沁水盆地晋城斜坡煤层定向施工新思路

宋晓健 张楠 张鹏宇 张昊

摘要：沁水盆地煤層气资源丰富，是我国第一个煤层气商业开发效果较好的区块。华北油田在该区块完成多口分支水平井，但分支水平井产量一直未达到预期效果，且施工难度大，卡钻、断钻具事故频传，为了探索分支水平井开发煤层气的新技术，在对煤层气水平的实施工艺和效果进行了深刻剖析后，对其轨迹控制技术难点和关键技术的新思路进行讨论，并得出几点认识。

关键词：煤层气羽状分支井;工艺简介;新思路

随着能源形势的日趋严峻，近些年煤层气的开采利用逐步得到各国的重视。中国煤层气钻井技术起步较晚，长期以来基本沿用国内常规油气钻井技术，到目前为止，我国煤层气产业仍处于产业化初期阶段，开发利用程度还处于低位。要实现我国煤层气的大规模发展，除了急需对我国煤层气储量进行新的勘探外，还需要对特殊地质条件的钻井、完井、排采等关键技术进行攻关，多快好省的进行煤层气的钻采开发。由此激发了我从职业角度对煤层气羽状分支井轨迹控制新思路的探索。

1、煤层气多分支水平井施工工艺简介

煤层气多分支水平井是集钻井、完井与增产措施于一体的综合钻井技术。由于需要本文只介绍钻井及部分完井措。施所谓多分支水平井是指在一个主水平井眼两侧再侧钻出多个分支井眼作为泄气通道，同时在距主水平井井口200 m左右处钻一口直井与主水平井眼在煤层内连通，用于排水降压采气之需要，

（1）直井及洞穴技术

直井一开井段用311.1 mm钻头钻进，钻穿基岩风化带15 m后，下244.5 mm表层套管，封固地表疏松地层，下表层套管固井，固井水泥返至地面。二开井段用215.9 mm钻头钻进，钻穿目的煤层底界以下50-60 m完钻。下人177.8 mm生产套管固井，其中煤层段下玻璃钢套管，注水泥封固至地面。

为了实现水平井与直井在煤层中成功对接并且建立气液通道，需要在直井的煤层部位造一洞穴，洞穴的直径一般为0.5-1.5m，高为2-4m。目前主要有水力造穴方式、机械工具造穴方式和爆破造穴方式。

（2）主水平井技术

主水平井一般采用三开完井。一开井径311.1 mm，并下入244.5 mm表层套管，封隔地表含水层和易漏失地层;二开井径215.9 mm，钻至煤层顶板，并下入177.8 mm生产套管;三开主水平井眼及分支水平井眼均采用152.4 mm井径，并裸眼完井。

（3）分支井技术

通常情况在主水平井与直井连通点后钻主井眼，根据井眼结构优化结果及煤层钻遇面积控制主井眼一般在800-1500m内，由主井眼两侧与主井眼成30°-50°夹角钻分支井眼，每个分支间隔50-100m，每个主井眼理论上可钻6-8个分支。也有在连通点后钻双主井眼，每个主井眼再钻分支的情况。

（4）多分支水平井开采煤层气的主要增产机理：

a扩大解吸范围，增加供给面积。多分支水平井在煤层中呈网状分布，沟通更多割理和裂隙，从而增加了煤层气的供给范围。

b 降低流动阻力，提高导流能力。受煤层割理形态和分布的影响，流体在煤层裂隙中运动，会受到非常大的流动阻力，而在水平井内流体的流动阻力要小得多。

c减少了对煤层的伤害。采用常规直井完钻后要固井，还要进行水力压裂改造等，这些环节都会对煤层造成不同程度的伤害。采用多分支水平井钻井完井方法，避免了固井和水力压裂作业，从而避免了对煤层的伤害。

2、施工难点及解决思路

根据水平井与直井的海拔及补心高度确定着陆点、水平井与直井在洞穴的连通、在煤层中根据底层倾角完成主水平井眼、侧钻水平分支井眼和地质导向钻井技术等，是煤层气多分支水平井技术性强、施工难度高的主要体现。同时为了保持煤层的井壁稳定，煤层段一般采用D152.4 mm的小井眼钻进，因而也对钻井工具、测量仪器和设备性能等方面都提出了新的要求。

（1）煤层存在大量的裂缝和割理，质地疏松，水平井眼在煤层内导向钻进时由于径向力的破坏作用，常使煤层垮塌埋钻，由于水平段较长，一旦垮塌很难通过上提钻具和倒划眼的工艺解卡。由于带方向伽马的LWD仪器费用高昂，只有少数实验井采用方向伽马，因此不以判断水平井眼出层的方向，一旦出层，回层难度大。煤层底矸是煤层质地最为疏松的一部分，地址导向方向判断不够准确的情况下进入底矸很容易导致垮塌埋钻。

根据这一情况可以考虑将水平位移最大、起主要排采作用的主井眼在煤层顶板的泥岩中钻进，由于顶板泥岩质地紧密、不易垮塌，可以通过优化泥浆成分、加大泥浆排量在顶板里行成稳定的水平段井眼，一旦进入煤层，煤层顶矸质地先对较为致密，也不易垮塌，而且地址导向容易判断，可以很快调整轨迹继续沿顶板钻进。这样虽然煤层钻遇率降低，但可以通过加大分支数来弥补，有一个稳定的主井眼作为通道，大大降低了埋钻的风险。

（2）由于煤层地层倾角随着井眼的延伸不断变化，常规煤层气多分支井的主井眼在煤层中的具体位置本就不太稳定，侧钻分支考虑侧钻的成功率往往采用悬空侧钻，工具面根据分支的方位要求控制在150°-160°或者210°-220°范围内，难免要发生降斜的情况。LWD存在一定长度的盲区，一旦分支因降斜出层，再加上地层倾角的变化，想重回煤层的难度很大，一旦判断错误，容易导致底矸煤层垮塌埋钻。

主井眼在煤层顶板的泥岩中钻进，很好的解决了这一问题。悬空侧钻至成功侧出分支，降斜可控制在2-3度，正好进入煤层，就算碰到地层倾角变化位置，也可以在安全的地层中重入煤层。

（3）通常直井洞穴造在煤层顶板下1-2米处，保证和在煤层中穿行的主井眼成功连通，但是洞穴在煤层中极易垮塌，经常出现直井连通仪器下不到规定垂深而使连通工艺大打折扣的情况。

可考虑将直井洞穴同样至于稳定的煤层顶板上，解决洞穴垮塌问题。

3、结论

（1）水平井主井眼紧靠煤层顶板延伸，钻主井眼时可用钻井液添加剂优化钻井液，解决井眼稳定和井眼重入问题。

（2）不追求主井眼煤层钻遇率，确保形成稳定的排水输灰通道，加大水平井分支数量，弥补控制煤层面积不足的缺憾。

（3）将排采直井“洞穴”置于稳定的煤层顶板上，与水平井主井眼实现硬穿针，根除排采洞穴垮塌和上下井眼错位问题。

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