煤层气多分支水平井钻井关键技术探究

任海强

（晋城煤业集团寺河煤矿，山西晋城048007）

煤层气多分支水平井钻井关键技术探究

任海强

（晋城煤业集团寺河煤矿，山西晋城048007）

多分支水平井钻井技术是目前开发煤层气最有效的技术之一，多分支水平井钻井是一项技术要求高、施工难度大的系统工程。本文结合目前国内煤层气多分支水平井的发展情况，分析了钻井时井壁失稳的因素，提出了井壁稳定控制的技术，总结了其现有成果，可为同类多分支水平井钻井井壁的控制提供借鉴。

煤层气；多分支水平井；钻井；井壁；失稳因素

煤层气又俗称瓦斯，是一种新型的清洁能源。我国的煤层气资源非常丰富，但是目前煤层气的利用率仅为30%左右，我国的煤层气产业还处在产业化初期阶段［1］。要实现产业化开发煤层气，需要采用一系列关键技术，其中在钻井时井眼轨迹控制是多分支水平井成功实现的关键之一。在钻井前期阶段，井壁稳定控制问题多存在于钻探过程中。目前，井壁稳定控制问题多存在于煤层气的开发过程中，出现的问题多是煤层坍塌、破裂等。煤层井壁稳定控制的难点主要是非连续性、复杂地质构造与储层保护的矛盾。煤层中存在大量的割理，导致在钻井过程中煤层易破碎和垮塌。而且煤层易受污染、储保护难度大［2］。

1 煤层气井壁失稳的因素

1.1 煤层的宏观地质构造

复杂的地质运动导致煤层中存在多种多样的构造，影响煤层井壁稳定的地质构造主要有破碎带、断层、向斜、背斜及陷落柱。

1）破碎带。破碎带按其成因可分为断层破碎带和高应力破碎带。断层破碎带是在形成断层时断层附近岩石破碎形成。高应力破碎带主要是由于煤岩的强度遭构造地应力破坏而形成。

2）断层。由断层形成的岩性突变和断层破碎带是影响井壁稳定控制的两个因素：a）岩性突变。断层通常会造成岩性突变，岩性突变会使钻层的强度产生骤变，此种情况在钻井过程中往往会产生严重的后果。b）断层破碎带。断层形成过程中，不同层位在外力的作用下会发生错段，层位错断时，在断层附近的岩石会发生破碎，产生小的破碎带，这些小的破碎带称为断层破碎带，这些断层破碎带也会对煤壁的稳定产生影响。

3）向斜、背斜及陷落柱。向斜、背斜对煤壁稳定的影响主要因为会产生张应力和压应力两个应力区，在背斜的顶部由于张应力的存在，会使顶部的岩层产生裂缝或者破碎，这个区域的渗透率较大，但易发生井壁坍塌。在背斜的两翼由于压应力的存在，虽然地层较稳定，但是此区域的渗透率较低。

地下的溶洞坍塌时，上覆非可溶性岩层陷落充填形成陷落柱。陷落柱会造成钻层发生岩性突变，适合煤岩的钻井液可能不适合泥岩性质的陷落柱，因此，使用钻井液时，极易发生煤壁失稳。

1.2 煤层的力学环境

地应力和地层压力构成了煤层的力学环境，影响两力的主要因素包括煤层埋深和煤层所处位置的地质构造。

地应力和地层压力都会影响地层的破裂压力和坍塌压力。在煤层中各个方向的地应力有很大的不同，在面割理方向上的水平主应力最大，当沿此方向钻井时渗透率低，煤壁易坍塌；在端割理方向上的水平主应力最小，当沿此方向钻井时，渗透率最高，但是钻井液易发生渗漏。因为煤层是低渗透层，较高的地层压力有利于储层保护，但是也会影响钻井液的密度，此外地层压力和地应力会对煤粉的形成和运移产生重要的影响。

图1 洞穴井井筒注气法示意图

图2 油管注气法示意图

2 煤层井壁稳定控制技术优化

结合煤层井壁失稳的因素，目前采用的技术方案主要有优化井身结构设计、欠平衡钻井技术、合理控制钻井液体系、稳定井眼技术等。

2.1 优化井身结构设计

设计原则：考虑井下安全的同时减少对煤储层的伤害。首次开钻钻表土层，进入基岩5 m左右结束，下表层用套管封固易漏地表地层；第二次开钻时钻至着陆点（即见煤点）以上结束，并用套管封固煤层以上地层；第三次开钻钻至主水平井眼和分支井眼时，采用裸眼完井，以避免对煤层造成伤害。在井身结构优化设计过程中考虑：1）煤层较脆，技术套管不可进入煤层，以防止固井时把煤层压裂，导致钻进过程中井壁坍塌。2）从抽排采气方面考虑，套管须将煤层上方出水层位封堵。3）为在洞穴井的井底造穴，井底须保留合理容量口袋。口袋的深度不可穿透下部含水层，但应尽可能的增大口袋深度。

郑平01-1H井采用三开模式。第一次开钻：ù312.1 mm钻头@ù 245.5 mm表层套管，水泥返至地面。第二次开钻：ù 216.9 mm钻头@ù178.8 mm技术套管，水泥返至煤层顶板不小于200 m。第三次开钻：ù153.4 mm钻头钻至井底至各分支井眼，裸眼完井。

2.2 合理控制钻井液体系

目前，适用于煤储层的钻井液体系有充空气钻井液、泡沫流体、地层水和空气。煤层气多分支水平井采用的注气方法主要有洞穴井井筒注气法（图1）和油管注气法（图2）。

在工程实践中，应注意选择使用有较好凝固能力，低固相的钻井液体系，可以使钻井液具有很强的防塌性和抑制性，能有效降低钻井液动失水，降低滤液渗透率，减少钻井时对煤层的深度损害。同时也要控制钻井液密度。钻井液的密度对井壁稳定性有很大的影响。钻井液密度过低会使构造应力释放，使煤层沿裂缝和节理方向崩裂和坍塌。钻井液密度过高会将煤层中的裂缝撑开造成煤层结构破裂，而且会伤害煤层，影响煤层气的解吸、扩散、运移及后期排采。

郑平01-1H井采用自行研制的无固相且解堵钻井液。该钻井液通过浓集、吸附、覆盖可形成渗透率超低的致密无孔膜，在井壁的周围形成了保护层，可实现对煤层封堵。在施工过程中，优化钻井参数，采取勤划眼、小排量等技术措施，确保煤层钻进时不出现井壁垮塌和钻液漏失现象，可有效保护井壁［3］。

2.3 稳定井眼的工程技术

井眼的稳定控制能有效地预防煤层污染，防止煤壁垮塌，有效保护煤壁，它包括:1）造斜点以下的地层和煤层段都使用井下动力钻具。钻柱不旋转，工作相对较平稳，有利于煤层井壁的稳定。2）尽量使用结构简单钻具，以减少井壁碰撞。3）在煤层水平井段钻进时尽可能快速通过，使煤层不受钻井液的长时间浸泡。4）在设计井眼轨迹时，将其设计到煤层稳定区域［4］。

郑平01-1H井在5 m左右厚煤层中施工的多分支水平井，井眼难控制，对井斜控制提出了较高的技术要求。两井主水平井长超过1 000 m，侧钻分支长超过500 m。大段的裸露煤层井段造成钻具扭矩和摩阻增大，在水平段钻进的定向工具控制难度增大，钻速较难控制，又因为煤层有易坍塌的特点，这对钻井安全造成影响。

3 结论

1）煤层井壁的稳定控制直接关系到多分支水平井能否成功实现，要实现井壁稳定的控制，须首先研究清楚井壁的失稳机理，然后采取相应的工程技术手段。

2）井身的优化设计不仅可以保证井下的安全，也可以减少煤储层所受的伤害，三开模式的结构设计在工程实践中得到了成功应用，可以对此模式进行进一步的研究优化，以实现更佳的技术效果。

3）充气欠平衡技术是目前最适合煤层地质的侧钻技术，应进一步加强这一技术的优化研究，使其更好地为煤层多分支水平钻井服务。

4）煤层构造不同于其它的地层构造，研制成功应用的无固相且解堵钻井液以超低渗透的封堵膜作为支撑体，可以在井壁四周形成保护层，可有效稳定井壁和保护储层。

5）在钻井过程中选择合适的钻具，合理的钻进速度和井眼轨迹是控制井眼稳定地关键。

［1］刘志强，胡汉月，刘海翔.煤层气多分支水平井技术探讨［J］.中国煤层气，2011，8（3）:26-30.

［2］申瑞臣，屈平，杨恒林.煤层井壁稳定技术研究进展与发展趋势［J］.石油钻探技术，2010，38（3）：1-6.

［3］田中兰，乔磊，苏义脑.郑平01-1煤层气多分支水平井优化设计与实践［J］.石油钻采工艺，2010，32（2）：27-29.

［4］饶孟余，杨陆武，张遂安，梁乙伟.煤层气多分支水平井钻井关键技术研究［J］.天然气工业，2007，27（7）:52-55.

Study on Key Technology of Coal Bed Methane Multi-branch Horizontal Well Drilling

Ren Hai-qiang

Drilling technology of multi-branch horizontal well is one of the most effective technology to development CBM at present，multi-branch horizontal well drilling is a system engineering of which are high technical requirement and difficult construction.Combines with the domestic development situation of CBM multibranch horizontal well at present，analyzes the factors of borehole wall instability，puts forward the technology of borehole wall stability control，and summarizes the existing achievements，it can provide a reference for borehole wall control on similar multi-branch horizontal well drilling.

Coal bed methane；Multi-branch horizontal well；Drilling;Borehole wall；Instability factors

TD26

B

1672-0652（2014）11-0050-03

2014-09-24

任海强（1974—），男，山西沁水人，2013年毕业于河南理工大学，硕士，工程师，主要从事采掘技术管理工作（E-mail）zsh0201@163.com