延川南煤层气V型水平井组钻井关键技术研究

龙志平 袁明进 朱智超

(中国石化集团华东石油局工程技术设计研究院，江苏 210000)

延川南煤层气藏具有普遍低压 (压力系数小于0.8)、低饱和 (饱和度小于70%)、低渗透的特征，且非均质性强。在开发中通常采取排水、降压方式来获得产量。因此，为了提高煤层气单井的产量，获得经济产量必须要采取一些新的增产措施。V型井指由两组之间呈一定夹角并共用一口排采直井的U型井组成，地层流体通过两个水平井眼分排流向同一排采直井井筒内，增加了泄流面积，实现两水平井共同排采降压采气，能够获得更大的气产量。煤层气V型井组钻井工艺集成了随钻地质导向、煤层造穴、三井对接、多井眼完井等多项先进的钻井技术。

1 钻完井技术难点

(1)目的煤层薄，轨道控制难度大

主要目的层2#煤层煤体结构复杂，中部发育有夹矸，上部块煤层段仅2.40m左右，为V型水平井设计钻进的有效水平层段。由于要求实现两口水平井与一口直井的远端连通，其轨迹方位控制在钻进过程中极其严格。

(2)地层复杂，井身结构设计难度大

延川南区块地层岩性主要为砂砾岩、细砂岩、泥岩与细砂岩互层等，且地层存在较多不同程度的断层，钻井过程中时常发生漏失现象，其中第四系、刘家沟组、石盒子组在周边已完钻井施工中均出现不同程度的漏失，故在井身结构设计中需重点考虑不同地层出现的复杂情况，给井身结构的设计带来了更大的难度。

(3)煤体结构以碎裂煤为主，水平段煤层垮塌风险大

通过对煤层钻井取芯分析，延川南区块目的煤层煤岩以亮煤为主，呈碎块状、片状，同时对煤岩的弹性力学参数分析反映其机械强度弱，容易压性破裂和张性破损。因此，在钻V型井组中长达500～700m水平段的过程中，煤层存在较大的垮塌风险。

(4)远端连接，对接难度大

连通点位于直井目的煤层造穴段，直径约为0.5m，保证两口水平井与直井是否实现远端对接，对连通工具的选择很关键，要求仪器的精确度高。

(5)多井眼连通，固井工艺难度大

V型井水平井如果采用套管完井方式，如何保证两水平井的固井质量，相比常规水平井和U型井难度都要大得多，而且采用的方式也有所不同。

2 关键技术研究

2.1 井眼轨道优化设计

延川南地层目的煤层埋深 (即水平段垂深)为800～1000m，水平段长500～650m，靶前位移250～350m，根据不同轨道设计计算结果分析，优选采用“直-增-稳-增-平”五段制轨道设计能很好的满足施工要求，既能很好的满足地质中靶要求，同时简化了井眼轨道复杂程度，减少进尺便于施工(图1)。

图1 V型井轨道示意

2.2 井身结构优化设计

延川南区块地层压力系数在0.4～0.8，地层压力偏低，根据已钻井资料显示，该地区钻进过程中未出现溢流、井涌等情况，因此井身结构设计主要考虑封固漏失及井壁不稳定地层段。

2.2.1 水平井井身结构 (图2)

(1)一开:采用φ444.5mm钻头钻穿第四系表土层，进入稳定地层;

图2 煤层气V型井组井身结构示意图

(2)二开:采用φ311.1mm钻头钻进至目的煤层上部，下φ244.5mm套管封固;

(3)三开:采用φ215.9mm钻头钻进水平段，与对接直井连通后完钻，下入生产管串。

2.2.2 洞穴井井身结构

(1)一开:采用φ311.1mm钻头钻穿第四系表土层，进入稳定地层;

(2)二开:采用φ215.9mm钻头钻穿目的煤层，在目的煤层段下入可钻式玻璃钢套管 (可供造穴)。

2.3 井眼轨迹控制技术

井眼轨迹控制技术是水平V型连通井组最后是否成功实现三口井对接的关键技术，V型井组中每一口水平井的轨迹走向都影响最后的对接，必须严格控制各水平井的的轨迹，保证精确中靶。

2.3.1 随钻测斜仪器的选择

高精度的仪器和完善工艺技术是成功实施水平连通井的保障。设计采用EM－MWD无线随钻测量仪，EM－MWD是依靠电磁波传输方式进行井眼轨迹测量的一种先进仪器。具有信号传输速率高、不需要循环钻井液便可传送数据、测量时间短、测量数据精确等特点。

2.3.2 钻具组合的优化设计

对于水平井的钻进，需根据不同施工井段采用不同钻具组合进行施工作业。

直井段保证井眼打直，采用塔式钻具组合，打好直井段;二开直井采用塔式、螺杆+钻头钻具组合防斜、纠斜;造斜段采用螺杆+钻头钻具组合;水平段采用的是“单弯螺杆钻具+LWD”的地质导向钻具组合，保证轨迹的精确控制;在最后连通对接时，在钻具组合中需加入强磁接头，主要是为了寻找信号，保证连通 (φ215.9mm钻头 +φ165mm强磁接头 +φ172mm单弯螺杆 (1.25°)+φ127mm无磁承压钻杆×2根+φ127mm加重钻杆+φ127mm斜坡钻杆 +φ127mm加重钻杆 +φ127mm钻杆)。

2.3.3 控制技术

煤层气V型水平井定向控制的主要参数包括井斜角、方位角和垂深，为了在煤层中很好地控制井眼轨迹，采用了采用EM－MWD无线随钻测量仪进行井眼轨迹实时监控。

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，有效地提高钻井速度和轨迹控制精度。为了在煤层中很好地控制井眼轨迹，采用了地质导向技术进行井眼轨迹实时监控。首先利用前期地震的资料结合从随钻测量仪监测到的储层伽马数值、电阻率等参数，调整井眼轨迹。另外，可以根据综合录井仪实时监测到的钻时和泥浆返出的岩屑来判断钻头是否钻穿煤层，保证水平井在煤层中的穿遇率。

2.4 井壁稳定与煤储层保护技术

煤储层的吸附能力强、应力敏感性强、速敏性强以及水敏性、碱敏性强等的特点，决定了煤层容易受到伤害。煤层胶结疏松，施工水平井容易发生坍塌卡钻事故。

绒囊钻井液是一种密度可调适合于近、欠平衡钻井外，还具有自匹配分度漏失通道、高效悬浮携带岩屑、控制储层伤害、控制体系密度等特点的绒囊钻井液体系。它不需要特殊设备，利用常规钻井设备的搅拌、剪切等物理作用和处理剂的化学作用，便可形成内部为囊泡、外部为绒毛的绒囊。绒囊粒径15～150μm、壁厚3～10μm，均匀的分散在连续相中形成稳定的气液体系。通过前期的调研和试验，绒囊钻井液成功应用于多口煤层气钻井中，对井壁起到了很好的稳定作用。相比KCL溶液，后者对储层伤害严重，漏入煤层后，对储层深处也造成了伤害，储层改造难度大;绒囊钻井液储层伤害程度小，能够封堵煤层，避免对储层深部污染，靠近井筒表层污染带可通过射孔、压裂等储层改造措施消除其对储层渗透率的影响。

2.5 煤层造穴技术

为了易于实现水平井与直井在煤层中成功对接及建立气液通道，需要在直井的煤层部位造一个洞穴，通过前期调研及试验，优选采用机械工具进行造穴。机械工具造穴是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并切削储层，形成满足实际需要的洞穴。

机械工具造穴扩孔器的钻井相关参数:钻压:0～10kN;转数:60rpm;排量:16L/s;泵压:0.5 ～3.5MPa。

2.6 水平井与洞穴井连通技术

两井连通时采用电磁波测量仪器。连通过程中首先在直井中下入探管，水平井施工时在钻头处连接一个永磁短节。当旋转的强磁短节通过洞穴井附近区域时，探管可采集强磁短节产生的磁场强度信号，最后通过采集软件准确地计算两井间的距离和当前钻头的位置 (图3)。

图3 两井连通示意图

钻具组合通常为:钻头+强磁短节+马达+无磁钻挺+随钻测斜仪+钻杆。

在连通过程中，在直井中下入探管，在钻头处连接一个强磁短节，有探管接收强磁信号，判断直井洞穴位置。

2.7 V型水平井组固井工艺技术

对V型井组水平井采用下套管固完井的方式，国内尚无先例。其固井施工过程中遇到的难点与常规水平井相比，主要体现在以下两方面:

(1)煤层机械强度低，力学稳定性差，水泥浆容易漏失，影响顶替效率;

(2)如何避免对其中一口水平井固井时水泥浆窜至排采井直井段以及另一口水平井，影响两井固井质量。

通过对各种技术方案的考虑和分析，最终确定通过采用对直井采取填砂作业协助水平井固井的方式来提高V型井组中水平井的固井质量。这就要求V型井组中两水平井不能同时与直井对接，应有先后次序。具体工艺流程:

(1)完成直井的施工 (包括造穴);

(2)交替错开两水平井的施工进度，确定先实施对接的水平井P1，并进行连通对接;

(3)将光油管对直井通井、替浆、细粉砂填砂 (要求盖住目的煤层顶100m)、沉砂、探砂面。砂面合格后，对井筒憋压关井;对水平井P1进行固井侯凝;

(4)对直井进行淘砂，淘至上口水平井对接点以上位置，进行水平井P2井与直井的连通;

(5)重复 (3)的工作，对水平井P2进行固井侯凝;

(6)最后进行扫塞施工，再次使两口水平井与洞穴直井的连通，完成V型水平井组。

3 应用实例

2012年4月8日，中石化华东分公司在延川南煤层气工区完钻了第一个V型井组——延5V1井组，延5V1井组由一口排采直井延5V1井和两口水平井延5V1－P1、延5V1－P2组成，在2#煤层实现3井连通，实际钻井过程中首先进行延5V1－P1与直井的对接连通，通过采取直井填砂特殊工艺对延5V1－P1井固完井，接着实施延5V1－P2井水平段段钻进、连通及完井作业，交替进行。煤层段钻井过程中采用绒囊钻井液体系，两水平井均未出现井壁失稳坍塌现象，连通距离分别为1030m和750m。该V型井组工艺复杂，施工难度大，通过掌握该类特殊结构井的核心技术，为中石化延川南区块煤层气勘探开发提供了技术支撑，对下一步大规模建产起到积极作用。

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