煤层气仿树形水平井钻完井技术研究与应用

李 浩 谭天宇 徐明磊 毕 毅 李宗源 付 潇

(1.中国石油渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，河北 062552；2.中国石油天然气集团有限公司煤层气开采先导试验基地，河北 062552；3.中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司，河北 062552；4.中国石油渤海钻探工程有限公司第一固井分公司，河北 062552)

华北油田在山西沁水盆地南部煤层气田登记区总面积超过5000km2，煤层气总资源量超过1万亿m3。为了加快煤层气开发进程，从2005年开始，华北油田先后引进了美国CDX公司的煤层气羽状分支水平井技术和奥瑞安公司的煤层多分支水平井技术，并进行了先导试验。后来应用国内技术进行了规模建产，共实施煤层多分支水平井90多口。总体钻井事故率较高，达到了38%，煤层气多分支水平井成井技术成为制约煤层气多分支水平井钻完井技术的瓶颈。为增加多分支水平井成井效率，创新提出“主支疏通、分支控面、脉支增产”的仿树形水平井，并成功在现场应用，使我国煤层气水平井钻完井技术取得巨大进步。

1 煤层气多分支水平井简介

国内大规模实施的煤层气多分支水平井一般由一口多分支水平井(或工艺井)和一口排采直井(或洞穴直井)组成，全称为煤层气多分支水平井井组，简称煤层气多分支水平井(图1)。其中工艺井一般由2个主支和6～8个分支组成，主支、分支全部在煤层内钻进，煤层总进尺在4000m以上；排采直井在煤层井段造洞穴，工艺井与排采直井在洞穴处连通。一般情况下在井组完钻后，工艺井打水泥塞封井，后期在洞穴直井排采。

图1 煤层气多分支水平井组示意图

2 仿树形水平井简介

2.1 井型提出

煤层机械强度低，裂缝和割理发育，均质性差，存在较高剪切应力作用。因而煤层井壁极不稳定，在多分支水平井钻完井过程中及后期排采过程中极易发生井壁坍塌。其中钻井过程中，长期的作业通道主支及分支侧钻产生的夹壁墙，都极易坍塌，导致多分支水平井成井效率低下；后期排采过程中，煤层井眼坍塌，影响煤层气产量；排采直井在煤层洞穴井段易产生错位，造成下泵困难。

鉴于以上问题，创新思维，把多分支水平井主支上提(或下放)，使其建立在煤层的顶板(底板)泥岩内，同时在顶板泥岩内造洞穴、连通、侧钻等，改善了煤层气多分支水平井的成井效率，形成了煤层气仿树形水平井钻完井技术。

2.2 井型组成

仿树形水平井由一口工艺井，两口洞穴直井组成。其中工艺井由一个主支，多个分支，若干脉支组成(图2)。主支建立在煤层顶板泥岩内，主要作用是排水采气的通道；分支在主支上侧钻进入煤层，主要作用是控制面积；脉支在分支上侧钻，钻穿煤层的多套夹矸，沟通煤层，主要作用是增加煤层气产量。因为煤层气是解吸气，需经过排水后才能解吸，因此保证排水的顺利进行，主支、分支采用上倾钻进。工艺井主支在煤层顶板泥岩内与两洞穴直井连通。仿树形水平井中的工艺井及洞穴直井都可作为排采井或观察井。

图2 仿树形水平井组示意图

3 主支在煤层顶板泥岩钻进对煤层气解吸的影响

常规多分支水平井主支、分支都在煤层内钻进，主支、分支都解吸，同时贡献煤层气产量。而仿树形水平井主支建立在煤层顶板泥岩内，分支再侧钻进入煤层，主支及分支的泥岩井段不会对煤层气的解吸产生贡献。通过计算，若泥岩主支建立在距煤层顶垂深1～4m范围内，基本不会对多分支水平井的控制面积产生影响(解吸半径按100m计算)。泥岩主支不能达到的控制区域，所钻分支基本能够覆盖，基本不会产生解吸盲区。

通过现场的实钻情况也可以看出，主支在顶板泥岩内钻进，不会产生解吸盲区。完成的ZS1P-3H井分支侧钻数据如表1所示，分支泥岩侧钻点距煤层顶垂深最大为3m,进煤点距侧钻点的无效进尺长度最大为69m，进煤点距主支的垂直距离则更小，肯定会小于100m的解吸半径，因此基本不会影响多分支水平井的煤层气解吸。

表1 ZS1P-3H井分支侧钻统计表

4 煤层顶板泥岩研究

在进行主支在煤层顶板泥岩钻进现场施工前，对沁水盆地煤层顶板泥岩进行了矿物成分、强度、裂缝等分析研究。

4.1 矿物成分分析

取沁水盆地晋城市泽州县下村镇成庄矿的煤层顶板泥岩进行研究。岩样为炭质泥页岩，层状构造，发育有大量节理裂隙，大部分节理裂隙顺层发育，部分与产层垂直。

经过用光学显微镜的微观观测与X衍射分析，结果显示，顶板泥岩主要成分为石英，局部可见少量菱铁矿；石英含量较高，而水敏性矿物(绿泥石)含量低，说明水敏性差。

4.2 强度分析

岩样进行加工，制成约φ5×10cm的岩心。进行了室内单轴抗压破坏试验及清水浸泡试验。

单轴抗压实验结果显示：自然样抗压强度平均为59.52MPa。岩样都是顺层劈裂，说明岩层的层状构造使得其顺层方向裂隙丰富。

岩样经过半年的清水浸泡实验发现，岩心依然完整、坚硬(图3)。可得出结论：静置条件下，清水浸泡不会造成煤层顶板泥岩的水化分散和垮塌现象的出现。

图3 岩样清水浸泡前和浸泡半年后的对比图

4.3 裂缝分析

从取的大块岩样及破坏试验都可以看出，煤层顶板泥岩存在裂缝。

另外通过对所钻排采直井的煤层顶板泥岩进行微电成像测井，并进行解释证明，顶板泥岩存在裂缝，流体侵入可能易发生掉块，因此进行了顶板泥岩加固的研究。

5 煤层顶板顶板泥岩固壁技术研究及应用

对煤层顶板泥岩进行了固壁技术研究，主要采用化学挤注加固的方法。形成了非储层化学挤注法固壁技术。

5.1 室内研究

室内主要对固壁剂的配方、固壁剂凝固时间、固壁工艺等进行了研究，研究发现通过固壁剂加固的泥岩强度显著增加。

实验数据表明(表2)：固壁之后泥岩强度是用钻井液侵泡过后泥岩强度的2倍以上，说明固壁对井壁稳定有明显提高作用。

表2 不同方式处理后的岩样单轴抗压实验数据统计表

5.2 现场应用

对研究的固壁技术在ZS1P-5H井的泥岩主支进行了现场试验，整个泥岩主支分四段进行固壁作业。对泥岩主支加固后，保证了ZS1P-5H井全井13个分支，26个脉支约10000m进尺的安全无事故钻进。

6 煤层顶板泥岩造穴技术研究及应用

专门设计了单翼泥岩造穴工具，该工具有一个刀翼,工作时刀翼打开，与本体基本成90°角。该工具具有结构简单、抗扭强度高、能承受井底复杂工况等的优点。单翼造穴工具的结构主要由本体、心轴和刀翼三部分组成。

对设计的单翼造穴工具进行了有限元分析，找到受力集中部位，进行工具设计的优化改进。在现场试验过程中，对造穴工具进行多次结构改进，并对造穴工艺进行了优化，形成了煤层顶板泥岩造穴技术。

7 煤层顶板泥岩连通技术研究及应用

7.1 两井连通原理

水平井井中下入永磁短节，目标点井中下入探管，探管采集永磁短节产生的磁场信号，通过软件，准确计算两井之间的距离和当前钻头的方位，为定向作业提供准确数据，从而实现两井的连通。

7.2 两井煤层顶板泥岩连通现场应用

两井的泥岩连通与煤层连通从原理及施工工艺上无本质区别，但是泥岩连通更加强调硬连通，必须更加精细操作及计算。通过几口井的现场试验(表3)，形成了煤层顶板泥岩主支的近、远端连通技术。

表3 部分井次煤层顶板泥岩连通情况统计表

8 井眼清洁技术研究及应用

8.1 双管双循环技术研究

煤储层极易受到污染，在钻进煤层时不能使用悬浮性好，切力高的钻井液，只能使用清水，而清水的携岩性能差，因此研究发明了双管双循环携岩技术。

双管双循环技术原理：在二开井眼中完后，下如双层技术套管，外层套管固井，内层套管不固井，作为活动套管。在外管及内管的环空注入流体，流体通过内管的射流发生器反转进入钻具与内管的环空，加之钻井的正常循环，增加循环介质的环控返速，提高斜井段及上直段流体携岩能力。研制配套了双管双循环专用工具，包括射流发生器、自封封隔器、内管防转插接座、插接头、专用套管头、地面虑砂装置等。

8.2 双管双循环技术现场应用

ZS1P-5H井应用了双管双循环携岩技术，其中在进行L2分支、L5分支上的第二个脉支、L10分支和L11分支上的第一个脉支的煤层钻进时，都发生了大规模的煤层垮塌(图4)，但是在用清水钻进的情况下，未发生卡钻事故，说明了双管双循环技术的超强携岩能力。

图4 ZS1P-5H井L10垮塌掉块实物图

9 仿树形水平井导向技术研究及应用

9.1 煤层及泥岩导向研究

煤层主要是根据煤层与其顶、底板泥岩的伽马特征值不同进行导向；细分目的煤层的伽马值，进行顶出或底出判断。

顶板泥岩无明显的伽马特征值，经过以下分析研究，形成了顶板泥岩几何导向技术。

(1)利用钻井及测井资料(或取芯)，强化对主支泥岩的地质认识；

(2)精细分析地震解释剖面与邻井实钻资料，预测地层倾角并确定几何导向控制点；

(3)钻前分析邻井(包括洞穴井)煤层顶部泥岩岩电组合特征，进而确定导向依据，实现跟踪判断。

9.2 现场应用

ZS1P-3H井泥岩主支经过两次见煤，打塞侧钻后，全部在煤层顶板泥岩内，距煤层顶的垂直距离最大为3m。

ZS1P-5H井全部泥岩主支共783m进尺无一次见煤，全部在煤层顶板泥岩内。该井共完成1个泥岩主支，13个分支，26个脉支。全井总进尺12288m，煤层进尺9408m，见煤后的煤层钻遇率达到98.91%。全井无任何复杂事故，顺利完成。

10 结论及建议

(1)ZS1P-5井共完成1个主支，13个分支，26个脉支。全井总进尺为12288m，煤层进尺为9408m，虽然全井发生四次煤层坍塌，但未发生任何井下复杂事故。ZS1P-5井的顺利完成，标志着初步形成了煤层气仿树形水平井钻完井技术。

(2)ZS1P-3井和ZS1P-5井的成功试验，标志着主支在煤层顶板泥岩钻进技术基本成熟，且由于顶板泥岩稳定，形成的泥岩主支井眼稳定，主支与分支的泥岩夹壁墙稳定，增加了煤层气水平井的成井效率。

(3)主支在煤层顶板泥岩钻进解决了主支的稳定、解决了分支侧钻夹壁墙的稳定性、解决了直井洞穴的稳定性，但是不能避免煤层的垮塌。仿树形水平井ZS1P-5H井通过加密分支，钻进脉支来分化煤层垮塌对井眼堵塞的危害，但不能阻止后期排采过程中煤层井眼垮塌。建议在主支煤层顶板泥岩钻进的基础上，进行煤层分支非金属筛管完井试验，保证主支、分支井眼的长期有效性。