中阜新刘家区分支水平井技术可行性探讨

高新技术　Ｃｈｉｎａ　Ｎｅｗ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｄｕｃ：　ｔｓ　中阜新刘家区分支水平井技术可行性探讨　李嘉川　李银川　（东北煤田地质局一。七勘探队，辽宁阜新１２３０００）　摘要：多分支水平井是指在主水平井眼的两侧不同位置分别侧钻出多个水平分支井眼，也可以在分支上继续钻二级分支，多分支　水平井是煤层气高效开发方式的发展趋势，该技术在阜新刘家区煤层气勘探开发上会带来突破性进展。　关键词：分支水平井；煤层；洞穴井；充气欠平衡；钻井液；井斜角；方位角；垂深　中图分类号：Ｕ２１２．２３　文献标识码：Ａ　合录井仪实时监测到的钻时和泥浆返　表２　多分支水平井集钻井、完井和增产　判断钻头是否穿出煤层。　措施于一体，是开发低压、低渗煤层的　序号　井眼尺寸　井段　套管尺寸　套管下深　水　泥返深　出的岩屑，煤层中的各个分支是在裸眼中侧　主要手段。煤层气多分支水平井工艺集　（ｍｍ）　（ｍ）　（ｍｌｎ）　（ｍ）　（ｍ）　钻完成的，裸眼侧钻是煤层气多分支井　成了煤层造洞穴、两井对接、随钻地质　１　６０Ｏ　５０　４２６　５０　地面　钻井中的难点。由于煤层比较脆，所以　导向、钻水平分支井眼、欠平衡等多项　２　３ｌ１．．２　５０￣ｌｏｏ　２４４．５　１０Ｏ　地面　煤层气多分支井的侧钻不同于油井的　先进的钻井技术，具有技术含量高和钻　３　２１５．９　ｌ００—７６０　ｌ７７．８　７６Ｏ　地面　侧钻，具体的侧钻工艺如下：　井风险大的特点。目前国外用多分支水　４　１５２．４　７６０～１４６０　裸眼完井　裸眼完井　无　３．１起钻至每一个分支的设计侧钻　平井开采煤层气已取得了非常好的效　８个分支　点上部，然后开始上提下放，将钻柱中　益，而我国处于刚刚起步阶段。２００５年　５　１５２．４　裸眼完井　裸眼完井　无　（共１８５４ｍ）　的扭力释放后开始悬空侧钻。　廊坊分院组织施工的武Ｍ１—１羽状水　３－２侧钻时采取连续滑动的方式，　平井顺利完钻，该井垂深达９００ｍ，是世　严格控制ＲＯＰ３０Ｓ参数（３０ｓ的平均机　界最深的一口煤层气羽状水平井。２００５　械钻速），新井眼进尺的１～２ｍ内　年底山西晋城大宁煤矿完成　ＤＮＰ０１、　ＲＯＰ３０Ｓ控制为０．８～１．２ｍ／ｈ，２～３ｍ内控　ＤＮＰ０２两口羽状水平井，每口井的日　制为１．２～２．５ｍ／ｈ，３～１０ｍ内控制为３ｍ／　产气量约为２～３万方。　ｈ，整个侧钻工序预计需要５个小时。　１煤层气多分支水平井钻井技术　３－３侧钻时将工具面角摆到Ｘ。，首　难点分析　先向左，右下方侧钻，形成了一条向下倾　煤层气多分支水平井工艺集成了　斜的曲线，如图２所示。因为钻柱处于　水平井与洞穴井的连通、钻分支井眼、　水平井眼的底部，而不是中心线部位，　充气欠平衡钻井和地质导向技术等，这　ｘｏ的工具面角能够让钻头稳定地和井　是一项技术性强、施工难度高的系统工　眼接触，以防止振动引起煤层的跨塌。　程。同时为了保持煤层的井壁稳定，煤　图ｌ　３．４滑动侧钻至设计方位和井斜后　层段一般采用小井眼钻进（‘ｐ１５２．４ｒａｍ　技术开采煤层气。采用的是一口多分支水平　开始复合钻进，钻进过程中要密切注意摩阻　井眼），因而对钻井工具、测量仪器和设备性　井在煤层内穿越，大幅度的提高了井眼与煤　能等方面都提出了新的要求。煤层气多分支　扭矩的变化。钻完每一个分支后，至少循环一　层的接触率。同时钻一口直井在分支井的水　水平井面临的主要难点可概括为如下几点：　周，然后起钻至下个分支的侧钻点位置。重复　利用直井在分支井内注气，　上述步骤，１．１煤层比较脆，而且存在着互相垂直　平段入口处相交，完成其余分支井眼的作业。　　的天然裂缝，而这种脆性地层中钻进极易引　采用欠平衡的方法采出煤层气。Ｗｅｌｌ　０１／１　分支水平井井身结构表（见表１）：　起井下垮塌、卡钻等复杂事故，甚至井眼报　井身结构表（见表２）：　废。　一Ｉ　Ｉ　３轨迹设计　４　Ｊ　１．２煤层易受污染，储层保护的难度大，　Ｊ　煤层气多分支水平井定向控制的主要参　般需采用充气钻井液、泡沫或清水等作为　１【　Ｊ　数包括：井斜角、方位角、垂深。水平井主井眼　煤层不受污染的钻井液体系。　ｌ　１．３由于煤层埋藏比较浅，同时井眼的　垂直段重点控制井斜，所以常用塔式钻具组　Ｉ　如果井斜较严重，应使用钟摆钻具等纠斜　曲率较大，钻压难以满足要求，同时钻水平分　合，Ｉ　Ｊ　ｆ　钻具组合。主井眼造斜段一般使用“导向马　支井眼时钻柱易发生疲劳破坏，导致井下复　＼　／　／　／｝　ｌ｛　‘　Ｆ≤千＝＜ｒ、　』　达＋ＭＷＤ”的常用定向钻具组合，施工过程中　杂。　　ｌｒ　Ｉ、　　ｒ　＼　ｌ　Ｉ　＼　＼一　使　１．４煤层气多分支水平井工艺属于钻井　要确保工具的造斜率能够达到设计要求，ｌ　１　ｌ　、　新工艺，涉及到许多新式的工具和仪器，例如　井眼轨迹在煤层中顺利着陆。水平主井眼及　用于两井连通的电磁测量装置、小尺寸的地　分支一般采用“单弯螺杆钻具＋ＬｗＤ＋减阻　通过连续滑动　图２　质导向工具和高效减阻短节（ＡＧ—ｉｔａｔｏｒ）等。　器”的地质导向钻具组合钻进，钻进的方式实现增斜、降斜，通过复合钻进的　４水平段钻完井液设计　２井眼剖面设计与轨迹控制技术设计　方式稳斜，既达到了连续钻进的目的，又可随　设计要求　阜新刘家区该井组是利用多分支井钻井　时根据需要调整井眼状态，有　４．１建议使用油基无固相钻井液体系，钻　表１　效地提高了钻井速度和轨迹控　井液要保持较低摩阻系数，水平段井斜角和　序号　井眼尺寸　井段　套管尺寸　套管下深　水　泥返深　制精度。为了很好地将井眼轨　位移都比较大，钻井液密度偏高、粘切较大，　（ｍｍ）　（ｍ）　（ｎｗｆｔ）　（ｍ）　（ｎ１）　迹控制在煤层中，采用地质导　做好防止粘卡、压差卡钻以及井眼净化工作。　向技术进行井眼轨迹实时监测　钻进过程中发现摩阻系数升高或活动钻具拉　ｌ　６ＯＯ　５Ｏ　４２６　５０　地面　与控制。首先利用前期地震的　力异常时，及时加入极压润滑剂，同时增加水　２　３ｌｌ一２　５０￣１ｏｏ　２４４．５　１ｏｏ　地面　资料建立区块的地质模型，然　基润滑剂加量；　３　２１５．９　ｌ０ｏ～７６０　１７７．８　７６０　地面　后利用从ＬＷＤ随钻监测到的　４．２在工程上尽量提高排量的同时，必须　４　ｌ５２．４　７６０－１４６０　裸眼完井　裸眼完井　无　储层伽玛、电阻率参数来修正　合理控制钻井液的粘度、切力和其他流变性　５　１５２８个分支　地质模型并调整井眼轨迹。另　能，动塑比在０．６～０．７之间，使钻井液具有较　４　裸眼完井　裸眼完井　无　（共１８５４ｍ）　外，定向井工程师可以结合综　好的携砂能力。在保证井下安全的前提下钻　一．中国新技术新产品　一５一　高新技术　井液密度尽量走设计下限；　轴向牵｝荷（ｋＮ）　扭矩载荷（Ｎ　ｍ）　侧ｌ句载荷（Ｎｌｍ）　４＿３进入目的层前５０ｍ要调整好钻井液　１ＯＯ　１００　３００　５００　７ＯＯ　Ｏ　２　４　ｅ　８　０　２０１１　枷　６０Ｏ　８∞　性能。　　ｌ４．４做好完井准备　作，完钻前５０ｍ调整　　ｌ套诗摩壕系数＝－棵目酿摩鏖莱墩＝＋：　　好钻井液各项性能．完钻后大排量充分洗井，　下钻　确保电测一次到底。　井　井　井　深　深　深　＝＝｛　５施工步骤　１３１　ｒｏ　ｒｏ　　ｆ５．１多分支井一开钻进至５０ｍ，下套管固　ｌ　ｊ、　＼｛　井。　　ｌ５．２多分支井二开钻进至１００，下套管同　井。　５＿３多分支井三开造斜钻进至７６０ｍ，井　斜达到９０。使用ＭＷＤ随钻测量技术，进入到　煤层的入口点，下套管固井。　５．４直井一开钻进至２００ｍ，下套管固井。　　ｌｌ　ｌ　５．５直井二开钻进至６００ｍ，下套管固井。　第１套钻柱轴向载荷分布囤　第１套钻柱扭矩载荷分布图　第１套钻柱侧向载葡分布图　５．６直井三开钻井至６８０ｍ。　图３　图４　图５　５．７在６００ｍ～６８０ｍ井段扩孔钻进，井径　达到２２０ｒａｍ。　的扩孔段，放空后继续钻进，钻至　第１套钻具组合下钻过程井口载荷仿真计算分布图　４００　５．７．１下扩孔钻头至６００ｍ，开泵正常后方　１４６０ｍ，水平段长达７００ｍ，使用ＭＷＤ　ｆ。　可进入下一步操作；　随钻测量技术，全程地质跟踪确保煤　３５Ｏ　５．７Ｉ２开泵定点旋转１５分钟后，向下扩孑Ｌ　层的钻遇率。　。　，　０．５ｍ：　５．９根据地质提供的煤层边界的　轴２５０　５．７．３停转盘检查扩孑Ｌ情况；　数据，选择合适的螺杆在水平段进行　向　载２００　ｆ　５．７．４如果加压遇阻表明扩孔成功，可继　鱼翅分支的悬空侧钻，共８个分支，　荷Ｉ６Ｄ　／　续扩孔；如果找不到台阶，上提至６００ｍ继续　每个分支在水平位移上间隔５０ｍ，所　ｋ　Ｎ　１００　／　造台阶直至成功；　有鱼翅分支井段都采用ＭＷＤ随钻　／　５０　／　壁管Ｊ　盎蓉　ｊ三一一　５．７．５扩孑Ｌ钻压不大于】Ｏ－２０ｋＮ，转速　测量技术。　／　操眼Ｊ摩　攘系数＝２　５０～６０转／分；　６钻具组合　５．７．６当扩孔速度较快时，应控制扩孑Ｌ速　直井（见表３）　度在０．５米，分；　鱼翅分支井（见表４）　图６　５．７．７扩完一单根后，划眼一次；　水平段摩阻与扭拒预测分析　５．７．８扩至设计井深后应充分循环，直至　水平段的钻具组合：１５２．４ｍｍＰＤＣ钻头＋　单井产量高，成本回收快，具有直井不能替代　井底干净。　１２０ｒａｍ１。（或１．２５。）单弯螺杆＋ＭＷＤ定位接　的优势和潜力，适合于阜新刘家区煤层气的　５．８多分支井水平段钻进，确保钻遇直井　头＋Ｉ２０ｒａｍ无磁钻铤＋８８．９ｔｕｒｎ加重钻杆　开发，目前国内各涉足煤层气的企业都在积　表３　９００ｍ＋１５９ｍｍ钻铤３００ｍ＋　极筹划着多分支水平井开发煤层气的技术方　８８．９ｒａｍ钻杆２２０ｍ（１８。斜　案等。随着煤层气工业的发展和能源需求的　序号　钻进井段　钻具名称　钻　具　组　合　坡）（待讨论）采用摩阻与扭　日益增长，多分支水平井技术必将成为开发　（ｍ）　矩预测软件对该钻具组合　煤层气的主要技术手段之一。　３１１　ｌｍ￣３Ａ＋托盘接头＋１９７ｕ无磁钻铤ｌ根　在下钻过程中的分析如图　参考文献　１　０～１　００　表层钻具　＋２０３　２１ｍ钻铤１根＋３１ｌｍｍ稳定器＋２０３．２ｍｍ钻铤１根　３－６：　ｆｌ１姜振强．多分支水平井产能评价与参数优　＋３１ｌ咖稳定器＋１７８衄钻铤９根＋１２７ｍｍ钻杆（１８。斜坡）　８施工难点　化研究【Ｄ】．ｑ－国地质大学（北京），中国地质大　２１５皿钻头＋托盘接头＋１５９ｍｋ无磁钻铤ｌ根　２　１００～６００　二开钻具　＋１５９ⅢⅢ钻铤１根＋３１１ｍｍ稳定器＋１　５９曲钻铤　８．１水平段钻井时的　学（北京），２００９—０５—０１．　＋３１１ＩＩＩＩＩ１稳定器＋１５９ｍｍ钻铤＋１２７ａｒｍ钻杆（１８。斜坡）　高扭矩和大摩阻。　作者简介：李嘉川（１９６８．２），男，高级工程　１５２　４Ｈ３Ａ＋１２０ｍＭ１。（或１．２５。）单弯螺杆＋　８．２水平段钻井时的　师　３　６００～６８０　三开钻具　Ｍ盯定位接头＋１２０ｍｍ无磁钻铤＋１２　７ｍｍ］Ｊｌ重钻杆＋　防塌、防卡。　１５９Ｒ钻铤＋１２７ｍｍ钻杆（１８　斜坡）　８．３两口井交点处的　位置的确定。　４　６００～６８０　扩孔钻具　２２０ｕ扩孔刀＋托盘接头＋１２０ｍｍ无磁钻铤１根　＋１２７￣Ｊ／［Ｉ重钻杆＋＋１２　７Ⅲｍ钻杆（１８。斜坡）　８＿４鱼翅分支钻进时　注：钻具组合设计供参考，施工时根据井下具体情况适当调整。　定向工具面的确定。　９煤层气多分支井应　袁４　用实例：　序号　钻进井段（ｍ）　钻具名称　钻　具　组　合　２００５年７月３１日中　国石油集团首次在山西宁　１　０～３　表层钻具　６００ｍｍ￣头＋２０３ｍ钻铤２根　＋１２７ｍｍ￣杆（擒。斜坡）　武盆地开钻了一口煤层气　多分支水平井，摸索多分支　２　５０　１００　二开钻具　２０３中３１１　１ｒａｍ钻头＋２０３ａｒｍ钻铤２根＋３１ｌｒａｒｏ稳定器＋　ｍ钻铤ｌ根＋＋１２７ｍ钻杆（擒。斜坡）　水平井开采煤层气的可行　２１５ｍｒａ钻头＋１６５ｍｍｌ　７５。（或１．５。）单弯螺杆＋　性。作为目前世界煤层埋藏　３　１００～７６０　导向钻具　删Ｄ定位接头＋１　５９ｍ无磁钻铤１根＋１５９０ｍｍ钻铤２根　最深的煤层气多分支水平　＋１２７ｒａｍ￣ｌ重钻杆＋１２７ｍ钻杆（１８。斜坡）　井，武Ｍ１一ｔ井采用了煤层　１５２．，ｔｒ￣ｅａ钻头＋１２０ｒｒ￣ｌ。（或１．２５　）单弯螺杆　造洞穴技术、两井对接、随　４　７６Ｏ～１４６０　导向钻具　＋ＭｗＤ定位接头＋１２０ｍ无磁钻铤＋８８　９ｍ加重钻杆　钻地质导向、水平多分支、　＋１５９ｍｍ钻铤＋８８．９ｍ钴杆（１８。斜坡）（待讨论）　充气欠平衡等多项世界先　５　鱼翅分支　１５２　４ｍ玎＿钻头＋１２Ｏｍ１。（或１．２５。）单弯螺杆　进钻井技术。　８分支　导向钻具　＋ＭＷＤ定位接头＋１２０ｍｍ无磁钻铤＋８８　９ｍ加重钻杆　１Ｏ认识与下一步计划　约１８５４ｍ　＋１５９ｍｍ￣铤＋８８．　杆（１８。斜坡）（待讨论）　煤层气多分支水平井　一６一　中国新技术新产品