煤層氣水平對接井鉆井技術(shù)研究

豐慶泰 李平

(1．中國煤炭地質(zhì)總局119勘探隊，河北 056107;2．格瑞克能源(國際)公司，河南 450000)

煤層氣水平對接井鉆井技術(shù)研究

豐慶泰1李平2

(1．中國煤炭地質(zhì)總局119勘探隊，河北 056107;2．格瑞克能源(國際)公司，河南 450000)

水平對接井(SIS)由水平井與垂直井對接組成，并可根據(jù)地質(zhì)條件和需要，設(shè)計成多口水平井與1口直井對接的多“U”型組合;其井身結(jié)構(gòu)簡單，尤其是完井后可下入一根高強度PVC篩管，克服因煤體坍塌、煤粉沉淀等原因可能造成的水平井段堵塞，還可對水平段井眼進行雙向沖洗，保證采氣階段井眼的暢通。煤層氣開發(fā)實踐證明水平井可有效地導(dǎo)通煤儲層的裂隙系統(tǒng)，增加氣、水導(dǎo)流能力，大幅度提高單井產(chǎn)量和采收率，是開發(fā)低壓、低滲地區(qū)煤層氣資源的有效手段，而水平對接井以其合理的井身結(jié)構(gòu)和獨特的完井方式，更適宜于中國大多數(shù)煤儲層條件的煤層氣開發(fā)。

水平對接井 煤層氣開發(fā) 地質(zhì)導(dǎo)向 水平鉆進

［HJ］Abstract:SIS consists of a horizontal well and a vertical well．Based on the requirements of the geological conditions and requirements，the author may design the well grouping as a“U”type assembly，consisting of a multiple of horizontal wells and a vertical well．The structure of wellbore is simple．Especially after well completion a high strength perforated PVC pipe can be lowered into the well to prevent the horizontal section from plugging due to collapsing of coal solid，or deposition of fine coal．Bidirectional flushing can also be carried out in the horizontal section of the borehole，so as to ensure smooth flow of gas in the production section of the borehole．Practical experiences obtained from development of CBM have proved that horizontal well can effectively connect the fracture system in coal reservoir．It can increase the diversion capacity of gas and water，and enhance to a great extent the production of a single well and recovery rate．It is an effective means to exploit CBM resources in low pressure，low permeability areas．SIS well due to its rational wellbore structure and unique completion method is more suitable for development of CBM in most coal reservoir conditions in China．

Keywords:SIS;development of CBM;geological guidance;horizontal drilling

中國大陸煤層形成后的地史時期，曾經(jīng)受過多 期次強烈的地質(zhì)構(gòu)造運動，使多數(shù)煤儲層的原生結(jié)構(gòu)遭受了很大程度的破壞，決定了中國煤層氣儲層普遍具有三低一高(低壓、低滲、低飽和及高含氣量)的特點，在很大程度上限制了地面垂直壓裂煤層氣井的產(chǎn)量。而順煤層水平井可有效地導(dǎo)通煤儲層的裂隙系統(tǒng)，增加氣、水導(dǎo)流能力，大幅度提高單井產(chǎn)量和煤層氣采收率，縮短回收周期，是開發(fā)低壓、低滲地區(qū)煤層氣資源的有效手段。近年來，國內(nèi)實施的大批煤層氣羽狀水平井(或多分枝水平井)獲得了較大的成功，尤其是在沁水盆地南部，單井產(chǎn)氣量最高已突破1.0×105m3/d，取得了很好的商業(yè)化開發(fā)效果。但是，由于羽狀水平井在近端與直井聯(lián)接，水平分支必須向上傾方向鉆進才利于氣井排水降壓，施工難度大，易發(fā)生卡、埋鉆事故，鉆井成本高;在氣井生產(chǎn)階段，水平段井眼坍塌和煤粉堵塞現(xiàn)象時有發(fā)生，造成主井眼內(nèi)大面積的死區(qū)或廢井，嚴重影響氣井產(chǎn)量和服務(wù)年限，鉆井成功率低。水平對接井(也稱“U”型井)，對溝谷縱橫地形條件復(fù)雜的高山地區(qū)，可節(jié)約大量鉆前工程和地面井場占地費用，利于提高投資綜合效益。另外，水平井段完井后下入高強度PVC篩管保證井眼暢通，能夠彌補羽狀水平井存在的缺陷，更適宜于中國大多數(shù)區(qū)域的煤層氣儲層開發(fā)。實踐證明一口成功的水平對接井其產(chǎn)氣能力可達5000～20000m3/d，顯示了良好的煤層氣生產(chǎn)潛力。

1 水平對接井技術(shù)特點及優(yōu)勢

1.1 水平對接井技術(shù)特點

水平對接井是由1～2口延伸近1000m定向工程井和一口垂直排采井組成的“U”型井組。垂直井布置在煤層標高相對較低處的定向水平井(近水平下斜鉆進)的遠端。施工順序是先鉆探垂直井，一般鉆至目的煤層之下50m左右完鉆，煤層段可保持裸眼或下入玻璃鋼套管，煤層頂板以上則下入套管并固井。目的煤層采用特殊工藝擴至井徑0.4m以上，便于與水平井聯(lián)通(見圖1)。

主要技術(shù)特點如下:

(1)井身結(jié)構(gòu)簡單，施工難度相對小。水平主井一般沒有分支，鉆具始終沿目標煤層向垂直井方位前進，平面擺動很小。鉆進時可控“LWD”導(dǎo)向組合鉆具基本沿煤層下傾方向近水平鉆進，技術(shù)要求整套系列鉆具在井內(nèi)彎曲角度和幅度變化小，井眼軌跡易于控制，鉆井效率和成井率高，綜合成本低。

圖1 水平對接井示意圖

(2)可最大限度降低液面，提高煤層氣采收率。垂直生產(chǎn)井布置在煤層標高較低處，利于排水采氣，當液面降至井底時，整個水平井段均處于水位以上，可最大限度地降低煤儲層壓力，利于擴展煤層氣泄壓解吸面積，提高氣井產(chǎn)量和采收率。

(3)能始終保持井眼暢通，延長氣井服務(wù)年限。水平井段完井后下入一根PVC篩管，可有效地防止排水采氣過程中井眼坍塌和煤粉堵塞，延長氣井的生產(chǎn)周期。當水量較大時，在排采初期兩井口可同時安裝排采設(shè)備進行排水降壓，還可通過注水、注氣等方式進行對沖洗井和解堵作業(yè)，保持井眼的暢通。

(4)鉆進方位可控，適應(yīng)性強。鑒于SIS水平井段鉆進方位可控，可適應(yīng)任何傾角的單斜地層。另外，較為簡單的井身結(jié)構(gòu)和植入的高強度PVC篩管，可以保證在煤層較為破碎的地區(qū)安全成井并獲得高產(chǎn)。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢比較

水平對接井與羽狀多分支水平井技術(shù)相比較，其建井理論基礎(chǔ)及增產(chǎn)原理相同，都是水平井與垂直井組合，由直井排采。主要不同點見表1。

2 水平對接井設(shè)計與鉆井注意事項

2.1 地質(zhì)設(shè)計

井位的設(shè)計是保證成功完井并獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。地質(zhì)設(shè)計須遵照下列原則:

(1)水平井與垂直生產(chǎn)井之間的目的煤層要有一定的高差，即水平井段需保持一定下斜角度鉆進，垂直井目的煤層位于較低的位置;

(2)避開較大斷層和斷層密集帶，以及劇烈起伏的褶皺帶，避開構(gòu)造煤發(fā)育層段;

表1 U型水平對接井與羽狀多分支水平井特點比較

圖3 垂直井井身結(jié)構(gòu)示意圖

(3)水平井盡量垂直或斜切割理裂隙;

(4)水平井與垂直井井口間距控制在900～1200m，煤層中鉆進控制在600～1000m。

根據(jù)上述設(shè)計原則，煤層氣開發(fā)區(qū)應(yīng)有煤田或煤層氣地質(zhì)勘探程度較高的地質(zhì)資料和2D或3D地震資料，詳細分析研究區(qū)內(nèi)的已有地質(zhì)資料，全面掌握區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地層產(chǎn)狀，獲取高精度煤層底板等高線圖是做好水平井設(shè)計的基礎(chǔ)。井位設(shè)計平面布置示意見圖2。

圖2 “U”型井位設(shè)計平面布置圖

2.2 鉆井工程設(shè)計

鉆井工程設(shè)計是在地質(zhì)設(shè)計的基礎(chǔ)上進行的?？茖W(xué)合理的鉆井工程設(shè)計是順利完井并獲得高產(chǎn)氣井的保障，所采取的工程工藝除了要考慮工程可行性，更要考慮對儲層的保護，防止鉆井污染目的煤層。

(1)垂直井設(shè)計。一般情況下作為水平對接井的垂直生產(chǎn)井有2種井身結(jié)構(gòu):

①φ244.5mm表層套管×H1+φ139.7mm技術(shù)套管×H2+裸眼段(煤層及口袋)。其中H1和H2分別為套管長度。固井后鉆塞并將煤層段擴眼至0.4m以上。井結(jié)構(gòu)見圖3。

②φ244.5mm表層套管×H1+φ139.7mm技術(shù)套管×H2至井底(煤層段為玻璃鋼套管)。固井后掃開煤層段玻璃鋼套管并擴眼至0.4m以上，等待水平井對接。井結(jié)構(gòu)見圖3。

(2)水平井設(shè)計。水平井鉆井分為三段，直井段、斜井段和水平段。直井段屬常規(guī)鉆井工藝，從造斜點至目的煤層著陸點為斜井段。

首先根據(jù)著陸點位置的目標煤層預(yù)測深度、厚度、地層產(chǎn)狀等資料，確定井眼進入煤層的初始角度，從而準確計算出造斜點的深度和斜井段軌跡。優(yōu)化的井眼軌跡設(shè)計可以大大節(jié)約鉆井成本。鉆井實踐證明，斜井段井眼軌跡長400～450m，水平位移可控制在200～240m，造斜率6°～8°/30m，水平段的理想井眼軌跡設(shè)計應(yīng)是自著陸點起沿煤層鉆進，至垂直井目的煤層擴眼處形成有坡度的下斜水平井。井結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 SIS井身結(jié)構(gòu)示意圖

3 鉆井過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制

垂直生產(chǎn)井無論是井身結(jié)構(gòu)還是完井方式，都與常規(guī)垂直煤層氣井相同，僅多了一項煤層段的擴眼，擴大井徑目的是方便與水平井對接。

3.1 造斜點的調(diào)整確定和造斜率控制

設(shè)計的造斜點通常選在穩(wěn)定性好、不易坍塌的較厚砂巖段，以便于造斜順利和井眼穩(wěn)定，并利于下一步鉆進。設(shè)計的造斜點往往與實際的鉆井剖面有差異，需對造斜段的斜率、長度、井眼軸線軌跡適當調(diào)整，否則將影響能否成功對接。

造斜率主要取決于造斜段的長度和著陸點處的地層傾角，施工時還可能受到造斜工具和地層產(chǎn)狀或巖性變化的影響，使造斜率在全造斜段不是均勻的，實鉆中往往只能將其控制在一定范圍之內(nèi)。沁水盆地南部施工的經(jīng)驗是選擇6°～8°/30m，避免出現(xiàn)狗腿嚴重度過大，保持井眼軌跡平滑。

3.2 著陸點的控制

井眼從造斜段進入目的煤層初始點(著陸點)時的角度控制是關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。此時井眼入煤的角度越接近煤層著陸點處的井軌跡方向視傾角越好，這對井眼的穩(wěn)定性及之后順利沿目的煤層鉆進是非常重要的。由于多數(shù)情況下設(shè)計的著陸點目的煤層深度是預(yù)測的，存在不確定因素。當煤層埋深變淺時，會提前鉆遇煤層，此時造斜尚不夠充分，強行鉆入必會造成狗腿嚴重度過大，極易造成卡鉆、埋鉆事故，并影響井眼穩(wěn)定性和之后的順利鉆進。當煤層變深時，按照設(shè)計鉆進造斜段結(jié)束時井眼軌跡已接近水平，漂浮在煤層上方，將無法鉆遇煤層。上述兩種情況都將給施工造成很大的困難，必須提前采取如下措施進行預(yù)防。

(1)詳細研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及其變化規(guī)律。在地面巖層出露較好的地區(qū)，應(yīng)沿設(shè)計的水平井軌跡方位線進行地面地質(zhì)踏勘，測量地層產(chǎn)狀變化及上部地層巖性及厚度。根據(jù)鄰近的地層柱狀剖面，盡量準確的推斷目的煤層深度。

(2)詳細研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育特征，準確掌握各層段的厚度、顏色、巖性變化、標志層巖性特征及其間距。在鉆進中，根據(jù)氣測、巖屑和鉆時資料特征實時進行每一個巖層的定量、定性分析，實施判斷鉆頭所處的地層層位，并據(jù)此推斷目的層的深度變化，進而及時調(diào)整造斜斜率。使著陸時的井眼角度和水平距離均能滿足設(shè)計要求，井眼軌跡平緩，達到最佳效果。

(3)斜導(dǎo)眼探煤。當?shù)刭|(zhì)資料不詳或地層產(chǎn)狀變化較大時，造斜段接近設(shè)計的著陸點時，可采取急速降斜的方式向下探煤，當鉆遇目的煤層后，起鉆并用水泥將探煤眼封閉。根據(jù)實際鉆遇目的煤層的深度和厚度調(diào)整原造斜段軌跡設(shè)計，選擇合適位置重新側(cè)鉆直至順利鉆至煤層著陸點。斜導(dǎo)眼探煤有下列優(yōu)點:①可精確定位著陸點深度;②有效降低煤層起伏變化的影響，減少無效進尺，保證水平段長度;③造斜點的選擇可根據(jù)確定的煤層深度調(diào)整，有利于水平段井眼軌跡在煤層中鉆進。斜導(dǎo)眼探煤雖增加了鉆井成本，但可避免因著陸點深度不確定造成的無效找煤鉆探和資金浪費。

3.3 水平段煤層鉆遇率的控制

鉆到著陸點之后，井眼軌跡要隨著地層傾向傾角的變化進行不斷調(diào)整，保證鉆具在煤層中鉆進。通常地下煤層的小起伏變化是未知的，實際鉆井時鉆具與煤層傾角始終保持一致很難控制。根據(jù)隨鉆LWD測量系統(tǒng)提供的地質(zhì)數(shù)據(jù)和泥漿錄井獲得的信息及時進行綜合分析判斷，為鉆進提供地質(zhì)導(dǎo)向。井眼軌跡控制是依據(jù)MWD信息解碼系統(tǒng)解讀出井下井斜、方位、工具面角等技術(shù)參數(shù)，隨鉆井工程進行設(shè)計軌跡與實際軌跡比較，控制工具面角度，實現(xiàn)井斜增、減與鉆進方位增、減的等參數(shù)調(diào)整，控制井眼軌跡盡量平滑。

井眼軌跡控制一是鉆前建立地質(zhì)導(dǎo)向模型，二是根據(jù)實鉆所獲的地質(zhì)參數(shù)，進行實時導(dǎo)向。地質(zhì)導(dǎo)向建模是通過垂直井的測井曲線資料、斜導(dǎo)眼的隨鉆伽瑪曲線及錄井資料進行對比分析，判定地層厚度，選擇并確定導(dǎo)向標志層，擬合出地質(zhì)導(dǎo)向模型圖。地質(zhì)導(dǎo)向需根據(jù)實鉆參數(shù)及時與導(dǎo)向模型、鄰井資料等對比，計算地層視傾角，并依據(jù)煤層在鉆進方向的視傾角對井斜進行適時調(diào)整，提高煤層鉆遇率。

3.4 鉆遇小型斷層的判斷與處理

設(shè)計水平井位時，要求避開已知的較大斷層帶，但小型斷層難以預(yù)測和避免，鉆遇斷層會給施工帶來很大的麻煩。因此，要依據(jù)已有的地質(zhì)資料和區(qū)域地應(yīng)力推斷可能出現(xiàn)的斷層性質(zhì)與產(chǎn)狀，盡可能使井眼軌跡垂直于斷層走向。實鉆時當井眼接近斷層，隨鉆測井曲線會出現(xiàn)跳躍。如斷距小于煤層厚度，斷層兩側(cè)煤層并沒有完全錯開，此時，可利用煤層、夾矸及頂、底板相關(guān)參數(shù)的差異，通過小層對比，以及隨鉆測量系統(tǒng)提供的上、下伽瑪數(shù)據(jù)分析，確定穿過斷層后的鉆頭位置。當鉆遇短距較大的斷層，煤層會突然消失，難以判斷鉆頭與煤層的相對位置時，可采用“觸頂”或“觸底”辦法來尋找煤層。探準煤層后將鉆頭抽回到適當?shù)奈恢?，重新鉆入煤層(如圖5)。

圖5 鉆遇斷層鉆向調(diào)整示意圖

4 水平井與直井對接

兩井對接采用近鉆頭電磁測距法(RMRS技術(shù))，如圖6所示。在直井目的煤層擴井段下入一個強磁源，當帶有磁信號接收器的當導(dǎo)向鉆具到達直井的洞穴附近區(qū)域時，探管可采集到強磁短節(jié)產(chǎn)生的磁場強度信號。根據(jù)采集的測點數(shù)據(jù)判斷出當前的井眼位置，實時計算出鉆頭當前所處的方位，通過調(diào)整工具面及時地將井眼鉆進方向糾正至洞穴中心的位置，實現(xiàn)對接。

圖6 水平井對接示意圖

近年來，國內(nèi)在不同地區(qū)如沁水盆地南部，陜西彬長礦區(qū)施工了數(shù)十口水平對接井，單井初期產(chǎn)量平均在8000m3/d以上，一年后即達到12000～15000m3/d，獲得了煤層氣開發(fā)的理想效果。

5 結(jié)語

水平對接井是目前煤層氣資源開發(fā)領(lǐng)域先進的鉆完井技術(shù)，集鉆井、完井與增產(chǎn)措施于一體，是低滲透儲層煤層氣開采技術(shù)的一次革命。相比于多分枝或羽狀水平井具有井身結(jié)構(gòu)簡單，下傾方向鉆進易于施工，鉆井成功率高成本低。完井后下入的襯管可保持采氣期井眼的暢通。可在任意角度的單斜地層完井，更適用于中國大多數(shù)煤儲層，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］葉建平.我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告 ［A］.2011年煤層氣學(xué)術(shù)研討會論文集［C］，2011:3－9.

［2］張鍵，葉建平.煤層氣開發(fā)技術(shù)及其重大裝備的要求［A］.非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)裝備及其應(yīng)用技術(shù)研討會論文集［C］，2011.

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Study on Techniques for Drilling CBM SIS

Feng Qingtai1，Li Ping2
(1．The 119 Prospecting Crew，China Coal Geology Administration，Hebei 056107;2．Grek Energy(International)Company，Henan 45000)［HJ*4］

國家科技重大專項“深煤層煤層氣開發(fā)技術(shù)及裝備研制”(2011ZX05042)

豐慶泰，男，高級工程師，主要從事煤田地質(zhì)與煤層氣開發(fā)。

(責任編輯 韓甲業(yè))