中國(guó)煤層氣高效開(kāi)發(fā)井型與鉆完井技術(shù)進(jìn)展

高德利 畢延森 鮮保安

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層（頁(yè)巖）氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心3.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心

1 國(guó)內(nèi)外煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀

全球非常規(guī)天然氣探明可采儲(chǔ)量達(dá)331×1012m3，其中煤層氣占11%[1]。我國(guó)煤層氣地質(zhì)資源總量約為80×1012m3，其中陸地埋深2 000 m以內(nèi)的煤層氣資源量為30.05×1012m3、埋深超過(guò)2 000 m的煤層氣資源量為40.47×1012m3、近海海域煤層氣資源量介于7.0×1012～11.5×1012m3，開(kāi)發(fā)潛力較大[2-4]。同時(shí)，我國(guó)油氣供需缺口日益增大，2020年天然氣消費(fèi)量位居世界第4位，對(duì)外依存度超過(guò)了43%[5]。在“碳達(dá)峰碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱“雙碳”目標(biāo)）的推動(dòng)下，我國(guó)能源低碳綠色轉(zhuǎn)型對(duì)煤層氣高效開(kāi)發(fā)提出了重大需求。2018年，全球煤層氣產(chǎn)量為839×108m3，其中美國(guó)289×108m3、澳大利亞445×108m3、中國(guó)53.5×108m3。由此可見(jiàn)，我國(guó)煤層氣產(chǎn)量明顯較低[6]，未來(lái)有可能具有較大的增長(zhǎng)空間和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

自從1999年美國(guó)CDX公司開(kāi)始利用多分支水平井技術(shù)開(kāi)發(fā)低滲透儲(chǔ)層的煤層氣獲得成功之后，多分支水平井已成為低滲透煤層開(kāi)發(fā)煤層氣的重要技術(shù)之一（圖1）。多分支水平井直井與水平井相距約100 m，兩井在煤層連通后，直井作為生產(chǎn)井下入割縫篩管以保持井眼穩(wěn)定。該技術(shù)在美國(guó)阿巴拉契亞、俄克拉荷馬、伊利諾斯和西弗吉尼亞等州的煤層氣開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了積極作用，其中在阿巴拉契亞盆地，多分支水平井井組控制面積達(dá)4.8 km2，相當(dāng)于16口直井，日產(chǎn)氣量介于3.0×104～5.6×104m3, 是直井產(chǎn)量的10倍以上[7-8]；西弗吉尼亞州煤層的滲透率介于1.8～5.0 mD，在美國(guó)屬于低滲透煤層，CDX公司鉆成了69口煤層氣多分支水平井，全部裸眼完井，單井儲(chǔ)層控制面積約4.0 km2，投產(chǎn)后日產(chǎn)氣量介于3.40×104～5.66×104m3[9]。加拿大阿爾伯塔盆地結(jié)合多分支水平井技術(shù)與欠平衡鉆井技術(shù)后，煤層氣單井日產(chǎn)量提高到0.85×104～1.15×104m3[9]；連續(xù)管鉆井技術(shù)、氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)與多分支水平井技術(shù)助推了該盆地煤層氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[10]，2009年煤層氣產(chǎn)量達(dá)到90×108m3，到2018年減產(chǎn)至51×108m3左右[11-12]。澳大利亞的Bowen盆地煤層具有含氣量高、含水飽和度變化大及高地應(yīng)力等特點(diǎn)，煤層氣開(kāi)發(fā)主要采用中半徑水平井和超短半徑水平井工藝技術(shù)[13]。水平井高壓水射流改造技術(shù)使Bowen盆地煤層氣開(kāi)發(fā)取得重大突破，2006年澳大利亞全國(guó)煤層氣鉆井1 100口，合計(jì)產(chǎn)量達(dá)到18×108m3[14]。自2004年Bowen 盆地采用SIS（Surface Into Seam）水平井開(kāi)發(fā)中煤階儲(chǔ)層的煤層氣（圖2），SIS水平井組以1口直井為排水采氣生產(chǎn)井，2口水平井從遠(yuǎn)端地面鉆進(jìn)貫穿煤層，在水平段末端與同1口直井連通，兩口水平井呈“V”形，夾角為 30°～60°，水平段長(zhǎng)度在1 000 m 左右，水平井段可下入割縫塑料篩管完井[15-18]。2018年，澳大利亞煤層氣產(chǎn)量高達(dá)393×108m3，已取代美國(guó)成為全球最大的煤層氣生產(chǎn)國(guó)。

圖1 美國(guó)CDX公司多分支水平井示意圖[7-9]

圖2 澳大利亞Bowen盆地SIS水平井結(jié)構(gòu)示意圖[18]

較之于美國(guó)、澳大利亞、加拿大等國(guó)家，我國(guó)的煤層氣藏具有低地層壓力、低滲透率、低含氣飽和度與強(qiáng)非均質(zhì)性等基本特征，增加了儲(chǔ)層改造的難度，制約了煤層氣單井產(chǎn)量與采收率的提高。煤層的高吸附特性、高應(yīng)力敏感性與多尺寸孔隙特征是煤層氣生產(chǎn)所面臨的技術(shù)難點(diǎn)；復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造與破碎的煤體結(jié)構(gòu)有可能降低井壁的穩(wěn)定性，增加鉆進(jìn)過(guò)程中煤層漏失與坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致卡鉆事故或井眼報(bào)廢。煤層地質(zhì)條件的顯著差異，決定了中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)不能照搬國(guó)外的現(xiàn)成模式。在借鑒國(guó)外煤層氣開(kāi)發(fā)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，我國(guó)的相關(guān)學(xué)者與科技人員不斷探索適合中國(guó)煤層氣高效開(kāi)發(fā)的工程模式及其工藝技術(shù)。在2004年之前，煤層氣開(kāi)發(fā)以直井水力壓裂模式為主，產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢；2004年，國(guó)內(nèi)完成了第一口煤層氣多分支水平井——DNP02井，以平均產(chǎn)量2×104m3/d 穩(wěn)定生產(chǎn)4年，開(kāi)啟了中國(guó)高煤階煤層氣藏的水平井開(kāi)發(fā)模式。此后，筆者團(tuán)隊(duì)[19]對(duì)煤層氣多分支水平井增產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)煤層的適用性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了煤層氣水平井地質(zhì)適應(yīng)性研究[20-22]，煤層氣水平井鉆井與完井技術(shù)取得了一定的發(fā)展，主要內(nèi)容包括：從多分支水平井到“U”形、單支及徑向等水平井；從裸眼完井到篩管、套管固井及定向射孔等完井；從清水鉆井液到聚合物、絨囊及可降解等鉆井液；從單點(diǎn)定向到無(wú)線隨鉆定向、地質(zhì)導(dǎo)向及近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向等定向鉆井技術(shù)；從常規(guī)固井到雙級(jí)、半程及泡沫等固井技術(shù)。

從2008年底至2020年底，全國(guó)煤層氣井完成數(shù)量從2 796口增長(zhǎng)至19 540口，其中水平井從72口增長(zhǎng)至1 677口[23-24]。盡管煤層氣水平井鉆井?dāng)?shù)量顯著增加，但是煤層氣叢式井技術(shù)仍然主導(dǎo)著我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)。同時(shí)，煤層氣水平井鉆井與完井技術(shù)主要在山西沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣高—中煤階煤層氣開(kāi)發(fā)中取得了較好的效果，面對(duì)中國(guó)豐富的煤層氣藏類型，其適用范圍還有待于拓展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水平井的井型與井身結(jié)構(gòu)、井壁穩(wěn)定、漏失封堵、軌跡控制與完井增產(chǎn)方式等開(kāi)展了大量研究，并取得了豐碩成果。為了給中國(guó)煤層氣水平井工程技術(shù)發(fā)展提供借鑒與支持，綜述了國(guó)內(nèi)外煤層氣水平井鉆井與完井相關(guān)技術(shù)進(jìn)展，介紹了中國(guó)煤層氣水平井鉆井與完井技術(shù)進(jìn)展，分析了相關(guān)技術(shù)的適應(yīng)性，探討了薄、破碎、深部及高陡構(gòu)造等復(fù)雜煤層氣儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)模式，以期有助于推動(dòng)難開(kāi)采煤層氣資源的高效綠色開(kāi)發(fā)。

2 井型與井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中國(guó)煤盆地的變形演化歷史復(fù)雜，盆地原形及構(gòu)造樣式多變，煤層多階段演化和多熱源疊加變質(zhì)作用明顯，使得煤層氣藏在儲(chǔ)層物性、含氣保存與開(kāi)采條件等方面都具有其明顯的特殊性[25]。針對(duì)不同區(qū)塊的地層條件、煤層特征與地表環(huán)境進(jìn)行井型優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效增加水平井對(duì)煤層氣藏的控制面積，有利于大幅度提高煤層氣單井產(chǎn)量與采收率，同時(shí)降低煤層氣開(kāi)發(fā)成本[25]。我國(guó)煤層氣藏地層條件與煤巖結(jié)構(gòu)差異性較大，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力特征、地層壓力、煤質(zhì)與煤體結(jié)構(gòu)、煤層深度與厚度等多種因素，尤其是鉆遇嚴(yán)重漏失的地層，需要通過(guò)井身結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)加以封固，以保持井眼的穩(wěn)定性。

2.1 多分支水平井

多分支水平井是集煤層氣鉆完井與增產(chǎn)于一體的集成技術(shù)，能夠最大限度地溝通煤層割理（微裂隙）和裂縫系統(tǒng)，增加排水泄壓面積，降低煤層裂隙內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)阻力，大幅度提高單井產(chǎn)量，減少井?dāng)?shù)[26]。筆者團(tuán)隊(duì)[27]根據(jù)流體管路串聯(lián)和并聯(lián)原理，建立了多分支井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)不同的煤層地質(zhì)條件設(shè)計(jì)出5類多分支井身結(jié)構(gòu)模型，對(duì)煤層氣多分支水平井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有指導(dǎo)作用。崔樹(shù)青等[28-29]綜合考慮地質(zhì)工程、氣藏工程和鉆井工程等因素對(duì)多分支水平井進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，對(duì)沁水盆地煤層氣多分支井身剖面和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。煤層氣多分支水平井主要采用對(duì)接井組設(shè)計(jì)，煤層氣多分支水平井的井型如圖3所示，水平井與直井洞穴的距離介于200～300 m，通過(guò)直井內(nèi)均勻充氣以降低井筒壓力。借助于泡沫鉆井液或鉆井液內(nèi)充氣可以實(shí)現(xiàn)煤層欠平衡鉆井，減少對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。對(duì)接水平井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表層套管下至基巖，第二次開(kāi)鉆套管下至目的煤層頂板，第三次開(kāi)鉆采用裸眼完井；直井采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表層套管下至基巖，生產(chǎn)套管下至目的煤層底板以下60 m左右，目的煤層段采用玻璃鋼套管并進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)以提高對(duì)接水平井連通成功率。水平井軌跡呈現(xiàn)整體上翹趨勢(shì)，傾角一般介于3°～5°，有利于后期排水和產(chǎn)氣。隨著煤層鉆井液技術(shù)的研究與發(fā)展，井壁失穩(wěn)與儲(chǔ)層保護(hù)問(wèn)題得以有效控制。同時(shí)，無(wú)桿泵設(shè)備與舉升工藝解決了水平井排采難題，由此，對(duì)接多分支水平井組發(fā)展為單主井筒多分支水平井模式，節(jié)省了1口直井的工程與開(kāi)發(fā)成本，如圖4所示。多分支水平井適用于煤層原生裂隙發(fā)育、厚度較大、地層穩(wěn)定、構(gòu)造簡(jiǎn)單及煤巖結(jié)構(gòu)完整的區(qū)塊，如沁水盆地南部及鄂爾多斯盆地東緣的三交、柳林等區(qū)塊[26]。

圖3 對(duì)接井多分支水平井結(jié)構(gòu)模型圖

圖4 單井多分支水平井結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 U型水平井組

U型水平井組由一口直井（或定向井）與一口或多口水平井組成，生產(chǎn)直井位于煤層低部位，水平井整體下傾鉆進(jìn)并與直井連通。在華北地區(qū)U型水平井組與多分支水平井相輔相成，促進(jìn)了煤層氣的整體開(kāi)發(fā)。U型水平井技術(shù)發(fā)展初期采用裸眼完井（圖5-a），在生產(chǎn)中出現(xiàn)水平段裸眼井壁坍塌和煤粉產(chǎn)出，導(dǎo)致直井修井頻繁、產(chǎn)量下降等。為了解決上述問(wèn)題，在水平井下入篩管支撐井壁和控制煤粉產(chǎn)出[30]（圖5-b）。我國(guó)低煤階煤層氣資源量為 15.13×1012m3，占埋深 2 000 m以內(nèi)煤層氣總資源量的41.1%，滲透率一般小于1.0 mD[31-32]。目前，U型水平井壓裂改造是低煤階、低滲透煤層提高單井煤層氣產(chǎn)量的重要技術(shù)手段。水平井下入套管固井后采用定向射孔方式完井，如圖5-c所示；部分水平井下入套管后采用水力噴射壓裂改造煤層，如圖5-d所示。筆者團(tuán)隊(duì)論證了U型水平井鉆井與完井技術(shù)在我國(guó)新疆、東北和西南等高陡構(gòu)造地區(qū)的適用性，其井身結(jié)構(gòu)如圖5-e所示。在不存在層間干擾的煤系地層，U型水平井適用于多層煤系氣合采，井身結(jié)構(gòu)如圖5-f所示[33]。在延川南地區(qū)試驗(yàn)了V型水平井組與2口水平井共采模式，以降低開(kāi)發(fā)成本，井身結(jié)構(gòu)如圖5-g所示。在韓城、焦作、淮北等地區(qū)試驗(yàn)了煤層頂板U型水平井，采用定向射孔與壓裂技術(shù)開(kāi)發(fā)碎軟儲(chǔ)層煤層氣，解決了碎軟煤層成孔難題[34-38]，井身結(jié)構(gòu)如圖5-h所示。

圖5 U型水平井組結(jié)構(gòu)示意圖

U型水平井組中水平井多為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，表層套管下至基巖，第二次開(kāi)鉆套管下至目的煤層頂板，第三次開(kāi)鉆完井方式主要為裸眼完井、篩管完井或套管射孔完井；直井采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表層套管下至基巖，生產(chǎn)套管下至目的煤層底板以下60 m左右，煤層氣儲(chǔ)層目標(biāo)井段采用玻璃鋼套管，并進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，以提高水平井連通成功率。

2.3 單支水平井

沁水盆地南部多分支水平井裸眼井眼垮塌嚴(yán)重、無(wú)法重入管柱作業(yè)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了煤層氣的穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)。單支水平井（又稱L型水平井）套管射孔完井或篩管完井在支撐井壁以維持流體產(chǎn)出通道的同時(shí)，滿足了增產(chǎn)與修井作業(yè)條件。圖6-a所示單支水平井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，第三次開(kāi)鉆在煤層段下入篩管并懸掛于技術(shù)套管內(nèi)壁，篩管用于保持井壁穩(wěn)定并控制煤粉產(chǎn)出，為煤層氣生產(chǎn)提供了穩(wěn)定的通道[39-40]。圖6-b為二開(kāi)結(jié)構(gòu)單分支水平井，第二次開(kāi)鉆完井管柱安裝分級(jí)箍和管外封隔器，進(jìn)行半程固井，水泥封固煤層上部地層，煤層段為篩管完井，該技術(shù)已應(yīng)用于沁水盆地鄭莊地區(qū)[41]。圖6-c為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)的單支水平井，第三次開(kāi)鉆井眼下入套管后固井，采用定向射孔分段壓裂技術(shù)對(duì)低滲透煤層進(jìn)行增產(chǎn)改造。針對(duì)碎軟煤層水平井眼易垮塌、成孔難度大、后期煤粉大量產(chǎn)出等問(wèn)題，張群、巫修平等[36-37]提出在煤層頂板鉆單支水平井，通過(guò)定向射孔與分段壓裂技術(shù)開(kāi)采碎軟煤層中的煤層氣，可以避免煤粉大量產(chǎn)出影響煤層氣連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，如圖6-d所示。單支水平井更適合于水平井“井工廠”模式，在沁水盆地南部單個(gè)井場(chǎng)可以部署單支水平井?dāng)?shù)量介于5～7口，最多可達(dá)18口。

圖6 不同結(jié)構(gòu)L型水平井模型圖

3 煤層氣定向鉆井技術(shù)進(jìn)展

3.1 井眼軌跡控制技術(shù)

井眼軌跡控制技術(shù)是直接關(guān)系到煤層氣水平井煤層鉆遇率與工程質(zhì)量的關(guān)鍵核心技術(shù)之一[42-43]。煤儲(chǔ)層具有埋深淺、夾矸層發(fā)育、同層煤巖結(jié)構(gòu)差異性大等特征，水平井鉆進(jìn)需要地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)控制鉆頭鉆遇地質(zhì)“甜點(diǎn)”區(qū)并避開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)地層；高陡構(gòu)造煤層與薄煤層需要配備近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向儀器，進(jìn)行井身軌跡控制以保證煤層鉆遇率；煤層頂板水平井鉆進(jìn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制水平井眼與煤層間距，對(duì)井眼軌跡控制提出了更高的要求；同時(shí)，磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)是煤層氣水平井與直井洞穴精準(zhǔn)對(duì)接連通的必要技術(shù)保障。

3.1.1 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)綜合分析綜合錄井地質(zhì)參數(shù)、自然伽馬曲線及實(shí)鉆工程參數(shù)，實(shí)時(shí)更新地質(zhì)模型并建立新的預(yù)測(cè)模型，給地質(zhì)導(dǎo)向提供決策參考，調(diào)控目標(biāo)煤層中的實(shí)鉆井眼軌跡，提高煤層鉆遇率并且保證安全快速鉆進(jìn)。隨鉆方位伽馬測(cè)量?jī)x器是提高水平井煤層鉆遇率的關(guān)鍵儀器，分為旋轉(zhuǎn)測(cè)量與滑動(dòng)測(cè)量?jī)煞N模式，無(wú)論鉆頭鉆出煤層進(jìn)入頂板或底板，伽馬值都會(huì)升高，但頂板與底板伽馬值的升高次序與幅值有所區(qū)別[44-45]。目前國(guó)內(nèi)煤層氣水平井使用的隨鉆測(cè)量?jī)x器主要為EM-MWD和MWD，前者為電磁波傳輸方式，后者為鉆井液脈沖傳輸方式。鉆井液脈沖測(cè)量?jī)x器適用于含砂量不超過(guò)4%、含氣量不超過(guò)7%的鉆井液環(huán)境，不適用于空氣、泡沫等欠平衡或嚴(yán)重漏失井段的鉆進(jìn)。電磁波傳輸速度快，不受鉆井液介質(zhì)的影響，但對(duì)地層電阻率反應(yīng)敏感，在低電阻率地層其信號(hào)衰減較快甚至不能穿透，難以適用于深井[46-47]。

3.1.2 近鉆頭導(dǎo)向技術(shù)

沁水盆地作為中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)的標(biāo)志性示范區(qū)，2014年之前主要以山西組3號(hào)煤層為主要開(kāi)發(fā)目的層系，煤體結(jié)構(gòu)完整，煤層厚度介于3～6 m，常規(guī)的地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)能夠保證水平井煤層軌跡控制的精度要求。然而，2014年之后逐步開(kāi)發(fā)太原組15號(hào)煤層，其厚度僅為1～3 m，部分地區(qū)煤層厚度甚至不足1 m，煤層氣水平井軌跡控制作業(yè)面臨極大的挑戰(zhàn)。常規(guī)的地質(zhì)導(dǎo)向儀器測(cè)量工具距離鉆頭8～12 m，當(dāng)水平井井眼鉆出煤層時(shí)難以及時(shí)監(jiān)測(cè)而導(dǎo)致頻繁側(cè)鉆，增加了鉆井工程的成本及風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，重慶、貴州、四川等地區(qū)多煤層、薄煤層、高陡構(gòu)造煤層等增加了煤層氣水平井軌跡控制的技術(shù)難度。煤層氣近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)[48-49]由伽馬工具短節(jié)BITEye、NBS近鉆頭儀器、螺桿鉆具、信號(hào)接收短節(jié)、MWD底部連接總成、MWD系統(tǒng)和地面系統(tǒng)等構(gòu)成，測(cè)斜探管及伽馬探管與鉆頭的距離在0.45 m左右，針對(duì)薄煤層、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地層水平井施工可以及時(shí)調(diào)整井身軌跡。近鉆頭測(cè)量參數(shù)包括方位伽馬、井斜和工況監(jiān)控等參數(shù)，可以根據(jù)地質(zhì)要求在現(xiàn)場(chǎng)修改伽馬更新頻率。2018年，在沁水盆地樊莊區(qū)塊太原組15號(hào)煤層試驗(yàn)了7口水平井的近鉆頭導(dǎo)向技術(shù)，不僅使得煤層鉆遇率達(dá)到了98%，而且還大大縮短了該煤層的導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)間。

3.1.3 磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)

磁導(dǎo)向鉆井技術(shù)是導(dǎo)向鉆井技術(shù)的重要組成部分，是U型水平井對(duì)接、煤層頂板水平井眼軌跡控制、水平井組隨鉆防碰等導(dǎo)向鉆井的重要技術(shù)支撐[50-51]。磁導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)包括井下磁信標(biāo)、微弱磁場(chǎng)高精度探測(cè)儀、測(cè)控算法及軟件系統(tǒng)等軟硬件，筆者團(tuán)隊(duì)在18年前（2004年）就啟動(dòng)了相關(guān)研究，發(fā)明了新型近鉆頭磁短節(jié)工具、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)高精度探測(cè)儀、隨鉆測(cè)控算法等關(guān)鍵技術(shù)，成功研發(fā)了U型水平井遠(yuǎn)端對(duì)接儀器與成套軟硬件，解決了水平井距離和方位的精確探測(cè)與導(dǎo)向鉆井控制難題，為煤層氣田復(fù)雜結(jié)構(gòu)井高效開(kāi)發(fā)工程提供了核心技術(shù)支撐，并在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井工程中獲得了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與良好的應(yīng)用實(shí)效[52-53]。

3.2 井壁穩(wěn)定技術(shù)

井壁失穩(wěn)一直是煤層氣鉆井遇到的技術(shù)難題之一，更是煤層水平井眼安全鉆進(jìn)的關(guān)鍵所在。煤巖具有脆性大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，煤巖密布的割理、裂隙結(jié)構(gòu)決定了其各向異性與非連續(xù)性比較強(qiáng)。基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的井壁穩(wěn)定模型不適用于煤層，屈平等人分析了地應(yīng)力和裂紋應(yīng)力對(duì)近井壁煤樣的影響，結(jié)合裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力強(qiáng)度因子、斷裂韌性及D-P準(zhǔn)則等形成了節(jié)理煤層井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)模型，結(jié)合實(shí)例評(píng)價(jià)了煤儲(chǔ)層水平井的井壁穩(wěn)定性[54]。陳勉等人基于煤層非連續(xù)介質(zhì)特點(diǎn)，建立了煤層坍塌壓力的離散元模型，并定義井壁穩(wěn)定系數(shù)，其取值的正負(fù)性決定了井眼壓力與井壁穩(wěn)定性的關(guān)系[55]。上述研究成果對(duì)于確定煤層氣儲(chǔ)層安全鉆井液密度窗口起到了指導(dǎo)作用，但煤層氣鉆井過(guò)程中井壁不穩(wěn)定性是受多因素綜合影響的結(jié)果，其影響因素主要包括煤層地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、地層壓力及黏土礦物水化效應(yīng)等[56]，僅依靠調(diào)整鉆井液密度難以滿足煤層井壁穩(wěn)定性的要求，有必要對(duì)煤層井壁進(jìn)行封堵與強(qiáng)化。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，絨囊鉆井液通過(guò)黏結(jié)地層并改變巖石力學(xué)特性，有利于控制井壁的不穩(wěn)定性，并獲得良好的應(yīng)用實(shí)效[57]。

3.3 儲(chǔ)層保護(hù)鉆井技術(shù)

煤巖割理與節(jié)理發(fā)育，雙孔隙結(jié)構(gòu)增加了煤巖的吸附能力，使煤巖具有很強(qiáng)的水敏性與壓敏性，特別是欠壓實(shí)煤層在鉆進(jìn)過(guò)程中容易發(fā)生漏失。因此，煤層更易受到鉆井液傷害，由此直接影響到了煤層氣的解吸、擴(kuò)散、運(yùn)移及后期排采等技術(shù)效果。煤層氣鉆井過(guò)程中鉆井液與完井液不可避免地對(duì)煤層氣儲(chǔ)層造成傷害，鉆井液固相顆料堵塞煤巖裂縫通道，鉆井液流體侵入煤巖引起黏土礦物水化膨脹堵塞孔隙，高分子材料吸附煤層或堵塞裂縫，鉆井液液柱壓力對(duì)煤層氣儲(chǔ)層造成傷害。為了減少對(duì)煤巖儲(chǔ)層造成的傷害，相關(guān)專家學(xué)者從力學(xué)、化學(xué)等角度，對(duì)于煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)做了大量的研究工作并取得了不少成果。

3.3.1 雙管雙循環(huán)攜巖技術(shù)

煤層氣水平井在第二次開(kāi)鉆井眼中完鉆后，采用雙層技術(shù)套管固井，鉆井過(guò)程中通過(guò)鉆柱建立鉆井液循環(huán)，同時(shí)一部分鉆井液從外層套管與內(nèi)層套管的環(huán)空注入，經(jīng)射流發(fā)生器發(fā)生轉(zhuǎn)向，進(jìn)入鉆具與內(nèi)層套管的環(huán)空，與原有的鉆井液混合在一起，以提高內(nèi)部環(huán)空的鉆井液排量、改善井眼清潔效果、減少固相含量對(duì)煤層的傷害。該技術(shù)在沁水盆地2口多分支水平井進(jìn)行了儲(chǔ)層保護(hù)成井技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在穩(wěn)定成井的同時(shí)，有效保護(hù)了煤儲(chǔ)層，解決了多分支水平井成井過(guò)程中儲(chǔ)層保護(hù)和井壁穩(wěn)定的問(wèn)題[58]。

3.3.2 清水注氣欠平衡鉆井技術(shù)

針對(duì)我國(guó)煤層低壓力、低孔隙度、低滲透率及易受鉆井污染、儲(chǔ)層保護(hù)難度大等一系列問(wèn)題，在煤層氣多分支水平井充氣欠平衡鉆井中通常采用雙井筒結(jié)構(gòu)注氣，氣體進(jìn)入直井洞穴后與鉆井液混合成為氣液兩相流，并由水平井返出，降低水平井環(huán)空液柱壓力，減少對(duì)煤儲(chǔ)層的鉆井污染，以達(dá)到保護(hù)煤儲(chǔ)層的技術(shù)要求[59-60]。在雙井筒鉆井結(jié)構(gòu)早期，通常采用洞穴井原井筒注氣法，盡管工藝簡(jiǎn)單、成本低，但是洞穴井井筒容積較大，當(dāng)注氣量較低時(shí)，難以形成穩(wěn)定均勻的氣液兩相流，欠平衡鉆井工藝效果很差。后期采用直井油管注氣法，在洞穴直井完鉆后，下入專用的注氣油管和井下封隔器（圖7）[23]，當(dāng)水平井與洞穴直井連通以后，通過(guò)直井注氣油管將壓縮氣體注入水平井的環(huán)空，其注氣量波動(dòng)小、易于控制，在煤層氣多分支水平井欠平衡鉆井中得到了推廣應(yīng)用[61-63]。

圖7 煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井模式示意圖

3.3.3 雙壁鉆桿控壓鉆井技術(shù)

雙壁鉆桿控壓（ReelWell Drilling Method，簡(jiǎn)稱RDM）鉆井系統(tǒng)由雙壁鉆桿、滑動(dòng)活塞、雙浮動(dòng)閥等組成，鉆井液從雙壁鉆桿外環(huán)空泵入井內(nèi)，從鉆桿中心孔眼返回，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井液的閉路循環(huán)及對(duì)井底壓力的精準(zhǔn)控制，以達(dá)到有效保護(hù)儲(chǔ)層的技術(shù)效果[64-65]?；钊诫p壁鉆桿鉆井技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井，配備鉆井遙測(cè)系統(tǒng)（Remote Testing System,簡(jiǎn)稱RTS），為井下MWD/LWD工具提供了2條高速數(shù)據(jù)傳輸通道，RTS系統(tǒng)使得雙壁鉆桿同時(shí)作為電力傳輸線路和數(shù)據(jù)傳輸通道，在多種工況下均可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為雙壁鉆桿鉆井技術(shù)應(yīng)用于定向井與水平井提供了井眼軌跡控制系統(tǒng)[66]。雙壁鉆桿鉆井技術(shù)應(yīng)用于水平井鉆進(jìn)中，可以精準(zhǔn)控制鉆井液當(dāng)量密度，以解決水平井鉆井安全密度窗口狹窄與欠壓儲(chǔ)層傷害等問(wèn)題，在加拿大阿爾伯塔省試驗(yàn)了1口淺層水平井，在目標(biāo)地層實(shí)際垂深介于450～470 m的黏土巖層中，完鉆井深超過(guò)1 500 m[67]。筆者團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了頁(yè)巖雙通道鉆桿水平井大位移鉆井技術(shù)研究，通過(guò)雙通道鉆桿消除鉆井液當(dāng)量密度對(duì)地層破裂壓力的影響，增加大位移鉆井延伸極限長(zhǎng)度并減輕儲(chǔ)層傷害[68]。目前，盡管雙壁鉆桿控壓鉆井在水平井的應(yīng)用技術(shù)尚未完全成熟，但對(duì)于煤層氣水平井鉆井儲(chǔ)層保護(hù)與井壁穩(wěn)定卻具有借鑒意義。

3.3.4 儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液

3.3.4.1 低固相/無(wú)固相聚合物鉆井液體系

低固相/無(wú)固相聚合物鉆井液體系[69-71]具有密度低、黏度低與濾失量低等特點(diǎn)，采用低密度聚磺鉆井液、低固相雙聚鉆井液等體系，有利于解決煤層垮塌、快速取心等技術(shù)問(wèn)題。無(wú)固相聚合物鉆井液具有低密度、高剪切的特點(diǎn)，有利于提高環(huán)空流體攜巖效率和改善井眼清潔效果。盡管低固相/無(wú)固相鉆井液可以減少固相顆料對(duì)儲(chǔ)層的傷害，但是其中的聚合物進(jìn)入煤層后卻難以降解，有可能造成儲(chǔ)層污染。

3.3.4.2 泡沫鉆井液體系

泡沫鉆井液[72-73]是氣體介質(zhì)分散在液體中，并配以發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑或黏土形成的分散體系。它具有密度低、攜巖能力強(qiáng)、對(duì)煤層傷害小的特點(diǎn)，常用于低壓煤層鉆進(jìn)。室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米材料穩(wěn)定的微泡沫鉆井液密度（0.7～1.0 g/cm3）與黏度指標(biāo)可控，煤心氣測(cè)滲透率恢復(fù)率超過(guò)90%，可以保證煤層穩(wěn)定并且降低對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。受煤層氣開(kāi)發(fā)成本的限制，該技術(shù)尚未在煤層氣水平井中廣泛應(yīng)用。

3.3.4.3 “絨囊”鉆井液體系

絨囊鉆井液[74-76]是一種低密度（0.85 g/cm3）高效封堵穩(wěn)定體系，可以暫時(shí)封堵地層以降低濾失量，完井后可自動(dòng)解堵，減少鉆井液對(duì)煤層的污染?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)井下循環(huán)實(shí)現(xiàn)“充氣成囊”，施工工藝簡(jiǎn)單，可多井次循環(huán)利用，有利于降低鉆井成本。絨囊鉆井液體系在沁水盆地、鄂爾多斯盆地等煤層氣叢式井、水平井等鉆井中解決了煤層井漏、井壁坍塌等井下復(fù)雜問(wèn)題，有效保護(hù)了煤儲(chǔ)層，獲得了良好的應(yīng)用效果。

3.3.4.4 可降解鉆井液體系

可降解鉆井液體系[77-79]兼有井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)的雙重優(yōu)點(diǎn)，生物酶在煤層自身溫度條件下快速高效破膠，清除聚合物對(duì)煤層的傷害，恢復(fù)煤層滲透性。這種鉆井液的降解性能夠人為可控，施工工藝簡(jiǎn)單，解決了碎軟儲(chǔ)層煤層氣水平井鉆完井作業(yè)中井壁穩(wěn)定與儲(chǔ)層保護(hù)的矛盾問(wèn)題?？山到忏@井液體系匹配雙管柱篩管完井與洗井增產(chǎn)技術(shù)，可以消除水平井壁煤巖深層傷害并恢復(fù)煤層滲透率，進(jìn)而大幅度提高單井產(chǎn)量。

4 煤層氣水平井完井技術(shù)進(jìn)展

煤層氣水平井完井主要分為多分支裸眼完井、篩管完井、套管固井射孔完井與套管定向射孔完井等方式，而煤層地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)及物性特征等因素，也決定了煤層氣水平井需要采用不同的完井方式。煤層氣水平井完井方式與工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，直接影響到單井煤層氣產(chǎn)量與采收率。因此，綜合考慮煤層氣水平井開(kāi)發(fā)地面條件與儲(chǔ)層特征，精細(xì)化完井工藝技術(shù)，能夠有效提高單井產(chǎn)量與采收率、降低綜合開(kāi)發(fā)成本。

4.1 煤層氣水平井固井技術(shù)

煤儲(chǔ)層具有埋藏淺、低地層壓力、低滲透率、低強(qiáng)度和雙孔隙等地質(zhì)特點(diǎn)，煤層氣水平井固井水泥漿體系和固井工藝，既要保證固井質(zhì)量與施工安全，又要減少固井水泥漿向煤層漏失，以減少對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害[80-81]。

4.1.1 雙級(jí)固井技術(shù)

煤層氣水平井煤層段采用常規(guī)密度（1.80～1.90 g/cm3）水泥漿體系封固，煤層上部井段采用綜合性能好的低密度（1.45～1.55 g/cm3）水泥漿體系固井[82-83]，采用增強(qiáng)材料與減輕材料（漂珠）改善低密度水泥漿體系的綜合性能，采用降失水劑配合早強(qiáng)劑降低水泥漿體系的失水量、縮短水泥漿稠化時(shí)間、提高水泥石的早期強(qiáng)度[84-85]。

4.1.2 半程固井技術(shù)

沁水盆地樊莊、鄭莊等區(qū)塊部分水平井主要采取半程固井技術(shù)[86]，優(yōu)選免鉆塞半程固井工具。完井管串下至設(shè)計(jì)位置后，依靠液壓依次打開(kāi)封隔器、固井分級(jí)箍后進(jìn)行固井作業(yè)，水泥封固煤層上部地層與套管環(huán)空，煤層段采用篩管或尾管完井。注完水泥漿后下入專用工具打撈出封隔器內(nèi)部的堵塞器，以保持生產(chǎn)套管內(nèi)井筒通暢。

4.1.3 泡沫固井技術(shù)

泡沫固井水泥漿[87-90]分為機(jī)械充氣（N2或空氣）泡沫固井水泥漿與化學(xué)充氮泡沫水泥漿兩類，前者通過(guò)泡沫發(fā)生器與穩(wěn)泡劑使均勻氣泡穩(wěn)定分散于水泥漿體系，后者通過(guò)低溫發(fā)泡劑在水泥漿中產(chǎn)生氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)化學(xué)充氮，添加蛋白質(zhì)復(fù)合類高效穩(wěn)泡劑、磺化醛酮類分散劑、非離子聚乙烯類降失水劑和復(fù)合鉀鹽類早強(qiáng)劑進(jìn)一步調(diào)節(jié)水泥漿流變性能、失水量和稠化時(shí)間等工程性能。機(jī)械充氣法工藝復(fù)雜，成本較高，在國(guó)外應(yīng)用較多?；瘜W(xué)充氮法工藝簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，適合煤層氣井固井。針對(duì)煤層氣井儲(chǔ)層壓力低、易漏失、易坍塌的特點(diǎn)，研發(fā)了泡沫水泥漿固井技術(shù)，化學(xué)充氮泡沫水泥漿體系密度介于0.95～1.20 g/cm3、水泥石強(qiáng)度高，暫堵型前置液體系具有良好的流變性能，對(duì)煤層具有良好的堵漏能力。該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)30余口井，對(duì)沁水盆地煤儲(chǔ)層具有優(yōu)良的防漏堵漏效果。

4.2 煤層氣井完井技術(shù)

4.2.1 多分支裸眼完井

多分支水平井大多采用裸眼完井[91]，主支煤層進(jìn)尺介于800～1 000 m；分支段煤層進(jìn)尺介于350～650 m，夾角介于15°～30°，分支間距介于100～150 m。其優(yōu)點(diǎn)是煤儲(chǔ)層控制面積大、煤層氣理論產(chǎn)量高，最高日產(chǎn)量可以超過(guò)6×104m3[22]。由于采用裸眼完井，水平井眼缺乏有效支撐，難以實(shí)施水力壓裂等增產(chǎn)改造作業(yè)，適用于地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤巖結(jié)構(gòu)完整且滲透率較高（0.1～5.0 mD）的區(qū)塊，不適用于低滲透、易坍塌煤層。目前應(yīng)用于沁水盆地南部大寧、潘莊、樊莊等區(qū)塊的淺部高滲透局部區(qū)域煤層中取得了成功。

4.2.2 塑料篩管完井

澳大利亞在煤層氣水平井中下入塑料篩管，解決了Bowen盆地煤層易垮塌、煤粉產(chǎn)出嚴(yán)重的問(wèn)題[92]。沁水盆地部分多分支水平井裸眼完井在初期有很高的產(chǎn)量，但是在煤層氣的采出過(guò)程中出現(xiàn)裸眼井筒坍塌、堵塞，造成煤層氣井大幅度減產(chǎn)或停產(chǎn)。申瑞臣等[93-95]提出了塑料篩管泵送下入方案（圖8），研制配套塑料篩管完井裝備及下入工藝，通過(guò)鉆桿內(nèi)部向水平井內(nèi)下入直徑為50 mm的塑料篩管。該技術(shù)對(duì)易于垮塌的松軟煤層具有支撐作用，在沁水盆地的多分支水平井主井眼與U型水平井開(kāi)展試驗(yàn)成功后，在保德、壽陽(yáng)、柳林等地區(qū)相繼開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

圖8 煤層氣U型井塑料篩管完井示意圖

4.2.3 水平井雙管柱篩管完井與洗井增產(chǎn)

為了有效支撐煤層水平井眼并防止煤粉堵塞井筒，2014年在壽陽(yáng)地區(qū)太原組15號(hào)煤層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了雙管柱篩管完井與洗井增產(chǎn)技術(shù)，由外層玻璃鋼篩管與內(nèi)層沖管組成雙層管柱系統(tǒng)，并通過(guò)懸掛器與上部鉆桿連接（圖9）；使用鉆桿將完井管柱送至煤層水平段，實(shí)現(xiàn)了篩管下入與洗井增產(chǎn)作業(yè)一趟鉆，縮短了完井周期，消除了鉆井液對(duì)煤層的傷害。2015年，將該技術(shù)應(yīng)用于沁水盆地南部3號(hào)煤層水平井新井完井，以及樊莊、鄭莊地區(qū)的多分支水平井老井眼篩管重入與洗井增產(chǎn)作業(yè)，恢復(fù)了老井的煤層氣產(chǎn)量[39]。自2014年開(kāi)始，潘河煤層氣田3號(hào)煤層產(chǎn)量持續(xù)下降趨勢(shì)明顯，15號(hào)煤層亟需開(kāi)發(fā)，2015年投產(chǎn)的一批試驗(yàn)井采用直井、定向井套管固井后壓裂增產(chǎn)模式開(kāi)發(fā)，試驗(yàn)井平均日產(chǎn)氣量為306 m3，效果不理想[96]。2016年開(kāi)始將雙管柱篩管完井與洗井一體化技術(shù)應(yīng)用于沁水盆地太原組15號(hào)煤層氣開(kāi)發(fā)，配合低溫可降解清潔鉆井液體系，使該盆地15號(hào)煤水平井平均單井日產(chǎn)氣量達(dá)到 1.0×104～ 1.2×104m3，最高單井日產(chǎn)氣量超過(guò)4.0×104m3（圖10），為煤層氣高效開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一條新的技術(shù)途徑[97-98]。

圖9 煤層氣水平井雙管柱完井系統(tǒng)示意圖

圖10 潘莊區(qū)塊煤層氣水平井雙管柱篩管完井水平井生產(chǎn)曲線圖

4.2.4 套管射孔完井

水平井分段壓裂是低滲透儲(chǔ)層煤層氣開(kāi)發(fā)的有效增產(chǎn)措施之一，射孔完井技術(shù)是水平井分段壓裂的前期必備措施。由于煤層低強(qiáng)度、易破碎的基本特征，采用常規(guī)螺旋射孔后進(jìn)行水力壓裂，射孔震動(dòng)、壓裂液高壓高速突進(jìn)、支撐劑打磨等易引起頂部煤層垮塌和大量煤粉產(chǎn)出。煤粉會(huì)堵塞天然裂縫或支撐劑充填孔隙，導(dǎo)致煤層滲透率降低，還有可能導(dǎo)致卡泵故障和頻繁的檢泵作業(yè)[99]。

水力噴砂射孔技術(shù)利用噴射器的噴嘴高速射出含有磨料的流體，高速?zèng)_蝕和磨削套管形成一定規(guī)格的孔眼，解除井筒周圍儲(chǔ)層的污染、增強(qiáng)儲(chǔ)層與井筒滲流能力、實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層解堵，提高了煤儲(chǔ)層滲流能力[100-101]。該技術(shù)于2017年在鄂爾多斯盆地東緣煤層氣田進(jìn)行了4口井51級(jí)的射孔壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，單井最多12級(jí)，取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，破解了煤層氣開(kāi)發(fā)在儲(chǔ)層改造方面的難題[102]。

定向分簇射孔技術(shù)解決了射孔器360°范圍任意相位定向、簇間密封、點(diǎn)火信號(hào)簇間動(dòng)態(tài)導(dǎo)通等難題，壓裂破裂壓力和摩阻比采用螺旋射孔的水平井更小，壓裂施工泵壓更低，減少了煤粉產(chǎn)出和支撐劑返吐[99]。在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣、新疆阜康盆地等區(qū)塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的效果。

4.2.5 徑向水平井完井

4.2.5.1 水力噴射徑向水平井鉆完井

水力噴射徑向水平井鉆井技術(shù)是一種成熟的完井增產(chǎn)措施，是指在垂直井眼內(nèi)沿徑向以水力噴射方式鉆出呈輻射狀分布的一口或多口水平井眼，穿透井筒周圍污染帶、增大與儲(chǔ)層接觸面積、建立高導(dǎo)流通道，以達(dá)到減少儲(chǔ)層傷害與增產(chǎn)的目的。水力噴射徑向水平井技術(shù)與水力壓裂技術(shù)聯(lián)合作業(yè)，在遼寧阜新盆地劉家區(qū)塊低煤階煤層展開(kāi)試驗(yàn)，徑向水平井直徑約為50 mm，單支長(zhǎng)度達(dá)到100 m，煤層氣增產(chǎn)效果顯著[103]。該技術(shù)先后在沁水盆地南部、古交、壽陽(yáng)等地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，未見(jiàn)顯著增產(chǎn)效果。相關(guān)學(xué)者[104-105]提出采用徑向井復(fù)合脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)，緩解傳統(tǒng)水力壓裂過(guò)程中高壓引起的應(yīng)力敏感性損傷和降低煤巖水力裂縫曲折度，以達(dá)到煤層氣增產(chǎn)的目的。受限于水力噴射徑向水平井的井眼尺寸與曲率半徑限制，目前均為裸眼完井。同時(shí)，水力壓裂后的徑向水平井眼穩(wěn)定性與連通性難以保證。

4.2.5.2 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)徑向水平井鉆完井

近幾年，以柔性鉆井系統(tǒng)為核心的徑向水平井采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，側(cè)鉆窗口長(zhǎng)度僅20 cm，曲率半徑介于 2.0 ～ 5.0 m，適用于管徑為 139.7 mm、244.5 mm 等尺寸的套管，水平井眼外徑分別為114 mm和142 mm。在臨興—神府氣田試驗(yàn)成功了國(guó)內(nèi)第一口深部煤層氣T型水平井，2個(gè)煤層內(nèi)各部署3個(gè)分支，目的煤層埋深約1 900 m，煤層累計(jì)水平進(jìn)尺為478 m，單分支水平進(jìn)尺達(dá)到100 m[106]。大井眼的徑向水平井有利于下入柔性完井管柱，筆者團(tuán)隊(duì)提出的徑向水平井柔性篩管泵送技術(shù)[107]，為徑向水平井篩管完井工藝提供了理論指導(dǎo)，有利于徑向水平井的井眼穩(wěn)定與煤粉控制。

5 地下“井工廠”綠色開(kāi)發(fā)模式探討

我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)目前主要針對(duì)埋深1 000 m以淺的煤層，中—深部煤層開(kāi)發(fā)尚處在探索階段。煤礦采掘深度越大，其地質(zhì)條件越復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)成本越高。煤礦采掘達(dá)到的深度多在1 000 m左右，超過(guò)此深度的煤礦很少被開(kāi)采。同時(shí)，受煤層氣地面開(kāi)發(fā)技術(shù)限制，僅能采出煤層中的一部分煤層氣，仍有剩余氣吸附于煤儲(chǔ)層中。如何提高煤層氣單井產(chǎn)量與最終采收率？如何實(shí)現(xiàn)深地煤礦綠色高效開(kāi)發(fā)？仍是煤層氣與煤炭資源一體化綠色高效開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)型面臨的重大理論與技術(shù)難題。

面向我國(guó)能源低碳綠色轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略需求與“雙碳”目標(biāo)要求，筆者團(tuán)隊(duì)提出地下“井工廠”與深地煤礦綠色高效開(kāi)發(fā)之道，以期通過(guò)理論創(chuàng)新與技術(shù)突破，最終達(dá)成深地煤層氣與煤炭一體化綠色高效開(kāi)發(fā)的理想目標(biāo)。地下埋深超過(guò)1 000 m甚至數(shù)千米的深地煤礦，人員下去采掘作業(yè)的危險(xiǎn)性和成本都很高，甚至已經(jīng)變得不可能，所以要在地下開(kāi)設(shè)“工廠”，類似建在地面的煤制氣、煤制油等化工廠——主要可以依靠定向鉆完井技術(shù)來(lái)建設(shè)這樣的“工廠”。這類通過(guò)定向鉆掘建在地下深處的“工廠”顯然有別于地面上設(shè)計(jì)建設(shè)的化工廠，可以稱之為地下“井工廠”。借助于油氣領(lǐng)域的多井型叢式井定向鉆完井技術(shù)[108]，地下“井工廠”所需的井眼（管道）、洞室（反應(yīng)室）等地下功能設(shè)施都可以按需鉆完井建設(shè)而成。

筆者在此提出一套概念設(shè)計(jì)（圖11）：首先在煤層頂部沿水平方向鉆一口幾百米（或近千米）的生產(chǎn)井，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑霎a(chǎn)改造，配套各種設(shè)施和功能。在煤層底部鉆水平井，并在井下水平段按預(yù)定設(shè)計(jì)配套加熱井網(wǎng)，進(jìn)行煤巖加熱轉(zhuǎn)化。因?yàn)榇罅康拿簩託鈺?huì)吸附在煤基質(zhì)孔隙里，給煤層氣開(kāi)采造成困難，如果在煤層底部加熱，則這些煤層氣就會(huì)快速解吸出來(lái)，并最終進(jìn)入生產(chǎn)井，可以使得煤層氣的產(chǎn)量增加，進(jìn)而提高采收率。在煤層氣采集完成的基礎(chǔ)上，可對(duì)地下“井工廠”進(jìn)行適當(dāng)改造，以便將剩下的煤炭原位轉(zhuǎn)化成H2、CH4、CO等氣態(tài)能源，進(jìn)行綠色開(kāi)發(fā)利用?？梢岳蔑L(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源電力為地下“井工廠”電加熱設(shè)備供電，可以助推深地煤礦原位轉(zhuǎn)化開(kāi)發(fā)工程，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排與降本增效的目標(biāo)。地下“井工廠”與可再生能源電力相結(jié)合，應(yīng)注意因地制宜。

圖11 地下“井工廠”與深地煤礦綠色開(kāi)發(fā)模式示意圖

推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是一項(xiàng)關(guān)系到我國(guó)未來(lái)數(shù)十年發(fā)展的戰(zhàn)略性舉措，這不僅是履行我國(guó)的國(guó)際義務(wù)與責(zé)任，而且也是實(shí)現(xiàn)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的必然選擇。既要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，又要保障國(guó)家能源安全，是我國(guó)面臨的重大需求與挑戰(zhàn)。根據(jù)我國(guó)能源礦產(chǎn)資源的稟賦情況，地下“井工廠”與深地能礦綠色高效開(kāi)發(fā)利用之道，應(yīng)該成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和保障國(guó)家能源安全的重大戰(zhàn)略舉措之一。特別是面對(duì)大量埋深超過(guò)1 000 m的深地煤層氣與煤炭資源一體化綠色高效開(kāi)發(fā)難題，這樣的戰(zhàn)略舉措很有可能是必由之路，其潛在的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值不可估量。另外，通過(guò)實(shí)施如此重大的戰(zhàn)略舉措，有望建立跨行業(yè)交叉融合與協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展典范，同時(shí)在深地能礦原位轉(zhuǎn)化與綠色高效開(kāi)發(fā)領(lǐng)域形成新的學(xué)科與產(chǎn)業(yè)布局。

6 結(jié)論與建議

1）水平井鉆井與完井技術(shù)逐漸成為中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)的主流技術(shù)。沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣的高煤階煤層氣田開(kāi)發(fā)逐步向以叢式水平井為基本特征的“井工廠”工程模式轉(zhuǎn)變，以大幅度提高煤層氣開(kāi)發(fā)綜合效益；新疆準(zhǔn)噶爾盆地阜康等低煤階煤層氣田開(kāi)發(fā)將水平井鉆完井與分級(jí)壓裂技術(shù)相結(jié)合，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也取得了良好的成果，有力地推動(dòng)了低煤階煤層氣的高效開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

2）隨著對(duì)國(guó)內(nèi)煤巖煤體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等研究的不斷深入，與之相適應(yīng)的水平井鉆井與完井技術(shù)逐漸成熟，地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)提高了水平井軌跡控制精度，清潔可降解鉆井液有效解決了井壁穩(wěn)定與儲(chǔ)層保護(hù)這對(duì)矛盾，雙管柱篩管完井技術(shù)實(shí)現(xiàn)了完井與洗井增產(chǎn)一體化作業(yè)，分段射孔壓裂改造提高了煤層滲透性與單井產(chǎn)量，徑向水平井技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)老井側(cè)鉆與重復(fù)完井增產(chǎn)等。

3）持續(xù)加強(qiáng)煤層氣水平井鉆井與完井技術(shù)適應(yīng)性研究與試驗(yàn)，以便從沁水盆地和鄂東盆地東緣向高陡構(gòu)造、深部高地應(yīng)力等新區(qū)煤層推進(jìn)，從厚煤層、單煤層開(kāi)采向著多煤層、薄煤層與其他含氣儲(chǔ)層等復(fù)雜煤儲(chǔ)層綜合開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)變，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的煤層向結(jié)構(gòu)破碎煤層延伸，從淺部煤層向深部探索攻關(guān)等。

4）根據(jù)我國(guó)能源礦產(chǎn)資源的稟賦情況，應(yīng)積極探索地下“井工廠”與深地煤礦綠色高效開(kāi)發(fā)之道，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)能源低碳綠色轉(zhuǎn)型，既要保障國(guó)家能源安全，又要落實(shí)“雙碳”目標(biāo)任務(wù)。