沁水盆地南部煤层气钻井工艺技术适用性分析及对策

倪元勇 崔树清 王风锐 孙金峰

(1.中国石油华北油田公司，河北 062552;2.渤海钻探工程有限公司，天津 300457)

沁水盆地南部煤层气钻井工艺技术适用性分析及对策

倪元勇1崔树清1王风锐1孙金峰2

(1.中国石油华北油田公司，河北 062552;2.渤海钻探工程有限公司，天津 300457)

沁水盆地南部煤层气开发主要采用直 (斜)井和多分支水平井两种井型。实践证明，直 (斜)井所采用的钻井工艺技术简单，与科学的排采技术配套后，能够取得较好排采效果，能够达到煤层气低成本开发的目的。裸眼完井方式下的煤层气多分支井钻井技术，经过技术引入、规模引进和自主组织技术研发应用三个阶段的探索实践，形成了一系列煤层气水平井钻井配套技术。但由于受储层保护、井眼稳定等问题的制约，裸眼完井方式下的煤层气多分支井对沁水盆地煤层气开发适应性较弱，需要进行技术改进。

煤层气钻井技术 直井 多分支水平井 适用性 对策

沁水盆地是中国煤层气勘探开发投入较大、研 究程度较高的区域。开发层系主要是二叠系山西组的3号煤层，埋藏深度300～800m。该地区地层压力正常，塌坍压力较低，破裂压力较高，地层较为稳定。目前开发主要采用直 (斜)井和煤层多分支水平井两种井型。直 (斜)井采用套管射孔完井方式，通过压裂对储层改造后投产。多分支水平井一般由排采直井和煤层多分支水平井组成 (图1)，采用裸眼完方式，通过排采直井抽排投产。

图1 多分支水平井井组示意图

1 直 (斜)井钻井技术及适用性

由于煤层气储层埋藏浅、钻遇地层稳定，直(斜)井钻井较常规油气简单。井身结构为二开，D244.5mm表层套管坐入基岩10m，水泥返至煤层以上300m，D139.7mm生产套管下至煤层以下60m。定向井要求井斜小于30度 (排采要求)，井底位移250～300m(井网要求)。钻机选用钩载60～80t的水源钻机，小巧、轻便、占地少。钻井液为膨润土浆或聚合物膨润土浆，套管一般选用J55，水泥浆一般采用原浆稍调整流变性即能满足施工要求。

煤层气井产量较常规油气井低，直 (斜)井所采用的钻井工艺技术尽管简单，但与科学的排采技术配套后，能够达到煤层气低成本开发的目的。

2 多分支水平井钻井技术及适用性

华北油田于2005年开始探索水平井煤层气开发应用，水平井钻井技术的发展可划分为三个阶段:2005～2006年，为初步引入试验阶段;2007～2009年，为规模引进建产阶段;2010年至今，为自主组织研发应用阶段。

2.1 多分支水平井技术引入阶段

2.1.1 钻井工艺要点

(1)钻排采直井并在煤层处造洞穴 (图1);

(2)钻工艺井与排采直井在洞穴处连通;

(3)沿煤层钻一主支至设计井深，然后逐一退出钻出各侧分支;

(4)水平段钻进时，通过排采直井泵入钻井液从工艺井返出，帮助携岩;

(5)钻井液为清水;

(6)地质导向主要用伽玛值、含烃量、钻时等参数综合判断。

2.1.2 实施情况

2005年12月15日至2006年6月5日，华北油田引进了美国CDX公司羽状水平井技术，在沁水盆地樊庄区块实施晋平2-0-2和晋平2-0-4两口先导试验井。

晋平2-0-2井在主井眼方向钻了7个井眼，没有钻成径向分支，钻井过程发生断钻具、断套铣筒等事故，井壁严重坍塌，钻具不能重入，被迫弃井。该井水平段总进尺1213m，钻遇煤层进尺592m，煤层钻遇率48.8%。晋平2-0-4井在主井眼方向钻了四个井眼，径向方向钻了四个分支，但实钻轨迹与设计相差较大 (图2)。该井水平段进尺 4098m，钻遇煤层 3340m，煤层钻遇率81.5%。

图2 晋平2-0-4井径向分支实钻轨迹与设计轨迹示意图

2006年8月10日至9月7日，组织奥瑞安公司在本区块实施了FP1-1井，钻井施工过程顺利，达到了预定目标 (图3)。

图3 FP1-1井井眼轨迹

该井水平进尺5158m，煤层钻遇率90%，总进尺6094m。经两个多月的排水试采，平均产气量0.8 ×104m3/d，最高达到1.5 ×104m3/d。

2.1.3 阶段认识

煤层产状、断层情况等地质资料，是多分支水平井设计、导向施工的基础，是钻井成功的重要保证。晋平2-0-2井由于煤层产状不清，用钻头去找煤层，在主井眼方向钻了7个井眼才找到煤层，但已找不到适合的侧钻点，最终未能达到地质目的。

2.2 规模引进多分支水平井技术实施阶段

在多分支水平井引入先导试验见到一定效果的基础上，根据股份公司对煤层气开发的总体部署，华北油田规模引进多分支水平井技术实施产能建设，组织了美国奥瑞安公司实施钻采工程总包45口井。

2.2.1 技术特点

(1)由单主支过渡为双主支 (图4);

图4 煤层气双主支示意图

(2)水平段钻进时，通过排采直井泵入钻井液从工艺井返出，帮助携岩，发展为充气辅助携岩;

(3)钻机选型逐步优化，选用T200XD;

(4)钻具设计逐步优化，采用了无接箍钻具。

2.2.2 阶段认识

(1)煤层构造复杂，直接关系到煤层多分支水平井工程是否顺利;

(2)不同区带含气量差异大，对水平井产量有直接影响;

(3)主、分支产状 (走向)及分布 (控制面积)影响产量;

(4)不同钻井循环介质直接影响产量。

2.3 自主组织多分支水平井技术研发应用阶段

通过多分支水平井初步引入和规模引进建产，华北油田从2010年开始，以国家科技重大专项“山西沁水盆地煤层气水平井开发示范工程”为支撑，自主设计、自主组织施工，组织国内钻探企业进行技术攻关。通过两年多的技术研发和实践，克服了井壁垮塌、井眼重入困难等情况，事故逐渐减少、机械钻速逐步提高，形成了煤层气多分支水平井一系列钻井配套技术。

2.3.1 工程设计技术

(1)上倾轨道设计:煤层气的采出需要经过解析、扩散、渗流等复杂过程，这个过程的前提就是排水、输灰，形成上倾轨道设计。

(2)井身剖面设计:主水平井眼采用中曲率半径和“直—增—增—稳 (水平段)”的连增复合型剖面，井眼轨迹圆滑、摩阻和扭矩小，造斜点选在煤层顶部岩层上，增斜段曲率半径为50～100m。

(3)井底结构设计:以煤层吸附解吸模型结合煤层气渗流理论，建立了煤层气分支水平井结构优化设计模型，通过对比论证分支形态、水平段长度、分支角度和方位、分支间距等参数变化对产能的影响，形成了井底多分支结构设计技术。

分支数:2个主支、6～8个分支

总进尺:4000～5000m

主支长:800～1000m

分支间距:100～150m

两个主支夹角:10～15°

分支与主支夹角:20～45°

单井控制面积:≥0.3km2

2.3.2 复合造洞穴技术

通过现场应用实践，形成了具有独特设计理念的系列裸眼造穴工具及工艺，按工艺要求可调整造穴尺寸从0.4m至2m。

2.3.3 井眼连通技术

通过在直井和工艺井分别发射和接受强磁信号，已掌握了两井连通工艺，实现了一次性连通成功。两井交汇的靶心距最小10cm，最大30cm。

2.3.4 充气辅助携岩技术

由于煤层的破碎性，井壁易剥落掉块，甚至坍塌。钻井液必须具有足够的携岩能力，否则易发生卡钻事故。采用清水作为钻井液，携岩能力受到限制。为解决携岩问题，在水平井段钻进过程中，从洞穴直井充气，增加钻井液返速，钻井液 (清水)携岩能力得到大幅度提升。

2.3.5 钻进工艺技术

围绕动力钻具、钻头、钻井方式等措施的优选优化，全面掌握了现场施工技术，钻井速度及煤层钻遇率逐步提高。

2.3.6 地质导向技术

创建了MWD+360°GR导向模式，利用直井的伽玛测量数值，建立井组煤层段的伽玛模型，根据该模型指导水平分支井地质导向工作。地质导向技术日趋成熟，煤层钻遇率逐步提高，最高达到了 98.3%。

2.3.7 轨迹控制技术

悬空侧钻技术日趋成熟，井底结构符合率逐步提高。一是主支侧钻点预留技术;二是采用微降斜侧钻技术。

2.3.8 事故预防及处理技术

形成了煤层垮塌监测和处理技术，形成了早预防、早判定、早处理工程措施。一是从返砂、泵压、扭矩等参数及加强坐岗方面尽早捕捉垮塌现象;二是从尽快采取活动钻具、倒划等相应措施入手，制定了针对性管理、技术、操作措施。

2.4 多分支水平井钻井技术的适用性分析

裸眼完井方式下的煤层气多分支井钻井技术目前已基本掌握，并且实现了施工队伍国内化。但真正作为煤层气少井高产的高效开发技术，还有大量的工作需要探索。从目前已建成的开发区块初步统计来看，已投产的水平井“二八”现象明显，即:20%的井产出80%的产气量，水平井无产量的井较多。

多分枝水平井引进后，没有明显的技术突破，在一定程度上限制了水平井的规模应用，归结为四个主要技术问题:

(1)目前实施的轨迹强调在煤层延伸，由于煤层极易垮塌，导致钻井事故频出，钻井周期长，钻井成本高;

(2)水平井轨迹追求煤层钻遇率，在一些井段形成“U”型，排采液形成水塞，当钻遇底部结构煤时，排采可能造成“灰堵”，不利于高产;

(3)由于水平井段不稳定，若完井后产量低，井眼不可能重入，难以找到原因，没有有效的处理措施;

(4)目前，排采井在煤层中造“洞穴”，方便了水平井与直井穿针连通，但在后续抽排中易出现洞穴垮塌，或者井眼部分错位，导致排采难以入位。

综上所述，引进的多分支水平井对沁水盆地煤层气开发适应性弱，必须进行技术改进。

3 煤层气水平井钻井技术改进方向

裸眼完井方式下的煤层气多分支井钻井技术目前已基本掌握，并且实现了施工队伍国内化。但真正作为煤层气少井高产的高效开发技术，还有大量的工作需要探索。

3.1 技术瓶颈问题分析

目前多分支水平井应用存在两大主要技术瓶颈问题:一是携带煤岩及储层保护问题;二是井眼重入作业问题。

3.1.1 携带煤岩及储层保护问题

煤层气水平分支井均为裸眼完井方式，钻井循环介质既是钻井液，又是完井液。钻井液不但要具有携带岩屑、维护井壁稳定、冷却钻头等功能，更要具有不伤害煤层气解吸排出的功能。

(1)泥浆作为钻井液，能将煤 (钻)屑和井壁坍塌物及时带出，并能增强井壁稳定，确保分支展布、控制面积等达到设计要求。但泥浆作为钻井液会导致储层受到严重伤害，产能受到影响。

(2)清水作为钻井液，可最大限度保护储层不受伤害，但由于携岩能力有限，导致分支展布、控制面积等难以达到要求，同样影响产能。

3.1.2 井眼重入问题

(1)可钻性好导致钻井过程中难于重入。多分支水平井的主井眼和分支井眼当一趟钻不能完成时，由于煤层可钻性较好，下钻过程中遇阻卡进行划眼时，容易划出新井眼，实现不了井眼重入。这样，使水平分支井的形状和长度达不到预期的要求。

(2)井壁失稳导致井眼不规则，完井或作业管柱难于重入。由于煤层破碎、胶结差，即使井壁大面积坍塌，也难于钻成较为规则的井眼，导致完井、修井、洗井等作业时其管柱下不到位置，无法实施维护性作业。

3.2 技术改进方向

(1)强化钻井液体系研究，研发适合煤层特点的泥浆体系，在保护煤层不受污染的前提下，提高井壁稳定性和携岩效果;

(2)开展煤层井壁失稳机理和煤层强度随钻检测技术研究;

(3)开展在多分支水平井的主支和分支下PE筛管现场试验;

(4)积极探索适合沁水盆地煤层特点的新井型。

［1］董建辉，王先国，乔磊，等.煤层气多分支水平井钻井技术在樊庄区块的应用 ［J］.煤田地质与勘探，2008，36(4):21-24.

［2］李景明，巢海燕，李小军，等.中国煤层气资源特点及开发对策 ［J］.天然气工业，2009，29(4):9-13.

［3］乔磊，申瑞臣，黄洪春，等.煤层气多分支水平钻井工艺研究 ［J］.石油学报，2007，28(3):112-115.

［4］田中兰.山西晋城地区煤层气钻井完井技术 ［J］.煤层气地质与勘探，2001，29(3):25-28.

［5］崔树清，王风锐，刘顺良，等.2011.沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井工艺 ［J］.天然气工业，2011，31(11):18-21.

Applicability Analysis and Countermeasures on CBM Drilling Technology in the Southern Qinshui Basin

NI Yuanyong1，CUI Shuqing1，WANG Fengrui1，SUN Jinfeng2
(1.North China Oilfield Company，PetroChina，Hebei 062552;2.Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300457)

Vertical(oblique)wells and multi-branch horizontal wells are the two kinds of well which have been used in the CBM development in the Southern Qinshui Basin.The technology of straight(oblique)wells is simple，and can obtain good development effect by applying scientific drainage technology and achieve the goal of CBM development with low cost.CBM multilateral horizontal well drilling technology，which is a type of open hole completion methods，has been formed a series of matching technologies through three stages of exploration and practices，including technology introduction，scaled introduction and technologies independently developed.However，due to the reservoir protection and borehole stability problems such as restriction，CBM multilateral wells are weak in adaptability to CBM development in Qinshui Basin，and technical improvement is needed.

CBM drilling technology;vertical well;multilateral horizontal well;applicability;countermeasures

国家重大科技专项“山西沁水盆地煤层气水平井开发示范工程”(2011ZX05061)

倪元勇，男，华北油田公司钻采工程部副经理，高级工程师，长期从事煤层气钻完井技术研究和技术管理工作。

(责任编辑 韩甲业)