及设备进行排水，需要一口专门的排采直井进行排水及产气，而这口直井必须与水平井连通才能达到目的。所以煤层气多分支水平井一般都是先打一口排采直井，再在适当位置（一般距直井200m左右）打水平井（称其为工艺井）与直井连通，而后再钻多分支的。

煤层气多分支水平井钻井技术

煤层气多分支水平井是多项先进钻井技术的综合运用。归纳起来有以下8项主要技术：

1 井身结构及井眼轨迹优化设计技术

由于煤层气井一般较浅，排采直井与工艺井的井口距离要适当，还要根据地质构造、煤层展布情况确定分支数量及方向，所以井身结构、井眼轨迹及分支井底形状的优化设计也显得尤为重要。而在山西沁水盆地所钻多分支水平井，由于地处山区，地势崎岖，在满足地质设计要求的同时，要根据地势特点选择排采直井与工艺井的井口位置，再进行井身结构及井眼轨迹的优化设计。

（1）井身结构。排采直井一般采用二开井身结构：一开使用Φ311.1mm钻头钻至井深50～60m,封住地表松散地层，下入Φ244.5mm表层套管固井，水泥返至地面；二开使用Φ215.9mm钻头钻至完钻井深（一般目的煤层底以下60m），下入Φ177.8mm生产套管，在煤层井段加1根玻璃钢套管以便造穴，固井水泥返至煤顶以上200m。

工艺井一般采用三开井身结构：一开与排采直井类似；二开使用Φ215.9mm钻头钻至接近着陆点（煤层，一般井斜达到80°左右）完钻，距离排采直井（洞穴）60m左右，为连通留有余地。下入套管尺寸根据钻机类型、预计煤层煤质及构造特点，按照三开钻头尺寸选择技术套管。

一般2种尺寸：一种是下入Φ177.8mm技术套管固井，三开用Φ152.4mm钻头钻水平主井眼及分支井眼；另一种是下入Φ139.7mm技术套管固井，三开用Φ120.65mm钻头钻水平主井眼及分支井眼。

（2）井眼重复利用工艺井身结构。利用同一口工艺井（上直段井眼）打多口多分支水平井是加快钻井速度、降低钻井成本的有效途径。山西煤层气勘探开发分公司所完成的水平井中，有多口工艺井是利用的同一井眼，最多的是4口井共用1个井眼。其井身结构及施工工艺是：二开钻完设计井深，下入套管并在套管的适当位置加入固井分级箍，固井打完水泥浆后立即打开分级箍循环排出上部水泥浆。三开钻完一口水平井后，在分级箍以下套管内下入封隔器，下入割刀割断分级箍以上套管并起出，在适当位置打水泥塞。下口不同方向的多分支水平井即利用该井眼侧钻完成二开及三开的工序。

（3）连通前井眼轨迹的设计。煤层深度及工艺井与排采直井的距离，影响着井眼轨迹剖面类型的选择。山西沁水盆地，煤层埋深变化较大，一般在300～750m之间，而2井之间的距离一般在200m左右。如此应选择单增剖面、中曲率半径轨迹类型，造斜率一般在8°～15°/30m，同时应计算校核技术套管能否顺利下入。

（4）水平主井眼及分支井眼的设计。连通后的水平主井眼及分支井眼是煤层气多分支水平井的关键。其分支数量、长度、夹角大小、井底形状等关系到采气面积、施工难度等，因而对此进行优化设计是很重要的。从国内外钻井实践看，有多种不同的类型，最典型的是美国CDX公司已取得专利的 “羽状”设计。山西煤层气勘探开发分公司所实施的多分支水平井，对分支形状、水平段长度、分支角度和方位、分支间距等重要参数进行了分析研究和对比论证，认为“2主支+6分支”的设计是适合山西煤层特点的，最佳参数是：主井眼之间夹角20°～30°、主支长度应该在1 000m；分支夹角为30°、方位与天然裂缝方向相交、分支间距为100～200m、分支长度300～400m、同侧3分支、扇形分布；煤层段进尺达到4 000m以上。每口井大约覆盖0.3～0.4km2的含气面积，相当于10～15口普通煤层气直井控制的面积。

2 直井裸眼造穴技术

直井是煤层气排采的生产井，为了保证工艺井与直井的连通，要在直井的煤层位置“造穴”。其工艺过程为：在直井的完井套管的煤层位置下入一根玻璃钢套管固井，下入内割刀割断玻璃钢套管，下入造穴工具在煤层段造穴，清洗井眼，填砂至煤层底。目前有水力喷射射流造穴与机械造穴2种方法，一般使用机械造穴工具，洞穴直径可达1～1.5m,通常0.6～0.8m即可满足连通要求。

3 井眼连通技术（国内称之为“穿针”技术）

水平井眼在进入煤层后必须与排采直井连通才能钻主支及分支。要实现Φ152.4mm或Φ120.65mm的小井眼在几百米深度的地层与直井纵横相交，需要精确的“制导”技术。目前美国Vector公司具有该技术专利，其精确定位设备“RMRS”系统是利用一个旋转的磁性接头在正钻井中产生一个从几十米外就可以探测到的磁场信号，在目标井（直井）中下入有线探管测量磁场强度和方向，通过分析测量数据判断钻头与洞穴的相对位置，在连通之前对轨迹进行有效调整以实现连通。

4 欠平衡钻井技术

为了保护产层，加快速度，有利于携带煤屑，采用在排采直井注气实现欠平衡钻井的技术。从另一口井注入气体到水平井的“中间”，实现在环空“气液混合”降低液柱压力的欠平衡钻井，此种情况只有在煤层气的多分支水平井才有。

5 井眼轨迹控制技术

煤层气多分支水平井的井眼轨迹控制与一般水平井相比是需要更精确，其原因是：①煤层浅，工艺井与排采井距离短，已接近短半径水平井；②需要“穿针”精确制导；③连通后的主支及分支分布按照设计，各呈一定角度，才能达到控制面积广的目的。而在井眼尺寸小，钻具“柔软”且进尺多的情况下难度更大。实践中采用随钻导向钻具组合及随钻测量系统，通过LWD、EM-MWD等随钻测量的工程参数（井斜、方位、工具面角等），利用地面计算机软件进行跟踪分析，确定钻头的位置，并通过地面工具面的摆放、钻井参数及措施的落实，达到控制井眼轨迹，使其按预计方向前进的目的。

6 悬空侧钻技术

在水平主井眼上钻分支井眼时，无导斜器或水泥塞作为依托侧钻。要实现定点水平侧钻出各分支，在侧钻点的选择、工具面的摆放、技术参数的制订、操作措施的控制以及施工上的分析判断是极为讲究的。

7 地质导向钻井技术

地下煤层并不是“一马平川”的，由于一些小断层钻前难以判断，加之煤层的“起伏”，所以实钻中按设计轨迹钻进也会钻出煤层。为了保证井眼在煤层中延伸，需要应用地质导向技术，即在LWD、EMMWD随钻测量仪器中加“电阻率、方向伽玛、平均伽玛”等测取相应地层参数，通过地面识别系统分析判断是否在煤层中钻进。

8 小井眼钻井技术

煤层气多分支水平井一般采用Φ152.4mm、Φ120.65mm钻头钻进，如此小井眼、长裸眼钻进，要解决小螺杆、小钻头、小钻具的使用寿命以及在井下工作情况判断、加压、井眼清洁、工具面摆放、循环压力的控制、事故处理等多方面比常规井眼更难的问题。

上述煤层气多分支水平井钻井技术，只是主要或特色技术，实际施工中所应用的工艺技术还有很多，设备配套也有一定要求。如钻机需要配置顶驱、空气欠平衡钻井需要安装井控设备，特别是旋转控制头、液气分离器等。

煤层气多分支水平井钻井技术的攻关方向

从山西数10口煤层气多分支水平井钻井实践看，目前钻此类井还存在较大的问题或技术难点。实施时有较大的风险，主要是由于部分井完成的主支及分支方向与长度达不到设计要求；钻井事故，特别是煤层垮塌或掉块造成的卡钻事故较多，且难以处理致使钻具、仪器落井。这主要是地质因素：钻遇断层使得井眼难以继续延伸；煤层破碎易垮、易掉块对小井眼造成的威胁特别大。为了解决煤层气多分支水平井钻井问题，需要在以下几个方面深入研究及攻关。

1 地质精细描述及井位优选是基础

特别是在预钻区域要结合地下煤层展布、煤层性质、煤层埋深、断层发育以及地面山区地形、地貌等情况综合评价，必要时应先打评价井，取心分析煤质，以确定是否适合钻多分支水平井，确定井组井数、位置以及井眼延伸方向、长度等。

2 防止井眼（主要是煤层）垮塌是关键

由于煤层存储及解析的特性，目前保护、释放煤层气最直接、有效、经济的措施是使用清水钻进。但清水不能有效地起到护壁、抑制垮塌的作用，这是目前多分支水平井钻进最大的难题。应进行煤层污染、解堵等方面的研究，开发既能防止煤层垮塌又能有效保护煤层的钻井液。

3 研究小井眼钻进的系列技术问题

诸如进一步优化井身结构、优化井身剖面设计、优化钻具组合；优选小井眼钻进技术参数，包括钻压、转速等工程参数、排量、泵压等水力参数、注气量及注气压力等；研究如何解决主、分支井眼清洁问题，及时把钻屑、煤屑清理（携带）出井筒返出地面，保证井眼的畅通；研制长寿命小螺杆、小型无接头（无台阶）钻具、“内置式”可打捞随钻测量仪器等；配套适合小井眼的快速处理事故的工具等等。

4 研究如何进行井眼重入及防堵

钻完主、分支井眼后，往往较难再次下入钻具、工具“通井”，这就要涉及2方面的问题：①保证钻井施工的顺利，解决钻头、螺杆、测量仪器的寿命、钻井设备的连续工作以及井眼清洁问题，保证一次性完成预计进尺；②关系到以后采气产量，如果所钻井眼垮塌或岩屑堵塞，或将前面所钻井眼堵塞又不能重入处理，必将会影响到产气量。

结束语

发展低碳经济、开发新能源是我国今后发展的重要战略，煤层气的开发前景广阔。应用多分支水平井钻井技术开发煤层气，具有产量高、产出快、便于管理、综合成本低、经济效益好的优势，而且占地面积小、有利于保护环境、有利于采煤采气一体化，是今后开发煤层气的方向。但实施多分支水平井还面临着单井成本高、技术要求高、操作风险大等问题。期望广大技术人员积极投入煤层气多分支水平井钻井技术的研究中来，破解技术难题，使这一技术得到更广泛的推广应用，共同为新能源的开发做出贡献。

Applying the drilling technology of multiple branching horizontal to the exploration of coal-bed gas is one effective means to increase the output of the single well and reduce the comprehensive cost.Combined with the drilling practice of multiple branching horizontal well for coal-bed gas in Shanxi,an introduction is given to its technological characteristics,applied technology and existing problems.It is shown that exploring the coal-bed gas by applying multiple branching horizontal well technologies can increase the comprehensive benefits of the single gas well.

coal-bed gas;multiple branching horizontal well;drilling well

张绍雄（1957-），工程师，现主要从事钻井技术和管理。

尉立岗

2010-11-09