沁水盆地晉城斜坡煤層定向施工新思路

宋曉健 張楠 張鵬宇 張昊

摘要：沁水盆地煤層氣資源豐富，是我國第一個煤層氣商業(yè)開發(fā)效果較好的區(qū)塊。華北油田在該區(qū)塊完成多口分支水平井，但分支水平井產(chǎn)量一直未達到預(yù)期效果，且施工難度大，卡鉆、斷鉆具事故頻傳，為了探索分支水平井開發(fā)煤層氣的新技術(shù)，在對煤層氣水平的實施工藝和效果進行了深刻剖析后，對其軌跡控制技術(shù)難點和關(guān)鍵技術(shù)的新思路進行討論，并得出幾點認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：煤層氣羽狀分支井;工藝簡介;新思路

隨著能源形勢的日趨嚴(yán)峻，近些年煤層氣的開采利用逐步得到各國的重視。中國煤層氣鉆井技術(shù)起步較晚，長期以來基本沿用國內(nèi)常規(guī)油氣鉆井技術(shù)，到目前為止，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)仍處于產(chǎn)業(yè)化初期階段，開發(fā)利用程度還處于低位。要實現(xiàn)我國煤層氣的大規(guī)模發(fā)展，除了急需對我國煤層氣儲量進行新的勘探外，還需要對特殊地質(zhì)條件的鉆井、完井、排采等關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)，多快好省的進行煤層氣的鉆采開發(fā)。由此激發(fā)了我從職業(yè)角度對煤層氣羽狀分支井軌跡控制新思路的探索。

1、煤層氣多分支水平井施工工藝簡介

煤層氣多分支水平井是集鉆井、完井與增產(chǎn)措施于一體的綜合鉆井技術(shù)。由于需要本文只介紹鉆井及部分完井措。施所謂多分支水平井是指在一個主水平井眼兩側(cè)再側(cè)鉆出多個分支井眼作為泄氣通道，同時在距主水平井井口200 m左右處鉆一口直井與主水平井眼在煤層內(nèi)連通，用于排水降壓采氣之需要，

（1）直井及洞穴技術(shù)

直井一開井段用311.1 mm鉆頭鉆進，鉆穿基巖風(fēng)化帶15 m后，下244.5 mm表層套管，封固地表疏松地層，下表層套管固井，固井水泥返至地面。二開井段用215.9 mm鉆頭鉆進，鉆穿目的煤層底界以下50-60 m完鉆。下人177.8 mm生產(chǎn)套管固井，其中煤層段下玻璃鋼套管，注水泥封固至地面。

為了實現(xiàn)水平井與直井在煤層中成功對接并且建立氣液通道，需要在直井的煤層部位造一洞穴，洞穴的直徑一般為0.5-1.5m，高為2-4m。目前主要有水力造穴方式、機械工具造穴方式和爆破造穴方式。

（2）主水平井技術(shù)

主水平井一般采用三開完井。一開井徑311.1 mm，并下入244.5 mm表層套管，封隔地表含水層和易漏失地層;二開井徑215.9 mm，鉆至煤層頂板，并下入177.8 mm生產(chǎn)套管;三開主水平井眼及分支水平井眼均采用152.4 mm井徑，并裸眼完井。

（3）分支井技術(shù)

通常情況在主水平井與直井連通點后鉆主井眼，根據(jù)井眼結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果及煤層鉆遇面積控制主井眼一般在800-1500m內(nèi)，由主井眼兩側(cè)與主井眼成30°-50°夾角鉆分支井眼，每個分支間隔50-100m，每個主井眼理論上可鉆6-8個分支。也有在連通點后鉆雙主井眼，每個主井眼再鉆分支的情況。

（4）多分支水平井開采煤層氣的主要增產(chǎn)機理：

a擴大解吸范圍，增加供給面積。多分支水平井在煤層中呈網(wǎng)狀分布，溝通更多割理和裂隙，從而增加了煤層氣的供給范圍。

b 降低流動阻力，提高導(dǎo)流能力。受煤層割理形態(tài)和分布的影響，流體在煤層裂隙中運動，會受到非常大的流動阻力，而在水平井內(nèi)流體的流動阻力要小得多。

c減少了對煤層的傷害。采用常規(guī)直井完鉆后要固井，還要進行水力壓裂改造等，這些環(huán)節(jié)都會對煤層造成不同程度的傷害。采用多分支水平井鉆井完井方法，避免了固井和水力壓裂作業(yè)，從而避免了對煤層的傷害。

2、施工難點及解決思路

根據(jù)水平井與直井的海拔及補心高度確定著陸點、水平井與直井在洞穴的連通、在煤層中根據(jù)底層傾角完成主水平井眼、側(cè)鉆水平分支井眼和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)等，是煤層氣多分支水平井技術(shù)性強、施工難度高的主要體現(xiàn)。同時為了保持煤層的井壁穩(wěn)定，煤層段一般采用D152.4 mm的小井眼鉆進，因而也對鉆井工具、測量儀器和設(shè)備性能等方面都提出了新的要求。

（1）煤層存在大量的裂縫和割理，質(zhì)地疏松，水平井眼在煤層內(nèi)導(dǎo)向鉆進時由于徑向力的破壞作用，常使煤層垮塌埋鉆，由于水平段較長，一旦垮塌很難通過上提鉆具和倒劃眼的工藝解卡。由于帶方向伽馬的LWD儀器費用高昂，只有少數(shù)實驗井采用方向伽馬，因此不以判斷水平井眼出層的方向，一旦出層，回層難度大。煤層底矸是煤層質(zhì)地最為疏松的一部分，地址導(dǎo)向方向判斷不夠準(zhǔn)確的情況下進入底矸很容易導(dǎo)致垮塌埋鉆。

根據(jù)這一情況可以考慮將水平位移最大、起主要排采作用的主井眼在煤層頂板的泥巖中鉆進，由于頂板泥巖質(zhì)地緊密、不易垮塌，可以通過優(yōu)化泥漿成分、加大泥漿排量在頂板里行成穩(wěn)定的水平段井眼，一旦進入煤層，煤層頂矸質(zhì)地先對較為致密，也不易垮塌，而且地址導(dǎo)向容易判斷，可以很快調(diào)整軌跡繼續(xù)沿頂板鉆進。這樣雖然煤層鉆遇率降低，但可以通過加大分支數(shù)來彌補，有一個穩(wěn)定的主井眼作為通道，大大降低了埋鉆的風(fēng)險。

（2）由于煤層地層傾角隨著井眼的延伸不斷變化，常規(guī)煤層氣多分支井的主井眼在煤層中的具體位置本就不太穩(wěn)定，側(cè)鉆分支考慮側(cè)鉆的成功率往往采用懸空側(cè)鉆，工具面根據(jù)分支的方位要求控制在150°-160°或者210°-220°范圍內(nèi)，難免要發(fā)生降斜的情況。LWD存在一定長度的盲區(qū)，一旦分支因降斜出層，再加上地層傾角的變化，想重回煤層的難度很大，一旦判斷錯誤，容易導(dǎo)致底矸煤層垮塌埋鉆。

主井眼在煤層頂板的泥巖中鉆進，很好的解決了這一問題。懸空側(cè)鉆至成功側(cè)出分支，降斜可控制在2-3度，正好進入煤層，就算碰到地層傾角變化位置，也可以在安全的地層中重入煤層。

（3）通常直井洞穴造在煤層頂板下1-2米處，保證和在煤層中穿行的主井眼成功連通，但是洞穴在煤層中極易垮塌，經(jīng)常出現(xiàn)直井連通儀器下不到規(guī)定垂深而使連通工藝大打折扣的情況。

可考慮將直井洞穴同樣至于穩(wěn)定的煤層頂板上，解決洞穴垮塌問題。

3、結(jié)論

（1）水平井主井眼緊靠煤層頂板延伸，鉆主井眼時可用鉆井液添加劑優(yōu)化鉆井液，解決井眼穩(wěn)定和井眼重入問題。

（2）不追求主井眼煤層鉆遇率，確保形成穩(wěn)定的排水輸灰通道，加大水平井分支數(shù)量，彌補控制煤層面積不足的缺憾。

（3）將排采直井“洞穴”置于穩(wěn)定的煤層頂板上，與水平井主井眼實現(xiàn)硬穿針，根除排采洞穴垮塌和上下井眼錯位問題。

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