双管柱筛管完井技术在沁水煤层气区块水平井开发中的应用

鲜保安，王 力，张晓斌，毕延森，张 洲

（1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作454000；2.中原经济区煤层（页岩）气河南省协同创新中心，河南焦作454000；3.河南省非常规能源地质与开发国际联合实验室，河南焦作454000；4.中联煤层气有限责任公司，北京100080；5.北京九尊能源技术股份有限公司，北京100011；6.中国石油大学（北京），北京102249）

由于我国天然气资源紧缺，煤层气作为一种洁净的非常规天然气，是我国能源的重要补充，其开发和利用对解决能源供需矛盾和环境污染问题极为重要[1-2]。目前我国煤层气呈现单井产量偏低、煤体结构复杂、非均质性强、单井产量差异大的特征[3-10]，煤储层钻完井液对煤储层伤害一直没有彻底解决[11-15]，直接影响煤层气水平井单井产量。截至2019年底，国内煤层气已累计钻井19 000余口，其中水平井939口。水平井钻完井工艺技术推动了沁水地区煤层气高效开发模式，但是由于裸眼完井水平井筒坍塌造成的减产与停产问题日益显著，水平井开发技术适用性越来越得到重视。沁水区块15#构造煤层结构复杂，纵向与横向变化大，煤层渗透性普遍较低，且差异性很大，前期储层改造后平均单井日产气量不足1 000 m3，制约着煤层气水平井单井产量的提高，急需在煤储层改造及增产技术方面加大研究与试验。

1 煤层气水平井双管柱筛管结构与完井机理

煤层气储层具有低孔、低渗、易受污染等特点，在煤层气水平井钻井过程中煤储层极易受到物理、化学伤害，造成渗透率降低，限制后期排采的产气量。为了解决此问题，煤层气水平井钻完井技术也在不断发展与完善，先后研发了PE 筛管完井、钢筛管完井、玻璃钢筛管完井[16-19]，但上述完井工艺重点在于对井眼的支撑，没有应对钻井液对煤储层伤害的合理措施。在此基础上，研发出双管柱筛管完井工艺，技术核心是长期支撑井壁与及时消除钻完井液对煤层的伤害。

1.1 水平井双管柱筛管结构

双管柱筛管完井结构由外层管柱的筛管柱（图1a）与内层管柱的冲洗管柱（图1b）构成，外层管串结构包括浮鞋、盲管、密封筒、筛管串、悬挂器、扶正器、钻具，内层管串结构包括抛光管、冲管串、调整短节，内外层管柱最后都要与悬挂器相连。玻璃钢筛管已形成不同井身结构的配套系列产品，即φ73 mm、φ89 mm与φ110 mm及配套的冲洗管柱结构。

图1 双管柱筛管完井管串的内、外层管柱结构Fig.1 Structure of inner and outer string of dual-tubing screen completion

1.2 双管柱筛管完井机理

煤层气水平井双管柱筛管完井工艺主要机理在于：首先利用水力冲蚀作用消除井壁1～3 mm厚度的泥饼带，再利用水力喷射高压逐步消除冲洗带与过渡带煤岩裂缝中残留的钻井液（图2），疏通井壁附近煤层原始裂隙。煤岩储层渗透率恢复率为76%～80%，降低地层流体进入井筒的压力损耗，有利于提高煤层气采出率。以郑庄区块某井3#煤层为例，利用等温曲线法预测煤层气采收率，煤层原始含气量（V）为25 m3/t，PL为2.0 MPa，VL为35 m3/t，参照传统完井方式的煤层气井弃井压力假设为1.0 MPa，含气量为10.5 m3/t时对应的按照式（1）计算煤层气采收率为46.7%；采用无固井相钻井液配合洗井作业后地层流体进入井筒的压力损耗为洗井前的80%，临界解吸压力为4.0 MPa，此时煤层气采收率提高至66.7%。

式中：Rf为煤层气采收率，%；V为原始含气量，m3/t；VL为兰氏体积，m3；pL兰氏为兰氏压力，MPa；pad为枯竭压力；pcd为临界解吸压力

图2 煤储层伤害范围剖面Fig.2 Scope of damage to coal reservoir

2 双管柱筛管完井方法

2.1 双管柱筛管完井工艺主要配套工具

XGS-178×114多功能悬挂器可连接冲洗管与筛管，是适用于直井、大斜度井、水平井筛管完井的专用工具，配合筛管、冲管及专用喷头，实现筛管和冲管的内外双层连接，在管柱下入过程中遇阻时，可实现开泵循环冲洗，保障筛管下至设计位置。

1）多功能悬挂器组成

多功能悬挂器包括上接头、活塞缸、坐封活塞、坐封卡瓦、滑套球座、中心管、外连接管、一级柱塞、梯形凸台、二级柱塞、剪切销钉（图3）。

图3 XGS-178×114型多功能筛管悬挂器Fig.3 Type XGS-178×114 multi-function screen pipe suspension

2）多功能悬挂器技术参数

多功能悬挂器技术参数见表1。

表1 XGS-178×114型筛管悬挂器技术参数Table1 Technical parameters of XGS-178×114 screen pipe suspension

3）主要功能

多功能悬挂器实现外层筛管和内层冲管的层连接，在管柱下入过程中遇阻时可实现开泵冲洗井底沉砂，保障筛管下入至设计位置；当筛管下至设计深度时，投球进行打压，实现卡瓦坐封，将筛管柱悬挂固定于生产套管内壁；完成卡瓦坐封后，正转倒扣，实现钻具与筛管本体的丢手分离；完成打压后，内部通道打开，配合冲管及专用喷头可实现水力喷射洗井；如发生井下复杂情况，可使用专用打捞矛回收悬挂器。

2.2 双管柱筛管完井工艺

煤层气水平井双管柱筛管完井工艺，是使用冲管、悬挂器等工具辅助将完井玻璃钢或钢筛管串送入裸眼井段，固定在上层套管后，并进行洗井的一种煤层气水平井完井工艺。目前应用于单支煤层气水平井完井中，适用的井身结构见表2。

2.3 工艺施工流程

双管柱筛管完井工艺现场施工分为11个步骤：①施工准备；②下筛管；③下冲管及配长；④安装悬挂器；⑤测试悬挂器；⑥下钻具；⑦进行坐挂丢手操作；⑧洗井；⑨起钻具；⑩卸悬挂器；⑪甩冲管。工艺流程见图4。

图4 双管柱筛管完井工艺流程Fig.4 Technical process of dual-tubing screen completion

该项工艺的现场应用的关键在于双层管柱的成功分离。在直井或定向井中井斜角相对水平井较小，完井管柱悬重在丢手后会有明显减小，可作为判断丢手是否成功的显示。煤层气水平井双管柱在弯曲井段与水平井段受摩擦阻力影响显著，丢手前是筛管与井壁的摩擦阻力，丢手后是冲管与筛管的摩擦阻力，管柱材质、管柱结构组合、钻井液性能、井身轨迹、摩擦系数等均为影响摩擦阻力的因素，导致煤层气水平井双管柱筛管完井管柱摩擦阻力理论计算较为复杂，为了便于现场应用，采用管柱上提、下放悬重变化作为判断双管柱筛管完井管柱系统是否成功分离的判断依据。

煤层气水平井双管柱完井工艺统计现场应用φ114 mm钢筛管完井33口井进行分析，受煤层气水平井井眼轨迹、钻井液性能、管柱结构等影响，井下管柱受力情况复杂，不同井存在较大差异，管柱悬重呈现较强的离散性；煤层气水平井双管柱在分离前后上提、下放悬重差异，由于煤层埋藏深度一般不超过800 m，水平井水垂比超过2，双管柱受到摩阻影响在分离前后上提、下放悬重变化相对较小，但仍为判断双管柱分离的重要指示特征（图5）。在现场应用中悬挂器完成丢手后上提钻柱后再下放至悬挂器悬挂位置并施加钻压3～5 t，钻柱不发生向下移动，证明悬挂器悬挂丢手成功。

表2 双管柱筛管完井井身结构Table2 Well structure of dual-tubing screen completion

图5 F114 mm钢筛管与冲管分离前后悬重对比Fig.5 Suspension weight comparison of F114 mm screen pipe before and after separation

3 水平井双管柱筛管完井工艺技术应用

在山西沁水盆地南部成功推广应用331口煤层气水平井双管柱筛管完井技术，相比2014年之前的裸眼水平井，筛管完井水平井稳产周期提高5倍以上，山西组3#煤层气平均日产气量由原来低于5 000 m3提高到20 000 m3，最高日产量达到38 000 m3，如图6所示；太原组15#煤层气平均日产气量由原来不足1 000 m3提高到10 000～12 000 m3，最高日产量达到32 151 m3，实现了15#煤层气开发技术和产量的重大突破，从根本上解决了15#煤层气开发的技术难题。

4 认识与结论

1）水平井双管柱筛管完井工艺技术，现场施工稳定性高，操作性强，可以满足煤层水平井井眼支撑井壁与清除井壁附近钻井液的伤害的要求，尤其是后期的长期排采，可以长期保持井壁稳定，为稳产、高产提供良好的井眼条件。

图6 沁水区块3#煤层某裸眼完井水平井与某筛管完井水平井生产曲线Fig.6 Comparison of production curves for a horizontal well with open hole completion and a horizontal well with screen completion in 3#coal seam of Qinshui Block

2）双管柱筛管完井技术在山西沁水盆地南部煤层气推广应用331口水平井，相比2014年之前裸眼完井，3#煤层平均单井日产量提高4倍，稳产周期提高5倍以上，解决了该区块15#煤层开发技术难题，实现了沁水盆地水平井完井方式的转变。

3）煤层气水平井双管柱筛管完井工艺专用悬挂器技术已成熟，尤其是其连接的冲洗管串能够实现筛管外环空冲砂、洗井，并可以根据井下条件设定灵活的洗井水力参数，提高冲洗井壁的效率，对减少煤层污染与提高煤层气产量具有重大意义。