煤层气水平对接井钻井技术研究

丰庆泰 李平

(1．中国煤炭地质总局119勘探队，河北 056107;2．格瑞克能源(国际)公司，河南 450000)

煤层气水平对接井钻井技术研究

丰庆泰1李平2

(1．中国煤炭地质总局119勘探队，河北 056107;2．格瑞克能源(国际)公司，河南 450000)

水平对接井(SIS)由水平井与垂直井对接组成，并可根据地质条件和需要，设计成多口水平井与1口直井对接的多“U”型组合;其井身结构简单，尤其是完井后可下入一根高强度PVC筛管，克服因煤体坍塌、煤粉沉淀等原因可能造成的水平井段堵塞，还可对水平段井眼进行双向冲洗，保证采气阶段井眼的畅通。煤层气开发实践证明水平井可有效地导通煤储层的裂隙系统，增加气、水导流能力，大幅度提高单井产量和采收率，是开发低压、低渗地区煤层气资源的有效手段，而水平对接井以其合理的井身结构和独特的完井方式，更适宜于中国大多数煤储层条件的煤层气开发。

水平对接井 煤层气开发 地质导向 水平钻进

［HJ］Abstract:SIS consists of a horizontal well and a vertical well．Based on the requirements of the geological conditions and requirements，the author may design the well grouping as a“U”type assembly，consisting of a multiple of horizontal wells and a vertical well．The structure of wellbore is simple．Especially after well completion a high strength perforated PVC pipe can be lowered into the well to prevent the horizontal section from plugging due to collapsing of coal solid，or deposition of fine coal．Bidirectional flushing can also be carried out in the horizontal section of the borehole，so as to ensure smooth flow of gas in the production section of the borehole．Practical experiences obtained from development of CBM have proved that horizontal well can effectively connect the fracture system in coal reservoir．It can increase the diversion capacity of gas and water，and enhance to a great extent the production of a single well and recovery rate．It is an effective means to exploit CBM resources in low pressure，low permeability areas．SIS well due to its rational wellbore structure and unique completion method is more suitable for development of CBM in most coal reservoir conditions in China．

Keywords:SIS;development of CBM;geological guidance;horizontal drilling

中国大陆煤层形成后的地史时期，曾经受过多 期次强烈的地质构造运动，使多数煤储层的原生结构遭受了很大程度的破坏，决定了中国煤层气储层普遍具有三低一高(低压、低渗、低饱和及高含气量)的特点，在很大程度上限制了地面垂直压裂煤层气井的产量。而顺煤层水平井可有效地导通煤储层的裂隙系统，增加气、水导流能力，大幅度提高单井产量和煤层气采收率，缩短回收周期，是开发低压、低渗地区煤层气资源的有效手段。近年来，国内实施的大批煤层气羽状水平井(或多分枝水平井)获得了较大的成功，尤其是在沁水盆地南部，单井产气量最高已突破1.0×105m3/d，取得了很好的商业化开发效果。但是，由于羽状水平井在近端与直井联接，水平分支必须向上倾方向钻进才利于气井排水降压，施工难度大，易发生卡、埋钻事故，钻井成本高;在气井生产阶段，水平段井眼坍塌和煤粉堵塞现象时有发生，造成主井眼内大面积的死区或废井，严重影响气井产量和服务年限，钻井成功率低。水平对接井(也称“U”型井)，对沟谷纵横地形条件复杂的高山地区，可节约大量钻前工程和地面井场占地费用，利于提高投资综合效益。另外，水平井段完井后下入高强度PVC筛管保证井眼畅通，能够弥补羽状水平井存在的缺陷，更适宜于中国大多数区域的煤层气储层开发。实践证明一口成功的水平对接井其产气能力可达5000～20000m3/d，显示了良好的煤层气生产潜力。

1 水平对接井技术特点及优势

1.1 水平对接井技术特点

水平对接井是由1～2口延伸近1000m定向工程井和一口垂直排采井组成的“U”型井组。垂直井布置在煤层标高相对较低处的定向水平井(近水平下斜钻进)的远端。施工顺序是先钻探垂直井，一般钻至目的煤层之下50m左右完钻，煤层段可保持裸眼或下入玻璃钢套管，煤层顶板以上则下入套管并固井。目的煤层采用特殊工艺扩至井径0.4m以上，便于与水平井联通(见图1)。

主要技术特点如下:

(1)井身结构简单，施工难度相对小。水平主井一般没有分支，钻具始终沿目标煤层向垂直井方位前进，平面摆动很小。钻进时可控“LWD”导向组合钻具基本沿煤层下倾方向近水平钻进，技术要求整套系列钻具在井内弯曲角度和幅度变化小，井眼轨迹易于控制，钻井效率和成井率高，综合成本低。

图1 水平对接井示意图

(2)可最大限度降低液面，提高煤层气采收率。垂直生产井布置在煤层标高较低处，利于排水采气，当液面降至井底时，整个水平井段均处于水位以上，可最大限度地降低煤储层压力，利于扩展煤层气泄压解吸面积，提高气井产量和采收率。

(3)能始终保持井眼畅通，延长气井服务年限。水平井段完井后下入一根PVC筛管，可有效地防止排水采气过程中井眼坍塌和煤粉堵塞，延长气井的生产周期。当水量较大时，在排采初期两井口可同时安装排采设备进行排水降压，还可通过注水、注气等方式进行对冲洗井和解堵作业，保持井眼的畅通。

(4)钻进方位可控，适应性强。鉴于SIS水平井段钻进方位可控，可适应任何倾角的单斜地层。另外，较为简单的井身结构和植入的高强度PVC筛管，可以保证在煤层较为破碎的地区安全成井并获得高产。

1.2 技术优势比较

水平对接井与羽状多分支水平井技术相比较，其建井理论基础及增产原理相同，都是水平井与垂直井组合，由直井排采。主要不同点见表1。

2 水平对接井设计与钻井注意事项

2.1 地质设计

井位的设计是保证成功完井并获得高产的关键。地质设计须遵照下列原则:

(1)水平井与垂直生产井之间的目的煤层要有一定的高差，即水平井段需保持一定下斜角度钻进，垂直井目的煤层位于较低的位置;

(2)避开较大断层和断层密集带，以及剧烈起伏的褶皱带，避开构造煤发育层段;

表1 U型水平对接井与羽状多分支水平井特点比较

图3 垂直井井身结构示意图

(3)水平井尽量垂直或斜切割理裂隙;

(4)水平井与垂直井井口间距控制在900～1200m，煤层中钻进控制在600～1000m。

根据上述设计原则，煤层气开发区应有煤田或煤层气地质勘探程度较高的地质资料和2D或3D地震资料，详细分析研究区内的已有地质资料，全面掌握区域地质构造和地层产状，获取高精度煤层底板等高线图是做好水平井设计的基础。井位设计平面布置示意见图2。

图2 “U”型井位设计平面布置图

2.2 钻井工程设计

钻井工程设计是在地质设计的基础上进行的。科学合理的钻井工程设计是顺利完井并获得高产气井的保障，所采取的工程工艺除了要考虑工程可行性，更要考虑对储层的保护，防止钻井污染目的煤层。

(1)垂直井设计。一般情况下作为水平对接井的垂直生产井有2种井身结构:

①φ244.5mm表层套管×H1+φ139.7mm技术套管×H2+裸眼段(煤层及口袋)。其中H1和H2分别为套管长度。固井后钻塞并将煤层段扩眼至0.4m以上。井结构见图3。

②φ244.5mm表层套管×H1+φ139.7mm技术套管×H2至井底(煤层段为玻璃钢套管)。固井后扫开煤层段玻璃钢套管并扩眼至0.4m以上，等待水平井对接。井结构见图3。

(2)水平井设计。水平井钻井分为三段，直井段、斜井段和水平段。直井段属常规钻井工艺，从造斜点至目的煤层着陆点为斜井段。

首先根据着陆点位置的目标煤层预测深度、厚度、地层产状等资料，确定井眼进入煤层的初始角度，从而准确计算出造斜点的深度和斜井段轨迹。优化的井眼轨迹设计可以大大节约钻井成本。钻井实践证明，斜井段井眼轨迹长400～450m，水平位移可控制在200～240m，造斜率6°～8°/30m，水平段的理想井眼轨迹设计应是自着陆点起沿煤层钻进，至垂直井目的煤层扩眼处形成有坡度的下斜水平井。井结构见图4。

图4 SIS井身结构示意图

3 钻井过程中关键环节的控制

垂直生产井无论是井身结构还是完井方式，都与常规垂直煤层气井相同，仅多了一项煤层段的扩眼，扩大井径目的是方便与水平井对接。

3.1 造斜点的调整确定和造斜率控制

设计的造斜点通常选在稳定性好、不易坍塌的较厚砂岩段，以便于造斜顺利和井眼稳定，并利于下一步钻进。设计的造斜点往往与实际的钻井剖面有差异，需对造斜段的斜率、长度、井眼轴线轨迹适当调整，否则将影响能否成功对接。

造斜率主要取决于造斜段的长度和着陆点处的地层倾角，施工时还可能受到造斜工具和地层产状或岩性变化的影响，使造斜率在全造斜段不是均匀的，实钻中往往只能将其控制在一定范围之内。沁水盆地南部施工的经验是选择6°～8°/30m，避免出现狗腿严重度过大，保持井眼轨迹平滑。

3.2 着陆点的控制

井眼从造斜段进入目的煤层初始点(着陆点)时的角度控制是关键技术环节。此时井眼入煤的角度越接近煤层着陆点处的井轨迹方向视倾角越好，这对井眼的稳定性及之后顺利沿目的煤层钻进是非常重要的。由于多数情况下设计的着陆点目的煤层深度是预测的，存在不确定因素。当煤层埋深变浅时，会提前钻遇煤层，此时造斜尚不够充分，强行钻入必会造成狗腿严重度过大，极易造成卡钻、埋钻事故，并影响井眼稳定性和之后的顺利钻进。当煤层变深时，按照设计钻进造斜段结束时井眼轨迹已接近水平，漂浮在煤层上方，将无法钻遇煤层。上述两种情况都将给施工造成很大的困难，必须提前采取如下措施进行预防。

(1)详细研究区内地质构造及其变化规律。在地面岩层出露较好的地区，应沿设计的水平井轨迹方位线进行地面地质踏勘，测量地层产状变化及上部地层岩性及厚度。根据邻近的地层柱状剖面，尽量准确的推断目的煤层深度。

(2)详细研究区内地层发育特征，准确掌握各层段的厚度、颜色、岩性变化、标志层岩性特征及其间距。在钻进中，根据气测、岩屑和钻时资料特征实时进行每一个岩层的定量、定性分析，实施判断钻头所处的地层层位，并据此推断目的层的深度变化，进而及时调整造斜斜率。使着陆时的井眼角度和水平距离均能满足设计要求，井眼轨迹平缓，达到最佳效果。

(3)斜导眼探煤。当地质资料不详或地层产状变化较大时，造斜段接近设计的着陆点时，可采取急速降斜的方式向下探煤，当钻遇目的煤层后，起钻并用水泥将探煤眼封闭。根据实际钻遇目的煤层的深度和厚度调整原造斜段轨迹设计，选择合适位置重新侧钻直至顺利钻至煤层着陆点。斜导眼探煤有下列优点:①可精确定位着陆点深度;②有效降低煤层起伏变化的影响，减少无效进尺，保证水平段长度;③造斜点的选择可根据确定的煤层深度调整，有利于水平段井眼轨迹在煤层中钻进。斜导眼探煤虽增加了钻井成本，但可避免因着陆点深度不确定造成的无效找煤钻探和资金浪费。

3.3 水平段煤层钻遇率的控制

钻到着陆点之后，井眼轨迹要随着地层倾向倾角的变化进行不断调整，保证钻具在煤层中钻进。通常地下煤层的小起伏变化是未知的，实际钻井时钻具与煤层倾角始终保持一致很难控制。根据随钻LWD测量系统提供的地质数据和泥浆录井获得的信息及时进行综合分析判断，为钻进提供地质导向。井眼轨迹控制是依据MWD信息解码系统解读出井下井斜、方位、工具面角等技术参数，随钻井工程进行设计轨迹与实际轨迹比较，控制工具面角度，实现井斜增、减与钻进方位增、减的等参数调整，控制井眼轨迹尽量平滑。

井眼轨迹控制一是钻前建立地质导向模型，二是根据实钻所获的地质参数，进行实时导向。地质导向建模是通过垂直井的测井曲线资料、斜导眼的随钻伽玛曲线及录井资料进行对比分析，判定地层厚度，选择并确定导向标志层，拟合出地质导向模型图。地质导向需根据实钻参数及时与导向模型、邻井资料等对比，计算地层视倾角，并依据煤层在钻进方向的视倾角对井斜进行适时调整，提高煤层钻遇率。

3.4 钻遇小型断层的判断与处理

设计水平井位时，要求避开已知的较大断层带，但小型断层难以预测和避免，钻遇断层会给施工带来很大的麻烦。因此，要依据已有的地质资料和区域地应力推断可能出现的断层性质与产状，尽可能使井眼轨迹垂直于断层走向。实钻时当井眼接近断层，随钻测井曲线会出现跳跃。如断距小于煤层厚度，断层两侧煤层并没有完全错开，此时，可利用煤层、夹矸及顶、底板相关参数的差异，通过小层对比，以及随钻测量系统提供的上、下伽玛数据分析，确定穿过断层后的钻头位置。当钻遇短距较大的断层，煤层会突然消失，难以判断钻头与煤层的相对位置时，可采用“触顶”或“触底”办法来寻找煤层。探准煤层后将钻头抽回到适当的位置，重新钻入煤层(如图5)。

图5 钻遇断层钻向调整示意图

4 水平井与直井对接

两井对接采用近钻头电磁测距法(RMRS技术)，如图6所示。在直井目的煤层扩井段下入一个强磁源，当带有磁信号接收器的当导向钻具到达直井的洞穴附近区域时，探管可采集到强磁短节产生的磁场强度信号。根据采集的测点数据判断出当前的井眼位置，实时计算出钻头当前所处的方位，通过调整工具面及时地将井眼钻进方向纠正至洞穴中心的位置，实现对接。

图6 水平井对接示意图

近年来，国内在不同地区如沁水盆地南部，陕西彬长矿区施工了数十口水平对接井，单井初期产量平均在8000m3/d以上，一年后即达到12000～15000m3/d，获得了煤层气开发的理想效果。

5 结语

水平对接井是目前煤层气资源开发领域先进的钻完井技术，集钻井、完井与增产措施于一体，是低渗透储层煤层气开采技术的一次革命。相比于多分枝或羽状水平井具有井身结构简单，下倾方向钻进易于施工，钻井成功率高成本低。完井后下入的衬管可保持采气期井眼的畅通。可在任意角度的单斜地层完井，更适用于中国大多数煤储层，具有广阔的应用前景。

［1］叶建平.我国煤层气产业发展报告 ［A］.2011年煤层气学术研讨会论文集［C］，2011:3－9.

［2］张键，叶建平.煤层气开发技术及其重大装备的要求［A］.非常规油气资源勘探开发装备及其应用技术研讨会论文集［C］，2011.

［3］饶孟余，扬陆武，张燧安等.煤层气多分支水平井钻井关键技术研究 ［J］.天然气工业，2007，27(7):52－55.

［4］张建国，苗耀，李梦溪.构造模式与煤层气井产能的关系 ［J］.中国石油勘探，2010，02:57－62.

［5］李建民，李黔，梁海波等.煤层气水平井的煤层实时识别技术 ［J］.天然气工业，2010，10:67－70.

Study on Techniques for Drilling CBM SIS

Feng Qingtai1，Li Ping2
(1．The 119 Prospecting Crew，China Coal Geology Administration，Hebei 056107;2．Grek Energy(International)Company，Henan 45000)［HJ*4］

国家科技重大专项“深煤层煤层气开发技术及装备研制”(2011ZX05042)

丰庆泰，男，高级工程师，主要从事煤田地质与煤层气开发。

(责任编辑 韩甲业)