柳林地区多煤层多分支水平井斜井连通工艺

孟尚志郭本广赵 军莫日和

（1.中国地质大学，北京 102235；2.中联煤层气有限责任公司，北京 100011）

柳林地区多煤层多分支水平井斜井连通工艺

孟尚志1，2郭本广2赵 军2莫日和2

（1.中国地质大学，北京 102235；2.中联煤层气有限责任公司，北京 100011）

柳林位于鄂尔多斯盆地东缘，区内中煤阶煤层含有丰富的瓦斯气资源，但由于黄土垣地貌沟壑纵横，限制了常规多分支水平井的应用。为了提高煤层气钻井开发效率，创新采用了斜井连通工艺，实现了工程井和排采斜井井口间距10 m的小井场部署，并针对3+4号煤储层与5号煤储层压力相同、适合合采的地质特点，采用多煤层多分支水平井的钻完井技术同时开发3+4和5号煤层，完井下入塑料筛管。目前已经完成4口斜井连通的多煤层多分支水平井，4口井的日产气达到5万m3/d。多煤层多分支水平井钻完井技术成为鄂尔多斯东缘中煤阶煤层气高效开发的示范技术，经济和社会效益显著。

煤层气；多煤层；多分支水平井；斜井连通

鄂尔多斯盆地东缘蕴藏着丰富的煤层气资源，预测1 500 m以浅煤层气地质资源量约9×1012m3，鄂尔多斯盆地东缘上古生界石炭系、二叠系煤系地层十分发育，煤层层数多，分布较稳定，煤层集中发育在太原组和山西组，主要是中煤阶，是实施中煤阶煤层气大井组勘探的理想地区［1-2］。

多分支水平井是在水平井和分支井的基础上快速发展起来的一项新的开采技术，适用于渗透率低（＜3 mD）、各向异性明显、厚度大且相对稳定的煤层，具有单井产量高、井眼方向及位置可控等优点［3-6］。多分支水平井的主支和分支在地层中广泛均匀延伸，最大限度地沟通煤层割理和裂缝系统，增加井眼在煤层中的波及面积和泄气面积，降低煤层裂隙内气液两相流的流动阻力，从而提高单井产气量及采收率［7］。因此，多分支水平井的气体产出速率远大于单一水平井［8-9］。十一五期间多分支水平井技术在柳林地区获得初步试验成功［10］，2011年进一步结合柳林示范区地质条件进行了创新，实现了多煤层多分支钻井、斜井连通的工艺技术，成为鄂尔多斯东缘中煤阶煤层气高效开发的示范技术。

1 地质条件与适应性

柳林示范区位于鄂尔多斯盆地东缘的中部，区块地形整体表现为南北高、西部与中部低，最大相对高差为471 m。柳林地区总体为一向西或西南倾斜的单斜构造，地层倾角一般为5°左右，宽缓的小褶曲较发育，区块内断层稀少且规模不大［11］。柳林区块主要目的煤层为4（3+4）号、5号、8+9号煤层，煤层平均厚度大于2 m，下部8+9号煤层距离上部5号煤层平均50 m，煤层压力系数相差较大，适于分层设计分层排采；上部4（3+4）号、5号煤层平均间距5.5 m，最大不超过10 m，间距小，煤层多，煤层压力系数相近，适合合采。上煤组渗透率低于3 mD，60%介于0.5~2.0 mD，低渗透率偏低。上煤组地层压力系数0.46~1.12，50%在0.5~0.8，属于中等偏低。3号煤层的含气量在8.66 m3/t，4（3+4）号煤层的含气量7.88 m3/t，5号煤层的含气量6.4 m3/t，属于中等情况。柳林地区煤层含气饱和度在27.40%~99.60%，平均55.53%，含气饱和度总体偏低，处于欠饱和状态。

柳林地区地处西北黄土高原地带，地表大部分被黄土覆盖，久经风雨流水的侵蚀剥蚀，被逐渐切割成复杂地貌单元，常规多分支水平井的井位的选择有很大难度。针对其地质和地貌特征，试验了一种新的煤层气多分支水平井井型，即双煤层多分支水平井，水平井的生产井为定向井，在一个井场向不同方向钻2口定向井，工程井和生产井位于同一井场，地面距离约为10 m，定向井的水平位移约为290 m，工程井在煤层顶板着陆后，距煤层连通点约100 m，工程井三开后与定向井进行连通，连通成功后在一层煤钻水平段，钻完一层煤后退回到连通点前，在另一层煤再次连通，连通成功后再钻这一层煤的水平段。这样在一个井场上只有3个井口、水平井进尺16 000 m，煤层控制面积2 km×2 km×0.9 km。

2 钻井工程设计

（1）双煤层多分支水平井的生产排采井可以是直井，也可以是斜井，均采用二开井身结构，套管层序为：Ø244.5 mm+ Ø177.8 mm。目的层3+4号和5号煤层分别下入Ø177.8 mm玻璃钢套管完井，目的煤层不造穴，避免排采生产过程中井壁不稳定造成坍塌。

（2）双煤层多分支水平井采用三开井身结构：Ø311.1 mm钻头（Ø244.5 mm套管）+ Ø215.9 mm钻头 （Ø177.8 mm套管下至着陆点）+ Ø152.4 mm钻头三开，造斜率8°/30 m，最大造斜率不超过12°/30 m（10 m步长），三开煤层内钻进最大狗腿度不超过9°/30 m。

（3）着陆点设计在4号煤顶板，连通点设计在生产井的5号煤中部，着陆点和连通点距离70~100 m，着陆点井眼轨迹井斜角90°。

（4）连通后先钻进5号煤层，然后侧钻至3+4号煤层进行钻进，侧钻点选择在连通点后30~50 m，也可以选择在连通点50 m以前，连通点前侧钻需要第2次在4号煤中与生产井进行连通。主分支长度设计600~1 000 m，次分支长度300~500 m，分支末端间距设计300 m。

（5）地质导向首先根据区域地质和邻井资料建立地质模型，模拟3+4号和5号煤层设计主井眼轨迹走势，根据邻井测井资料，分析目的煤层段以及顶底板伽马值分布特点，据顶底板等高线图做出轨迹预测控制曲线，在实钻过程中提供指导，并利用实钻结果修正等高线，再利用修正后的等高线预测50~100 m内地层变化趋势，以便更好地引导地质导向，提高煤层钻遇率。

（6）柳林区块煤层煤质易碎易垮塌，完井时各主井眼下入DN50高密度聚乙烯筛管，可以在一定程度上防止煤层坍塌造成的井眼渗流通道堵塞。

3 现场实施情况

截至2012年底，柳林示范区已经完成3+4号、5号煤层双层多分支水平井4口，目前正在生产排采4口，主要工程技术参数见表1。

4 斜井连通工艺

水平井与直井连通在柳林区块均是一次成功。如FL-H6-L井与FL-H6-V井的连通，整个煤层包括顶底板上下2~3 m均被玻璃钢管所贯穿，水平井连通直井时，只要方位准确，是比较容易控制的，基本不考虑水平井眼轨迹在连通点垂直方向上的误差。在实际操作中还需要注意以下几点：做测量数据的误差分析，检查测斜仪器校准日期和准确性，根据水平井MWD和直井多点轨迹数据、连斜数据比较实际轨迹的偏移量，根据ESS数据校正水平井从套管鞋至连通点的剖面方位，确认目标点在设计轨迹线上，并在钻进过程中根据实际测量数据调整。保持轨迹运行在煤层中，及时观察返出岩屑和全烃显示。

水平井与直井连通是在相对稳定的一个平面上，一条曲线相交另一条垂直线，水平井与斜井连通理论上是一条曲线与一条斜线相交，而实际操作中，水平井轨迹所处的剖面并不会完全与斜井轨迹所处的剖面理想地重合，不可避免地是这两个剖面存在一个交叉角度，两个剖面的交叉角的大小和影响程度随着斜井的井斜角增大而增大，使得水平井与斜井的连通趋向于一条曲线在空间上与一个“点”进行相交，也就是说不仅要求连通方位准确无误，水平方向误差小于±157.05 mm，而且在相对于水平井（或生产井）井口，水平井眼轨迹在连通点的垂直方向（垂深）误差也不能过大，不能像水平井和直井连通那样，垂直方向上下有很大的空间距离，只要是玻璃钢范围均可以连通，一般把煤层的厚度作为垂直方向上误差范围，而水平井眼轨迹与斜井连通必须考虑垂直方向误差，否则就会与斜井轨迹擦肩而过。

在柳林区块共进行3口水平井和斜井连通作业，FL-H3-S、FL-H4-S和FL-H5-S井连通点处斜井井斜超过50°（表2），设定斜井井斜50°计算垂直方向误差允许范围，水平井与直井和斜井连通比较，垂直方向误差小于±260 mm。

表2 4口双煤层多分支水平井与排采井的连通情况

在柳林区块的水平井和斜井连通实际操作中，针对斜井允许方位和垂直方向误差范围小，除了提到的水平井和直井连通的技术手段外，还必须参照煤层深度增加对水平井和斜井垂深的校正，连通时尽量保障水平井眼轨迹从斜井轨迹上方通过，煤层中煤质软，水平井轨迹深度不易控制。

5 地质导向与轨迹控制

水平井和生产井成功连通后，在煤层中如何控制井眼轨迹有效地在煤层中延伸，提高煤层钻遇率也是影响生产井产气高峰和寿命的重要因素。在设计和准备工作中必须根据柳林的地质情况建立导向的地质模型，不断在煤层钻进中校正。井眼轨迹从上下哪个方向进出煤层，可以根据伽马值变化趋势进行判断，但是当煤层的伽马值与上下顶底板的的伽马值相近时，就不容易准确判断井眼轨迹进出煤层，应该在钻进过程中配合使用以下辅助措施。

（1）综合气测全烃显示，在煤层中钻进过程中，目的层的气测值曲线排除迟到时间后是比较清晰地展示了水平井眼轨迹进出煤层情况的，注意观察气测值的变化，辅助判断井眼轨迹走向。

（2）观察岩屑变化情况，尽管水平井随着轨迹的延伸，岩屑不能及时反映地层的变化情况，但是细心的观察还是能发现岩屑中细微的变化，煤粉和砂泥岩含量也是判断轨迹在煤层中位置的一个手段。

（3）钻井参数变化也预示着岩性的变化，在钻压、泵压、钻井液性能稳定的情况下，钻时是最为敏感的参数，煤层中钻时很快，煤层顶底板钻时会明显变慢，扭矩也会有变化。结合钻井参数的变化，辅助随钻伽马值、垂深和地质模型综合判断水平井眼在煤层中的轨迹走向。

随着柳林区块的多分支水平井和其他井资料的积累，地质模型的指导作用越来越有意义，所钻4口双煤层水平井的煤层钻遇率统计如表3。

表3 双煤层多分支水平井的煤层钻遇率统计

6 完井方式

柳林区块多分支水平井完井方式采用高密度聚乙烯塑料筛管完井，主要目的是在井眼坍塌的情况下能够给煤层水提供渗流通道。

高密度聚乙烯HDPE密度一般大于0.94 g/cm3，有良好的机械性能，如抗拉伸强度、刚度和硬度等，制成的筛管孔眼有长圆孔和圆孔，10~12孔/m。由于筛管材料密度小于1.0 g/cm3，在水平井分支中贴于井眼上部。HDPE筛管直径50 mm，壁厚3.7~4.0 mm，实心DN50筛管截面面积只有152.4 mm水平井眼截面面积的11%，环形截面面积与有一定井径扩大率的井眼相比，远小于11%，所以在井眼没有坍塌的情况下，筛管的下入对水平井眼的裸露和地层水的过流通道影响非常微弱；若井眼发生坍塌，筛管可在各分支的水平井眼上部保留一定的地层水渗流通道，高密度聚乙烯HDPE筛管具有以下特点：

（1）由于筛管密度小，贴于水平井眼上部，地层水携带的煤粉沉积不会堵塞筛管内的通道；

（2）操作简单，现场作业中容易实现，下入筛管的设备只有一台2个人可轻松移动安装的液压式注入泵，在没有注入泵的情况下，也可以手动下入；

（3）作业风险小，下筛管作业只是一趟普通的通井作业，钻具组合全部采用钻杆，在下钻过程中遇阻，可以开泵循环，保障了筛管下入指定位置；

（4）HDPE塑料筛管材料和附件便宜，操作简单，风险小就意味着成本很低，适合于多分支水平井完井作业，满足煤层气低成本开发的要求。

7 结论与认识

（1）柳林区块的双煤层多分支水平井钻井工艺可以说基本取得成功，生产排采也取得了一定进展，初步解决了大斜度井排采设备生产问题。

（2）柳林区块3+4号煤和5号煤平均间距3~5 m，属于同一水动力体系，此工艺是同一口多分支水平井联通生产井后同时钻穿相邻的3+4号和5号层，多分支水平井井眼轨迹在两层煤中展布，同时开发相邻两层煤的资源，大大提高单井井下资源的利用率。

（3）减少了两层煤单独钻水平井的重复工程，节约了土地，降低了成本。

（4）两层煤同时开发，避免了单独开采一层造成的压力降对相邻另一层开发的干扰。

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［10］郭本广，孟尚志，莫日和，等.柳林烟煤储层多分支水平井钻完井技术［C］∥煤层气勘探开发技术新进展：2012年全国煤层气学术研讨会论文集.北京：石油工业出版社，2012：241-249.

［11］孟艳军，汤达祯.柳林地区多层合采煤层气井产能动态特征与影响因素［C］∥煤层气勘探开发技术新进展：2012年全国煤层气学术研讨会论文集.北京：石油工业出版社，2012：257-265.

（修改稿收到日期 2014-10-29）

〔编辑 付丽霞〕

Research on inclined wells connecting technology of multi-coalbed and multiple branches horizontal wells in Liulin District

MENG Shangzhi1,2, GUO Benguang2, ZHAO Jun2, MO Rihe2
（1.China University of Geology,Beijing102235,China;2.China United Coalbed Methane Co.Ltd.,Beijing100011,China）

Liulin is located at the east edge of Erdos Basin, and the medium coalbed in the region contains rich methane gas.But the ravines on loess landform restricted the application of conventional multi-branch horizontal wells.In order to improve development efficiency of the coalbed methane(CBM) drilling, the inclined well connecting technology was innovatively adopted, achieving the goal of small-size wellsite planning where the spacing between the engineering wells and drainage slant hole wellhead is 10 m.In line with that the No.3+4 coal reservoirs have the same reservoir pressure as No.5 coal reservoir and are suitable for comingled production, the drilling and completion technique for multi-coalbed multi-branch horizontal wells was innovatively adopted to development No.3+4 and No.5 coalbeds at the same time;plastic screen tubes were run in hole after completion.Now a set of multi-coalbed multi-branch horizontal wells have been drilled which connected four inclined wells;the total daily gas production is up to 50 000 m3/d.The drilling and completion technique for multi-coalbed, multi-branch horizontal wells has become the demonstration technology for efficient development of medium coal methane at east edge of Erdos Basin, which achieves remarkable economic and social benefits.

coalbed methane;multi-coalbed;multi-branch horizontal well;inclined well connection

孟尚志，郭本广，赵军，等.柳林地区多煤层多分支水平井斜井连通工艺［J］.石油钻采工艺，2014，36（6）：28-31.

TE249

：A

1000–7393（2014） 06–0028– 04

10.13639/j.odpt.2014.06.007

国家科技重大专项“鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发示范工程”（编号：2011ZX05062）资助。

孟尚志，1973年生。中国地质大学（北京）在读博士研究生，主要从事煤层气勘探开发工作。电话：13661295305。E-mail：1191183135@qq.com。