柳林烟煤储层多分支水平井钻完井技术

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郭本广 孟尚志 莫日和 赵军

基金项目:国家科技重大专项项目62(2009ZX050662)资助。

作者简介:郭本广,1962年生,中联煤层气有限责任公司副总经理,国家科技重大专项项目62“鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发示范工程”副项目长。

(中联煤层气有限责任公司 北京 100011)

摘要:多分支水平井是煤层气高效开发的重要钻完井技术,但面临着井壁稳定、储层保护、水动力条件等复杂的工程和地质难题。为保障柳林烟煤储层多分支水平井的安全和高产,开展了地应力与水平井井壁稳定性、储层伤害机理与保护措施、煤层厚度与强度、煤层含水特性、井眼轨迹优化设计等研究,并就水平井与洞穴连接、地质导向控制井眼轨迹、清水循环介质保护储层等实施工艺进行了分析论述。两口多分支水平井钻井中井壁稳定、储层得到有效保护,储层钻遇率96%,排采的产气量达到一万方,初步取得了良好的示范效果,推广应用的前景广阔。

关键词:煤层气 多分支水平井 井壁稳定 储层保护

Drilling and Completion Techniques of Coalbed Mathane Multi-lateral Horizontal Well in Liulin

GUO Benguang MENG Shangzhi MO Rihe ZHAO Jun

(China United Coalbed Mathane Corpation, Ltd.Beijing 100011, China)

Abstract: Multi-lateral horizontal well is the main type of drilling and completion in the exploration of coal- bed methane reservoirs.But this technique is fronted with complex engineering and geological problems such as borehole stability, reservoir protection and water in the coalbed.To the aim of safe and high production of multilat- eral horizontal well in exploring coalbed methane in Liulin, the insitu-stress and horizontal well stability, the inju- ry and protection of reservoir, the thickness and strength of coalbed, and water in the coalbed are studied in this paper.Also, the junction of horizontal well and vertical well, well trajectory control using geology-steering tech- nique. and water as drilling liquid to protect reservoir are discussed.The two multilateral horizontal wells were drilled in Liulin successfully, with the borehole keeping stable, the reservoir protected, the 96 percent length in coalbed, and with the gas production 10000 m3/d.In the end, multi-lateral well technique is the good choice in Liulin CBM exploration.

Keywords: coalbed methane, multi-lateral horizontal well, borehole stability, reservoir protection

1 引言

煤层气多分支水平井技术具有单井产气量高、采收率高、生产周期短、井场占地面积少的优点,集钻井、完井和增产措施于一体,是开发煤层气的主要技术。美国CDXGAS公司于1999年开发出了新型羽状定向水平井系统,在美国低渗煤层气田取得了非常好的效益。从2008年到2010年,在樊庄-胡底区块、柿庄南区块和潘庄等区块均将多分支水平井作为开发的主要手段进行部署[1]。我国煤层气多分支水平井钻井中面临着井壁稳定、储层保护等难题,部分井煤层钻进中井壁垮塌严重,据统计,发生垮塌的井数占已钻水平井总数的32.65%[2]。

煤层气藏的保存程度取决于顶底板的封盖能力、构造活动、水动力环境等条件,煤层中承压水有助于阻止煤层甲烷的逸散,增加煤层吸附甲烷的能力。煤层水的不可压缩性还可对煤层割理、孔隙起到支撑作用,使得煤岩储层能保持较高的渗透率。因此,在多分支水平井实施中需要研究煤层的含水特性,工程与地质更多地结合是实现多分支水平井产能的保障[3,4]。

柳林示范区内3+4号煤层渗透率为0.01~2.8mD,平均0.6mD;5号煤层渗透率变化范围为0.06~1.59mD,平均0.7mD;8+9号煤层渗透率变化范围0.005~24.8mD,平均4.8mD;适宜采用多分支水平井技术进行高效开发。

针对多分支水平井面临的井壁稳定性、储层保护、煤层含水特性、井眼轨迹优化设计和控制等问题,系统地研究柳林烟煤储层采用多分支水平井的可行性,并简介了实施过程中煤层造洞穴、水平段与直井穿针、井眼轨迹控制和提高煤层钻遇率的工艺技术,多分支水平井的排采效果良好,初步形成了高效开发柳林煤层气的示范技术。

2 柳林多分支水平井钻完井技术研究

2.1 储层伤害机理与保护措施

柳林烟煤储层的比表面积平均为1.80m2/g,总孔容平均为0.00255mL/g,平均孔直径8.205nm,见图1,试验结果表明柳林烟煤储层孔喉特征类似于“墨水瓶”,具有“口小肚大”的特点,因此一旦储层受到伤害,就很难以恢复。

进一步对储层岩心进行速敏、水敏、碱敏、酸敏、水锁试验,结果见表1,试验结果表明柳林煤样的储层伤害平均权重比为:水锁9.355:吸附2.385:固相堵塞1.48:水敏1,由此可见,柳林煤样伤害最严重的是水锁,其次是吸附伤害和固相堵塞伤害,最后是水敏伤害。

根据伤害机理试验结果,制定了水平井储层保护技术措施,即采用清水+充气的欠平衡钻井方式有利于保护储层。

2.2 煤层水平井的井壁稳定性

(1)待钻多分是水平井煤层分布情况

采用CLH-03V井的组合测井资料可以分析3+4号煤层的分布特点,结果见图2,煤层单层厚度超过4米,3+4号煤层厚度合计将近10米,隔层厚度3.5米。这样的煤层厚度可以保障有较丰富的煤层气含量,并有利于煤层段轨迹控制。

(2)煤层强度分析

图1 柳林烟煤储层孔隙特征

表1 烟煤储层伤害权重试验结果

图2 3+4号煤层的厚度分析

对柳林烟煤岩心做三轴应力试验测定,结果见表2-表4,测定的单轴抗压强度在6MPa左右,弹性模量在1300MPa左右,泊松比在0.32左右,单轴抗拉强度在0.5MPa左右。

煤层强度有很强的离散性,而且不同井区的煤岩强度差别很大,需要结合待钻井的测井资料来进一步研究该井区煤层的强度特点。依据室内试验测定结果校正了强度和弹性解释的模型,利用CLH-3V井的组合测井资料建立了该井区的地层强度参数和弹性参数的纵向剖面,见图3。该井区的3+4号煤组的单轴抗压强度在9MPa以上,煤层的强度较高,有利于井壁稳定。

表2 柳林3+4号煤层岩心单轴抗压强度测定

表3 柳林3+4号煤层岩心三轴抗压强度测定

表4 柳林3+4号煤层岩心抗拉强度测定

(3)地应力特征与水平井轨迹

柳林地区的水平最大主应力方位基本沿着东西方向,地应力大小的梯度剖面见图4,该地区三个主应力的大小关系:水平最大主应力>=上覆应力>水平最小主应力。

依据地应力方位和大小、煤层的强度数据,做水平井井壁稳定性分析,结果见图5,水平段钻井的坍塌压力与井眼轨迹方位和井斜角有关,总体看煤层水平段的坍塌压力低于0.9,适宜采用清水充气的欠平衡钻井方式。

2.3 煤层及顶底板的含水特性研究

煤层气能否高产与其顶底板的封盖能力以及煤层内含水关系很密切,煤层中含有承压水有助于圈闭煤层气、增加煤层的吸附能力,但井眼若沟通大的产水层不利于排采降压。

利用声波、密度、中子、深浅双侧向电阻率测井,研究3+4号煤层的顶底板与含水特性,分析结果见图6。3+4号煤层的上下都有泥岩隔层,可以阻止煤层气的垂向逸散。3号煤层内含水,直井日出水量在2~4m3,便于通过排水建立解析需要的压差。从顶底板岩性和含水特性看这是一种较为合理的地质情况,有利于煤层气获得高产。

2.4 井眼轨迹设计

CLH03和CLH04多分支水平井轨迹设计见图7,该井区煤层的倾角为3°,倾向为222°,为了便于排采,水平段优化设计的轨迹方位要求在北偏东42°左右,优化设计的并斜角93°。两口多分支水平井水平段设计的轨迹方位见图7。

图3 待钻水平井3+4号煤层的强度参数分析

图4 柳林地区地应力梯度剖面图

2.5 井身结构及完井方式

井身结构见图8,一开用121/4″钻头,95/8″套管,下深60.00m左右,二开用81/2″钻头,钻至靶点A后起钻,下入51/2″套管中完,三开43/4″井眼水平段钻进,采用裸眼完井方式。

图5 3+4号煤层水平井的坍塌压力分析

图6 3+4号煤层的含水特性分析

图7 CLH-03H&04H多分支水平井井眼轨迹图

图8 多分支水平井的井身结构设计

3 现场实施

3.1 施工步骤

(1)一开用121/4″钻头,95/8″套管,下深60.00m左右,水泥返至地面;

(2)二开用81/2″钻头,直井段采用钟摆钻具,防斜打直钻至339.64m后起钻,下入造斜钻具,造斜率7.60°/30m,目标方位82.76°,定向钻进至井深646.59m后起钻;

(3)下入51/2″套管后固井,候凝48小时,试压合格后二开完井;

图9 煤层GR和电阻率测井曲线

(4)三开扫灰塞,开始43/4″井眼施工;

(5)下连通工具,进行连通作业;两井连通成功后,起钻更换导向钻具,实施欠平衡钻进;

(6)M1主井眼井深钻至1550.00m后,起至L1分支侧钻点侧钻,然后进行L2分支;m2主井眼从第一主井眼侧钻,然后进行L3、L4分支钻进;完成3000m煤层进尺后,结束水平井CLH-03H钻井施工;

(7)在CLH-03H井眼内割51/2″套管,起套管,自270.19m侧钻,重复CLH-03H施工步骤,开始施工CLH-04H。

3.2 井眼轨迹控制

采用地质导向控制技术,煤层钻遇率达到96%,煤层GR和电阻率测井曲线见图9,实钻井眼在煤层中穿行的轨迹见图10,实钻的多分支井井眼轨迹水平投影见图11。

图10 地质导向控制井眼轨迹在煤层中的穿越情况

4 排采效果

两口多分支水平井的排采效果见图12和图13,两口井都见到很好的排采效果,发挥了多分支水平井泄压面积大、产能高的特点。

5 结论

(1)柳林地区3+4号煤层适宜采用多分支水平井技术来高效开采,为规避煤层气水平井存在的井壁坍塌填埋井眼的风险,形成了结合地应力大小和方向、煤层强度、水平井井眼轨迹的井壁稳定性评估方法,有效地保障了煤层内水平段钻井的安全。

(2)柳林烟煤储层的伤害机理明确,为钻井完井中储层保护措施制定提供了依据,适宜采用清水+充气的方式来保护储层。

(3)煤层气多分支水平井能否获得高产,与煤层含水特性、水层压力、顶底板封隔能力等关系很密切,在多分支水平井轨迹设计和优选层位时要考虑这些特性,加强地质与工程的结合研究,提高煤层气钻井的成功率。

图11 CLH03H&04H井实钻轨迹水平投影图

图12 CLH-03V井的排采曲线

图13 CLH-04V井的排采曲线

参考文献

[1]姜文利,叶建平.2010.煤层气多分支水平井的最新进展及发展趋势[J].中国矿业,19(1)

[2]乔磊,申瑞臣等.2007.煤层气多分支水平井钻井工艺研究[J].石油学报,28(3):112~115

[3]高波,马玉贞等.2003.煤层气富集高产的主控因素[J].沉积学报,21(2):345~348

[4]周志成,王年喜等.1999.煤层水在煤层气勘探开发中的作用[J].天然气工业,14(4):23~25

侯岩波 孙建平 张 健 孙 强 李绍勇

( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)

摘 要: 煤层气储层特征等方面与常规天然气储层的差异，决定了煤层气钻井、完井、储层保护等技术的特殊性。在不断试验和总结的基础上，本文研究出了一整套适合煤层气开发的定向井钻井工艺技术及井身质量控制措施，符合产业化、商业化开发煤层气对降低钻井及生产成本的诉求，对经济高效开发煤层气具有借鉴意义。

关键词: 煤层气 定向井 钻井工艺 井身质量

Drilling Technology in Coalbed Methane Directional Well

HOU Yanbo SUN Jianping ZHANG Jian SUN Qing LI Shaoyong

( China United Coalbed Methane Co. ，Ltd，Beijing，100011，China)

Abstract: The reservoir of coal bed methane has many differences from conventional natural gas. These differences determine particularity of coal bed methane in drilling，well completion and reservoir protection. In the foundation of continuous experiment and summarize，this article study out a technical system in the drilling tech- nology in directional coal bed methane well and well quality controlling. These meet the requirements of reduce drilling and production cost in coal bed methane industrialization and commercialization. It has reference signifi- cance in exploiting coal bed methane economically and efficiently.

Keywords: coal bed methane; directional well; drilling technology; well quality

基金项目:国家科技重大专项《山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程》(编号2009ZX05060)

作者简介:侯岩波，1983年出生，男，河北迁安人，硕士，2009年毕业于中国矿业大学(北京)地质工程专业，现在中联煤层气有限责任公司从事煤层气勘探开发工作。Email:hybjerry@163.com

柿庄南区块位于沁水盆地南部太行山西麓，行政隶属于山西省晋城市沁水县及高平市。该区向北距山西省省会太原260公里，向东南距晋城市60公里，区块总面积约388km2，3#煤层资源丰度1.69亿m3/km2，本区块已成功开发了400余口煤层气井，单井平均产气量>1000m3/d。由于本区山峦重叠，沟壑纵横，森林密布，从保护环境，降低征地及钻前施工难度方面考虑，在局部地形复杂、林地密集地区部署2至4口定向井的丛式井井组进行煤层气开发，丛式井还可有效降低地面集输建设成本及日后排采的生产管理成本，是一种适用于该地区煤层气大规模开发的钻井技术。

1 地质概况

柿庄南区块第四系黄土层厚约30m，开发3#煤层钻遇基岩地层自上而下依次为刘家沟组、石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组(未钻穿)，完钻原则为3#煤层底板以下50m，详见表1，总体而言该区地质条件简单，煤储层埋深适中，煤层气资源丰度高，开发条件优越。

表1 柿庄南区块地层特征简表

2 施工设计

以TS04C丛式井井组为例，该井组包括4口定向井，大门方向86°，磁偏角为－2.9°，井口间距5m且呈直线排开，设计时应充分考虑防碰措施，合理安排钻井顺序，使各井设计方位呈放射状分布，井眼轨迹不互相交错，具体设计见图1、图2。

成井工艺:一开井径φ311.15mm，钻至稳定基岩10m完钻，下入φ244.5mm×8.94mm表层套管，固井水泥需返至地面，二开井径φ215.9mm，钻至井深100m左右，开始改用螺杆钻具定向钻进，采用直增稳三段制井身剖面，最终稳斜至3#煤以下50m井深完钻，下入φ139.7mm×7.72mm生产套管固井。

图1 TS04C井组水平投影图

图2 TS04-4D井身轨迹数据

3 钻井设备与钻具

3.1 设备

钻机:TSJ-2000;GZ2000;GZ2600。钻塔:A字型，负荷≥700KN。泥浆泵:3NB-350;3NB-500;3NB-800，排量20～30L/s。动力:12V135，8V190，12V190柴油机。

3.2 钻具及其他

φ127mm钻杆、φ159mm无磁钻铤、φ159mm钻铤、φ165mm(1.25°/1.5°)单弯螺杆、φ214mm稳定器、单点照相/电子测斜仪。

4 钻井工艺

4.1 泥浆工艺

一开用膨润土粉、纯碱、烧碱、少量的聚丙烯酰胺钾盐KPAM及钠羧甲基纤维素CMC等有机处理剂配置低固相钻井液。纯碱及烧碱主要起改善粘土的水化分散相能，起到降失水、增粘和调节泥浆PH值的作用。CMC降失水剂提高了粘土颗粒的聚结稳定性，有利于保持钻井液中细颗粒的含量，形成致密的滤饼，降低滤失量，抑制泥岩等水敏地层膨胀，能有效巩固井壁，此外还有增粘作用，提高钻井液的携带岩屑能力，使含砂量降低，有效控制有害固相含量，减少重复破岩的几率，可延长钻头及螺杆等钻具的使用寿命，提高钻进效率。KPAM具有控制地层造浆的作用并兼有降失水、改善流型及增加润滑性等功能，能起到稳定井壁、降低钻井液滤失量，达到提高钻速的作用。在钻至目的煤层时，钻井液换用清水钻进直至完钻，若钻遇漏层或易垮地层，在保护储层的前提下可适当调整泥浆性能，酌情填加堵漏剂及其他处理剂以保证工程顺利完成。

煤层段钻井液性能:密度1.02～1.05g/cm3，粘度22～25s，pH值7.5～8.5，含砂量<0.2%。

4.2 表层钻进技术

钻具组合:φ311.15mm三牙轮钻头+φ159mm钻铤+φ127mm钻杆。

一开井段为第四系黄土层并含少量卵石，结构疏松，易漏易垮，钻进时主要保证不漏，适当调整泥浆，在钻进开始时要慢钻、吊打，保证不塌、打直，控制泵压、排量，防止把黄土层打漏。

一开采用φ311.15mm牙轮钻头钻进，钻压30～50KN，泵压2MPa。一开钻穿基岩超过10m后完钻，下入φ244.5mm×8.94mmJ55表层套管，套管节箍与地面水平，采用密度1.80g/cm3水泥固井并返至地面。

4.3 直井段钻井技术

钻具组合:φ215.9mm钻头+φ159mm钻铤+φ127mm钻杆。

二开直井段地层以砂岩、泥岩为主，可钻性较好，采用常规塔式钻具结构，为防止井斜钻进参数仍采用轻压吊打原则，并每钻进30m测斜一次，尽早跟踪监测井斜及方位变化，做好防碰，降低施工风险。

4.4 定向造斜段钻井技术

钻具组合:φ215.9mm钻头+φ165mm(1.25°/1.5°)单弯螺杆+φ159mm无磁钻铤+φ159mm钻铤*6根+φ127mm钻杆。

二开钻进至井深约100m时开始定向造斜，造斜定向造斜时要锁死转盘，采用单弯螺杆或直螺杆加弯接头定向造斜。测斜仪器要定期校正罗盘，保证数据采集准确，钻进1至2个单根测斜一次，螺杆钻进井段测斜间距≤20m。应在定向初期控制好井斜、方位，以防工具面常摆不到位，难以控制。在防碰井段及定向造斜段钻进时，钻井队要加密测点，勤计算，勤作图，密切掌握和预测井眼轨迹的变化;勤捞砂样观察是否出现水泥钻屑;认真分析蹩、跳钻现象。钻进参数:钻压50～60KN，泵压3～4MPa，螺杆马达转速200～300r/min，钻进过程中根据井眼轨迹实时调节钻进参数，方位误差变大则转速降低稳步控制方位。

考虑到煤层气井排采生产的特殊性、稳定性与连续性，产能建设单位对井眼轨迹尤其是定向造斜段有着较高要求，井眼轨迹越平滑曲率越小，泵抽系统与地层间的偏磨损耗则越小，越有利于生产单位连续稳定排采，因此要求造斜段造斜率≤4°/30m，造斜和扭方位井段连续三个测点的全角变化率≤5°/25m。

4.5 稳斜段钻井技术

钻具组合:φ215.9mm钻头+φ214mm稳定器+φ159mm无磁钻铤+φ159mm钻铤×6根+φ127mm钻杆。

由于采用直增稳三段制井身剖面，稳斜段原则上不允许下调顶角，为了避免出现定向井井眼轨迹失控现象，钻井施工中应以过程控制为重点。稳斜段要求送钻及钻速均匀，保证钻具负荷均匀，平稳工作。钻具组合在钻穿煤层时尽量去掉稳定器，虽煤层段以下井斜会微降2°～3°，但可有效防止煤层段井径严重垮塌，避免埋钻等事故发生几率，降低钻井施工风险。

根据要求靶点闭合方位误差小于5°，靶区半径20m，稳斜段钻井技术的核心就是严密控制井眼轨迹及方位漂移情况，根据测斜情况及时调整钻井参数及钻具组合，保证该井顺利中靶，主要措施是调整稳定器安放位置，改变稳定器外径，调整钻铤长度及钻压等参数以达到稳斜稳方位效果，在实际应用中，双扶钟摆钻具的井眼轨迹控制效果最佳，双扶可以有效减少局部狗腿问题，使轨迹更平滑，虽然增加了钻井的难度，但是为后期完井和下套管作业打下了较好的基础。钻进参数:钻压80～120KN，泵压3MPa。完钻后下入φ139.7mm×7.72mmJ55生产套管，通过在套管鞋和回压凡尔之间下入一根3m左右的短套管，可有效增加排采口袋长度，在增斜段等狗腿较大井段增加套管扶正器安放个数，采用密度1.65g/cm3水泥固井，水泥浆返至目的煤层以上200m。

5 煤层气定向井钻井新工艺

目前，钻井施工单位为提高钻进效率，普遍采用螺杆钻具和转盘相结合的复合钻进技术，从而减少旗下钻次数，并通过转盘和螺杆水力马达的配合提高机械转速，此外如需调整井斜与扭方位，不需起下钻，可根据井眼轨迹情况随时调整，对钻井轨迹控制及时高效，若与PDC配合组成四合一钻具结构，一趟钻便可完成从二开到完井，可以明显缩短钻井周期并将井身轨迹控制到最优。钻具组合:φ215.9mmPDC钻头+φ165mm.1.25°单弯螺杆+φ159mm钻铤×3m+φ210mm稳定器+φ165mm定向接头(0°)+φ159mm无磁钻铤+φ159mm钻铤+φ127mm钻杆。钻进参数:钻压50～60KN，泵压3～4MPa，螺杆马达转速200～300r/min。

由于对煤层气井定向井井身轨迹及钻进效率要求越来越高，可以引入MWD技术与复合钻进技术相结合，可以更好更方便地控制井眼轨迹，提高钻进效率。由于低成本钻井技术是目前中国煤层气资源开发的趋势，照搬应用常规油气田开发的随钻测井装备及技术会对钻井成本产生较大影响，但随着煤层气的大规模开发和对钻井工程提出越来越高的要求，不久的将来会出现适用于中国煤层气开发现状的MWD和LWD技术，其有着非常广阔的发展前景。

6 结论

(1)采用丛式井钻井技术开发煤层气资源，可节约土地资源，保护环境并有效降低地面集输工程及后期生产运营成本，经济效果显著。

(2)直增稳三段制井身剖面可靠合理，最有利于井身轨迹的控制和钻井施工，适宜煤层气的排采生产。

(3)不同井段在钻进过程中结合地层及井眼轨迹实际情况合理优化钻进参数，过程控制是定向井钻井技术的关键，只有严密监测井身轨迹并结合高效的钻井工艺，才能保证每口井以最优的井眼轨迹顺利中靶。

(4)使用四合一钻具结构有很强的稳斜、稳方位能力，并减少起下钻次数，与MWD相结合可减少井眼轨迹失控风险，并能有效提高钻进时效。

参考文献

吕贵州.2010.定向井的井身轨迹控制［J］.陕西煤炭，1:85～86

吴小建.2006.螺杆钻定向钻探技术在煤层气钻井中的应用［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，11:48～49

席红喜，刘强，刘星光.2005.丛式井钻井技术在陕北油田的应用［J］.科技情报开发与经济，15(7):293～294

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