多分支水平井技术在大佛寺井田煤层气开发中的应用

张治仓

(陕西新泰能源有限公司，陕西 715300)

多分支水平井技术在大佛寺井田煤层气开发中的应用

张治仓

(陕西新泰能源有限公司，陕西 715300)

彬长矿区煤层气资源丰富，具备煤层气地面开采的良好条件。为降低矿井瓦斯含量，提高矿井安全系数，开发煤层气资源，在彬长矿区大佛寺井田实施一组煤层气多分支水平井，开发、利用4号煤层的煤层气。该井水平段采用地质导向及充气欠平衡技术，实现了井眼轨迹的精确控制和煤储层保护，提高了单井产气量。

多分支水平井 井眼轨迹 充气欠平衡 煤层气开发

1 彬长矿区煤层地质特征

彬长矿区位于鄂尔多斯盆地南部的渭北挠褶带北缘庙彬凹陷区，区内可采煤层为4号煤、4上煤、4上-1煤，4上-2煤，主采煤层为4号煤。该区煤层未经历强烈的构造和充分的煤化作用，煤的变质程度较低，镜质组最大反射率为0.50%～0.75%，其中4号煤最大镜质体反射率0.59%～0.68%，属低变质的长焰煤，局部为气煤。预测矿区煤层气资源总量为1.53×108m3，目标煤层厚度大、埋藏浅，气含量相对较高，具有较好的勘探开发潜力。核心区块煤层气资源丰度一般在0.06～1.26×108m3/km2，平均为0.26×108m3/km2，埋深300～1100m范围内，4号煤煤层气含量0.45～6.29m3/t，平均2.75m3/t；4上煤气含量0.09～3.49m3/t，平均0.81m3/t,如表1所示。

彬长矿区煤层多以原生结构煤和碎裂结构煤为主，煤的宏观和微观裂隙比较发育，裂隙宽度大。对大佛寺井田多口煤层气参数井的3号煤、4上煤和4号煤进行了注入/压降测试及煤芯样品的煤层气现场解吸实验，测试结果表明，3号煤平均渗透率为0.51mD，4上煤平均渗透率为0.34mD，4号煤平均渗透率为3.86mD。整体而言，该区煤层渗透率相对较高，如表2所示。

表1 煤层含气量测定结果

表2 煤层渗透率测定结果

2 DFS-05H井施工工艺

为了开发煤层气资源，降低矿井瓦斯含量，提高矿井安全系数，陕西彬长新生能源有限公司在大佛寺井田部署了煤层气多分支水平对接井DFS-05井组。该井组由DFS-05V直井和DFS-05H水平井组成，目的煤层为4号煤，水平井设计井深4000m，由1个主支和4个分支构成。DFS-05井身结构如图1所示。

图1 DFS-05井身结构图

2.1 造斜段钻进技术

造斜段钻具组合：φ215.9mmPDC钻头+φ165mmPDM++φ165NMDC×2+φ127mmHWDP+φ127mmDP，钻进参数如表3所示。

造斜段采用“单弯螺杆钻具+无线随钻测量系统”的常规定向钻具组合，通过滑动钻进的方式，实现扭方位、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，又可对井眼轨迹进行控制，随时根据地层变化调整轨迹，有效地提高钻速和轨迹控制精度，保证了煤层钻遇率。

表3 造斜段钻进参数

2.2 RMRS水平井连通技术

两井连通过程中，采用了RMRS技术(旋转磁测距导向系统)，该技术通过测量钻头和直井洞穴当前钻头的距离与相对位置，如图2所示，辅助定向作业，最终使水平井准确与直井洞穴连通。连通井段钻具组合：

φ152.4mmPDC+DRMTS+φ120mmPDM(1.25°)+φ120mmNMDC+MWD+φ120mmNMDC+φ88.9mmDP。

图2 RMRS在DFS-05H对接井中的应用

2.3 水平分支段钻进技术

水平段钻进过程中，为了精确控制井眼轨迹，采用了地质导向技术进行井眼轨迹实时监控。首先前期利用地震的资料建立区域地质模型，通过LWD监测地层伽马数值、电阻率等参数来修正地质模型，并实时调整井眼轨迹。另外辅以气测录井实时监测返出的岩屑和气体组分来判断钻头是否在煤层中穿行，确保煤层钻遇率。水平段钻具组合：φ152.4mmPDC+φ120mmPDM(1.25°)+φ120mmNMDC+EM-MWD+φ120mmNMDC+φ88.9mmDP，水平段钻进参数如表4所示。

表4 水平段钻进参数

水平段开分支时，选取侧钻点处5～9m井段划眼，工具面角摆到130°～160°或200°～230°，即老井眼左下方或右下方，目的是使钻头能够稳定地接触井壁，以正常钻时的3～5倍控时钻进，送钻一定要均匀，工具面保持稳定，钻压10kN，划眼重复3～5次，直至在原井壁划出一条沟槽进而形成新井眼。在钻进过程中，由于地层变化，部分分支无法继续施工，在Leg3、Leg4分支增加子分支Leg3-1、Leg4-1，扩大钻孔覆盖范围。

DFS-05H井钻进1个主支和5个分支、2个子分支。主支：646～1509m；Leg1分支：987.84～1499.48m；Leg2分支：975～998m；Leg3分支：850～1178.53m； Leg4分支：783～1053.78m；Leg3-1子支：1000～1432.21m；Leg4-1子支：880～1451.42m。总进尺为4163.78m；水平段进尺为3517.78m，井眼轨迹如图3、4所示。

图3 DFS-05H/V井井眼轨迹垂直剖面图

图4 DFS-05H井井眼轨迹水平面投影图

2.4 欠平衡钻进技术

为了保护储层，DFS-05H井穿过洞穴后采用清水+充气欠平衡钻进工艺，该工艺保护储层的机理是：以清水为钻井液，在洞穴井完钻后下入油管及井下封隔器，压缩气体通过油管进入到水平井的环空内，形成以气体为离散相、液体为连续相的充气钻井液体系，降低循环介质当量密度，使液柱压力低于地层压力，在井底形成负压差，以实现欠平衡钻进，达到既保护煤层又安全钻进的目的。DFS-05H井目标煤层压力系数为0.85，属低压储层。煤层厚度8.50m，煤层顶底板较为完整，地层适应性分析表明，目标煤层可采用充气欠平衡钻进工艺进行水平井施工。储层基本参数如表5所示。注气量及泥浆泵泵量计算较为复杂，采用Drillnet软件欠平衡钻进模块进行设计，欠平衡钻进井底压力校核见表6。

从表6分析可知，工况1、2、3均能满足安全欠平衡钻进的要求，即钻进过程中井底环空压力均低于储层压力，高于地层容许坍塌压力，上返流速大于极限上返流速。

实际钻进过程中，采用两台空压机与增压机配合轮流注气。EMWD环空压力监测模块监测数据表明，除接单根期间环空压力波动较大外，钻进过程中井底压力保持在4.4～4.9MPa，井底欠压值约0.2～0.7MPa，钻进过程安全高效。

表5 DFS-05H井目标煤层参数

表6 DFS-05H井井底压力设计校核表(分支长度以500m计)

3 DFS-05H井产气效果评价

DFS-05H井已累计排采260余天，产气量稳定在8000～12000m3/d，如图5所示，超过了该区块常规直井产气量的10倍。与采用射孔完井和水力压裂增产的常规直井相比，多分支水平井技术具有以下几点优势：

(1)增加有效控制面积。分支井眼与煤层割理的相互交错，提高了裂隙的导流能力，增大了单井控制面积，有利于提高产量。

(2)实现储层保护。常规直井完钻后要固井和水力压裂改造，对煤层造成不同程度的伤害。采用充气欠平衡技术及裸眼完井方法，有效地降低了煤层的伤害。

(3)降低综合成本。采用多分支水平井开发技术，单井成本比直井高，但在一个相对较大的区块开发中，减少了钻井数量、井场占地、钻前工程、钻井完井材料消耗等，降低了综合成本。

图5 DFS-05H/V井与直井日产气量对比

[1] 张康顺，陈龙，钱建峰，等.彬长矿区煤层气勘探开发潜力分析[J].中国煤层气，2015，12(4):3-7.

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

[3] 彭旭，郝世俊，赵永哲，等.大佛寺煤田DFS-U1水平井钻井液应用研究[J].煤炭工程，2012，10:100-103.

[4] 张晶，郝世俊，李国富.煤层气水平井充气欠平衡钻井的井底环空压力设计与控制方法[J].中国煤炭地质，2015，27(11):48-51.

(责任编辑 韩甲业)

Application of Multi-lateral Horizontal Well Technology in CBM Development of Dafosi Mine Field

ZHANG Zhicang

(Shaanxi Xintai Energy Co.,Ltd., Shaanxi 715300)

Binchang Mining Area is rich in CBM resources, and suitable for CBM exploitation. In order to reduce the gas content of coal mine, improve the safety factor, and develop CBM resources, a group of CBM multi-lateral horizontal wells have been implemented in Dafosi Mine Field of Binchang Mining Area to development and recovery CBM from No.4 coal seam. Geosteering and inflatable underbalanced technology was used to achieve the precise control of the well trajectory, protection of coal reservoirs and improvement of single well.gas production.

Multi-lateral horizontal well; well trajectory; inflatable underbalanced; CBM development

张治仓,男，高级工程师，长期从事煤层气开发方面工作。