造穴技术在华北油田煤层气开发中的发展与应用

梅永贵 周立春 余 巍 闫 玲 吕宏玖 王仙之

(中石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

造穴技术在华北油田煤层气开发中的发展与应用

梅永贵 周立春 余 巍 闫 玲 吕宏玖 王仙之

(中石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

煤层气水平井洞穴完井是目前沁水盆地煤层气应用最为广泛的水平井完井方式，关键技术之一是造穴技术。华北油田经过近10年的煤层气开发实践，经历了探索、改进、创新和完善4个阶段，结合水力造穴和机械造穴工艺的优点，形成了煤层气水平井洞穴完井的复合造穴工艺并配套研制了具有自主知识产权的造穴工具，满足了沁水盆地南部煤层气开发的需求。

华北油田 煤层气 水平井 造穴技术

1 前言

随着煤层气产业的不断发展和技术的不断进步，煤层气开发井已由单一的直井发展到丛式井和水平分支井组等多种形式，其中多分支水平井是目前在华北油田煤层气开发中应用最多的一种水平井井型。该井型由洞穴井和工程井组成，其中洞穴井为垂直井用于后期排采，工程井为多分支水平井。工程井在目标煤层段与已钻洞穴井洞穴连通后，侧钻多条水平分支在煤层中延伸，以增大煤层接触面积达到提高产气效果的目的(见图1)。

图1 水平井洞穴连通示意图

煤层气洞穴井造穴就是在目的煤层段,利用机械、水力、负压等方法实现局部煤体结构破碎、崩落，使孔内目的煤层段形成的洞穴直径远远大于钻孔直径的钻孔。洞穴井在目标煤层段造穴的目的：一是为水平井定向施工在目的煤层中放置靶点目标仪器同时增大水平井连通靶点目标范围，提高中靶连通成功率；二是井眼周围形成含有大量张性裂缝的卸载区，提高井眼周围割理裂缝的渗透性，增大地层的导流能力，使井眼与地层之间实现有效连通而达到增产的目的；三是有利于后期排采。

2 技术发展与应用

华北油田的造穴技术在水平井的应用大致经历了四个阶段。

第一阶段：探索与引进阶段(2005～2006年)，2005年华北油田刚刚开始煤层气勘探开发，煤层气开发尤其是水平井开发技术欠缺，只能依靠国外技术引进。2005年底，与美国CDX煤层气作业公司合作，在山西沁水盆地完成了晋平2-2、晋平2-4井2口煤层气多分支水平井的施工。本阶段造穴使用的工具是机械造穴工具，工具与羽状水平井技术共同引进，但在实施过程中发现，造穴过程中遇卡、工具变形情况频发，严重影响施工进度。美国煤层气储层煤阶较低，煤体坚固系数高且地下条件简单，一般在裸眼钻井施工后无需固井直接进行造穴。但沁水盆地南部开发区域煤储层属于高阶煤，煤体坚固系数低、易碎且地下构造、应力条件复杂，裸眼造穴过程中井壁掉块严重，影响造穴工具正常工作，需要根据沁水盆地储层特征对造穴技术进行改进。

第二阶段：技术改进阶段(2007～2009年)，在总结前期经验的基础上，与奥瑞安能源技术开发有限公司合作对造穴进行了改进，提出了玻璃钢套管造穴工艺。该工艺过程为：在洞穴井钻井结束后进行套管固井，煤层位置下入一根玻璃钢套管固井，下入内割刀割断玻璃钢套管，下入造穴工具在煤层段造穴，清洗井眼完井。该工艺通过套管固井的方式有效解决了造穴过程中井壁掉块严重的问题，工具遇卡变形情况得到了明显改善。同时在造穴井段下入了玻璃钢套管，可以有效减少钢制套管对连通磁定位信号的干扰，保证连通成功率。

本阶段以钻井工程外包的方式，与奥瑞安公司合作实施了多分支水平井45口，造穴连通成功率100%，取得了较好的开发效果。但由于技术保密、缺乏竞争等问题，导致华北油田煤层气水平井开发成本居高不下，技术对外依赖性强。

第三阶段：自主研发阶段(2010～2012年)，为了摆脱对外技术依赖，2010年开始，华北油田与中国石油渤海钻探公司携手进行了造穴工艺及配套工具的自主设计研发。到2012年设计研制出一套水力射流造穴工具和一套机械造穴工具并申请了相关专利。

(1)水力射流造穴工具(见图2)：已形成φ206mm、φ145mm、φ114mm三种规格型号工具，适用于φ216mm、φ152mm、φ118mm裸眼水力射流造穴作业。

图2 水力射流工具结构示意图

(2)机械造穴工具(见图3)：形成ZXQ-145、ZXQ-210、ZXQ-280系列造穴工具，用于6″、81/2″、121/4″裸眼的造穴作业，并可按工艺要求调整造穴尺寸从400mm至2000mm。

图3 机械造穴工具

并在此基础上设计完成了一套适用于沁水盆地煤储层特征的水平井复合造穴工艺，此复合造穴工艺解决了水力造穴洞穴形状、半径难以控制和机械造穴工具强度不足容易变形的问题，实现了工艺设备简单、洞穴大小随意控制的目标。该工艺过程为：在造穴井段完成套管切割后下入水力射流造穴工具，对设定的需要造穴段进行水力射流作业，通过调节工具节流装置喷嘴的大小和泥浆泵排量控制造穴半径和洞穴形状，达到破岩和冲洗井壁效果。然后根据造穴需要下入不同型号的机械造穴工具，根据施工要求调整工具张开度，实现洞穴形状控制。此项复合造穴工艺及配套工具在沁水盆地煤层气水平井开发中应用效果良好，完成复合造穴12井次，洞穴直径1000mm，造穴成功率100%，连通率100%。

第四阶段：技术发展完善阶段(2013～目前)，随着煤层气产业的发展，煤层气勘探开发逐步向新资源区域延伸，各种地表、地下复杂情况对水平井钻井及造穴技术提出了新的要求。首先，随着开发区域煤层气的埋深逐步增大，对套管的抗压能力提出了新的要求，以往常用的玻璃钢套管只能达到6MPa的抗压能力，在煤层埋深较大地区井筒变形情况严重，影响后期下泵排采；其次，地表条件复杂，洞穴直井设计区域无法进行钻井施工；再次，由于部分地区煤储层煤体结构破碎，在造穴过程中煤层段井壁垮塌严重，洞穴形状难以控制，且在后期排采过程中煤层掉块掩埋排采设备、阻塞井眼通道情况时有发生，影响水平井开发效果。

针对以上问题，对造穴技术进行了进一步完善，提出了定向井钢套管煤层气底板造穴技术方案。该技术方案过程为：在地表条件复杂区域用定向斜井代替传统洞穴直井，在钻井完成后直接全井段下入钢制套管，固井后下入套铣工具对造穴井段(煤层底板)套管进行锻铣，最后下入复合造穴工具造穴完井。与原有技术相比具有以下优点：(1)有效提高了套管抗压能力，减少了因为套管变形造成的后期排采困难；(2)采用定向斜井造穴，大大减少了地表条件对钻井施工的影响，地面井场的设计更加灵活；(3)底板造的穴相对比顶板和煤层造穴位置更低，可以确保排采设备下放到水平井段最低部位，有利于水平段地层流体的采出。目前该工艺已经在沁水盆地南部现场试验了3口井，均一次性连通成功。

3 小结

目前华北油田煤层气水平井开发已经9年时间，大致经历了探索、改进、创新、完善4个阶段，积累了丰富的造穴技术经验与认识：

(1)复合造穴技术具备水力造穴和机械造穴技术的优点，可以满足目前煤层气水平井造穴的各项要求；

(2)在煤层埋深较浅、地表条件较好的区域，采用直井玻璃钢套管造穴，可以有效提高造穴效率，降低施工成本；

(3)在煤层埋深较大、地表条件复杂或者煤体结构破碎的地区，采用定向井钢套管底板造穴技术，可以有效解决套管变形、井壁垮塌及地面井场建设困难等问题。

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(责任编辑 丁 聪)

Development and Application of Cavitation Technology for CBM Development in Huabei Oilfield

MEI Yonggui, ZHOU Lichun, YU Wei, YAN Ling, LV Hongjiu, WANG Xianzhi

(CBM Exploration and Development Branch, PetroChina Huabei Oilfield Company, Shanxi 048000)

Cave completion is the most widely used mode for CBM horizontal well completion in Qinshui Basin, and one of the key technologies is cavitation technology. After 10 years' practice of CBM development, Huabei Oilfield has experienced 4 stages, including exploration stage, improvement stage, innovation stage and consummate stage. Combined with the advantages of hydraulic cavitation and mechanical cavitation, composite cavity-forming techniques for CBM horizontal wells has been completed，and reaming tools with proprietary intellectual property rights has been developed，they have met the need for CBM development of in Southern Qinshui Basin.

Huabei Oilfield; CBM; horizontal wells; cavitation technology

国家科技重大专项“山西沁水盆地煤层气水平井开发示范工程”(编号2011ZX05061)

梅永贵，男，工程硕士学位，现任华北油田山西煤层气勘探开发分公司总工程师，高级工程师，从事煤层气勘探开发与研究工作。