多分支水平井技術在大佛寺井田煤層氣開發(fā)中的應用

張治倉

(陜西新泰能源有限公司，陜西 715300)

多分支水平井技術在大佛寺井田煤層氣開發(fā)中的應用

張治倉

(陜西新泰能源有限公司，陜西 715300)

彬長礦區(qū)煤層氣資源豐富，具備煤層氣地面開采的良好條件。為降低礦井瓦斯含量，提高礦井安全系數(shù)，開發(fā)煤層氣資源，在彬長礦區(qū)大佛寺井田實施一組煤層氣多分支水平井，開發(fā)、利用4號煤層的煤層氣。該井水平段采用地質導向及充氣欠平衡技術，實現(xiàn)了井眼軌跡的精確控制和煤儲層保護，提高了單井產(chǎn)氣量。

多分支水平井 井眼軌跡 充氣欠平衡 煤層氣開發(fā)

1 彬長礦區(qū)煤層地質特征

彬長礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部的渭北撓褶帶北緣廟彬凹陷區(qū)，區(qū)內可采煤層為4號煤、4上煤、4上-1煤，4上-2煤，主采煤層為4號煤。該區(qū)煤層未經(jīng)歷強烈的構造和充分的煤化作用，煤的變質程度較低，鏡質組最大反射率為0.50%～0.75%，其中4號煤最大鏡質體反射率0.59%～0.68%，屬低變質的長焰煤，局部為氣煤。預測礦區(qū)煤層氣資源總量為1.53×108m3，目標煤層厚度大、埋藏淺，氣含量相對較高，具有較好的勘探開發(fā)潛力。核心區(qū)塊煤層氣資源豐度一般在0.06～1.26×108m3/km2，平均為0.26×108m3/km2，埋深300～1100m范圍內，4號煤煤層氣含量0.45～6.29m3/t，平均2.75m3/t；4上煤氣含量0.09～3.49m3/t，平均0.81m3/t,如表1所示。

彬長礦區(qū)煤層多以原生結構煤和碎裂結構煤為主，煤的宏觀和微觀裂隙比較發(fā)育，裂隙寬度大。對大佛寺井田多口煤層氣參數(shù)井的3號煤、4上煤和4號煤進行了注入/壓降測試及煤芯樣品的煤層氣現(xiàn)場解吸實驗，測試結果表明，3號煤平均滲透率為0.51mD，4上煤平均滲透率為0.34mD，4號煤平均滲透率為3.86mD。整體而言，該區(qū)煤層滲透率相對較高，如表2所示。

表1 煤層含氣量測定結果

表2 煤層滲透率測定結果

2 DFS-05H井施工工藝

為了開發(fā)煤層氣資源，降低礦井瓦斯含量，提高礦井安全系數(shù)，陜西彬長新生能源有限公司在大佛寺井田部署了煤層氣多分支水平對接井DFS-05井組。該井組由DFS-05V直井和DFS-05H水平井組成，目的煤層為4號煤，水平井設計井深4000m，由1個主支和4個分支構成。DFS-05井身結構如圖1所示。

圖1 DFS-05井身結構圖

2.1 造斜段鉆進技術

造斜段鉆具組合：φ215.9mmPDC鉆頭+φ165mmPDM++φ165NMDC×2+φ127mmHWDP+φ127mmDP，鉆進參數(shù)如表3所示。

造斜段采用“單彎螺桿鉆具+無線隨鉆測量系統(tǒng)”的常規(guī)定向鉆具組合，通過滑動鉆進的方式，實現(xiàn)扭方位、增斜、降斜；通過復合鉆進的方式穩(wěn)斜，既達到連續(xù)鉆進的目的，又可對井眼軌跡進行控制，隨時根據(jù)地層變化調整軌跡，有效地提高鉆速和軌跡控制精度，保證了煤層鉆遇率。

表3 造斜段鉆進參數(shù)

2.2 RMRS水平井連通技術

兩井連通過程中，采用了RMRS技術(旋轉磁測距導向系統(tǒng))，該技術通過測量鉆頭和直井洞穴當前鉆頭的距離與相對位置，如圖2所示，輔助定向作業(yè)，最終使水平井準確與直井洞穴連通。連通井段鉆具組合：

φ152.4mmPDC+DRMTS+φ120mmPDM(1.25°)+φ120mmNMDC+MWD+φ120mmNMDC+φ88.9mmDP。

圖2 RMRS在DFS-05H對接井中的應用

2.3 水平分支段鉆進技術

水平段鉆進過程中，為了精確控制井眼軌跡，采用了地質導向技術進行井眼軌跡實時監(jiān)控。首先前期利用地震的資料建立區(qū)域地質模型，通過LWD監(jiān)測地層伽馬數(shù)值、電阻率等參數(shù)來修正地質模型，并實時調整井眼軌跡。另外輔以氣測錄井實時監(jiān)測返出的巖屑和氣體組分來判斷鉆頭是否在煤層中穿行，確保煤層鉆遇率。水平段鉆具組合：φ152.4mmPDC+φ120mmPDM(1.25°)+φ120mmNMDC+EM-MWD+φ120mmNMDC+φ88.9mmDP，水平段鉆進參數(shù)如表4所示。

表4 水平段鉆進參數(shù)

水平段開分支時，選取側鉆點處5～9m井段劃眼，工具面角擺到130°～160°或200°～230°，即老井眼左下方或右下方，目的是使鉆頭能夠穩(wěn)定地接觸井壁，以正常鉆時的3～5倍控時鉆進，送鉆一定要均勻，工具面保持穩(wěn)定，鉆壓10kN，劃眼重復3～5次，直至在原井壁劃出一條溝槽進而形成新井眼。在鉆進過程中，由于地層變化，部分分支無法繼續(xù)施工，在Leg3、Leg4分支增加子分支Leg3-1、Leg4-1，擴大鉆孔覆蓋范圍。

DFS-05H井鉆進1個主支和5個分支、2個子分支。主支：646～1509m；Leg1分支：987.84～1499.48m；Leg2分支：975～998m；Leg3分支：850～1178.53m； Leg4分支：783～1053.78m；Leg3-1子支：1000～1432.21m；Leg4-1子支：880～1451.42m?？傔M尺為4163.78m；水平段進尺為3517.78m，井眼軌跡如圖3、4所示。

圖3 DFS-05H/V井井眼軌跡垂直剖面圖

圖4 DFS-05H井井眼軌跡水平面投影圖

2.4 欠平衡鉆進技術

為了保護儲層，DFS-05H井穿過洞穴后采用清水+充氣欠平衡鉆進工藝，該工藝保護儲層的機理是：以清水為鉆井液，在洞穴井完鉆后下入油管及井下封隔器，壓縮氣體通過油管進入到水平井的環(huán)空內，形成以氣體為離散相、液體為連續(xù)相的充氣鉆井液體系，降低循環(huán)介質當量密度，使液柱壓力低于地層壓力，在井底形成負壓差，以實現(xiàn)欠平衡鉆進，達到既保護煤層又安全鉆進的目的。DFS-05H井目標煤層壓力系數(shù)為0.85，屬低壓儲層。煤層厚度8.50m，煤層頂?shù)装遢^為完整，地層適應性分析表明，目標煤層可采用充氣欠平衡鉆進工藝進行水平井施工。儲層基本參數(shù)如表5所示。注氣量及泥漿泵泵量計算較為復雜，采用Drillnet軟件欠平衡鉆進模塊進行設計，欠平衡鉆進井底壓力校核見表6。

從表6分析可知，工況1、2、3均能滿足安全欠平衡鉆進的要求，即鉆進過程中井底環(huán)空壓力均低于儲層壓力，高于地層容許坍塌壓力，上返流速大于極限上返流速。

實際鉆進過程中，采用兩臺空壓機與增壓機配合輪流注氣。EMWD環(huán)空壓力監(jiān)測模塊監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，除接單根期間環(huán)空壓力波動較大外，鉆進過程中井底壓力保持在4.4～4.9MPa，井底欠壓值約0.2～0.7MPa，鉆進過程安全高效。

表5 DFS-05H井目標煤層參數(shù)

表6 DFS-05H井井底壓力設計校核表(分支長度以500m計)

3 DFS-05H井產(chǎn)氣效果評價

DFS-05H井已累計排采260余天，產(chǎn)氣量穩(wěn)定在8000～12000m3/d，如圖5所示，超過了該區(qū)塊常規(guī)直井產(chǎn)氣量的10倍。與采用射孔完井和水力壓裂增產(chǎn)的常規(guī)直井相比，多分支水平井技術具有以下幾點優(yōu)勢：

(1)增加有效控制面積。分支井眼與煤層割理的相互交錯，提高了裂隙的導流能力，增大了單井控制面積，有利于提高產(chǎn)量。

(2)實現(xiàn)儲層保護。常規(guī)直井完鉆后要固井和水力壓裂改造，對煤層造成不同程度的傷害。采用充氣欠平衡技術及裸眼完井方法，有效地降低了煤層的傷害。

(3)降低綜合成本。采用多分支水平井開發(fā)技術，單井成本比直井高，但在一個相對較大的區(qū)塊開發(fā)中，減少了鉆井數(shù)量、井場占地、鉆前工程、鉆井完井材料消耗等，降低了綜合成本。

圖5 DFS-05H/V井與直井日產(chǎn)氣量對比

[1] 張康順，陳龍，錢建峰，等.彬長礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)潛力分析[J].中國煤層氣，2015，12(4):3-7.

[2] 喬磊，申瑞臣，黃洪春，等.煤層氣多分支水平井鉆井工藝研究[J].石油學報，2007，28(3):112-115.

[3] 彭旭，郝世俊，趙永哲，等.大佛寺煤田DFS-U1水平井鉆井液應用研究[J].煤炭工程，2012，10:100-103.

[4] 張晶，郝世俊，李國富.煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井的井底環(huán)空壓力設計與控制方法[J].中國煤炭地質，2015，27(11):48-51.

(責任編輯 韓甲業(yè))

Application of Multi-lateral Horizontal Well Technology in CBM Development of Dafosi Mine Field

ZHANG Zhicang

(Shaanxi Xintai Energy Co.,Ltd., Shaanxi 715300)

Binchang Mining Area is rich in CBM resources, and suitable for CBM exploitation. In order to reduce the gas content of coal mine, improve the safety factor, and develop CBM resources, a group of CBM multi-lateral horizontal wells have been implemented in Dafosi Mine Field of Binchang Mining Area to development and recovery CBM from No.4 coal seam. Geosteering and inflatable underbalanced technology was used to achieve the precise control of the well trajectory, protection of coal reservoirs and improvement of single well.gas production.

Multi-lateral horizontal well; well trajectory; inflatable underbalanced; CBM development

張治倉,男，高級工程師，長期從事煤層氣開發(fā)方面工作。