煤層氣多分支水平井分支井眼重入篩管完井技術(shù)

譚天宇， 李 浩， 李宗源， 蔣海濤， 何景朝

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，河北任丘 062550；2. 中國(guó)石油華北油田分公司煤層氣事業(yè)部，河北任丘 062550）

國(guó)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層（即煤層）分為低煤階和高煤階2類(lèi)。高煤階煤層具有“三低”（低壓、低滲透、低飽和度）特點(diǎn)，煤層不穩(wěn)定。高階煤層氣主要采用多分支水平井開(kāi)發(fā)[1–5]，但由于煤層機(jī)械強(qiáng)度低，排采過(guò)程中主井眼及分支井眼周?chē)拿簩与S著儲(chǔ)層壓力降低，易發(fā)生破碎、坍塌，導(dǎo)致部分多分支水平井產(chǎn)氣效果差，有的產(chǎn)氣量一直很低，有的前期產(chǎn)氣量高，但后期遞減嚴(yán)重且無(wú)法恢復(fù)。目前，采用將多分支水平井主井眼設(shè)置在頂板泥巖中或在主井眼下入鋼制篩管（套管）的措施，實(shí)現(xiàn)了主井眼采氣通道長(zhǎng)期有效；但由于分支井眼間存在夾壁墻，重入困難，分支井眼還不能下入篩管，實(shí)現(xiàn)篩管完井，目前聚乙烯（PE）篩管完井方式只應(yīng)用于煤層氣U形井[6–8]。為使多分支水平井分支井眼長(zhǎng)期有效，延長(zhǎng)單井生產(chǎn)壽命，筆者研制了篩管完井重入引導(dǎo)工具，并在沁水盆地沁試12平1井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了主井眼和分支井眼的重入。

1 多分支水平井分支井眼重入篩管完井技術(shù)難點(diǎn)

1）主井眼、分支井眼重入困難。煤層氣多分支水平井鉆井過(guò)程中分支井眼在主井眼上側(cè)鉆，完鉆后存在多個(gè)夾壁墻（見(jiàn)圖1），夾壁墻容易垮塌，造成主井眼、分支井眼重入困難。

圖 1 多分支水平井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The casing program of multi-lateral horizontal wells

2）主井眼、分支井眼采用相同尺寸鉆頭鉆進(jìn)完成后，后續(xù)主井眼、分支井眼重入困難；相鄰分支井眼側(cè)鉆點(diǎn)較近，易形成大肚子井眼，造成主井眼、分支井眼重入困難；近端分支井眼完成后，鉆進(jìn)主井眼和分支井眼產(chǎn)生的巖屑和固壁劑會(huì)堵塞已完成的分支井眼，造成分支井眼重入困難。

3）主井眼和分支井眼的完井管柱下入困難。目前，煤層氣U形井的PE篩管完井工藝為：首先將光鉆桿下至井底，將PE篩管從鉆桿水眼下到煤層水平段；然后起出鉆桿，將PE篩管留于井內(nèi)，支撐煤層井壁。多分支水平井必須利用專(zhuān)用工具引導(dǎo)PE篩管重入主井眼和分支井眼，而鉆具水眼通道被定向儀器占用，PE篩管無(wú)法從鉆具水眼內(nèi)下入。

2 多分支水平井分支井眼重入技術(shù)

2.1 篩管完井重入引導(dǎo)工具

在傳統(tǒng)下篩管作業(yè)的基礎(chǔ)上，研制了鉆具重入引導(dǎo)工具。用空心導(dǎo)引鞋替代鉆具組合中的鉆頭，用彎接頭替代螺桿鉆具，用空心引導(dǎo)工具替代MWD，形成了篩管完井重入引導(dǎo)工具，如圖2所示。

圖 2 篩管重入完井引導(dǎo)工具結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of screen re-entry completion guide tools

篩管重入完井引導(dǎo)工具的工作原理為：空心導(dǎo)引鞋、彎接頭和空心引導(dǎo)工具的尺寸分別與鉆進(jìn)鉆具組合中的鉆頭、螺桿、MWD相同，利用空心引導(dǎo)工具測(cè)量井斜角、方位角和井深，并與實(shí)鉆時(shí)的井深、井斜角和方位角進(jìn)行比對(duì)，判斷空心導(dǎo)引鞋位置，引導(dǎo)鉆具重入分支井眼，通過(guò)對(duì)比空心引導(dǎo)工具測(cè)量的井眼軌跡數(shù)據(jù)和實(shí)鉆井眼軌跡數(shù)據(jù)確定重入成功后，下入篩管。該工具的特點(diǎn)是:

1）能準(zhǔn)確引導(dǎo)鉆具重入。該工具能準(zhǔn)確測(cè)得鉆具頂部的方位角、井斜角，將其與鉆進(jìn)時(shí)的方位角和井斜角進(jìn)行對(duì)比，可判斷鉆具是否重入成功。

2）由于篩管要從鉆具水眼中進(jìn)入煤層，而傳統(tǒng)的MWD占據(jù)了水眼，篩管無(wú)法通過(guò)。因此，引導(dǎo)工具采用空心結(jié)構(gòu)，MWD的傳感器安裝在引導(dǎo)工具內(nèi)壁上，使其水眼直徑大于55 mm，便于φ50.8 mm篩管通過(guò)。

3）該工具沒(méi)有鉆井液和電纜通道，采用電磁波傳輸測(cè)量信號(hào)。

4）為能與鉆進(jìn)時(shí)的井斜角和方位角進(jìn)行對(duì)比，空心引導(dǎo)工具下方接彎接頭和導(dǎo)引鞋的長(zhǎng)度與螺桿鉆具和鉆頭的長(zhǎng)度相同，下部鉆具組合與鉆進(jìn)時(shí)相同；為便于篩管通過(guò)彎接頭和導(dǎo)引鞋，彎接頭和導(dǎo)引鞋均采用了空心結(jié)構(gòu)（分別如圖3、圖4所示）。

圖 3 導(dǎo)引鞋F(xiàn)ig.3 Guide shoes

圖 4 彎接頭Fig.4 Elbow connection

2.2 分支重入及篩管完井技術(shù)

空心導(dǎo)引鞋、彎接頭和空心引導(dǎo)工具與實(shí)鉆時(shí)的鉆頭、螺桿、MWD尺寸相同，將引導(dǎo)工具測(cè)得的井深、井斜角和方位角與實(shí)鉆時(shí)的井深、井斜角、方位角進(jìn)行比對(duì)，判斷空心導(dǎo)引鞋的位置，引導(dǎo)鉆具重入分支井眼，對(duì)比引導(dǎo)工具測(cè)量的井眼軌跡數(shù)據(jù)和鉆進(jìn)井眼軌跡數(shù)據(jù)，確定重入成功后，下入PE篩管。

2.3 分支重入及篩管完井方式優(yōu)選

1）漸進(jìn)式PE篩管完井。鉆完一個(gè)分支井眼，下入PE篩管完井，鉆井與完井交替進(jìn)行。該方式存在以下問(wèn)題：因先完成最近端的分支井眼，鉆進(jìn)后面主井眼及分支井眼時(shí)巖屑會(huì)堵塞近端的分支井眼，無(wú)法解決分支井眼的堵塞問(wèn)題；需多次起下鉆，交替完成鉆進(jìn)與下篩管作業(yè)；多次起下鉆進(jìn)行鉆具重入及摸索鉆具的下入位置，影響整體時(shí)效。

2）整體篩管完井。先鉆完主井眼，從主井眼遠(yuǎn)端鉆分支井眼，每鉆完一個(gè)分支井眼及其上的脈支井眼起鉆并更換鉆具組合，重入分支井眼進(jìn)行篩管完井。其優(yōu)點(diǎn)是分支井眼重入容易；缺點(diǎn)是需多次起下鉆，影響整體時(shí)效。

3）集體重入完井。鉆完所有分支井眼、脈支井眼后，起鉆更換鉆具組合，分別重入各個(gè)分支井眼，進(jìn)行篩管完井。其優(yōu)點(diǎn)是鉆井完成后，只需一次起下鉆，節(jié)約時(shí)效。其缺點(diǎn)是分支井眼間存在夾壁墻，重入困難。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況和生產(chǎn)需求，為了提高生產(chǎn)時(shí)效，避免主井眼因受鉆井液長(zhǎng)期浸泡造成垮塌，選擇集體重入完井方式。集體重入完井步驟（見(jiàn)圖5）為：

1）將引導(dǎo)鉆具組合下入到主井眼，重入引導(dǎo)工具測(cè)量井深、井斜角和方位角，并與井眼軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，判斷趾端L1分支井眼與主井眼的交點(diǎn)（A點(diǎn)），準(zhǔn)備進(jìn)行重入（見(jiàn)圖5（a））。

圖 5 集體重入篩管完井示意Fig.5 Schematic of a collective re-entry screen completion

2）將引導(dǎo)鉆具組合往前推送，實(shí)時(shí)測(cè)量井斜角和方位角，并與井眼軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確定重入成功后下至B點(diǎn)（見(jiàn)圖5（b））。

3）從引導(dǎo)鉆具組合的水眼中下入φ50.8 mm PE篩管（見(jiàn)圖5（c））。

4）錨定φ50.8 mm PE篩管，上提引導(dǎo)鉆具組合，按上述步驟進(jìn)行L2分支井眼篩管下入工作（見(jiàn)圖5（d）），依次完成所有分支井眼下入篩管施工。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

沁試12平1井是山西沁水盆地部署的一口仿樹(shù)形多分支水平井，鉆探目的層為山西組3#煤層，主要鉆探目的是探索多分支水平井在該區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)中的適應(yīng)性，同時(shí)利用多分支水平井提高該區(qū)的單井產(chǎn)氣能力。該井設(shè)計(jì)完成主井眼、15個(gè)分支井眼和40個(gè)脈支井眼，設(shè)計(jì)總進(jìn)尺13 304.38 m（見(jiàn)圖6）。該井在M主井眼和L3分支井眼應(yīng)用分支井重入引導(dǎo)工具進(jìn)行了井眼重入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并在L3分支井眼進(jìn)行了重入篩管完井試驗(yàn)（見(jiàn)圖6）。

圖 6 沁試12平1井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Casing program for the Well Qinshi 12-1

該井鉆至井深1 273.00 m時(shí)與沁試12平1-V1井連通，鉆至井深1 902.50 m時(shí)與沁試12平1-V2井連通，鉆至井深2 182.00 m完鉆，主井眼水平段總進(jìn)尺991.00 m，煤層進(jìn)尺216.00 m。

3.1 M主井眼重入

重入引導(dǎo)工具出套管后，將重入引導(dǎo)工具測(cè)得的井眼軌跡數(shù)據(jù)與鉆進(jìn)時(shí)MWD測(cè)得的井眼軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見(jiàn)圖7。重入引導(dǎo)鉆具組合為：空心導(dǎo)引鞋+φ121.0 mm彎接頭+轉(zhuǎn)換短節(jié)+φ135.0 mm空心引導(dǎo)工具+轉(zhuǎn)換短節(jié)+φ88.9 mm無(wú)磁鉆桿+φ88.9 mm鉆桿。

從圖7可以看出，重入引導(dǎo)工具測(cè)得的井眼軌跡數(shù)據(jù)與鉆進(jìn)時(shí)MWD測(cè)得的井眼軌跡數(shù)據(jù)基本相同，證明鉆具重入主井眼成功。

圖 7 M主井眼重入引導(dǎo)工具測(cè)量井眼軌跡與MWD測(cè)量井眼軌跡的對(duì)比Fig. 7 Comparison on the re-entry tool measurement borehole trajectory and MWD borehole trajectory of M main hole

3.2 L3分支井眼重入及篩管完井

L3分支井眼總進(jìn)尺262.00 m，1 935.00～2 182.00 m井段處于煤層中。

重入引導(dǎo)鉆具組合下至井深1 920.00 m處，重入L3分支井眼，每隔5.00～10.00 m測(cè)量一組井斜角和方位角，與鉆進(jìn)時(shí)MWD測(cè)得的井眼軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以判斷重入工具的位置。表1為該分支井眼處于煤層井段重入引導(dǎo)工具測(cè)得的井眼軌跡數(shù)據(jù)與MWD測(cè)得井眼軌跡數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。

表 1 L3分支井眼重入井眼軌跡數(shù)據(jù)與鉆進(jìn)井眼軌跡數(shù)據(jù)的對(duì)比Table 1 Comparison on the re-entry borehole trajectory data and drilled borehole trajectory data of L3 branch borehole

從表1可以看出，重入引導(dǎo)工具測(cè)得的井眼軌跡數(shù)據(jù)與MWD測(cè)得的井眼軌跡數(shù)據(jù)重合，表明重入成功。

下鉆至井深2 179.00 m循環(huán)完畢后，助推器連接到井口的鉆桿上。將帶矛頭的PE篩管送入助推器內(nèi)，用助推器將PE篩管送入鉆桿內(nèi)之后，接上頂驅(qū)，先上下活動(dòng)鉆具組合，正常之后，再將鉆具組合放回原處，以5.0 L/s排量頂通鉆具水眼，2 min后將排量調(diào)至正常鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)的排量（15.0 L/s），此時(shí)泵壓為6.0 MPa，泵送篩管15 min后，泵壓升至8.5 MPa，說(shuō)明此時(shí)PE篩管矛頭剛出鉆桿，進(jìn)入地層；起鉆至井深1 919.00 m（預(yù)計(jì)PE篩管下入到1 931.00～2 180.00 m井段）時(shí)，相當(dāng)于鉆具組合下部距離PE篩管頂部約12.00 m，開(kāi)泵后循環(huán)泵壓為5.8 MPa。說(shuō)明PE篩管已經(jīng)完全出鉆桿，進(jìn)入L3分支井眼。

4 結(jié)論與建議

1）研制了多分支水平井篩管完井重入引導(dǎo)工具，優(yōu)選了多分支水平井篩管完井方式，給出了重入篩管完井施工步驟。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，重入引導(dǎo)工具能引導(dǎo)鉆具重入主井眼和分支井眼，保證分支井眼順利實(shí)施篩管完井，為煤層氣后期排采提供穩(wěn)定的通道。

3）多分支水平井重入篩管完井技術(shù)目前僅在1口多分支水平井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，需進(jìn)一步增加現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以不斷優(yōu)化完善該技術(shù)，提高煤層氣分支水平井的完井效果。