煤层气分支井轨迹控制技术

孙成龙　张联波　陈代军　李永伟　于　锋

（中国石化集团中原石油工程有限公司钻井一公司）

煤层气分支井轨迹控制技术

孙成龙张联波陈代军李永伟于锋

（中国石化集团中原石油工程有限公司钻井一公司）

煤层气分支井轨迹控制技术包括钻分支井眼、地质导向等技术，是一项技术性强、施工难度高的系统工程。煤层气分支井钻井作业的难点主要有：煤层的稳定性差，易发生坍塌、卡钻等故障；煤层厚度只有3～4 m，个别地区会更薄，井眼轨迹控制难度大；水平段摩阻、扭矩大，加压困难，钻具易失效；工艺复杂，配套成本高。通过优化施工轨道设计，完善施工方案，可以实现轨迹圆滑、安全钻进。中国石化中原石油工程有限公司自2004年开始施工煤层气分支井，屡破中国石化钻井分支纪录，分支最多的一口井是1个主井眼23个分支。图3参8

煤层气钻井分支井轨迹控制

煤层气多分支水平井钻井技术是钻进1个主井眼，再在主井眼上钻多个分支井眼的技术。分支井钻井技术是钻井技术中最具增产效果的技术之一，是近年来发展起来的一项快速开采煤层气资源的先进技术。与常规直井技术相比，多分支水平井技术的优点主要有：泄气面积更大，单井产量大大提高，钻井及生产占地少，特别适合煤矿待采区的煤层气开采。国内第一口分支井目前煤层气日产量为15 000～16 000 m3，比常规直井产量高得多，崭露出多分支井开发煤层气的优势［1］。

1　煤层气分支井技术难点

煤层气分支水平井钻井工艺集成了水平井钻井技术、分支侧钻技术、连通技术和地质导向等技术，是一项技术性强、施工难度高的系统工程。为了保持煤层的井壁稳定，煤层段一般采用Φ114 mm小井眼钻进，因而对钻具组合、随钻测量仪器和钻机设备性能等都提出了更高的要求。煤层气分支水平井的施工难点有：

（1）煤层易发生坍塌、卡钻等故障

煤层比较脆，存在着互相垂直的天然裂缝，稳定性差，极易发生井壁垮塌、卡钻等井下复杂情况，甚至造成井眼报废。

（2）井眼轨迹控制难度大

煤层厚度只有3～4 m，个别地区会更薄，煤层气分支井设计要求煤层钻遇率达到90%以上，需要频繁调整井眼轨迹。

（3）水平段钻具易失效

由于煤层埋藏较浅且井眼曲率较大，正常钻压很难满足需要，往往钻压超出正常范围。钻柱易发生疲劳破坏，导致钻具事故，要及时改变钻具组合方式，并借助于水力加压器、水力振荡器等井下工具。

（4）定向仪器配套成本高

分支水平井涉及到许多新式工具和仪器，例如电磁测量装置、地质导向工具和高效减阻短节等。

（5）侧钻成功率很难保证

水平分支井的重要特征是频繁侧钻，如何保证侧钻的成功率是关键技术。

2　轨道优化设计技术

2.1轨道设计原则

井身剖面设计主要考虑的因素包括：钻机和顶驱设备的能力、井眼的摩阻/扭矩大小、钻柱的强度、定向仪器能否满足要求等。依照工程设计，根据现场情况优化施工方案，其优化原则主要如下：

（1）轨迹尽可能圆滑

在多分支水平井设计中，设计的井眼轨迹尽可能圆滑，充分利用地层自然增斜规律，严格控制狗腿度，减小钻柱摩阻和扭矩，满足滑动钻进时的钻具加压的要求。

（2）轨迹尽可能最短

设计轨道方案时，选择长度最短的轨道方案，避开可钻性较差的地层。

（3）主井眼垂直于最小主应力方向

尽量让进入煤层的井眼垂直于煤层最小主应力方向，保证煤层的产能优化和井壁稳定［2］。

（4）尽量在煤层顶板钻进

主井眼和分支井眼尽量处于煤层的中上部位，即煤层顶板，在顶板中钻进能减少井塌发生的可能［3］。

2.2分支水平井井眼轨道优化设计

鱼骨状分支水平井的空间三维特性较为复杂，其轨道设计不同于普通水平井轨道设计，常规井眼轨道设计方法不能满足要求。应先按照地质设计的要求设计出靶区目标，根据靶区目标选择分支井眼回接主井眼轨道［4］。

2.2.1主井眼轨道设计

水平主井眼一般采用“直-增-稳-增-平”类型（图1），主井眼水平段井斜角接近90°，考虑定向仪器的造斜率，通过两次增斜钻进达到设计要求［5］。主井眼优化设计时已知参数：造斜点垂深Da；造斜率K；入靶点方位φ。重点注意事项：①造斜点必须在相对稳定的地层；②设计造斜率必须小于造斜工具的最大造斜率；③造斜段所处层位必须有利于顺利下入套管。

图1　主井眼轨道剖面设计示意图

在主井眼轨道设计时，稳斜段的井斜角αb是一个重要数据，可通过下面公式进行计算分析：

式中：

Dt—靶点垂深，m；

St—靶点水平位移，m；

Sa—造斜点水平位移，m；

Da—造斜点垂深，m；

Rn—造斜段曲率半径，m。

Rt—造斜段曲率半径，m。

2.2.2分支井眼轨道设计

分支井眼轨道类型主要是“增—降—平”（图2）。这种轨道类型设计出的分支井眼先上翘，再水平向前钻进。这样设计可以防止钻主井眼时岩屑进入分支井眼，避免砂桥产生的可能，确保后续作业管柱顺利下入。

图2　分支井眼轨道剖面设计示意图

2.2.3分支井轨道设计优化模型

根据主井眼类型的情况，选用合适的井深计算方法和限制条件，根据不同的分支井眼井深计算和限制条件，就可以组合为分支水平井轨道优化模型，由此能够建立出目标函数即使得整个轨道长度最小。分支井设计优化模型为：

式中：

Ltmuti—井眼总长度；

Lmain—主井眼长度；

Lmuti，i—分支井井眼长度；

i—对应每一个分支。

优化设计模型较为复杂，可采用非线性数学规划问题的不等式约束乘法，对每一个分支和主井眼的轨道进行优化求解，运算过程快，输出结果准确。

3　井眼轨迹控制技术

3.1井眼轨迹控制方法

分支井施工中，通常把煤层上下的泥岩、致密顶底板、煤层夹矸作为判断轨迹上下调整的依据。标志层可通过邻井资料、已施工的羽状水平井随钻跟踪曲线进行响应对比。钻进过程中要结合钻屑、钻时变化、钻井液变化、录井参数等，分析决策井眼轨迹控制。根据准确的地质剖面参数和工程参数，能够正确地监测和跟踪地质目标，并在三维地质环境中调整井眼轨迹，使钻头沿着煤储层物性最佳的层位钻进［6］。

3.2轨迹控制技术

主水平井眼造斜段使用“螺杆钻具+MWD”的钻具组合。煤层段的主水平井眼采用PDC钻头，使用MWD监测的自然伽玛值来判断钻头是否在煤层中钻进。采用滑动钻进的方式定向并实时控制，保持井眼轨迹圆滑，避免出现较大的狗腿度。尽量避免大幅度调整下部钻具组合，并适当控制钻时。

（1）井口位置优选

①根据已有的地质资料，选择煤层埋深较浅至适中、煤层气饱和度高、厚度大、物性好的平台；②应尽量使井眼延伸方向与天然裂缝垂直，以获得较好的增产效果；③尽量避开破碎地层。破碎地层容易井塌，导致井塌、卡钻、井漏等钻井工程事故，甚至井眼报废。

（2）地质导向技术

地质导向技术是多分支水平井钻探成功的关键技术。它把钻井技术、测井技术和录井技术融为一体，利用随钻测录地质信息控制井身轨迹。井眼轨迹的控制要有较高的控制精度，较强的应变能力，较准确的预测。

4　分支井侧钻技术

常规的侧钻技术有3种：①打水泥塞侧钻；②使用斜向器侧钻；③悬空侧钻。根据现场多口井的经验，采用斜向器侧钻成功率较高，但施工程序较多；打水泥塞侧钻虽侧钻容易，但对保护煤层不利，所以，这两种方式现都应用很少。悬空侧钻是近年来使用最多的侧钻方法，这种方法侧钻操作难度较大，但不需要特殊工具，也减少了填井候凝时间。

悬空侧钻是煤层气多分支井施工的难点。钻井工程师可根据返出岩屑、测斜数据、钻压的变化等，判断侧钻是否成功。只要操作方法正确，煤层侧钻都能一次成功，整个侧钻工序需要5～9 h。在三交、马必、潘庄等区块多口分支井施工中，总结出悬空侧钻方法的关键点：

（1）侧钻钻头选择5刀翼，外双排齿，有利于稳定工具面。

（2）螺杆钻具的弯度1.5°以上，给钻头有足够的侧向力。

（3）下钻至距侧钻点10 m，锁定工具面上提下放钻具划槽，在划槽后开始侧钻。

（4）至少连续滑动钻进15 m后再复合钻进，防止在启动转盘时，钻头进老井眼。

5　现场应用情况

MBP04-1H井位于沁南盆地马必区块，设计1个主眼及8个分支（图3），完钻原则是山西组3#煤层内进尺达到4000 m完钻。沁南盆地3＃煤层顶板深度为412.1 m，煤厚6 m，煤层倾角7°左右。根据消耗较少垂深得到较大位移的理念，对井身剖面设计进行了优化。

图3　MBP04-1井组实钻三维立体投影图

（1）选定“直—增—稳”三段制井身剖面

采用三段制井身剖面，达到更大的位垂比，使井眼顺利着陆。MBP04-1H井的造斜点在252 m，着陆点在477 m。

（2）造斜钻下移避开难钻层位

设计中二开定向段自上石盒子组中部造斜，设计造斜率为9°/30 m，由于上石盒子组含砾较多，容易导致钻头先期损坏，将造斜点下移30 m，造斜率调整为10°/30 m，仅用1只钻头就完成了定向段施工。

（3）着陆点放在三开段

原设计着陆点在二开井段，存在大井眼煤层钻进易塌风险，将技术套管下深优化到煤顶以上1 m处，将着陆点放在三开井段距洞穴30 m处，避免了二开在煤层钻进的风险。

该井的的井身结构为：Φ244.5 mm表层套管× 36.5 m＋139.7 mm技术套管×476 m＋Φ120.65 mm主水平井眼（裸眼完井）×1464 m＋Φ120.65 mm分支水平井眼（8个分支）×（300～600 m）。该井钻井总进尺5 727 m，煤层进尺5 251 m，由于使用了煤层气分支井轨迹控制技术，钻井周期33.33天，平均机械钻速10.02 m/h，煤层钻遇率95.19%。

6　结论和建议

（1）煤层气分支井眼轨迹优化设计技术、井眼轨迹控制技术、分支井侧钻技术等经过现场应用，能保证煤层气分支井施工质量，提高煤层气井采气率。

（2）开展煤层气分支井技术研究，提高分支井钻井时效。应加大资金投入，不断深化煤层气分支井技术研究，进一步提高分支井钻井效率，降低煤层气分支井成本。

［1］邵龙义，侯海海，唐跃，等.中国煤层气勘探开发战略接替区优选［J］.天然气工业，2015，35（3）:1-11.

［2］秦学成，段永刚，谢学恒，等．煤层气井产气量控制因素分析［J］．西南石油大学学报（自然科学版），2012，34（2）：99-104．

［3］白生宝，王凤琴，杜厚余，等.煤储层条件对煤层气产能的影响分析——以鄂尔多斯盆地东南某区块为例［J］.天然气勘探与开发，2015，38（2）:47-50.

［4］姜文利，叶建平，乔德武．煤层气多分支水平井的最新进展及发展趋势［J］．中国矿业，2010，19（1）：101-103．

［5］饶孟余，杨陆武，张遂安，等．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．

［6］杨陆武，孙茂远，胡爱梅，等．适合中国煤层气藏特点的开发技术［J］．石油学报，2002，23（4）：46-50．

（修改回稿日期2016-08-19编辑景岷雪）

孙成龙男，1964年出生，2004年毕业于石油大学（华东）石油工程专业，高级工程师，现任中原石油工程有限公司钻井一公司副总工程师，主要从事现场技术管理与技术攻关等工作。地址：（457331）河南省濮阳市清丰县马庄桥镇钻井一公司技术发展中心。电话：13333937681。E-mail：schl999@163.com