煤层气多分支水平井钻井工艺分析

2021-01-07张军浪

化工设计通讯 2021年2期

张军浪，袁魁，郭明

（北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100000）

煤层气内拥有丰富的能源，其开采技术处在不断地发展变化中，只有通过解吸、扩散与渗流的方式才能完成对应性开采工作。我国煤层气藏带有低饱和、低渗透与低压等特征，给开采工作带去些许难度，工作人员需及时优化施工工艺，利用合适的开采技术来促进煤层资源的开发。

1 煤层气多分支水平井钻井技术的难点

由于煤层气水平井内的钻井技术有较高的施工难度，其原因在于对该技术的要求较高，在施工期间洞穴井与水平井要高效联通，且要运用到各类性能极佳的钻井设备，因而严重影响施工作业的稳定性。

1）煤层内部的稳定性较差，且对外力的敏感程度较高。具体来说，针对煤层气藏内的煤层来说，其质地较弱，在发育过程中还带有天然裂缝，其钻井工艺的实际操作需依照相关标准，可降低卡钻、井下坍塌等事故发生的频率，若引发安全类事故还会出现井眼报废的不良状况。

2）煤层内部还存有严重的污染问题，在开采期间煤层极易受到污染，施工人员难以高效保护能源储层。为减少污染频率，钻井液系统大多由泡沫、地层水与充气钻井液构成。同时，由于煤层气内资源的埋藏深度不够，在增加井眼曲率的同时，其钻压工作也难以达到相应标准，随着钻柱的超负荷运行，极易引发安全事故。

3）基于煤层气水平井钻探技术还处在发展过程中，其有效的实践经验较少，且生产工具大多为新型工具与仪器，不仅普及程度较低，其设备运用水平也较弱，比如，在采用小井眼钻进工艺的过程中，其经验长度值通常在1 512cm左右，其使用的测量仪器与钻具都带有较高的技术水准，在开展此项工作前，施工人员需了解各项设备的使用功能，且提升开采技巧，熟练使用互联网系统，才能真正实行开采工作，保障煤层气资源的开采质量，因而给开采工作带去较大难度。

2 优化煤层气多分支水平井钻井技术的有效措施

2.1 改进内部井眼

（1）工作人员需将工作重点放置在井眼剖面的优化上，在设计井眼的过程中要考虑到经济性、钻柱力学与煤层气藏等要素上，经过实验与勘探，精准测算出井眼的距离、方位与长度等，便于达成最佳设计效果。在开展多分支水平井的钻井工艺时，要科学设计其整体轨道，通常来讲，轨道的设计方法较多，由于方法不同，其轨道长度也会存有差异。在确认轨道的过程中，要综合比对安全性、经济性与地质状况等多项原则，在降低无效尺寸后，最大化缩短轨道距离。

（2）在开展井身的结构设计时，由于其结构质量会给井的安全度带去较大影响，若其结构发生缺陷，则会改变套管进入煤层的位置，也会增加煤层断裂的概率，影响矿井施工安全。

在设计井身结构的过程中，相较于常规油气井，要加强洞穴井与水平井的联通性与稳定性。针对套管位置，要及时封堵煤层顶部的出水层，加强抽排采气的整体效果。当多分支类的水平井呈现多羽状时，其内部的技术套管要放置在造斜点的上部，也为后期的裸眼侧钻提供更为适宜的条件。针对洞穴井井底的洞穴改造，工作人员可在其底部放置容量适宜的口袋，在加强其袋底深度的同时，保证下部含水层的隐秘性。

（3）在控制井眼轨迹期间，工作人员要挑选出适宜的工具，并精准测出煤层内的各项参数，如垂深、方位角与井斜角等。水平井在开展主井眼的钻进时，为掌控垂直段内的井斜值，可采用塔式钻具组合法，定向钻具组合大多为随钻斜测仪与导向马达的结合，并借助减阻器与螺杆钻具来完成对应的钻探工作。此外，在控制井眼轨迹期间，工作人员还需利用地质导向技术进行实时监督，在开展施工前要利用当前已有的勘探资料来设计地质模型，并借助随钻测井仪来测试当前的地质状况，并利用电阻率、储层内的伽马数值来调整模型参数，继而优化井眼的整体轨迹。

2.2 加强洞穴井与水平井的联通

在进行洞穴井与水平井的联通时，工作人员需借助探管、强磁针与永磁短节等硬件来实行钻头测距工艺。具体来说，硬件中探管的主要构成为传感器、扶正器与加重杆等，其长度大约在3m左右；而由多个永磁体构成的永磁短节，其长度约为40cm，其主要功能为打造了一个恒定待测的磁场。在开展工作期间，永磁短节在经过洞穴井时会采用旋转法，其探管也可高效收集永磁短节内的磁场信号，并将采集到的信号发送到互联网设备中，借助其内部软件可精准测算出钻头位置与两井间的距离，因而在开展洞穴井与水平井联通作业的过程中要运用到无磁钻铤、钻杆、马达、永磁短节、钻头与随钻测斜仪等。

在开展联通作业期间，工作人员需将探管放置到待测点，让永磁短节与钻头相连接，并利用接收仪器实时接收磁场强度，确认井眼位置。若钻具组合设备处在洞穴附近时，可借助系统设备来立体扫描周遭环境，可精准预测出洞穴井与水平井的中心位置。通过三维视图内的钻具轨迹变化，还能帮助项目管理人员掌握当前的施工状况，因而利用组合钻具可实时监测钻头位置，增强联通作业的工作效率。

2.3 采用充空气类欠平衡工艺

由于煤层气藏内的煤层带有低渗透、低压等特征，采用传统的平衡钻井技术会破坏储层内的油田，因而需运用更为高效的开采技术。当前钻井液系统多为空气、地层水、泡沫流体与充空气类的钻井液。针对充空气类欠平衡技术来说，该技术具体的工作原理为将空气放置到钻井液中，让该液体形成连续相，再借助气体离散相来加强钻井液体系统，其钻井工艺主要运用在低压煤层中，难以改变地层水量。

在运用油管注气法的过程中，洞穴井内要准备充足的井下封隔器与注气油管，将油管视为通道，将压缩后的气体放置到水平井中。若该洞穴的煤层存储较深，采用油管注气工艺较为适宜，不仅其施工技术较易控制，还能在较短时间利用水平井的环空性来增强气液相流的均匀度，通过科学欠平衡施工作业，还会加强煤层内部的稳定性。

欠平衡施工作业在正式施工时，其钻进工作要严格遵照施工工艺，以提升该项工作的安全性。若注入气体太多，水平井内直井段中的泥浆就会出现排空现象，继而引发地层坍塌、井喷等安全事故。为降低钻井事故的概率，当气体压力低于标准值时，要停止注入有关气体，而在开展下钻作业的过程中，则需加强钻杆的平稳度，通过缓慢长提来加强井眼周围的安全。

3 煤层气多分支水平井钻井技术的实际运用

3.1 实行小井眼的钻进

针对易垮塌、且煤质较松软的区块，需采用小井眼类的钻进技术，在增强矿井质量的同时，还会降低钻井液的消耗。由于水平钻井带有极强的摩擦阻力，在使用该项技术期间，其主要困难为钻杆的厚度，若因其厚度较弱难以给钻头适宜的压力，在钻进过程中将难以实现扭方位与增斜。在开展钻井的过程中，对于初始井段，工作人员要采用复合钻进法，也就是说高效融合滑动钻进与旋转钻进，较好地控制井眼轨迹，也适时增强该轨迹的光滑度与流场性。针对后续钻井来说，基于其摩擦阻力的增加，采用定向钻进法的过程较缓慢，要使用旋转钻进法。在开展旋转钻进的过程中，即使打一个单根也要准确测量出方位与井斜，以便增强后续钻井的数据依据，为其提供良好的理论支撑。

3.2 设计分支侧钻工艺

（1）由于煤层内各项分支的侧钻都要处在裸眼中，在使用煤层气多分支钻井工艺的过程中也需进行裸眼侧钻。基于侧钻技术的难度较高，当前国内大多采用分支侧钻，在运用该方法时要每个分支的起钻都需来源于侧钻的顶部，利用上提下放模式，释放钻柱的全部扭力。在应用悬空侧钻期间要精准地测量出钻井参数变化、马达压差与测斜数据等，并将此类数据作为钻井工艺的主要依据，从而有效判断侧钻工艺是否成功。

（3）当施工人员采用两井联通技术时，工作人员应详细考察探管位置。具体来说，由于两井底部的探头位置要连接永磁短节，在进行联通前，要准确收集矿井内部的测斜参数与坐标数据，继而实现初始化的坐标程序。当钻头处在探头测量范围中时，其接收仪器会高效吸收磁场强度，并将该类测点数据作为判断依据，精准判定出井眼位置与测点闭合方位，掌握当前钻头位置详尽的方位变化。此外，工作人员还可将井眼方向挪到洞穴的中心处，将矿井监视下的磁场强度与实际对应结果进行简单比对，当其与矿井的距离为10m时，可拿出探头，其钻头可沿该轨迹进行钻探工作，继而完成两井联通。

3.3 开展电磁波的钻探

工作人员还可采用电磁波钻探，一般来讲，在开展煤层气多分支水平钻井期间，其主要的核心技术为随钻测量工艺，随着该工艺状态的回升，可将对应的测量设备安置在钻头附近，以随时测量井中的各类参数。在完成参数测量后，需将数据信息保存在对应的存储器内，并借助各类介质，如钻井液、电磁波与电缆等，将数据传输到地面。地面中的互联网系统可高效收集与整理此类数据，帮助工作人员获取地层与井身的对应性数据。电磁波类的钻探技术在传输信息时主要借助于电磁波信号，属新型检测技术，其不仅有着极快的传输速度，还会适时缩减测量时间，由于其在数据传输时无须循环钻井液，还在某种程度上降低了造价成本。随着该技术的广泛运用，找出了多种方式来强化测量指标，钻井液介质的缺失也难以对传输与测量结果造成影响。电磁波钻探技术可适用在诸多钻井液环境内，也从侧面解决了因钻井液影响的相关参数的提取问题。

例如，某勘探有限公司在开展煤层钻探的过程中，其采用了电磁波技术，并利用该技术设置了一套钻井系统平台，将各类参数放置到该系统内，利用互联网系统的分析与整合，有效增强了钻探工艺的检测速度，促进了测量结果的准确性。