煤層氣多分支水平井鉆井工藝分析

張軍浪，袁 魁，郭 明

（北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100000）

煤層氣內(nèi)擁有豐富的能源，其開采技術(shù)處在不斷地發(fā)展變化中，只有通過解吸、擴散與滲流的方式才能完成對應(yīng)性開采工作。我國煤層氣藏帶有低飽和、低滲透與低壓等特征，給開采工作帶去些許難度，工作人員需及時優(yōu)化施工工藝，利用合適的開采技術(shù)來促進煤層資源的開發(fā)。

1 煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)的難點

由于煤層氣水平井內(nèi)的鉆井技術(shù)有較高的施工難度，其原因在于對該技術(shù)的要求較高，在施工期間洞穴井與水平井要高效聯(lián)通，且要運用到各類性能極佳的鉆井設(shè)備，因而嚴重影響施工作業(yè)的穩(wěn)定性。

1）煤層內(nèi)部的穩(wěn)定性較差，且對外力的敏感程度較高。具體來說，針對煤層氣藏內(nèi)的煤層來說，其質(zhì)地較弱，在發(fā)育過程中還帶有天然裂縫，其鉆井工藝的實際操作需依照相關(guān)標準，可降低卡鉆、井下坍塌等事故發(fā)生的頻率，若引發(fā)安全類事故還會出現(xiàn)井眼報廢的不良狀況。

2）煤層內(nèi)部還存有嚴重的污染問題，在開采期間煤層極易受到污染，施工人員難以高效保護能源儲層。為減少污染頻率，鉆井液系統(tǒng)大多由泡沫、地層水與充氣鉆井液構(gòu)成。同時，由于煤層氣內(nèi)資源的埋藏深度不夠，在增加井眼曲率的同時，其鉆壓工作也難以達到相應(yīng)標準，隨著鉆柱的超負荷運行，極易引發(fā)安全事故。

3）基于煤層氣水平井鉆探技術(shù)還處在發(fā)展過程中，其有效的實踐經(jīng)驗較少，且生產(chǎn)工具大多為新型工具與儀器，不僅普及程度較低，其設(shè)備運用水平也較弱，比如，在采用小井眼鉆進工藝的過程中，其經(jīng)驗長度值通常在1 512cm左右，其使用的測量儀器與鉆具都帶有較高的技術(shù)水準，在開展此項工作前，施工人員需了解各項設(shè)備的使用功能，且提升開采技巧，熟練使用互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，才能真正實行開采工作，保障煤層氣資源的開采質(zhì)量，因而給開采工作帶去較大難度。

2 優(yōu)化煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)的有效措施

2.1 改進內(nèi)部井眼

（1）工作人員需將工作重點放置在井眼剖面的優(yōu)化上，在設(shè)計井眼的過程中要考慮到經(jīng)濟性、鉆柱力學(xué)與煤層氣藏等要素上，經(jīng)過實驗與勘探，精準測算出井眼的距離、方位與長度等，便于達成最佳設(shè)計效果。在開展多分支水平井的鉆井工藝時，要科學(xué)設(shè)計其整體軌道，通常來講，軌道的設(shè)計方法較多，由于方法不同，其軌道長度也會存有差異。在確認軌道的過程中，要綜合比對安全性、經(jīng)濟性與地質(zhì)狀況等多項原則，在降低無效尺寸后，最大化縮短軌道距離。

（2）在開展井身的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于其結(jié)構(gòu)質(zhì)量會給井的安全度帶去較大影響，若其結(jié)構(gòu)發(fā)生缺陷，則會改變套管進入煤層的位置，也會增加煤層斷裂的概率，影響礦井施工安全。

在設(shè)計井身結(jié)構(gòu)的過程中，相較于常規(guī)油氣井，要加強洞穴井與水平井的聯(lián)通性與穩(wěn)定性。針對套管位置，要及時封堵煤層頂部的出水層，加強抽排采氣的整體效果。當多分支類的水平井呈現(xiàn)多羽狀時，其內(nèi)部的技術(shù)套管要放置在造斜點的上部，也為后期的裸眼側(cè)鉆提供更為適宜的條件。針對洞穴井井底的洞穴改造，工作人員可在其底部放置容量適宜的口袋，在加強其袋底深度的同時，保證下部含水層的隱秘性。

（3）在控制井眼軌跡期間，工作人員要挑選出適宜的工具，并精準測出煤層內(nèi)的各項參數(shù)，如垂深、方位角與井斜角等。水平井在開展主井眼的鉆進時，為掌控垂直段內(nèi)的井斜值，可采用塔式鉆具組合法，定向鉆具組合大多為隨鉆斜測儀與導(dǎo)向馬達的結(jié)合，并借助減阻器與螺桿鉆具來完成對應(yīng)的鉆探工作。此外，在控制井眼軌跡期間，工作人員還需利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)進行實時監(jiān)督，在開展施工前要利用當前已有的勘探資料來設(shè)計地質(zhì)模型，并借助隨鉆測井儀來測試當前的地質(zhì)狀況，并利用電阻率、儲層內(nèi)的伽馬數(shù)值來調(diào)整模型參數(shù)，繼而優(yōu)化井眼的整體軌跡。

2.2 加強洞穴井與水平井的聯(lián)通

在進行洞穴井與水平井的聯(lián)通時，工作人員需借助探管、強磁針與永磁短節(jié)等硬件來實行鉆頭測距工藝。具體來說，硬件中探管的主要構(gòu)成為傳感器、扶正器與加重桿等，其長度大約在3m左右；而由多個永磁體構(gòu)成的永磁短節(jié)，其長度約為40cm，其主要功能為打造了一個恒定待測的磁場。在開展工作期間，永磁短節(jié)在經(jīng)過洞穴井時會采用旋轉(zhuǎn)法，其探管也可高效收集永磁短節(jié)內(nèi)的磁場信號，并將采集到的信號發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，借助其內(nèi)部軟件可精準測算出鉆頭位置與兩井間的距離，因而在開展洞穴井與水平井聯(lián)通作業(yè)的過程中要運用到無磁鉆鋌、鉆桿、馬達、永磁短節(jié)、鉆頭與隨鉆測斜儀等。

在開展聯(lián)通作業(yè)期間，工作人員需將探管放置到待測點，讓永磁短節(jié)與鉆頭相連接，并利用接收儀器實時接收磁場強度，確認井眼位置。若鉆具組合設(shè)備處在洞穴附近時，可借助系統(tǒng)設(shè)備來立體掃描周遭環(huán)境，可精準預(yù)測出洞穴井與水平井的中心位置。通過三維視圖內(nèi)的鉆具軌跡變化，還能幫助項目管理人員掌握當前的施工狀況，因而利用組合鉆具可實時監(jiān)測鉆頭位置，增強聯(lián)通作業(yè)的工作效率。

2.3 采用充空氣類欠平衡工藝

由于煤層氣藏內(nèi)的煤層帶有低滲透、低壓等特征，采用傳統(tǒng)的平衡鉆井技術(shù)會破壞儲層內(nèi)的油田，因而需運用更為高效的開采技術(shù)。當前鉆井液系統(tǒng)多為空氣、地層水、泡沫流體與充空氣類的鉆井液。針對充空氣類欠平衡技術(shù)來說，該技術(shù)具體的工作原理為將空氣放置到鉆井液中，讓該液體形成連續(xù)相，再借助氣體離散相來加強鉆井液體系統(tǒng)，其鉆井工藝主要運用在低壓煤層中，難以改變地層水量。

在運用油管注氣法的過程中，洞穴井內(nèi)要準備充足的井下封隔器與注氣油管，將油管視為通道，將壓縮后的氣體放置到水平井中。若該洞穴的煤層存儲較深，采用油管注氣工藝較為適宜，不僅其施工技術(shù)較易控制，還能在較短時間利用水平井的環(huán)空性來增強氣液相流的均勻度，通過科學(xué)欠平衡施工作業(yè)，還會加強煤層內(nèi)部的穩(wěn)定性。

欠平衡施工作業(yè)在正式施工時，其鉆進工作要嚴格遵照施工工藝，以提升該項工作的安全性。若注入氣體太多，水平井內(nèi)直井段中的泥漿就會出現(xiàn)排空現(xiàn)象，繼而引發(fā)地層坍塌、井噴等安全事故。為降低鉆井事故的概率，當氣體壓力低于標準值時，要停止注入有關(guān)氣體，而在開展下鉆作業(yè)的過程中，則需加強鉆桿的平穩(wěn)度，通過緩慢長提來加強井眼周圍的安全。

3 煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)的實際運用

3.1 實行小井眼的鉆進

針對易垮塌、且煤質(zhì)較松軟的區(qū)塊，需采用小井眼類的鉆進技術(shù)，在增強礦井質(zhì)量的同時，還會降低鉆井液的消耗。由于水平鉆井帶有極強的摩擦阻力，在使用該項技術(shù)期間，其主要困難為鉆桿的厚度，若因其厚度較弱難以給鉆頭適宜的壓力，在鉆進過程中將難以實現(xiàn)扭方位與增斜。在開展鉆井的過程中，對于初始井段，工作人員要采用復(fù)合鉆進法，也就是說高效融合滑動鉆進與旋轉(zhuǎn)鉆進，較好地控制井眼軌跡，也適時增強該軌跡的光滑度與流場性。針對后續(xù)鉆井來說，基于其摩擦阻力的增加，采用定向鉆進法的過程較緩慢，要使用旋轉(zhuǎn)鉆進法。在開展旋轉(zhuǎn)鉆進的過程中，即使打一個單根也要準確測量出方位與井斜，以便增強后續(xù)鉆井的數(shù)據(jù)依據(jù)，為其提供良好的理論支撐。

3.2 設(shè)計分支側(cè)鉆工藝

（1）由于煤層內(nèi)各項分支的側(cè)鉆都要處在裸眼中，在使用煤層氣多分支鉆井工藝的過程中也需進行裸眼側(cè)鉆?；趥?cè)鉆技術(shù)的難度較高，當前國內(nèi)大多采用分支側(cè)鉆，在運用該方法時要每個分支的起鉆都需來源于側(cè)鉆的頂部，利用上提下放模式，釋放鉆柱的全部扭力。在應(yīng)用懸空側(cè)鉆期間要精準地測量出鉆井參數(shù)變化、馬達壓差與測斜數(shù)據(jù)等，并將此類數(shù)據(jù)作為鉆井工藝的主要依據(jù)，從而有效判斷側(cè)鉆工藝是否成功。

（3）當施工人員采用兩井聯(lián)通技術(shù)時，工作人員應(yīng)詳細考察探管位置。具體來說，由于兩井底部的探頭位置要連接永磁短節(jié)，在進行聯(lián)通前，要準確收集礦井內(nèi)部的測斜參數(shù)與坐標數(shù)據(jù)，繼而實現(xiàn)初始化的坐標程序。當鉆頭處在探頭測量范圍中時，其接收儀器會高效吸收磁場強度，并將該類測點數(shù)據(jù)作為判斷依據(jù)，精準判定出井眼位置與測點閉合方位，掌握當前鉆頭位置詳盡的方位變化。此外，工作人員還可將井眼方向挪到洞穴的中心處，將礦井監(jiān)視下的磁場強度與實際對應(yīng)結(jié)果進行簡單比對，當其與礦井的距離為10m時，可拿出探頭，其鉆頭可沿該軌跡進行鉆探工作，繼而完成兩井聯(lián)通。

3.3 開展電磁波的鉆探

工作人員還可采用電磁波鉆探，一般來講，在開展煤層氣多分支水平鉆井期間，其主要的核心技術(shù)為隨鉆測量工藝，隨著該工藝狀態(tài)的回升，可將對應(yīng)的測量設(shè)備安置在鉆頭附近，以隨時測量井中的各類參數(shù)。在完成參數(shù)測量后，需將數(shù)據(jù)信息保存在對應(yīng)的存儲器內(nèi)，并借助各類介質(zhì)，如鉆井液、電磁波與電纜等，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?。地面中的互?lián)網(wǎng)系統(tǒng)可高效收集與整理此類數(shù)據(jù)，幫助工作人員獲取地層與井身的對應(yīng)性數(shù)據(jù)。電磁波類的鉆探技術(shù)在傳輸信息時主要借助于電磁波信號，屬新型檢測技術(shù)，其不僅有著極快的傳輸速度，還會適時縮減測量時間，由于其在數(shù)據(jù)傳輸時無須循環(huán)鉆井液，還在某種程度上降低了造價成本。隨著該技術(shù)的廣泛運用，找出了多種方式來強化測量指標，鉆井液介質(zhì)的缺失也難以對傳輸與測量結(jié)果造成影響。電磁波鉆探技術(shù)可適用在諸多鉆井液環(huán)境內(nèi)，也從側(cè)面解決了因鉆井液影響的相關(guān)參數(shù)的提取問題。

例如，某勘探有限公司在開展煤層鉆探的過程中，其采用了電磁波技術(shù)，并利用該技術(shù)設(shè)置了一套鉆井系統(tǒng)平臺，將各類參數(shù)放置到該系統(tǒng)內(nèi)，利用互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的分析與整合，有效增強了鉆探工藝的檢測速度，促進了測量結(jié)果的準確性。

4 結(jié)束語

綜上所述，煤層氣內(nèi)的水平鉆井技術(shù)有諸多優(yōu)勢，如開采率高，技術(shù)含量高等，該鉆井工藝的發(fā)展已較為成熟，應(yīng)借助該技術(shù)合理開采煤層氣內(nèi)的資源，通過高效的利用與開發(fā)，來緩解我國能源緊缺的不良現(xiàn)象，促進經(jīng)濟的整體發(fā)展。