探究煤层气多分支水平井钻井工艺

杜兴隆

摘 要：煤层气开采工艺不同于常规油田开采，需要利用适合于低压、低渗透、低饱和煤层结构的开采工艺。多分支水平井钻井技术作为一种综合性强、开采率高的开采技术，已广泛应用于煤层气资源的开采工程中。本文将对煤层气多分支水平井钻井工艺的相关内容展开讨论。

关键词：煤层气;多分支水平钻井;造洞穴技术;欠平衡技术

1 概述

煤层气作为一种储存较为丰富的能源已经引起了世界各国的广泛关注，关于煤层气的开采工艺也不断发展，已经形成了较为成熟的开发工艺。煤层气90%以上以吸附状态附着在煤岩体表面，只有少量气体以游离态形式存储在岩层的裂隙、孔隙或溶解在煤层水中。煤层气的存储方式决定了该类能源开采必须通过一定方式实现排水降压，进而使煤层气完成解吸-扩散-渗流，完成煤层气的开采。我国煤层气藏较为丰富，但低压、低渗透、低饱和现象较为突出，煤层构造破坏现象嚴重，均匀性较差，给煤层气的开采带来了一定难度;多分支水平井技术是一项综合性强、开发效率高、对环境破坏较低的一种开采工艺，因此被应用于煤层气资源的开采。

2 多分支水平井钻井工艺

2.1 工艺介绍

煤层气多分支水平井钻井工艺是一项集钻井技术、完井技术、增产措施为一体的一种综合性开采工艺，该工艺施工过程中主要包括煤层造洞穴技术、随钻地质导向技术、两井对接技术、钻水平分支井眼技术以及欠平衡技术等，技术含量高，风险大，单产量高、对环境友好，可广泛应用于煤层气的开采。

2.2 技术难点

煤层气多分支水平井钻井技术施工难度较高，这是由于该技术的技术含量较高，在施工过程中需要用到水平井与洞穴井连通、充气欠平衡钻井、钻分支井眼以及地质导向等技术;在施工过程中，煤层段井壁结构稳定性较差，因此可使用小井眼钻进技术，将经验长度控制在1512cm。小井眼钻进技术所使用的钻具、测量仪器以及设备性能要高于普通油井钻进设备。具体来说，其施工难点主要是以下几个方面：

首先，煤层稳定性较差，对外力较为敏感。煤层气藏所处的煤层质地较脆，且发育有互相垂直的天然裂缝，进行钻进时要严格按照工艺进行操作，否则很容易引起井下坍塌、卡钻事故，严重时可能会导致井眼报废。其次，煤层污染问题。煤层在开采过程中容易受到污染，给能源的储层保护工作带来了极大的难度，为减少污染煤层段的钻井液体系一般由充气钻井液、地层水、泡沫等组成。再次，煤层气资源埋藏深度较浅，这就导致井眼曲率较大，钻压不符合正常作业标准，钻柱只能超负荷运行这就容易导致安全事故。最后，煤层气多分支水平井钻井工艺在我国的发展仍处于起步阶段，实践经验不足，生产工具多为新型仪器或工具，普及度较低，给我国的煤层气资源的开采带来难度。

2.3 煤层气多分支井开采技术应用现状

煤层气开采始于国外，尤其是美国的开采技术已经发展较为成熟，如煤层气欠平衡钻井、空气-泡沫钻井、空穴完井、水平井以及多分支水平井等。我国煤层气资源开采工艺发展较晚，钻井、完井工程配套工艺相对来说需要进一步成熟，特别是利用多分支水平井钻井技术时，钻井工艺、井壁稳定、储层保护、钻井液体系、固井完井等方面存在一系列亟待解决的问题。

3 煤层多分支水平井钻井工艺探究

3.1 井眼优化设计

井眼设计主要从井眼剖面、井身结构、井眼轨迹三个反面进行优化设计，以确保多分支水平井钻井工艺的安全实施。

3.1.1 井眼剖面优化设计

煤层气所在的煤层较浅，因此对井眼剖面进行设计时，应坚持在得到最大位移的前提下，尽量降低竖直方向的消耗量，以实现最大的水垂比。在对煤层气多分支水平井井眼进行设计时，应对钻机和钻柱强度、顶驱设备、设计轨道的摩擦及扭矩、现场施工难度等因素进行综合考虑。一般在设计过程中，应遵循以下几项设计原则：

①在对井眼进行设计时，要对煤层气藏、钻柱力学、经济性等因素进行多方勘探和实验，然后以此为依据对井眼的长度、方位、距离进行设计，以达到最佳效果。

②在实施多分支水平井钻井技术时，需要对轨道进行科学设计，一般来说轨道设计可采用多种方法，而方法不同所得轨道长度就存在差异。确定轨道时，应根据地质情况、经济性、安全性等多项原则进行综合对比，减少无效尺寸，确保设计轨道最短，尤其是地质条件较差地段的设计尺寸更要严格控制，确保施工安全的同时，还能提高企业的经济效益。

③煤层气藏所处煤层的井壁稳定性较差，主井眼和分支井眼可设置在煤层的中部及其以上部位，确保钻井工艺的顺利实施;同时井眼方位垂直于煤层最小主应力方向时，有利于井壁的稳定和煤层产能的优化。

④煤层气多分支水平井的水平段一般为1000m，而垂直段则在500m以内，钻柱能提供的钻压范围有限，因此在设计多分支水平井井身剖面时，应对轨道进行科学设计，确保轨道能满足滑动钻进的工况要求。

⑤煤层多分支水平井钻进工艺的特点是分支多，水平位移大，据统计，在整个钻进过程中水平段的进尺约占总量的80%以上。多分支水平井钻进技术的这项特点势必会引发套管柱和钻柱在井眼内面临巨大摩擦的问题，使钻柱在钻进过程中的扭动过程极为困难。根据物理学相关理论可知，摩擦和扭矩是影响水平位移的主要因素，而对轨道进行优化设计则是减少摩擦和扭矩的有效途径。

3.1.2 井身结构优化设计

井身结构的优劣直接决定了井的安全程度，是能否成功实现钻进目的的首要前提。若井身结构出现设计缺陷，可能会导致套管鞋位置进入煤层，固井时水泥浆会将煤层压裂，进而使井壁坍塌影响整个井眼的安全施工。在设计煤层气多分支井身结构时，应注意其与常规油气井之间的区别，水平井和洞穴井之间的连通性、煤层段井壁的稳定性问题以及后期的排水采气问题都应该进行综合考量。多分支井井身结构设计优化时需注意的问题有：煤层气所在煤层结构较为复杂，技术套管不可深入到煤层中，防止固井过程水泥浆压裂煤层，引起井壁坍塌，造成重大的经济损失和人身损失。套管须将煤层上部大量出水的层位进行封堵，以确保抽排采气的顺利进行。多分支水平井呈多羽状时，技术套管应下放到造斜点以上，为后续裸眼侧钻提供条件。若洞穴井井底需要造洞穴时，应在井底设置容量合适的口袋，口袋深度尽量加深，但不得揭开下部含水层。

3.1.3 井眼轨迹控制

首先，钻进工具的选择。井斜角、方位角、垂深是控制煤层多分支水平井定向的主要参数。水平井主井眼钻进时，可使用塔式钻具组合控制垂直段的井斜;若井斜较为严重，就需要使用纠斜钻具组合，如钟摆钻具等;主井眼造斜段施工时，要使井眼轨迹顺利出现在煤层中，就要确保工具的造斜率达到设计要求，一般采用定向钻具组合，如导向马达+随钻测斜仪组合;水平井主眼和10个分支使用地质导向钻具组合完成钻进任务，常用的钻具组合形式有单弯螺杆钻具+随钻测井仪+减阻器;钻具通过连续滑动钻进的方式，实现增斜、降斜;而稳斜则可通过复合钻进的方式实现，该方式既可以根据需要对井眼状态进行调整，还能实现连续钻进的目的，对钻井速度和轨迹精度的提升十分有利。

其次，井眼轨迹的控制。煤层气多分支水平井钻进施工时，井眼轨迹主要通过地质导向技术对其进行实时监控得以实现。施工前，先对前期的勘探资料建立区块地质模型，然后利用随钻测井仪對地质情况进行测试，利用所测的储层伽马数值、电阻率等参数对所建立的地质模型进行调整，优化井眼轨迹。另外，通过对钻进时泥浆返出岩屑情况判断是否钻穿煤层。

最后，侧钻工艺设计。煤层气所处煤层结构稳定性差，因此多分支井的侧钻工艺与油井的侧钻工艺存在一定的差别，应对其进行科学设计。通过实践证明，煤层多分支井侧钻时，应注意以下几点：

①起钻时应将钻具设置于每个分支的设计侧钻点上方，上提钻具后下放，将钻柱中的扭力防空后开始悬空侧钻。

②采取连续滑动的方式进行侧钻，钻具速度应严格控制，具体控制值如表1所示。按照既定钻速施工，大约需要5h方可完成整个侧钻工序。

表1  钻进速度控制方案

[进尺距离/m＼&钻速m/h＼&1-2

2-3

3-10＼&0.8-1.2

1.2-2.5

3＼&]

③侧钻施工时，初期以滑动形式进行，至设计位置时则以复合方式钻进，在钻进过程中，操作人员要注意观察摩擦阻力的变化情况以及扭矩的变化情况。钻完一个分支井后，循环一周然后起钻恢复至下一个分支的侧钻点。如此循环，直至完成所有分支井眼作业。

3.2 水平井与洞穴井连通技术

3.2.1 作业工具

水平井与洞穴井连通作业时，需要用到近钻头电磁测距技术，该技术的硬件主要为永磁短节、强磁针或探管。永磁短节由横向排列的多个永磁体组成，长度约为40cm，其功能是提供一个恒定的待测磁场。探管由三部分组成，分别为加重杆、扶正器和传感器组建，长度约为3m。工作时，永磁短节以旋转的方式经过洞穴井附近区域，探管可对永磁短节产生的磁场信号进行采集，采集信号传输给计算机设备后，通过专业的计算软件就可计算两井之间的距离以及当前钻头的所处的位置。根据以上分析可知，进行水平井与洞穴井连通作业时所需的钻具组合包括钻头、永磁短节、马达、随钻测斜仪、钻杆、无磁钻铤。

3.2.2 施工工艺

作业前先将2个井底所测的陀螺数据输入到配套采集软件中，对坐标系进行初始化;在进行连通作业时，探管由竖直井进入待测点，将永磁短节连接在钻头处，准备作业;当探头测量范围内进入钻头后，接收仪器可对当前磁场强度值进行实时接收，采集的数据信号传输给专业软件后，通过计算可获得当前井眼的位置。同时钻具组合设备能对测点的闭合方位进行同步计算，对钻头方位的变化情况进行预测，适时根据钻进情况调整钻具，确保钻进方向处于洞穴中心处。当钻具组合设备接近洞穴时，作业人员可利用轨迹计算软件对周围环境进行立体扫描，以便于对水平井和洞穴中心之间的距离进行准确预测;此外，作业人员还可根据三维视图中钻具轨迹的变化趋势判断连通作业的施工状况。综上所述，利用组合钻具可以实时、连续的对钻头位置进行监测，这是连通作业能够成功的技术保障。

3.3 充空气欠平衡技术

煤层气藏所处的煤层特点是低压、低渗透，适用于常规油田开采的过平衡钻井技术会对储层造成破坏，应采用其他钻井技术。当前应用较多的钻井液体系主要有泡沫流体、充空气钻井液、地层水和空气。以充空气欠平衡技术为例，该技术的工作原理是将空气注入钻井液内形成以液体为连续相，以气体为离散相的新型钻井液体系，可适用于低压煤层的钻井工艺，且不受地层水量的影响。下面将以油管注气法为例，对该项技术的施工工艺进行说明。

油管注气法是利用专用的工具将注气油管和井下封隔器下放到洞穴井中，然后以油管为通道，将压缩气体通入到水平井环空。油管注气技术适合用于煤储层较深的洞穴井，且施工工艺容易控制，即使在近平衡注气的情况下，也能在短时间内使压缩空气进入水平井环空，从而改善气液两相流的均匀性。除此以外，该工艺能实现欠值很小的欠平衡作业，这对于维护煤层井壁的稳定性十分有利。

充气欠平衡作业施工时应严格按照施工工艺进行钻进，以保障施工的安全性。如接单跟时注入气体过多时，会将水平井直井段的泥浆排空，这很容易诱发井喷、地层坍塌等安全事故。为避免此类钻井事故的发生，应在低于安全注气压力时就要停止气体的注入。进行起、下钻作业时，要保持钻杆的平稳，尤其是在煤层段更应该缓慢长提，避免井眼坍塌。

4 结语

煤层气多分支水平井钻井工艺具有技术含量高、开采率高、对环境破坏性低等优点，可广泛应用于煤层气资源开采中。虽然我国对煤层气资源的开采起步较晚，但经过近几年的发展，已经形成了一套较为成熟的开采工艺，而多分支水平井钻井工艺就是其中的一种，这就意味着我国已经初步具备了对该资源进行安全开采的能力。煤层气资源的安全开采和利用，对于缓解我国能源紧缺与经济发展之间的矛盾具有十分重要的意义。

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