煤層氣多分支水平井鉆井常見(jiàn)問(wèn)題及保障措施

劉天授

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100016)

鉆井是煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)的主要手段，鉆井工程質(zhì)量的優(yōu)劣和鉆井速度的快慢，直接關(guān)系到鉆井成本的高低和煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。鉆井工程就是從開(kāi)鉆到鉆至勘探開(kāi)發(fā)目的層，鉆完全井進(jìn)尺的鉆進(jìn)過(guò)程。鉆進(jìn)工程是鉆井的主體工程，其工程技術(shù)水準(zhǔn)和質(zhì)量，以及各相關(guān)工種、技術(shù)服務(wù)、鉆井各環(huán)節(jié)工作的協(xié)調(diào)銜接配合，是安全鉆進(jìn)，縮短鉆井周期，降低材料消耗，決定工程成本高低及勘探投資效益高低的關(guān)鍵。

煤層氣多分支水平井具有單井產(chǎn)量高、采出程度高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢(shì)，因此在美國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)多個(gè)地區(qū)也進(jìn)行了試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了良好的開(kāi)發(fā)效果。但由于我國(guó)煤層地質(zhì)構(gòu)造比美國(guó)復(fù)雜得多，對(duì)多分支水平井地質(zhì)及儲(chǔ)層條件的要求也比較苛刻，而且多分支水平井開(kāi)發(fā)本身工藝就比較復(fù)雜，具有大斜度、大位移、多目標(biāo)等特點(diǎn)，對(duì)鉆井中靶精度要求高，況且多分支水平井段穿多個(gè)煤層，造成先前施工井眼空裸，井眼易塌等，加之多分支水平井的鉆井實(shí)踐相對(duì)較少。因此，鉆井施工技術(shù)難度大，成本高。通過(guò)分析煤層氣分析多分支水平井工藝技術(shù)、國(guó)內(nèi)外多分支水平井工程施工現(xiàn)狀及多個(gè)區(qū)塊前期工程實(shí)踐，剖析多分支水平井鉆井的主要常見(jiàn)問(wèn)題，找到相應(yīng)解決辦法，為后期煤層氣多分支水平井開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)意義。

1 常見(jiàn)問(wèn)題

1.1 軌跡控制難度大，鉆井軌跡易于偏移

多分支水平井鉆井要求中靶準(zhǔn)確度高，而水平井軌跡復(fù)雜，軌跡控制難度大，鉆井軌跡易于偏移，這就對(duì)鉆井的技術(shù)工藝調(diào)控處嚴(yán)格要求。多分支水平井靶體通常是三維靶體，要求實(shí)鉆軌跡點(diǎn)在進(jìn)入目標(biāo)窗口平面后每一個(gè)點(diǎn)都在靶體所限制的范圍內(nèi)，防止在鉆進(jìn)水平段的過(guò)程中鉆頭穿出靶體造成脫靶。

由于多分支水平井水平段長(zhǎng)，隨著斜井段的延伸，井眼摩阻隨之增加，使得鉆具在井眼中的轉(zhuǎn)動(dòng)困難，從而加大了工具面角擺放的難度。

由于地質(zhì)不確定性、工具造斜能力不確定性及測(cè)量信息滯后等客觀因素的存在，使多分支水平井由造斜點(diǎn)開(kāi)始到鉆至增斜井段控制和水平井段控制難度較大。

1.2 施工摩阻扭矩大、鉆壓傳輸困難

多分支水平井鉆探過(guò)程中，鉆具與井壁之間的摩擦阻力主要由鉆柱的軸向摩擦阻力及周向摩擦扭矩所組成。

鉆探水平井所需的鉆探設(shè)備多，鉆柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)鉆探機(jī)具工藝性能要求高，下部鉆具結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)，外徑大，在水平井段由于鉆柱重力作用，使鉆柱貼于下井壁，鉆井液紊流受到影響，返砂效果差，而且油層井段一般地層孔隙度大，砂層居多，巖石膠結(jié)性差，易形成砂橋，會(huì)嚴(yán)重影響鉆柱的上提下放等。

1.3 井眼易污染，難以清潔，井眼易垮，維持井眼穩(wěn)定難度大

多分支水平井鉆探過(guò)程中，在穩(wěn)斜段和水平井段，由于重力作用，鉆具在井眼中靠向下井壁，使鉆具周圍間隙寬窄變化明顯，造成井眼中寬間隙處流速大，窄間隙處流速小，剪切速率增大，使巖屑易沉向下井壁，且不易清除，形成巖屑沉淀層。

同一井眼，在相同排量下，不同井段的環(huán)空鉆井液會(huì)處于不同的流動(dòng)狀態(tài)。井眼下部，巖屑一般處于均勻分布狀態(tài)；而井眼中部，鉆井液的攜巖能力也明顯變小。

由于多分支水平井工程復(fù)雜，水平井段橫穿儲(chǔ)層，鉆井深度大，鉆井周期長(zhǎng)，致使鉆井泥漿在井眼循環(huán)緩慢，滯留周期長(zhǎng)，造成大段懸空裸眼井段，暴露在鉆井液的面積大大增加，侵入地層的濾液量增加，極易引起井壁坍塌，且儲(chǔ)層易通過(guò)井眼受泥漿污染，且難以清潔；由于鉆井深度大，時(shí)間長(zhǎng)，且受工程擾動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)及頻率大等，使得井眼易垮，鉆井維持井眼穩(wěn)定的難度大。

1.4 鉆井易發(fā)生卡鉆等事故

由于多分支水平井井斜大、水平段長(zhǎng)，隨井深增加鉆具與井壁接觸面積也隨之增加，鉆具作用于井壁的側(cè)壓力隨之增加，故極易發(fā)生粘附卡鉆；同時(shí)由于水平井造斜、增斜、穩(wěn)斜和扭方位等工序復(fù)雜，全角變化率較大，起鉆過(guò)程中易形成鍵槽而發(fā)生鍵槽卡鉆。

1.5 固井質(zhì)量控制難度大

多分支水平井固井需要解決的突出問(wèn)題表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是如何確保有足夠強(qiáng)度的套管柱能夠克服阻力順利下至設(shè)計(jì)位置；二是在大斜度井段及水平井段套管居中與能否完全充填水泥漿。多分支水平井的井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，固井工藝較為復(fù)雜，固井控制技術(shù)難度相應(yīng)增大。

2 主要保障措施

盡管多分支水平井煤層氣開(kāi)發(fā)工藝復(fù)雜，工程難度大，但多分支水平井具有控制面積大、適應(yīng)地形條件好、采收率高、抽采效果好等特點(diǎn)而備受煤層氣勘探開(kāi)發(fā)業(yè)界青睞，且隨著煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的需要，以及鉆井工藝、鉆井工具、裝備等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，水平井的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。多分支水平井的實(shí)施是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要成功實(shí)施一口多分支水平井，應(yīng)從地質(zhì)選區(qū)、井位部署、工程設(shè)計(jì)、工程施工等全方面做好保障。

2.1 地質(zhì)選區(qū)、井位部署及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在地質(zhì)與氣藏工程分冊(cè)中，已結(jié)合多分支水平井的工藝和技術(shù)要求，從地質(zhì)、儲(chǔ)層等多個(gè)方面優(yōu)化選擇了多分支水平井適合的地區(qū)，設(shè)計(jì)了多分支水平井的井位。從井眼剖面、完井方式、多分支水平井布井等方面，進(jìn)行煤層氣多分支水平井工程設(shè)計(jì)，包括多分支水平井控制區(qū)域、分支、方位、井身結(jié)構(gòu)、井眼剖面、鉆具組合、鉆井液，井控及固完井設(shè)計(jì)等。

2.2 井眼軌道控制

在多分支水平井鉆進(jìn)過(guò)程中，要充分發(fā)揮滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高鉆速，為鉆出平滑規(guī)則的井眼提供保障，其目的是通過(guò)井眼軌道控制降低井眼軌跡控制的難度。

2.2.1 井眼軌道剖面類型優(yōu)化

井眼軌跡控制是水平井鉆井施工成功與否的關(guān)鍵，選擇合理的井身剖面、井眼曲率并制定有效可行的鉆井安全技術(shù)措施十分重要。

多數(shù)造斜工具的造斜特性不可能保持非常穩(wěn)定，常常產(chǎn)生一定程度的偏差，通過(guò)調(diào)整穩(wěn)斜段的造斜率和段長(zhǎng)，彌補(bǔ)鉆具造斜能力的偏差，防止穩(wěn)斜段過(guò)長(zhǎng)，造成現(xiàn)場(chǎng)井眼控制困難及井眼清潔效果差。

2.2.2 井眼曲率優(yōu)化

井眼曲率過(guò)小，使造斜井段的鉆進(jìn)時(shí)間太長(zhǎng)，穩(wěn)斜段太短，調(diào)整方位的回旋余地太小。井眼曲率過(guò)大，鉆具偏磨嚴(yán)重，摩擦阻力增加，起下鉆困難，容易磨出鍵槽而造成卡鉆事故，對(duì)井下儀器不安全，給后期作業(yè)造成困難。

根據(jù)井口坐標(biāo)和靶點(diǎn)參數(shù)，設(shè)計(jì)確定造斜率。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，考慮到造斜工具造斜特性的不穩(wěn)定性，選擇工具的理論造斜率應(yīng)該比設(shè)計(jì)造斜率高10%～20%。

2.2.3 鉆具組合

2.2.3.1 直井段

在多分支水平井施工中，直井段的核心任務(wù)是防斜，其質(zhì)量將關(guān)系到定向時(shí)方位的調(diào)整。為了直井段能盡量打直，應(yīng)采用適合地區(qū)特點(diǎn)的鉆具組合，直井段常用的防斜鉆具組合是鐘擺鉆具和塔式鉆具。要求鉆具組合既有利于控制井斜，又有利于解放鉆壓，有效提高直井段的機(jī)械鉆速。在工程施工過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，結(jié)合根據(jù)地質(zhì)及儲(chǔ)層條件，及時(shí)分析，隨時(shí)優(yōu)化鉆具組合，并為后續(xù)工程的實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)。

2.2.3.2 造斜段及水平段

水平井鉆井過(guò)程中簡(jiǎn)化鉆具組合，減少鉆鋌使用長(zhǎng)度，用加重鉆桿代替鉆 鋌，可以有效減小摩阻，降低施工難度。

為減小斜井段鉆具摩阻，使用柔性斜坡鉆桿優(yōu)化鉆具組合，同時(shí)采用加重鉆桿代替鉆鋌，盡量簡(jiǎn)化鉆具結(jié)構(gòu)，減輕下部鉆具重量，確保井底獲得足夠的鉆壓，減少粘卡的機(jī)會(huì)。

使用LWD隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，隨鉆測(cè)量自然伽馬、電阻率曲線。根據(jù)隨鉆測(cè)井，確定目的層頂界深度，跟蹤調(diào)整井眼軌跡，根據(jù)實(shí)際情況采用滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)兩種方式施工，隨時(shí)調(diào)整井斜方位。在工程實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求及時(shí)優(yōu)化鉆具組合，并為后續(xù)工程的實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)。

使用相關(guān)材料控制地層造漿，確保上部井眼穩(wěn)定；適量采用防塌鉆井液體系能，提高鉆井液的潤(rùn)滑防塌性能，保證斜井段及水平段井眼的質(zhì)量。

2.2.4 固井工程

采用大泵紊流頂替鉆井液，排量不低于鉆進(jìn)排量，提高驅(qū)替效率，保證質(zhì)量?？刂茖?shí)鉆井眼軌跡，確保有一個(gè)良好的井眼和井身質(zhì)量；套管柱上加扶正器，保證套管居中，避免套管偏斜對(duì)固井質(zhì)量的影響。優(yōu)選水泥漿體系，控制水泥漿失水和自由水。

3 結(jié)論

(1)煤層氣多分支水平井鉆井具有軌跡控制難度大，鉆井軌跡易于偏移、施工摩阻扭矩大、鉆壓傳輸困難，井眼易污染，難以清潔，井眼易垮，維持井眼穩(wěn)定難度大，鉆井易發(fā)生卡鉆等事故以及固井質(zhì)量控制難度大等常見(jiàn)問(wèn)題。

(2)煤層氣多分支水平井鉆井過(guò)程中應(yīng)從地質(zhì)選區(qū)、井位部署及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，井眼軌道控制，井眼曲率優(yōu)化及固井工程等方面進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)保障和提高成功率。

(3)在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要緊密跟蹤多分支水平井實(shí)鉆的情況，針對(duì)直井段、造斜段、水平段鉆井過(guò)程中固完井、井身結(jié)構(gòu)及井眼軌跡、鉆具組合、鉆井液、 鉆井參數(shù)等方面的設(shè)計(jì)合理性做出評(píng)價(jià)，并分析實(shí)鉆中發(fā)生事故的原因，總結(jié)了現(xiàn)階段多分支水平井設(shè)計(jì)及應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為未來(lái)多分支水平井鉆井工 程設(shè)計(jì)提出建議。