煤層氣分支井軌跡控制技術(shù)

孫成龍　張聯(lián)波　陳代軍　李永偉　于　鋒

（中國石化集團(tuán)中原石油工程有限公司鉆井一公司）

煤層氣分支井軌跡控制技術(shù)

孫成龍張聯(lián)波陳代軍李永偉于鋒

（中國石化集團(tuán)中原石油工程有限公司鉆井一公司）

煤層氣分支井軌跡控制技術(shù)包括鉆分支井眼、地質(zhì)導(dǎo)向等技術(shù)，是一項(xiàng)技術(shù)性強(qiáng)、施工難度高的系統(tǒng)工程。煤層氣分支井鉆井作業(yè)的難點(diǎn)主要有：煤層的穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍塌、卡鉆等故障；煤層厚度只有3～4 m，個(gè)別地區(qū)會(huì)更薄，井眼軌跡控制難度大；水平段摩阻、扭矩大，加壓困難，鉆具易失效；工藝復(fù)雜，配套成本高。通過優(yōu)化施工軌道設(shè)計(jì)，完善施工方案，可以實(shí)現(xiàn)軌跡圓滑、安全鉆進(jìn)。中國石化中原石油工程有限公司自2004年開始施工煤層氣分支井，屢破中國石化鉆井分支紀(jì)錄，分支最多的一口井是1個(gè)主井眼23個(gè)分支。圖3參8

煤層氣鉆井分支井軌跡控制

煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)是鉆進(jìn)1個(gè)主井眼，再在主井眼上鉆多個(gè)分支井眼的技術(shù)。分支井鉆井技術(shù)是鉆井技術(shù)中最具增產(chǎn)效果的技術(shù)之一，是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)快速開采煤層氣資源的先進(jìn)技術(shù)。與常規(guī)直井技術(shù)相比，多分支水平井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有：泄氣面積更大，單井產(chǎn)量大大提高，鉆井及生產(chǎn)占地少，特別適合煤礦待采區(qū)的煤層氣開采。國內(nèi)第一口分支井目前煤層氣日產(chǎn)量為15 000～16 000 m3，比常規(guī)直井產(chǎn)量高得多，嶄露出多分支井開發(fā)煤層氣的優(yōu)勢(shì)［1］。

1　煤層氣分支井技術(shù)難點(diǎn)

煤層氣分支水平井鉆井工藝集成了水平井鉆井技術(shù)、分支側(cè)鉆技術(shù)、連通技術(shù)和地質(zhì)導(dǎo)向等技術(shù)，是一項(xiàng)技術(shù)性強(qiáng)、施工難度高的系統(tǒng)工程。為了保持煤層的井壁穩(wěn)定，煤層段一般采用Φ114 mm小井眼鉆進(jìn)，因而對(duì)鉆具組合、隨鉆測(cè)量?jī)x器和鉆機(jī)設(shè)備性能等都提出了更高的要求。煤層氣分支水平井的施工難點(diǎn)有：

（1）煤層易發(fā)生坍塌、卡鉆等故障

煤層比較脆，存在著互相垂直的天然裂縫，穩(wěn)定性差，極易發(fā)生井壁垮塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況，甚至造成井眼報(bào)廢。

（2）井眼軌跡控制難度大

煤層厚度只有3～4 m，個(gè)別地區(qū)會(huì)更薄，煤層氣分支井設(shè)計(jì)要求煤層鉆遇率達(dá)到90%以上，需要頻繁調(diào)整井眼軌跡。

（3）水平段鉆具易失效

由于煤層埋藏較淺且井眼曲率較大，正常鉆壓很難滿足需要，往往鉆壓超出正常范圍。鉆柱易發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致鉆具事故，要及時(shí)改變鉆具組合方式，并借助于水力加壓器、水力振蕩器等井下工具。

（4）定向儀器配套成本高

分支水平井涉及到許多新式工具和儀器，例如電磁測(cè)量裝置、地質(zhì)導(dǎo)向工具和高效減阻短節(jié)等。

（5）側(cè)鉆成功率很難保證

水平分支井的重要特征是頻繁側(cè)鉆，如何保證側(cè)鉆的成功率是關(guān)鍵技術(shù)。

2　軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1軌道設(shè)計(jì)原則

井身剖面設(shè)計(jì)主要考慮的因素包括：鉆機(jī)和頂驅(qū)設(shè)備的能力、井眼的摩阻/扭矩大小、鉆柱的強(qiáng)度、定向儀器能否滿足要求等。依照工程設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況優(yōu)化施工方案，其優(yōu)化原則主要如下：

（1）軌跡盡可能圓滑

在多分支水平井設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的井眼軌跡盡可能圓滑，充分利用地層自然增斜規(guī)律，嚴(yán)格控制狗腿度，減小鉆柱摩阻和扭矩，滿足滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的鉆具加壓的要求。

（2）軌跡盡可能最短

設(shè)計(jì)軌道方案時(shí)，選擇長(zhǎng)度最短的軌道方案，避開可鉆性較差的地層。

（3）主井眼垂直于最小主應(yīng)力方向

盡量讓進(jìn)入煤層的井眼垂直于煤層最小主應(yīng)力方向，保證煤層的產(chǎn)能優(yōu)化和井壁穩(wěn)定［2］。

（4）盡量在煤層頂板鉆進(jìn)

主井眼和分支井眼盡量處于煤層的中上部位，即煤層頂板，在頂板中鉆進(jìn)能減少井塌發(fā)生的可能［3］。

2.2分支水平井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

魚骨狀分支水平井的空間三維特性較為復(fù)雜，其軌道設(shè)計(jì)不同于普通水平井軌道設(shè)計(jì)，常規(guī)井眼軌道設(shè)計(jì)方法不能滿足要求。應(yīng)先按照地質(zhì)設(shè)計(jì)的要求設(shè)計(jì)出靶區(qū)目標(biāo)，根據(jù)靶區(qū)目標(biāo)選擇分支井眼回接主井眼軌道［4］。

2.2.1主井眼軌道設(shè)計(jì)

水平主井眼一般采用“直-增-穩(wěn)-增-平”類型（圖1），主井眼水平段井斜角接近90°，考慮定向儀器的造斜率，通過兩次增斜鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求［5］。主井眼優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)已知參數(shù)：造斜點(diǎn)垂深Da；造斜率K；入靶點(diǎn)方位φ。重點(diǎn)注意事項(xiàng)：①造斜點(diǎn)必須在相對(duì)穩(wěn)定的地層；②設(shè)計(jì)造斜率必須小于造斜工具的最大造斜率；③造斜段所處層位必須有利于順利下入套管。

圖1　主井眼軌道剖面設(shè)計(jì)示意圖

在主井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)，穩(wěn)斜段的井斜角αb是一個(gè)重要數(shù)據(jù)，可通過下面公式進(jìn)行計(jì)算分析：

式中：

Dt—靶點(diǎn)垂深，m；

St—靶點(diǎn)水平位移，m；

Sa—造斜點(diǎn)水平位移，m；

Da—造斜點(diǎn)垂深，m；

Rn—造斜段曲率半徑，m。

Rt—造斜段曲率半徑，m。

2.2.2分支井眼軌道設(shè)計(jì)

分支井眼軌道類型主要是“增—降—平”（圖2）。這種軌道類型設(shè)計(jì)出的分支井眼先上翹，再水平向前鉆進(jìn)。這樣設(shè)計(jì)可以防止鉆主井眼時(shí)巖屑進(jìn)入分支井眼，避免砂橋產(chǎn)生的可能，確保后續(xù)作業(yè)管柱順利下入。

圖2　分支井眼軌道剖面設(shè)計(jì)示意圖

2.2.3分支井軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化模型

根據(jù)主井眼類型的情況，選用合適的井深計(jì)算方法和限制條件，根據(jù)不同的分支井眼井深計(jì)算和限制條件，就可以組合為分支水平井軌道優(yōu)化模型，由此能夠建立出目標(biāo)函數(shù)即使得整個(gè)軌道長(zhǎng)度最小。分支井設(shè)計(jì)優(yōu)化模型為：

式中：

Ltmuti—井眼總長(zhǎng)度；

Lmain—主井眼長(zhǎng)度；

Lmuti，i—分支井井眼長(zhǎng)度；

i—對(duì)應(yīng)每一個(gè)分支。

優(yōu)化設(shè)計(jì)模型較為復(fù)雜，可采用非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題的不等式約束乘法，對(duì)每一個(gè)分支和主井眼的軌道進(jìn)行優(yōu)化求解，運(yùn)算過程快，輸出結(jié)果準(zhǔn)確。

3　井眼軌跡控制技術(shù)

3.1井眼軌跡控制方法

分支井施工中，通常把煤層上下的泥巖、致密頂?shù)装?、煤層夾矸作為判斷軌跡上下調(diào)整的依據(jù)。標(biāo)志層可通過鄰井資料、已施工的羽狀水平井隨鉆跟蹤曲線進(jìn)行響應(yīng)對(duì)比。鉆進(jìn)過程中要結(jié)合鉆屑、鉆時(shí)變化、鉆井液變化、錄井參數(shù)等，分析決策井眼軌跡控制。根據(jù)準(zhǔn)確的地質(zhì)剖面參數(shù)和工程參數(shù)，能夠正確地監(jiān)測(cè)和跟蹤地質(zhì)目標(biāo)，并在三維地質(zhì)環(huán)境中調(diào)整井眼軌跡，使鉆頭沿著煤儲(chǔ)層物性最佳的層位鉆進(jìn)［6］。

3.2軌跡控制技術(shù)

主水平井眼造斜段使用“螺桿鉆具+MWD”的鉆具組合。煤層段的主水平井眼采用PDC鉆頭，使用MWD監(jiān)測(cè)的自然伽瑪值來判斷鉆頭是否在煤層中鉆進(jìn)。采用滑動(dòng)鉆進(jìn)的方式定向并實(shí)時(shí)控制，保持井眼軌跡圓滑，避免出現(xiàn)較大的狗腿度。盡量避免大幅度調(diào)整下部鉆具組合，并適當(dāng)控制鉆時(shí)。

（1）井口位置優(yōu)選

①根據(jù)已有的地質(zhì)資料，選擇煤層埋深較淺至適中、煤層氣飽和度高、厚度大、物性好的平臺(tái)；②應(yīng)盡量使井眼延伸方向與天然裂縫垂直，以獲得較好的增產(chǎn)效果；③盡量避開破碎地層。破碎地層容易井塌，導(dǎo)致井塌、卡鉆、井漏等鉆井工程事故，甚至井眼報(bào)廢。

（2）地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是多分支水平井鉆探成功的關(guān)鍵技術(shù)。它把鉆井技術(shù)、測(cè)井技術(shù)和錄井技術(shù)融為一體，利用隨鉆測(cè)錄地質(zhì)信息控制井身軌跡。井眼軌跡的控制要有較高的控制精度，較強(qiáng)的應(yīng)變能力，較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

4　分支井側(cè)鉆技術(shù)

常規(guī)的側(cè)鉆技術(shù)有3種：①打水泥塞側(cè)鉆；②使用斜向器側(cè)鉆；③懸空側(cè)鉆。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多口井的經(jīng)驗(yàn)，采用斜向器側(cè)鉆成功率較高，但施工程序較多；打水泥塞側(cè)鉆雖側(cè)鉆容易，但對(duì)保護(hù)煤層不利，所以，這兩種方式現(xiàn)都應(yīng)用很少。懸空側(cè)鉆是近年來使用最多的側(cè)鉆方法，這種方法側(cè)鉆操作難度較大，但不需要特殊工具，也減少了填井候凝時(shí)間。

懸空側(cè)鉆是煤層氣多分支井施工的難點(diǎn)。鉆井工程師可根據(jù)返出巖屑、測(cè)斜數(shù)據(jù)、鉆壓的變化等，判斷側(cè)鉆是否成功。只要操作方法正確，煤層側(cè)鉆都能一次成功，整個(gè)側(cè)鉆工序需要5～9 h。在三交、馬必、潘莊等區(qū)塊多口分支井施工中，總結(jié)出懸空側(cè)鉆方法的關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）側(cè)鉆鉆頭選擇5刀翼，外雙排齒，有利于穩(wěn)定工具面。

（2）螺桿鉆具的彎度1.5°以上，給鉆頭有足夠的側(cè)向力。

（3）下鉆至距側(cè)鉆點(diǎn)10 m，鎖定工具面上提下放鉆具劃槽，在劃槽后開始側(cè)鉆。

（4）至少連續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)15 m后再復(fù)合鉆進(jìn)，防止在啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤時(shí)，鉆頭進(jìn)老井眼。

5　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

MBP04-1H井位于沁南盆地馬必區(qū)塊，設(shè)計(jì)1個(gè)主眼及8個(gè)分支（圖3），完鉆原則是山西組3#煤層內(nèi)進(jìn)尺達(dá)到4000 m完鉆。沁南盆地3＃煤層頂板深度為412.1 m，煤厚6 m，煤層傾角7°左右。根據(jù)消耗較少垂深得到較大位移的理念，對(duì)井身剖面設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

圖3　MBP04-1井組實(shí)鉆三維立體投影圖

（1）選定“直—增—穩(wěn)”三段制井身剖面

采用三段制井身剖面，達(dá)到更大的位垂比，使井眼順利著陸。MBP04-1H井的造斜點(diǎn)在252 m，著陸點(diǎn)在477 m。

（2）造斜鉆下移避開難鉆層位

設(shè)計(jì)中二開定向段自上石盒子組中部造斜，設(shè)計(jì)造斜率為9°/30 m，由于上石盒子組含礫較多，容易導(dǎo)致鉆頭先期損壞，將造斜點(diǎn)下移30 m，造斜率調(diào)整為10°/30 m，僅用1只鉆頭就完成了定向段施工。

（3）著陸點(diǎn)放在三開段

原設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)在二開井段，存在大井眼煤層鉆進(jìn)易塌風(fēng)險(xiǎn)，將技術(shù)套管下深優(yōu)化到煤頂以上1 m處，將著陸點(diǎn)放在三開井段距洞穴30 m處，避免了二開在煤層鉆進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)。

該井的的井身結(jié)構(gòu)為：Φ244.5 mm表層套管× 36.5 m＋139.7 mm技術(shù)套管×476 m＋Φ120.65 mm主水平井眼（裸眼完井）×1464 m＋Φ120.65 mm分支水平井眼（8個(gè)分支）×（300～600 m）。該井鉆井總進(jìn)尺5 727 m，煤層進(jìn)尺5 251 m，由于使用了煤層氣分支井軌跡控制技術(shù)，鉆井周期33.33天，平均機(jī)械鉆速10.02 m/h，煤層鉆遇率95.19%。

6　結(jié)論和建議

（1）煤層氣分支井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)、分支井側(cè)鉆技術(shù)等經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，能保證煤層氣分支井施工質(zhì)量，提高煤層氣井采氣率。

（2）開展煤層氣分支井技術(shù)研究，提高分支井鉆井時(shí)效。應(yīng)加大資金投入，不斷深化煤層氣分支井技術(shù)研究，進(jìn)一步提高分支井鉆井效率，降低煤層氣分支井成本。

［1］邵龍義，侯海海，唐躍，等.中國煤層氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略接替區(qū)優(yōu)選［J］.天然氣工業(yè)，2015，35（3）:1-11.

［2］秦學(xué)成，段永剛，謝學(xué)恒，等．煤層氣井產(chǎn)氣量控制因素分析［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，34（2）：99-104．

［3］白生寶，王鳳琴，杜厚余，等.煤儲(chǔ)層條件對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響分析——以鄂爾多斯盆地東南某區(qū)塊為例［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2015，38（2）:47-50.

［4］姜文利，葉建平，喬德武．煤層氣多分支水平井的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)［J］．中國礦業(yè)，2010，19（1）：101-103．

［5］饒孟余，楊陸武，張遂安，等．煤層氣多分支水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．天然氣工業(yè)，2007，27（7）：52-55．

［6］楊陸武，孫茂遠(yuǎn)，胡愛梅，等．適合中國煤層氣藏特點(diǎn)的開發(fā)技術(shù)［J］．石油學(xué)報(bào)，2002，23（4）：46-50．

（修改回稿日期2016-08-19編輯景岷雪）

孫成龍男，1964年出生，2004年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)任中原石油工程有限公司鉆井一公司副總工程師，主要從事現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理與技術(shù)攻關(guān)等工作。地址：（457331）河南省濮陽市清豐縣馬莊橋鎮(zhèn)鉆井一公司技術(shù)發(fā)展中心。電話：13333937681。E-mail：schl999@163.com