煤层气多分支水平井钻井常见问题及保障措施

2021-04-01刘天授

中国煤层气 2021年2期

刘天授

(中联煤层气有限责任公司，北京 100016)

钻井是煤层气勘探与开发的主要手段，钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井成本的高低和煤层气勘探开发的综合经济效益。钻井工程就是从开钻到钻至勘探开发目的层，钻完全井进尺的钻进过程。钻进工程是钻井的主体工程，其工程技术水准和质量，以及各相关工种、技术服务、钻井各环节工作的协调衔接配合，是安全钻进，缩短钻井周期，降低材料消耗，决定工程成本高低及勘探投资效益高低的关键。

煤层气多分支水平井具有单井产量高、采出程度高、经济效益好等优势，因此在美国得到了广泛的应用，在我国多个地区也进行了试验和应用，取得了良好的开发效果。但由于我国煤层地质构造比美国复杂得多，对多分支水平井地质及储层条件的要求也比较苛刻，而且多分支水平井开发本身工艺就比较复杂，具有大斜度、大位移、多目标等特点，对钻井中靶精度要求高，况且多分支水平井段穿多个煤层，造成先前施工井眼空裸，井眼易塌等，加之多分支水平井的钻井实践相对较少。因此，钻井施工技术难度大，成本高。通过分析煤层气分析多分支水平井工艺技术、国内外多分支水平井工程施工现状及多个区块前期工程实践，剖析多分支水平井钻井的主要常见问题，找到相应解决办法，为后期煤层气多分支水平井开发提供指导意义。

1 常见问题

1.1 轨迹控制难度大，钻井轨迹易于偏移

多分支水平井钻井要求中靶准确度高，而水平井轨迹复杂，轨迹控制难度大，钻井轨迹易于偏移，这就对钻井的技术工艺调控处严格要求。多分支水平井靶体通常是三维靶体，要求实钻轨迹点在进入目标窗口平面后每一个点都在靶体所限制的范围内，防止在钻进水平段的过程中钻头穿出靶体造成脱靶。

由于多分支水平井水平段长，随着斜井段的延伸，井眼摩阻随之增加，使得钻具在井眼中的转动困难，从而加大了工具面角摆放的难度。

由于地质不确定性、工具造斜能力不确定性及测量信息滞后等客观因素的存在，使多分支水平井由造斜点开始到钻至增斜井段控制和水平井段控制难度较大。

1.2 施工摩阻扭矩大、钻压传输困难

多分支水平井钻探过程中，钻具与井壁之间的摩擦阻力主要由钻柱的轴向摩擦阻力及周向摩擦扭矩所组成。

钻探水平井所需的钻探设备多，钻柱结构复杂，对钻探机具工艺性能要求高，下部钻具结构刚性强，外径大，在水平井段由于钻柱重力作用，使钻柱贴于下井壁，钻井液紊流受到影响，返砂效果差，而且油层井段一般地层孔隙度大，砂层居多，岩石胶结性差，易形成砂桥，会严重影响钻柱的上提下放等。

1.3 井眼易污染，难以清洁，井眼易垮，维持井眼稳定难度大

多分支水平井钻探过程中，在稳斜段和水平井段，由于重力作用，钻具在井眼中靠向下井壁，使钻具周围间隙宽窄变化明显，造成井眼中宽间隙处流速大，窄间隙处流速小，剪切速率增大，使岩屑易沉向下井壁，且不易清除，形成岩屑沉淀层。

同一井眼，在相同排量下，不同井段的环空钻井液会处于不同的流动状态。井眼下部，岩屑一般处于均匀分布状态；而井眼中部，钻井液的携岩能力也明显变小。

由于多分支水平井工程复杂，水平井段横穿储层，钻井深度大，钻井周期长，致使钻井泥浆在井眼循环缓慢，滞留周期长，造成大段悬空裸眼井段，暴露在钻井液的面积大大增加，侵入地层的滤液量增加，极易引起井壁坍塌，且储层易通过井眼受泥浆污染，且难以清洁；由于钻井深度大，时间长，且受工程扰动时间长及频率大等，使得井眼易垮，钻井维持井眼稳定的难度大。

1.4 钻井易发生卡钻等事故

由于多分支水平井井斜大、水平段长，随井深增加钻具与井壁接触面积也随之增加，钻具作用于井壁的侧压力随之增加，故极易发生粘附卡钻；同时由于水平井造斜、增斜、稳斜和扭方位等工序复杂，全角变化率较大，起钻过程中易形成键槽而发生键槽卡钻。

1.5 固井质量控制难度大

多分支水平井固井需要解决的突出问题表现在两个方面：一是如何确保有足够强度的套管柱能够克服阻力顺利下至设计位置；二是在大斜度井段及水平井段套管居中与能否完全充填水泥浆。多分支水平井的井身结构复杂，固井工艺较为复杂，固井控制技术难度相应增大。

2 主要保障措施

尽管多分支水平井煤层气开发工艺复杂，工程难度大，但多分支水平井具有控制面积大、适应地形条件好、采收率高、抽采效果好等特点而备受煤层气勘探开发业界青睐，且随着煤层气勘探开发的需要，以及钻井工艺、钻井工具、装备等相关技术的发展，水平井的应用越来越广泛。多分支水平井的实施是一项复杂的系统工程，要成功实施一口多分支水平井，应从地质选区、井位部署、工程设计、工程施工等全方面做好保障。

2.1 地质选区、井位部署及井身结构设计

在地质与气藏工程分册中，已结合多分支水平井的工艺和技术要求，从地质、储层等多个方面优化选择了多分支水平井适合的地区，设计了多分支水平井的井位。从井眼剖面、完井方式、多分支水平井布井等方面，进行煤层气多分支水平井工程设计，包括多分支水平井控制区域、分支、方位、井身结构、井眼剖面、钻具组合、钻井液，井控及固完井设计等。

2.2 井眼轨道控制

在多分支水平井钻进过程中，要充分发挥滑动钻进和复合钻进的技术优势，提高钻速，为钻出平滑规则的井眼提供保障，其目的是通过井眼轨道控制降低井眼轨迹控制的难度。

2.2.1 井眼轨道剖面类型优化

井眼轨迹控制是水平井钻井施工成功与否的关键，选择合理的井身剖面、井眼曲率并制定有效可行的钻井安全技术措施十分重要。

多数造斜工具的造斜特性不可能保持非常稳定，常常产生一定程度的偏差，通过调整稳斜段的造斜率和段长，弥补钻具造斜能力的偏差，防止稳斜段过长，造成现场井眼控制困难及井眼清洁效果差。

2.2.2 井眼曲率优化

井眼曲率过小，使造斜井段的钻进时间太长，稳斜段太短，调整方位的回旋余地太小。井眼曲率过大，钻具偏磨严重，摩擦阻力增加，起下钻困难，容易磨出键槽而造成卡钻事故，对井下仪器不安全，给后期作业造成困难。

根据井口坐标和靶点参数，设计确定造斜率。现场施工时，考虑到造斜工具造斜特性的不稳定性，选择工具的理论造斜率应该比设计造斜率高10%～20%。

2.2.3 钻具组合

2.2.3.1 直井段

在多分支水平井施工中，直井段的核心任务是防斜，其质量将关系到定向时方位的调整。为了直井段能尽量打直，应采用适合地区特点的钻具组合，直井段常用的防斜钻具组合是钟摆钻具和塔式钻具。要求钻具组合既有利于控制井斜，又有利于解放钻压，有效提高直井段的机械钻速。在工程施工过程中，根据现场发现问题，结合根据地质及储层条件，及时分析，随时优化钻具组合，并为后续工程的实施积累经验。

2.2.3.2 造斜段及水平段

水平井钻井过程中简化钻具组合，减少钻铤使用长度，用加重钻杆代替钻铤，可以有效减小摩阻，降低施工难度。

为减小斜井段钻具摩阻，使用柔性斜坡钻杆优化钻具组合，同时采用加重钻杆代替钻铤，尽量简化钻具结构，减轻下部钻具重量，确保井底获得足够的钻压，减少粘卡的机会。

使用LWD随钻地质导向系统，随钻测量自然伽马、电阻率曲线。根据随钻测井，确定目的层顶界深度，跟踪调整井眼轨迹，根据实际情况采用滑动钻进和复合钻进两种方式施工，随时调整井斜方位。在工程实施过程中，根据现场需求及时优化钻具组合，并为后续工程的实施积累经验。

使用相关材料控制地层造浆，确保上部井眼稳定；适量采用防塌钻井液体系能，提高钻井液的润滑防塌性能，保证斜井段及水平段井眼的质量。

2.2.4 固井工程

采用大泵紊流顶替钻井液，排量不低于钻进排量，提高驱替效率，保证质量。控制实钻井眼轨迹，确保有一个良好的井眼和井身质量；套管柱上加扶正器，保证套管居中，避免套管偏斜对固井质量的影响。优选水泥浆体系，控制水泥浆失水和自由水。