煤層氣多分支井成井失效分析及補(bǔ)救措施研究

邱愛民，張　波，邱愛利，李宗源

(1.中國石油華北油田公司工程技術(shù)研究院，河北滄州　062552；2.開灤能源化工股份有限公司呂家坨礦業(yè)分公司，河北唐山　063000；3.中國石油華北油田公司煤層氣事業(yè)部，山西長治　046000)

煤層氣經(jīng)過多年的勘探開發(fā)，形成了“直井—‘U’形水平井—多分支水平井—復(fù)雜多分支水平井”等開發(fā)方式，積累了一系列煤層氣開發(fā)經(jīng)驗。煤層氣多分支井是從主水平井或直井井筒鉆出多個分支井眼，以提高儲層的泄氣面積，提高產(chǎn)量[1]。煤層氣多分支井技術(shù)正是針對煤層氣儲層的低壓、低滲、低流體動能和低產(chǎn)特性而提出來的集煤層氣鉆完井與增產(chǎn)措施于一體的開發(fā)技術(shù)[2]。煤層氣分支水平井具有波及面積廣、提高煤層導(dǎo)流能力、減少煤層損害、單井產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點[3]，多分支水平井成為煤層氣開發(fā)的有效方式之一。

1　煤層氣多分支水平井類型及存在的問題

經(jīng)過多年的煤層氣開發(fā)，我國對煤層氣的勘探開發(fā)已具一定規(guī)模，多分支水平井已成為煤層氣勘探開發(fā)的有效方式之一。

1.1　煤層氣多分支水平井類型

目前常用的煤層氣多分支水平井有單主支多分支水平井(圖1a)，雙主支多分支水平井(圖1b)等。

圖1　煤層氣多分支井類型Fig.1　The types of coal-bed methane multiple laterals horizontal well

1.2　煤層氣多分支水平井存在的問題

截至2016年底，華北油田所完成的煤層氣多分支井?dāng)?shù)量達(dá)到 150 余口，據(jù)統(tǒng)計，發(fā)生垮塌的井?dāng)?shù)占已鉆水平井總數(shù)的39. 3%[4]。煤層氣多分支水平井在煤層鉆井時發(fā)生井壁垮塌、掉塊及其他因素等造成成井失效。多分支水平井成井失效后對煤層氣后期的勘探開發(fā)造成一系列問題：①減小單井控制面積，無法實現(xiàn)地質(zhì)目的，比如QP12-62井設(shè)計控制面積為0.4 km2，發(fā)生成井失效后，完鉆后實際控制面積僅0.18 km2，如圖2所示；②擾亂煤層氣開發(fā)布局；③增加勘探開發(fā)成本。

圖2　QP12-62井完鉆軌跡Fig.2　Drilling trajectory of well QP12-62

2　多分支水平井成井失效因素

煤層氣井的目的層是煤層，引起煤儲層成井失效的原因有內(nèi)因和外因，即地質(zhì)因素和工程因素，兩方面因素共同作用，造成煤層氣多分支水平井成井失效。

2.1　地質(zhì)因素

影響成井失效的地質(zhì)因素主要有煤巖地質(zhì)特性、宏觀地質(zhì)構(gòu)造(破碎帶、斷層、向斜或背斜和陷落柱等)、煤層力學(xué)環(huán)境(地應(yīng)力和地層壓力)。

2.1.1煤巖地質(zhì)特性

煤層氣儲層是包含基質(zhì)孔隙和裂隙孔隙(割理)的雙重孔隙結(jié)構(gòu)，同時煤層割理微裂縫發(fā)育，相互垂直的面割理和端割理存在較高的剪切應(yīng)力。煤巖體具有彈性模量低、泊松比高、性脆、易壓縮、易水化、不穩(wěn)定、非均質(zhì)性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度低等特點[5]。鉆進(jìn)過程中：①水與煤儲層中的黏土礦物發(fā)生水化作用，造成突發(fā)性剝落坍塌，煤巖浸泡的時間越長，煤層吸水垮塌得越嚴(yán)重；②煤層的非均質(zhì)性導(dǎo)致在多分支水平井眼導(dǎo)向軌跡控制難度加大，以及泥巖夾層、地層的突變，導(dǎo)向軌跡頻繁出入煤層，泥煤巖交界處不穩(wěn)定，易發(fā)生井壁垮塌、掉塊等復(fù)雜現(xiàn)象，導(dǎo)致成井失效。成井失效后，主、分支井眼鉆進(jìn)延伸困難。

2.1.2宏觀地質(zhì)構(gòu)造

在地質(zhì)運(yùn)動的作用下，煤層產(chǎn)生了很多復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造：①破碎帶。主要是斷層破碎帶和高應(yīng)力破碎帶，鉆進(jìn)至破碎帶時易發(fā)生掉塊、卡鉆等事故，致使鉆進(jìn)困難。②斷層。由斷層形成的巖性突變和斷層破碎帶是影響井壁穩(wěn)定控制的兩個因素。③向斜、背斜及陷落柱。向斜、背斜對煤壁穩(wěn)定的影響主要是會產(chǎn)生張應(yīng)力和壓應(yīng)力兩個應(yīng)力區(qū)，當(dāng)井眼鉆開后，破壞應(yīng)力區(qū)，造成應(yīng)力釋放使井壁失穩(wěn)，陷落柱會造成巖性突變。復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造會導(dǎo)致煤巖強(qiáng)度、裂縫發(fā)育、巖性突變，影響鉆井過程中的井壁穩(wěn)定，易造成成井失效。

2.1.3煤層力學(xué)環(huán)境

煤層力學(xué)環(huán)境主要是地應(yīng)力和地層壓力，地應(yīng)力在煤層中各個方向不同，在面割理方向上的水平主應(yīng)力最大，在端割理方向上的水平主應(yīng)力最小[6]。鉆開煤儲層后，地層原有的應(yīng)力狀態(tài)重新分布，當(dāng)?shù)貙討?yīng)力尋找新的平衡過程中會有應(yīng)力釋放造成井壁失穩(wěn)，掉塊、坍塌等復(fù)雜現(xiàn)象造成成井失效。

2.2　工程因素

2.2.1鉆井參數(shù)不當(dāng)

鉆井參數(shù)的設(shè)計和選擇影響鉆進(jìn)速度和施工的安全。①滑動鉆進(jìn)。水平段容易發(fā)生“托壓”現(xiàn)象，造成鉆壓傳遞困難，鉆具在較大摩阻的情況下會發(fā)生屈曲，持續(xù)較大的鉆壓會突然釋放，對煤層井壁和井底產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，致使煤層井壁產(chǎn)生脆性剝落、掉塊，產(chǎn)生井眼垮塌從而造成井眼成井失效。②復(fù)合鉆進(jìn)。鉆具的轉(zhuǎn)動和渦動對煤層井壁振蕩沖擊，造成井壁掉塊、井眼垮塌，致使成井失效。③作業(yè)排量。采用清水或水基鉆井液鉆進(jìn)，攜巖效果較差，采用較大排量攜帶煤灰和煤屑，鉆井液對煤層井眼持續(xù)沖刷，致使井壁失穩(wěn)、垮塌，造成成井失效。

2.2.2工藝措施不當(dāng)

(1)起下鉆速度控制不當(dāng)產(chǎn)生液柱壓力波動破壞井壁穩(wěn)定性，致使井壁掉塊、垮塌造成成井失效；

(2)起下鉆劃眼作業(yè)，鉆頭旋轉(zhuǎn)會再次破壞井壁穩(wěn)定性，致使井壁失穩(wěn)造成垮塌；

(3)施工周期過長，使用水基鉆井液鉆進(jìn)時，煤層吸水疏松和黏土礦物水化膨脹，浸泡時間越長，煤層易發(fā)生坍塌。

3　應(yīng)急補(bǔ)救措施

鑒于煤層的特殊性，針對煤層氣多分支水平井成井過程中出現(xiàn)的成井失效問題，本文通過工程軌跡設(shè)計優(yōu)化、工藝措施參數(shù)優(yōu)化等應(yīng)急補(bǔ)救措施，彌補(bǔ)成井失效后造成的不良影響。

3.1　工程軌跡補(bǔ)救設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)要求的控制點對成井失效后的分支井眼軌跡重新設(shè)計，實現(xiàn)分支井眼均勻展布，減少主井眼的側(cè)鉆分支，來保障主井眼的穩(wěn)定和通暢，充分揭開煤儲層，使得氣體有充足的滲流通道，達(dá)到良好的開發(fā)效果。通過現(xiàn)場應(yīng)用實踐，本文研究創(chuàng)新了兩種工程軌跡補(bǔ)救設(shè)計方法，并取得良好效果。

(1)“兩段扭方位”式分支井眼軌跡補(bǔ)救設(shè)計技術(shù)，分支井眼軌跡1次扭方位15°左右后穩(wěn)斜鉆進(jìn)，其穩(wěn)斜段的目的是預(yù)留側(cè)鉆點，最后2次扭方位到設(shè)計方位后穩(wěn)斜鉆進(jìn)至地質(zhì)控制點，完成“Ⅰ”分支井眼，采用保守的“后退式”鉆井方式側(cè)鉆“Ⅱ”分支。單主支多分支水平井“兩段扭方位”軌跡補(bǔ)救設(shè)計方式如圖3b所示，雙主支多分支井“兩段扭方位”軌跡補(bǔ)救設(shè)計方式如圖4b所示。

圖3　單主支多分支水平井軌跡補(bǔ)救設(shè)計Fig.3　Trajectory remediation design for single main branch multi-lateral horizontal wells

圖4　雙主支多分支井水平井軌跡補(bǔ)救設(shè)計Fig.4　Trajectory remediation design for double main branch multi-lateral horizontal wells

(2)“側(cè)鉆脈支”式分支井眼軌跡補(bǔ)救設(shè)計技術(shù)，按照原設(shè)計側(cè)鉆分支“Ⅰ”，根據(jù)實際情況設(shè)計合適的補(bǔ)救脈支個數(shù)，在“Ⅰ”分支穩(wěn)斜段預(yù)留脈支側(cè)鉆點，采用保守的“后退式”鉆進(jìn)方式側(cè)鉆后續(xù)“Ⅰ”“Ⅱ”脈支。單主支多分支水平井“側(cè)鉆脈支”軌跡補(bǔ)救設(shè)計方式如圖3c所示，雙主支多分支井“側(cè)鉆脈支”軌跡補(bǔ)救設(shè)計方式如圖4c所示。

3.2　工藝措施參數(shù)優(yōu)化

通過現(xiàn)場實踐和工藝技術(shù)優(yōu)化研究，優(yōu)化工藝措施參數(shù)保障措施，保證多分支水平井施工作業(yè)。

(1)簡化鉆具組合結(jié)構(gòu)。盡量使用結(jié)構(gòu)簡單鉆具，減少扶正器使用，使用承壓鉆桿代替鉆鋌，有效緩解水平段托壓現(xiàn)象[7]。

(2)優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)。煤層段鉆進(jìn)的重點是確保井眼清潔，維持井壁穩(wěn)定，保證井下安全鉆進(jìn)。通過煤儲層特性研究及現(xiàn)場實踐應(yīng)用效果，優(yōu)化確定施工參數(shù)的“五低”，即低排量、低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、低泵壓、低比重。水平段鉆井排量控制在13～18 L/s左右，其有效減少鉆井液對煤層井壁的沖刷，降低了煤層的垮塌風(fēng)險[8]；鉆壓控制在2～4 t范圍內(nèi)，鉆柱轉(zhuǎn)速控制在20 r/min左右，控制煤層段鉆進(jìn)速度，降低煤屑產(chǎn)出，利于井眼清洗，并降低鉆具震動對煤層井壁的破壞。

(3)優(yōu)化施工工藝。在煤層水平井段鉆進(jìn)時要快速鉆進(jìn)，使煤層不受鉆井液的長時間浸泡；在煤層鉆進(jìn)施工時，鉆進(jìn)時操作要平穩(wěn)，劃眼時要降低轉(zhuǎn)速，減少起下鉆次數(shù)，并控制起下速度，減少液柱壓力波動對井壁的傷害。

(4)優(yōu)化煤層軌跡導(dǎo)向控制。要保證井眼軌跡在煤層的鉆遇率，采用“彎螺桿+LWD/ MWD + GR/ EMWD+方位GR”的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合，煤層段分支井眼軌跡控制要平滑，控制鉆壓鉆進(jìn)，減小鉆壓波動幅度，確保井眼軌跡控制在煤層穩(wěn)定區(qū)域延伸。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

QS1-H井是沁水盆地一口煤層氣多分支水平井，采用單主支多分支水平井設(shè)計，在施工過程中發(fā)生分支井眼成井失效問題。為了實現(xiàn)多分支水平井的煤層控制點，保障煤層氣多分支水平井的控制面積，根據(jù)實際井眼質(zhì)量和煤層情況，采用“側(cè)鉆脈支”分支井眼補(bǔ)救設(shè)計技術(shù)，并優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)和地質(zhì)導(dǎo)向控制技術(shù)，QS1-H順利完鉆，達(dá)到設(shè)計目的，取得良好效果，其實鉆井眼軌跡如圖5所示。

圖5　QS1-H井實鉆軌跡Fig.5　Drilling trajectory of well QS1-H

5　結(jié)論

通過對煤層氣多分支水平井成井失效的地質(zhì)因素和工程因素進(jìn)行分析，創(chuàng)新研究應(yīng)用了工程軌跡補(bǔ)救設(shè)計技術(shù)和工藝措施參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。通過在山西沁水盆地煤層氣的應(yīng)用實施，已取得了良好效果，提高了成井效率，保障了多分支水平井單井的產(chǎn)氣量。

(1)成井失效的地質(zhì)因素主要是煤巖具有性脆、易水化、不穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度低等地質(zhì)特性，分布有破碎帶、斷層等復(fù)雜的宏觀地質(zhì)構(gòu)造，并且煤層地應(yīng)力各向異性差異較大。

(2)成井失效的工程因素主要是在鉆進(jìn)施工過程中鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量等鉆井參數(shù)不當(dāng)和頻繁起下鉆、劃眼等作業(yè)施工工藝措施不到位引起的鉆具震動和壓力激動對煤層井眼的沖擊破壞。

(3)井眼軌跡補(bǔ)救設(shè)計技術(shù)，主要是采用單分支“兩段扭方位”側(cè)鉆分支技術(shù)和分支“側(cè)鉆脈支”軌跡補(bǔ)救設(shè)計技術(shù)，優(yōu)化分支井眼的軌跡布局，實現(xiàn)地質(zhì)控制點的目的。

(4)工藝措施參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，主要是優(yōu)化鉆具組合結(jié)構(gòu)，采用“五低”鉆井參數(shù)；優(yōu)選施工工藝措施，控制起下鉆次數(shù)及起下速度，采用地質(zhì)導(dǎo)向軌跡控制技術(shù)，確保井眼軌跡在煤層穩(wěn)定區(qū)延伸。