煤层气多分支井成井失效分析及补救措施研究

邱爱民，张　波，邱爱利，李宗源

(1.中国石油华北油田公司工程技术研究院，河北沧州　062552；2.开滦能源化工股份有限公司吕家坨矿业分公司，河北唐山　063000；3.中国石油华北油田公司煤层气事业部，山西长治　046000)

煤层气经过多年的勘探开发，形成了“直井—‘U’形水平井—多分支水平井—复杂多分支水平井”等开发方式，积累了一系列煤层气开发经验。煤层气多分支井是从主水平井或直井井筒钻出多个分支井眼，以提高储层的泄气面积，提高产量[1]。煤层气多分支井技术正是针对煤层气储层的低压、低渗、低流体动能和低产特性而提出来的集煤层气钻完井与增产措施于一体的开发技术[2]。煤层气分支水平井具有波及面积广、提高煤层导流能力、减少煤层损害、单井产量高、经济效益好等优点[3]，多分支水平井成为煤层气开发的有效方式之一。

1　煤层气多分支水平井类型及存在的问题

经过多年的煤层气开发，我国对煤层气的勘探开发已具一定规模，多分支水平井已成为煤层气勘探开发的有效方式之一。

1.1　煤层气多分支水平井类型

目前常用的煤层气多分支水平井有单主支多分支水平井(图1a)，双主支多分支水平井(图1b)等。

图1　煤层气多分支井类型Fig.1　The types of coal-bed methane multiple laterals horizontal well

1.2　煤层气多分支水平井存在的问题

截至2016年底，华北油田所完成的煤层气多分支井数量达到 150 余口，据统计，发生垮塌的井数占已钻水平井总数的39. 3%[4]。煤层气多分支水平井在煤层钻井时发生井壁垮塌、掉块及其他因素等造成成井失效。多分支水平井成井失效后对煤层气后期的勘探开发造成一系列问题：①减小单井控制面积，无法实现地质目的，比如QP12-62井设计控制面积为0.4 km2，发生成井失效后，完钻后实际控制面积仅0.18 km2，如图2所示；②扰乱煤层气开发布局；③增加勘探开发成本。

图2　QP12-62井完钻轨迹Fig.2　Drilling trajectory of well QP12-62

2　多分支水平井成井失效因素

煤层气井的目的层是煤层，引起煤储层成井失效的原因有内因和外因，即地质因素和工程因素，两方面因素共同作用，造成煤层气多分支水平井成井失效。

2.1　地质因素

影响成井失效的地质因素主要有煤岩地质特性、宏观地质构造(破碎带、断层、向斜或背斜和陷落柱等)、煤层力学环境(地应力和地层压力)。

2.1.1煤岩地质特性

煤层气储层是包含基质孔隙和裂隙孔隙(割理)的双重孔隙结构，同时煤层割理微裂缝发育，相互垂直的面割理和端割理存在较高的剪切应力。煤岩体具有弹性模量低、泊松比高、性脆、易压缩、易水化、不稳定、非均质性强、机械强度低等特点[5]。钻进过程中：①水与煤储层中的黏土矿物发生水化作用，造成突发性剥落坍塌，煤岩浸泡的时间越长，煤层吸水垮塌得越严重；②煤层的非均质性导致在多分支水平井眼导向轨迹控制难度加大，以及泥岩夹层、地层的突变，导向轨迹频繁出入煤层，泥煤岩交界处不稳定，易发生井壁垮塌、掉块等复杂现象，导致成井失效。成井失效后，主、分支井眼钻进延伸困难。

2.1.2宏观地质构造

在地质运动的作用下，煤层产生了很多复杂的地质构造：①破碎带。主要是断层破碎带和高应力破碎带，钻进至破碎带时易发生掉块、卡钻等事故，致使钻进困难。②断层。由断层形成的岩性突变和断层破碎带是影响井壁稳定控制的两个因素。③向斜、背斜及陷落柱。向斜、背斜对煤壁稳定的影响主要是会产生张应力和压应力两个应力区，当井眼钻开后，破坏应力区，造成应力释放使井壁失稳，陷落柱会造成岩性突变。复杂地质构造会导致煤岩强度、裂缝发育、岩性突变，影响钻井过程中的井壁稳定，易造成成井失效。

2.1.3煤层力学环境

煤层力学环境主要是地应力和地层压力，地应力在煤层中各个方向不同，在面割理方向上的水平主应力最大，在端割理方向上的水平主应力最小[6]。钻开煤储层后，地层原有的应力状态重新分布，当地层应力寻找新的平衡过程中会有应力释放造成井壁失稳，掉块、坍塌等复杂现象造成成井失效。

2.2　工程因素

2.2.1钻井参数不当

钻井参数的设计和选择影响钻进速度和施工的安全。①滑动钻进。水平段容易发生“托压”现象，造成钻压传递困难，钻具在较大摩阻的情况下会发生屈曲，持续较大的钻压会突然释放，对煤层井壁和井底产生强烈的冲击，致使煤层井壁产生脆性剥落、掉块，产生井眼垮塌从而造成井眼成井失效。②复合钻进。钻具的转动和涡动对煤层井壁振荡冲击，造成井壁掉块、井眼垮塌，致使成井失效。③作业排量。采用清水或水基钻井液钻进，携岩效果较差，采用较大排量携带煤灰和煤屑，钻井液对煤层井眼持续冲刷，致使井壁失稳、垮塌，造成成井失效。

2.2.2工艺措施不当

(1)起下钻速度控制不当产生液柱压力波动破坏井壁稳定性，致使井壁掉块、垮塌造成成井失效；

(2)起下钻划眼作业，钻头旋转会再次破坏井壁稳定性，致使井壁失稳造成垮塌；

(3)施工周期过长，使用水基钻井液钻进时，煤层吸水疏松和黏土矿物水化膨胀，浸泡时间越长，煤层易发生坍塌。

3　应急补救措施

鉴于煤层的特殊性，针对煤层气多分支水平井成井过程中出现的成井失效问题，本文通过工程轨迹设计优化、工艺措施参数优化等应急补救措施，弥补成井失效后造成的不良影响。

3.1　工程轨迹补救设计

根据地质要求的控制点对成井失效后的分支井眼轨迹重新设计，实现分支井眼均匀展布，减少主井眼的侧钻分支，来保障主井眼的稳定和通畅，充分揭开煤储层，使得气体有充足的渗流通道，达到良好的开发效果。通过现场应用实践，本文研究创新了两种工程轨迹补救设计方法，并取得良好效果。

(1)“两段扭方位”式分支井眼轨迹补救设计技术，分支井眼轨迹1次扭方位15°左右后稳斜钻进，其稳斜段的目的是预留侧钻点，最后2次扭方位到设计方位后稳斜钻进至地质控制点，完成“Ⅰ”分支井眼，采用保守的“后退式”钻井方式侧钻“Ⅱ”分支。单主支多分支水平井“两段扭方位”轨迹补救设计方式如图3b所示，双主支多分支井“两段扭方位”轨迹补救设计方式如图4b所示。

图3　单主支多分支水平井轨迹补救设计Fig.3　Trajectory remediation design for single main branch multi-lateral horizontal wells

图4　双主支多分支井水平井轨迹补救设计Fig.4　Trajectory remediation design for double main branch multi-lateral horizontal wells

(2)“侧钻脉支”式分支井眼轨迹补救设计技术，按照原设计侧钻分支“Ⅰ”，根据实际情况设计合适的补救脉支个数，在“Ⅰ”分支稳斜段预留脉支侧钻点，采用保守的“后退式”钻进方式侧钻后续“Ⅰ”“Ⅱ”脉支。单主支多分支水平井“侧钻脉支”轨迹补救设计方式如图3c所示，双主支多分支井“侧钻脉支”轨迹补救设计方式如图4c所示。

3.2　工艺措施参数优化

通过现场实践和工艺技术优化研究，优化工艺措施参数保障措施，保证多分支水平井施工作业。

(1)简化钻具组合结构。尽量使用结构简单钻具，减少扶正器使用，使用承压钻杆代替钻铤，有效缓解水平段托压现象[7]。

(2)优化钻进参数。煤层段钻进的重点是确保井眼清洁，维持井壁稳定，保证井下安全钻进。通过煤储层特性研究及现场实践应用效果，优化确定施工参数的“五低”，即低排量、低钻压、低转速、低泵压、低比重。水平段钻井排量控制在13～18 L/s左右，其有效减少钻井液对煤层井壁的冲刷，降低了煤层的垮塌风险[8]；钻压控制在2～4 t范围内，钻柱转速控制在20 r/min左右，控制煤层段钻进速度，降低煤屑产出，利于井眼清洗，并降低钻具震动对煤层井壁的破坏。

(3)优化施工工艺。在煤层水平井段钻进时要快速钻进，使煤层不受钻井液的长时间浸泡；在煤层钻进施工时，钻进时操作要平稳，划眼时要降低转速，减少起下钻次数，并控制起下速度，减少液柱压力波动对井壁的伤害。

(4)优化煤层轨迹导向控制。要保证井眼轨迹在煤层的钻遇率，采用“弯螺杆+LWD/ MWD + GR/ EMWD+方位GR”的地质导向钻具组合，煤层段分支井眼轨迹控制要平滑，控制钻压钻进，减小钻压波动幅度，确保井眼轨迹控制在煤层稳定区域延伸。

4　现场应用

QS1-H井是沁水盆地一口煤层气多分支水平井，采用单主支多分支水平井设计，在施工过程中发生分支井眼成井失效问题。为了实现多分支水平井的煤层控制点，保障煤层气多分支水平井的控制面积，根据实际井眼质量和煤层情况，采用“侧钻脉支”分支井眼补救设计技术，并优化钻进参数和地质导向控制技术，QS1-H顺利完钻，达到设计目的，取得良好效果，其实钻井眼轨迹如图5所示。

图5　QS1-H井实钻轨迹Fig.5　Drilling trajectory of well QS1-H

5　结论

通过对煤层气多分支水平井成井失效的地质因素和工程因素进行分析，创新研究应用了工程轨迹补救设计技术和工艺措施参数优化技术。通过在山西沁水盆地煤层气的应用实施，已取得了良好效果，提高了成井效率，保障了多分支水平井单井的产气量。

(1)成井失效的地质因素主要是煤岩具有性脆、易水化、不稳定、机械强度低等地质特性，分布有破碎带、断层等复杂的宏观地质构造，并且煤层地应力各向异性差异较大。

(2)成井失效的工程因素主要是在钻进施工过程中钻压、转速、排量等钻井参数不当和频繁起下钻、划眼等作业施工工艺措施不到位引起的钻具震动和压力激动对煤层井眼的冲击破坏。

(3)井眼轨迹补救设计技术，主要是采用单分支“两段扭方位”侧钻分支技术和分支“侧钻脉支”轨迹补救设计技术，优化分支井眼的轨迹布局，实现地质控制点的目的。

(4)工艺措施参数优化技术，主要是优化钻具组合结构，采用“五低”钻井参数；优选施工工艺措施，控制起下钻次数及起下速度，采用地质导向轨迹控制技术，确保井眼轨迹在煤层稳定区延伸。