地质导向技术在煤层气鱼骨状水平井关键技术环节的应用探讨

刘勋才 黎 铖 史彦飞 彭文昌 肖 磊

(中国石油渤海钻探工程有限公司第二录井分公司，河北 062552)

鱼骨状水平井由一个主支和多个分支组成，在钻井过程中，一般采用前进式钻进方式，取代了常规的先主支，后分支的后退式钻进方式。在完成所有主支和分支的施工后，下入筛管完井。导向施工中，为了达到更大限度的增加渗滤面积的目的，需保证各分支的顺利延伸及合理展布，现场人员需及时提出分支轨迹设计方案，并在轨迹控制上更加精细。钻进过程中，为保证后期筛管的顺利下入，在主支井眼轨迹优化、侧钻点留取及悬空侧钻等关键技术上做好相应的控制措施。

1 工艺特点及分支轨迹展布

煤层气鱼骨状多分支水平井在水平段一般采用前进式钻探方式，要求在适当的位置先扭方位完成第一个分支，再退回扭方位处侧钻施工主支，当钻进至第二个分支起始点时，扭方位完成第二个分支，再退回侧钻主支(如图1所示)。以此循环，在反复完成多个分支和主支后，下入筛管完井。从水平投影看，各分支与主支井眼成羽状分布；从垂直投影图看，在侧钻点附近，分支在主支井眼的上方，主支井眼与分支井眼成上下分布。主支井眼一般设计800～1000m，分支数4～6个，每个分支长度300m左右。现场施工中，导向师在不违背设计原则的前提下，可根据实际情况，对分支的展布及分离速度灵活掌握。为了获得更大的渗滤面积，同侧相邻分支起始点间距一般控制在150～250m之间，异侧相邻分支起始点间距一般控制在70～130m之间。分支施工时，通过连续扭方位，逐渐与主支分离，分离角度主要按设计要求施工，扭方位的快慢，决定了分离距离的大小。在后几个分支的施工中，经常由于水平段较长，在连续定向扭方位段，出现井下钻具摩阻大、扭矩高、托压严重而无法定向钻进。因此，从分支整体布局及现场施工难度上考虑，前几个分支可适当加快扭方位速度，减小相邻分支间距，为后面的分支留足空间；后几个分支可适当增加相邻分支间距，降低扭方位速度，减小钻进中存在的风险。

图1 鱼骨状多分支水平井前进式钻进方式水平、垂直投影图

2 鱼骨状水平井施工难点

与其他类型的煤层气水平井相比，鱼骨状水平井在钻井施工中，除了邻井资料缺乏、构造多变、煤层易垮塌、低成本随钻仪器落后等固有难点之外，该类井因其独特的井型和后期作业要求，还存在以下几方面的难点。首先，因为该类井为单主支，后期在主支中下入筛管完井，所以在主支施工时，对轨迹质量要求更高，应尽量提高轨迹控制精度，减少大幅度调整。其次，在轨迹展布上，与其他类型的多分支水平井相比，该类井分支与主支的分布更加墨守成规，现场需合理安排各分支之间的间距以及延伸足够的长度，才能满足控制面积的要求，获得更多的泄油面积；其他类型的多分支井，若遇复杂情况，主支不能顺利延伸，可选择适当的侧钻点侧钻新的主支，而鱼骨状水平井若主支不能正常延伸，则后续所有施工将无法继续进行。此外，由于该类井型的施工特点，对现场人员来说，在侧钻点留取、悬空侧钻、井壁稳定等关键技术环节上提出了更高的要求。

3 关键环节控制措施

通过总结山西煤层气鱼骨状水平井现场施工特点，并结合多年来其他水平井施工经验，对主支钻进中的轨迹控制技术、侧钻点留取位置、悬空侧钻技术、筛管顺利下入等关键技术进行了总结，形成了一套较实用的控制措施。

3.1 主支轨迹控制技术

通过多口井实钻表面，煤层上部近顶板位置相对稳定，不易垮塌，保持在该部位钻进，可大幅度降低井下复杂情况的发生。此外，悬空侧钻均为降斜侧钻，将轨迹控制在煤层上部，增加了侧钻点的选择，同时减少了因降斜侧钻带来的底出风险。山西煤层气构造复杂，特别是小型正断层和褶皱较为常见，煤层走势、厚度、地层倾角变化快，难以掌握。此外，邻井资料相对缺乏，主要靠地震资料预测地层走势，而地震资料解释精度低，难以满足水平井施工的需求，参考价值较低，甚至给导向造成误导，因此想要控制主支一直在煤层上部钻进相当困难。现场根据煤层各区间伽马值大小，将煤层细分为多个单元，并结合随钻伽马曲线形态，随时判断轨迹在煤层中的位置。以zs79p2 井煤层内部特征为例，将煤层细分后不难发现，上部好煤伽马值为整个煤层最低，伽马值为13～20API，其上部顶矸、顶煤伽马值均在40PAI以上，下部好煤伽马值为20～30API(见表1和图2)。在实施轨迹控制时，可依据这一特征，围绕上部好煤导向施工，若伽马值升高致40PAI以上，则说明轨迹向上穿行，需适当降斜；若伽马值升高至20～30API，则说明轨迹进入下部好煤，需适当增斜。每次调整应尽量避免大段连续定向，采用小幅度多次的方式调整井斜，使轨迹圆滑，避免井眼轨迹出现较大的曲率波动。

图2 zs79p2井煤层伽马特征划分

表1 zs79p2井煤层伽马值统计表

3.2 侧钻点位置优选

鱼骨状水平井采用前进式钻井方式，先扭方位施工分支，再退回扭方位处侧钻主支，侧钻点留取是否合理，直接影响主支的完成质量。结合悬空侧钻特点，侧钻点选择应尽量满足以下几个要求：

(1)首先考虑控制面积，根据分支的整体展布，每个侧钻点之间的间距应控制在合理的范围内；

(2)侧钻点附近应为井下正常井段，若出现垮塌、托压严重等复杂工况，应另选合适的位置留取侧钻点；

(3)悬空侧钻均为降斜侧钻，因此侧钻点位置最好处于煤层中上部，确保侧钻成功后轨迹不会处于煤层底部或底出；

(4)侧钻点最好为分支扭方位增斜段，且井斜大于地层倾角2°～3°，有利于增加悬空侧钻的成功率；

(5)侧钻点位置应尽量避开构造变化段，避免侧钻成功后因构造变化而大幅度调整轨迹，影响轨迹质量；

(6)在每个侧钻点前20～30m应预留一个侧钻点，防止因侧钻失败而无侧钻点可用的情况发生。

3.3 悬空侧钻技术要点

鱼骨状水平井单主支的井型，使得悬空侧钻成为施工中的技术要点，可以说侧钻是否成功决定鱼骨状水平井的成败。主支悬空侧钻方法与其他井型基本相同，主要区别在于分支已提前扭方位，侧钻时只需以降斜为主，捎带扭方位。为保证侧钻成功率，现场应注意以下几项技术要点：

(1)侧钻前掌握侧钻点附近的井眼状况，确保井下情况正常，无掉块，上提下放钻具摩阻小，若井下复杂，应先处理正常后再侧钻；

(2)侧钻前几米严格控时，求稳而不求快，控时钻进是整个侧钻施工最关键的环节；

(3)掌握侧钻点及侧钻后20～30m地层情况，弄清侧钻点井斜角与地层倾角的关系，要求侧钻成功后，井斜达到合适的大小，无需再次进行调整；

(4)侧钻时应以降斜为主，使分支与主支轨迹尽快分离，快速形成稳定的夹壁墙；

(5)侧钻成功后的前几十米尽量避免快速上提、下放钻具，避免破坏夹壁墙。

3.4 筛管顺利下入控制措施

成功下入筛管是鱼骨状水平井顺利完工的前提条件。下筛管过程中，必须保证每经过一个侧钻点，筛管都进入主支井眼而不是分支井眼。由于主支水平段较长，且存在多个侧钻点，使得下筛管作业成为后期施工中的难点。为解决这一难题，施工中应做好相应的控制措施。

(1)优化主支轨迹质量

较高的轨迹质量是筛管顺利下入的有力保障。除了实时监测轨迹所处煤层位置，实施小幅度调整外，导向师还需结合区域构造特征及相关资料，预测待钻地层走势，提前做好施工模型，在构造变化段减少大幅度调整。

(2)前进式钻进有利于筛管下入

为了利于筛管的下入，在钻进方式上应选用前进式钻进方式。如图1、3所示，从两种钻进方式的垂直投影图可看出，前进式钻进方式主支井眼位于分支井眼下方，后退式钻进方式主支井眼位于分支井眼上方。下筛管时，由于重力作用，前进式钻进方式，更有利于筛管进入主井眼，因此，现场导向师需保证侧钻后，井斜至少小于侧钻前小 2°～3°。

图3 鱼骨状多分支水平井后退式钻进方式垂直投影图

(3)使主、分支井眼快速分离，并形成稳定的夹壁墙

由于煤层易破碎的特性，使得侧钻点附近形成的夹壁墙很容易垮塌，因此在侧钻过程中，应尽快保证夹壁墙的形成，且夹壁墙的形状不能为单一的垂直方向，最终的夹壁墙应在垂直和水平方向上都产生分离，防止在重力作用下发生垮塌。每次侧钻后，在向前钻进100m左右时，应退回侧钻点位置，将工具面摆放在与侧钻时相同大小，上提下放钻具3～4次，一方面确保主支井眼的通畅，另一方面破坏不稳定的夹壁墙，防止后续施工中发生垮塌。

(4)确保主井眼能够重入

钻进过程中起下钻或下筛管前通井，必须保证每次都能顺利重入主支井眼。若在侧钻点附近发生遇阻或摩阻大等问题，不能强行上提、下放钻具，应提前摆好工具面，停泵后下放钻具，成功下放后开泵测斜，验证是否重入主支井眼成功，并通过循环清洗井眼。

4 应用效果

2016年以来，在山西沁水盆地施工的7口鱼骨状多分支水平井中，地质导向人员通过对关键技术环节的把握，不仅取得了煤层平均钻遇率96.08%，水平段平均施工周期18.28天的较好钻井指标，且取得了分支侧钻成功率100%，套管下入成功率100%的良好施工效果。以zs76-1-1井为例，在水平段施工前期，地质导向便结合设计要求和构造预测，对各分支侧钻位置进行了提前规划，在不违背设计原则的前提下，有意避开构造变化段留取侧钻点。在水平段施工期间，尽量使侧钻点位置处于煤层中上部，本井除了L3侧钻点在煤层中下部外，其余均处于煤层中上部(图4)，保证了侧钻的成功率。此外，本井加强了对地质资料的分析和煤层内部特征的识别，避免了在水平段中大幅度调整轨迹，保证了轨迹质量；同时，每侧钻成功一次新的主支，均对侧钻点位置按要求进行处理，保证了套管在主井眼的重入。正因为地质导向在每个技术环节采取的合理控制措施，才能使本井不但取得了煤层钻遇率99.29%的较好指标，还能在正常工期内顺利完工。

图4 zs76-1-1井主支轨迹及分支侧钻点示意图

[1] 耿应春，孙铭新.胜利油田鱼骨状水平分支井钻井技术[J].石油钻采工艺, 2007, 29(5):20-22.

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