三交地区加密煤层气多分支水平井关键技术

任美洲

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

多分支水平井被引入煤层气开发领域，成为目前煤层气勘探开发中常用的技术手段之一。三交地区地处鄂尔多斯盆地东部边缘，从构造上讲呈南北条带状展布，属于吕梁山复背斜西翼的一部分，总体构造为西倾的单斜构造，有利于煤层气的生成和储存，该区域煤层气资源储量丰富［1］。但早期煤层气勘探开发缺少整体规划，多为粗放式开发，加上技术条件限制，该区域并未得到有效开发。随着钻井技术的日益成熟，近年在该区域进行了水平井、分支井井网加密。加密井网的布置可进一步探明区域煤层构造、埋深及厚度；与邻井形成整体降压效果，提高区域煤层气产量；在主井眼开多个分支，可大幅减少井场建设用地，降低钻井成本，保护土地资源［2］。

1 加密多分支水平井的问题分析

由于加密煤层气多分支水平井实际上是对原探明区域的二次开发，所以开发成本加大及技术要求提高。结合煤层气多分支水平井的特点，在该区域实施加密煤层气多分支水平井主要存在以下问题［3-5］：

1）井场面积受限。在布井时一般考虑要尽可能的减少井场占地面积，这样使钻井技术难度大幅提高，必须一次性精确进入目的煤层。

2）井身质量要求高。确保与先期施工的直井进行连通，连通后继续在目的煤层钻进至设计井深，并要保证后期完井作业顺利。

3）目的煤层钻遇率要求高。主井眼完成后，需按照设计要求完成分支井眼施工，保证煤层钻遇率在95%以上。

2 应对加密多分支水平井问题的关键技术

针对以上问题，在三交地区通过对以往邻井成果资料分析，综合对比地质、录井、测井资料进行地层情况分析，正确筛选标志层，预测目的煤层层位，进行多分支井井眼轨道及井身结构设计，钻进过程地质工程师做好岩屑录井工作，比对分析不同层位岩性，计算目的煤层产状，优化井眼轨道及井身结构，以精确中靶；综合利用地质导向技术、EMWD随钻测量系统及RMRS电磁测距系统，保证与生产直井确连通后继续钻进至设计井深及煤层钻遇率；优选钻进参数，优化钻井液体系，确保井眼光滑稳定，为玻璃钢筛管完井提供保障［6-7］。

3 关键技术的现场应用

3.1 项目概况

SJ107-H1井是位于在鄂尔多斯盆地东缘晋西挠摺带中部，东临吕梁隆起布置的一组加密煤层气多分支水平井，是SJ107-1井组的水平井部分，其中SJ107-V1生产井已于2018年完成。受周边交通情况影响及井场面积限制，按照设计要求，SJ107-H1井与SJ107-V1井近距离连通后，需继续沿目的煤层钻进至井深约1000m处形成主井眼，侧钻开分支分支总进尺约4000m，在主井眼下入Φ88.9mm玻璃钢筛管完井。SJ107-H1井井位布置图及井身结构示意图分别见图1、图2。

图1 SJ107-H1井井位布置图

图2 SJ107-H1井井身结构示意图

3.2 地层情况

三交地区各类岩层均有局部出露，第四系广泛遍布于山梁和沟谷中。据钻探揭露地层由老至新依次为：奥陶系中统马家沟组、峰峰组；石炭系上统本溪组；二叠系下统太原组、山西组、下石盒子组，上石盒子组、石千峰组；三叠系下统刘家沟组、和尚沟组、中统二马营组；以及新生界第三系上新统保德组、第四系中更新统离石组、上更新统马兰组和全新统。从分布于全区的煤层气及煤炭钻井资料来看，主力煤层广泛发育且分布稳定。［1］三交地区地层简况见表1。

表1 三交地区地层简表

3.3 多分支井主井眼井身结构优化

多分支井的主井眼质量是后续实施多分支井的关键，甚至直接影响多分支井的成败。而井眼质量往往是由轨道形式和井深结构。根据三交地区地质特征，及邻近地质资料分析。采用了“直-增-稳-增-水平”的五段制轨道类型和典型的三开井身结构。［4-7］一开用Φ311.15mm牙轮钻头，进入岩石层不少于15m，下Φ244.48mm表层套管，封固地表疏松层、砾石层，固井水泥返至地面。二开用Φ215.9mm牙轮或PDC钻头钻进，完钻深度465m，下入Φ168.28mm生产套管固井，注水泥返至地面。三开用Φ130.18mm牙轮或PDC钻头钻进，完成目的煤层进尺5080.00m，下入Φ88.90mm玻璃钢筛管579.97m完井。

3.4 钻具组合优化井眼轨迹控制技术

1）一开直井段。一开直井段采用塔式钻具组合钻进，利用塔式钻具组合下部钻具重量大，刚度强，重心低，与井眼间隙小，稳定性好的特点，保持了钻头平稳工作，在保证钻压的情况下，能够有效地采取有利的防斜打直措施，为下步造斜施工提供了有利的条件。

本井段钻具组合如下：Φ311.15mm三牙轮钻头+双母接头+转换接头+Φ165mm无磁钻铤×1根+Φ165mm钻铤×3根+转换接头+Φ127mm加重钻杆×1根

2）二开直井段+定向段。为保证二开直井段井下安全，减少因多次起下钻对井底产生的抽吸激动压力影响，使用单弯螺杆+EMWD仪器的钻具组合完成直井段和定向段施工。在直井施工过程中，为保证井身质量，采取小钻压高转速，轻压吊打的方法，施工过程中实时监测井斜，一旦井斜有增大的趋势，及时定向钻进纠斜，直井段井斜得到很好的控制，最大井斜0.92°，满足设计要求；在定向段施工中，每个单根测量数据，并根据数据及时修正待钻井段设计数据，合理安排每个单根复合钻进和定向钻进配比，在满足设计井斜方位的提下，尽量保证井眼轨迹平滑过渡。

本井段钻具组合如下：Φ215.90mmPDC钻头+Φ165.00mm螺杆马达×7.22m+坐键接头×0.81m+转换接头×0.58m+Φ127.00mm无磁加重钻杆（EMWD）×18.16m+Φ127.00mm加重钻杆 ×55.41m+Φ127.00mm钻杆串

3）三开连通井段。三开连通段使用强磁+单弯螺杆马达+EMWD仪器的钻具组合，在SJ107-V1直井下入RMRS仪器引导SJ107-H1井定向钻进，两井连通前20m保证方位偏小1°～1.5°，保证连通时连通点偏离直井0.25～0.30m，以达到偏心连通的目的。连通采用提前预算对靶方位、靶心距做好连通预测，从而保证成功偏心连通。

本井段钻具组合如下：Φ130.18mm钻头 ×0.24m+强磁接头×0.42m+Φ101mm1.5°单弯螺杆马达+单向接头×0.52m+231×SLH90定向接头×0.68m+Φ101mm无磁钻铤×9.22m+SLH90×210接头+Φ73.00mm钻杆串

4）三开煤层段+分支段。在三开煤层段施工中，利用地质导向技术，把钻井技术、测井技术和录井技术相结合，利用随钻测录地质信息控制井眼轨迹。利用平均伽马曲线（GR）初步判断钻头进出煤层情况，根据高边伽马（HiGm）、低边伽马（LoGm）进一步判断煤层的顶底板，并随时做出井底井斜预测分析。［7-8］当地层倾角发生变化，找出相应标志层并计算出发生变化后的地层倾角，及时调整轨迹，确保轨迹在煤层中钻进。水平段较长、井眼摩阻力客观存在，起下钻附加拉力较大，为保证遇到复杂情况时有足够的拉力余量应对，最大限度的简化钻具组合，以满足施工要求。［5-7］

本井段钻具组合如下：Φ130.18mm钻头 +Φ101mm1.5°单弯螺杆马达+单向阀+231×SLH90定向接头+Φ101mm无磁钻铤×9.22m+SLH90×210接头 +Φ73.00mm钻杆串 +211×310接头 ×0.3m+Φ73.00mm钻杆串。

3.5 钻井液优化

一开钻进中主要钻遇第四系黄土层，采用预水化膨润土控制好失水；二开使用聚合物钻井液体系，日常维护加入CMC、无荧光防塌润滑剂、聚丙烯酰胺等药品，以调整和维护泥浆性能，维护井壁稳定，并能将井内沉砂携带干净，保证二开钻进顺利进行；三开为了确保钻井液中的固相含量不对储层产生破坏，提高产量，故采用清水钻进，采用四级固控系统对钻井液进行处理，每2h测定一次比重、黏度。各井段钻井液性能见表2。

表2 钻井液性能表

3.6 完井

根据煤层特性及煤层气钻完井特点，水平井裸眼易造成目的煤层井壁坍塌，钢制筛管已腐蚀、寿命短、质量大，且会对煤矿后期机械化采煤造成影响，而PE筛管由于其抗压强度低，不能有效进行通洗井作业，大大限制了水平井产量。因此，采用玻璃钢筛管完井技术可有效解决以上问题。玻璃钢筛管具有耐腐蚀、流体阻力小、脆性大的特点。玻璃钢筛管结构图如图3所示。［8-11］

图3 玻璃钢筛管结构示意图

完钻起钻过程中，在起至每个分支侧钻点位置重新下入一次，并测量下入后的井斜方位，确保筛管下入过程中不会进入分支井段。下筛管前使用原钻具通井一次。通井下钻过程中每个分支侧钻点位置开动力头划眼处理一次，停止回转上提下放无显示后继续下钻通井。遇阻点开泵、回转划眼处理三遍，下钻到底开泵循环至井口无煤粉返出，替入清水起钻准备下筛管。SJ107-H1井将Φ88.9mm×7.5mm玻璃钢筛管65根，使用44根Φ88.9mm钻杆接玻璃钢筛管专用丢手工具送入主井眼421.32～1001.29m位置，下入玻璃钢筛管总长度579.97m，投球憋压至20MPa成功脱扣，起钻完钻，确定筛管送入预定位置。［12］

3.7 应用效果

SJ107-H1井完钻总进尺5561.00m，该井由一个主井眼和7个分支井眼组成，其中主井眼井深1398.00m，7个分支井眼共进尺4163.00m总进尺。目的煤层总进尺5080.00m，目的煤层有效进尺4939.00m，有效煤层钻遇率97.22%。主井眼在预定位置下入玻璃钢筛管579.97m，下入井深421.32～1001.29m。该井为区域地质构造资料进行了有效补充，加密多分支井有效沟通储层通道，煤层钻遇率超过设计要求，为后期排采提供了可靠保障。SJ107-H1井井眼轨迹垂直投影图和井眼轨迹水平投影图见图4、图5。

图4 井眼轨迹垂直投影图

图5 井眼轨迹水平投影图

4 结论

1）在煤层气储量丰富、早期已形成较多井组的区域实施加密多分支水平井可有效盘活老井，进一步减少开发成本，提高煤层气产量，是对煤层气资源二次开发的有效手段。

2）实施加密多分支水平井需要有先进的装备做支撑，综合利用地质导向技术、EMWD随钻测量系统及RMRS电磁测距系统是指导井眼轨道优化和轨迹控制的关键，也是保证目的煤层钻遇率的关键。

3）玻璃钢筛管的性能决定了采用玻璃钢筛管完井，不但可有效防止目的煤层井壁坍塌堵塞产气通道，有利于后期煤层气的排采。