水平井要用到哪些設備

1. 大斜度定向井，水平井為什麼要使用倒裝鑽具

斜度大，有效重力就小，且摩阻大，也就意味著在鑽頭的有效鑽壓小。通過倒裝，將鑽鋌或加重鑽桿等重量大的鑽具加在上部井斜小的井段（越靠近井口越好），這樣在同樣的鑽具下，通過倒裝可使井底可以獲得更多更真實有效的鑽壓，滿足鑽進的需求，保證正常進尺。這種井要保證鑽井液的潤滑性。

2. 端氏多分支水平井工程技術

一、煤層氣多分支水平井的井型和設計優化

（一）多分支水平井命名規則

井名分4種：工程井、生產井、主水平井、分支水平井。

井名的命名一般採用如下規則，井名由區塊、工程井、翼數、生產井組成。如DS01-1V，DS表示「端氏」區塊名稱，以漢語拼音首個字母縮寫；01表示第一個工程井，-1表示第一個翼，-1V表示該翼的生產井，-L1表示第一個分支水平井。

生產井用V表示，如DS01-1V。主水平井用M表示，如DS01-1-M。分支水平井用L表示，如DS01-1-Ln，n為分支數目（圖6-1）。

圖6-1 多分支水平井井名的命名規則

多分支水平井由工程井和生產井組成一翼，工程井包括直井段、造斜段和水平段，水平段包括主支和分支。生產井為直井，在煤層段造洞穴，並與水平段連通（圖6-2）。

圖6-2 單翼多分支水平井生產井和工程井組合圖

為了提高井場利用效率，在一個井場可以設計一翼到四翼多分支水平井，使分支水平井網路布滿煤層的抽排面積。

（二）井型分類

示範工程共實施6口多分支水平井，對5種類型的井進行了試驗。

1.按工程井和生產井組合分類

按工程井和生產井組合情況，分為工程井和生產井分離的多分支水平井、工程井和生產井合一的多分支水平井。前者如DS01-1、DS02-1、SX01-1（圖6-3），後者如PHH-001、PHH-002（圖6-4）。

圖6-3 工程井和生產井分離的多分支水平井

圖6-4 工程井和生產井合一的多分支水平

2.按主支數量分類

按主支數量，本次可以分為單主支多分支水平井和雙主支多分支水平井，如PHH-001、PHH-002、DS02-1、SX01-1（圖6-5）。

3.按完井類型分類

按完井類型，本次進行末端對接試驗，採用單支水平井，分工程井和生產井，因此稱為末端對接水平井。例如DS20-1、GSS-008-L1、BD4-L1～BD4-L4（圖6-6）。

圖6-5 單主支多分支水平井

圖6-6 末端對接水平井

4.不同類型井優點

這些類型不同的多分支水平井，針對不同的地形、地質條件和煤層特徵進行設計和部署，以最低的工程成本，獲得最好的生產效益。

單翼雙主支多分支水平井，如DS01-1井，優點在於施工方便，主井眼不易損壞，有利於井壁保持穩定，避免由於工程施工中頻繁活動而導致井壁坍塌，堵塞井眼。同時有利於增加分支井數，增大排泄面積。

工程井和生產井合而為一，如PHH-001、PHH-002井，優點是節省工程量，降低成本，減少技術難度，不用進行兩井連通的高難度高技術施工程序。缺點是井下泵無法下到近煤層的低位位置，距煤層距離一般還有20m左右，泵只能下到彎曲區段，因此，抽油機桿易被磨損。

單翼雙主支多分支水平井和工程井、生產井合而為一的多分支水平井的設計，是一種創造性地設計，在本項目得到第一次應用和試驗，是一次具有創造性的實踐，具有非常重要的意義，推廣價值巨大。

（三）井型設計和優化

水平井井型設計和優化對鑽井的成功具有重要意義。DS01-1等利用landmark設計軟體優化多分支水平井施工設計。PHH-002等井軌跡採用蘭德馬克的Compass鑽井軌跡設計軟體包完成，鑽井軌跡採用雙增剖面雙控制點，第一剖面採用曲率半徑較大，造斜率較低；第二剖面採用曲率半徑較小，造斜率較高，既降低了施工難度，又保證了軌跡控制，確保了在15號煤層的順利著陸。

1.井身結構

（1）工程井井身結構。一開：φ311.1mm鑽頭開鑽，下入φ244.5mm表套，水泥返至地面。二開：φ215.9mm鑽頭開鑽，下入φ177.8mm技套，水泥返至地面。三開：φ152.4mm鑽頭開鑽，下入主水平井及若干分支水平井，裸眼完井（表6-1、表6-2，圖6-7）。

表6-1 DS01-1井鑽頭程序

表6-2 DS01-1井鑽頭程序套管程序

圖6-7 工程井井身結構示意圖

（2）生產井井身結構。一開：φ311.1mm鑽頭開鑽，下入φ244.5mm表套，水泥返至地面。二開：φ215.9mm鑽頭開鑽，下入φ177.8mm技套，水泥返至地面；煤層段下玻璃鋼套管，造穴（表6-3、表6-4）。

表6-3 DS01-1V井鑽頭程序

表6-4 DS01-1V井鑽頭程序套管程序

2.鑽具組合

鑽具組合見表6-5。

表6-5 DS01-1井鑽具組合表

3.鑽井程序

鑽井程序見圖6-8。

圖6-8 施工工藝流程圖

4.鑽井液性能

鑽井液性能要求如表6-6。

表6-6 鑽井液性能要求

5.多分支水平井工程技術參數

多分支水平井工程技術參數如表6-7。

二、鑽井工藝技術

（一）工程井鑽井工藝

在工程井鑽井施工作業中分三開作業，作業流程和工藝詳述如下：表層一開，下表層套管固井；直井和造斜段二開，造斜點定向鑽進至煤層頂板著陸點，下套管固井；煤層水平段位三開，兩井對接連通鑽進，主井眼及分支井眼水平段鑽進，裸眼完井。

表6-7 多分支水平井技術參數

續表

（二）生產井鑽井工藝

（1）一開用311.1mm鑽頭鑽入基岩層2～5m後，下入φ244.5mm的套管並固井，水泥漿返至地面。

（2）候凝16h後二開，用φ215.9mm的鑽頭鑽至3號煤層底板下60m，循環干凈後起鑽，進行標准測井，准確確定煤層位置。

（3）測井後下入φ177.8mm的J55套管，煤層位置處帶一根玻璃鋼套管，然後用油井水泥固井，水泥返至3號煤層頂板200.00m以上，水泥漿密度1.85g/cm³。

（4）固井、候凝後，用φ152.4mm的鑽頭掃水泥塞，循環干凈後起鑽。

（5）根據煤層位置准確確定掃玻璃鋼位置後，下鑽掃玻璃鋼套管，循環干凈後起鑽。

（6）准確確定煤層位置後，下入掏穴工具至掏穴位置頂部，對煤層中部5.0m段掏穴，造穴井徑不小於500mm，循環干凈後起鑽。

（7）計算好填砂量，下鑽向井內投砂至預定深度，准確探定砂面後起鑽。

（8）將井場恢復至進場狀態。

（三）大位移分支水平井鑽井和懸空側鑽技術

1.大位移分支水平井鑽井

斜深與垂深之比大於1.8的水平井稱大位移水平井。其難度為鑽進中摩阻大，滑動鑽進加壓困難。採用鑽具倒裝，多旋轉少滑動，保證井眼平滑等措施減少摩阻。同時，隨井深摩阻增大，需入減阻器（Agitator）幫助克服摩阻。

2.懸空側鑽技術

在煤層段側鑽，不可能像油氣井填水泥候凝側鑽。側鑽時沒有井壁支撐，增加了側鑽難度。採用選好側鑽點和控制鑽時等措施來保證側鑽成功率。

根據實鑽井眼軌跡數據及DS01-1-L1靶點地質調整結果，做DS01-1-L1剖面數據。

起鑽至L1井的側鑽點位置，開始循環拉槽，定向、側鑽。根據主井眼滑動調整軌跡時工具的造斜率，確定側鑽分支時馬達的彎角。

側鑽時穩定工具面後，採取連續滑動的方式，盡快側鑽出新井眼。鑽進5m後逐漸加快機械鑽速，側鑽結束後，進行LWD實時測井。

滑動側鑽及轉盤穩斜鑽進均在煤層中鑽進，注意摩阻扭矩的變化。

鑽完L1井後，循環20min。起鑽至L2井的側鑽點位置。重復上述步驟，完成其餘分支井眼的作業。

起鑽至井口，關閘板防噴器，准備完井作業。

PHH-001井在後期施工中採用了兩次側鑽進行兩個分支井的施工。在側鑽時，主要做好了側鑽點、側鑽鑽頭、井下造斜工具、鑽具組合、鑽進方式的選擇等工作，側鑽效率較高，一般2h能形成完整的新井眼。

（四）綜合錄井

1.地質錄井

地質錄井主要是岩屑錄井和鑽時錄井，並取全、取准各項原始數據，以獲取地質資料建立鑽井地層柱狀。岩屑、鑽時錄井：一開井段不做要求，進入基岩風化帶超過20.00m，一開井深50.20m；二開、三開按設計要求進行錄井工作。

（1）岩屑錄井。岩屑錄井是建立地層柱狀的依據，也關繫到鑽井施工等相關作業。嚴格按照《地質錄井作業規范》的要求，加強錄井前的各項准備工作。撈取岩屑嚴格按照錄井規范做到不漏包、不丟包；清洗岩屑根據不同岩性採用不同工具和方法，保證了岩屑的數量和質量。岩屑描述實行專人負責，同時參考鑽時等有關資料，准確鑒定岩煤屑，為建立地層柱狀提供可靠的基礎資料。

（2）鑽時錄井。鑽時數據是繪制鑽時曲線的依據，而鑽時曲線是岩煤屑鑒定描述、進行地質分層的重要輔助資料，本井嚴格按照設計要求，准確地獲取了全井的鑽時數據。一開不要求；二開後進行鑽時錄井每0.5m記錄1點，為繪制鑽時曲線、劃分地層、水平井定向鑽進提供准確數據。

2.氣測錄井

（1）氣測錄井儀簡述。本井錄井使用的氣測錄井儀是上海神開科技工程有限公司生產的SK-2Q02C快速色譜錄井儀，主要適用於煤層氣、天然氣的勘探、開發的儀器設備，它的核心部分為高靈敏快速色譜SK-3Q03氫焰色譜儀，SK-3Q03氫焰色譜儀是鑽井勘探領域的淺層、薄層、地面導向的實時測量必備系統，是地面導向、薄層勘探、水平井勘探等鑽井勘探獲取鑽井現場與科研第一手信息的重要儀器，一般的綜合錄井儀分析周期是2min，SK-3Q03氫焰色譜儀的分析周期是30s，使用它可發現0.5m以下的薄層煤層，是煤層氣勘探開發的新一代綜合錄井儀。

（2）氣測錄井儀的使用。氣測錄井是根據鑽井過程中鑽遇煤氣層，氣體浸入泥漿鑽井液中返出地面，經電動脫氣器分離後進入色譜儀，從而分析出氣體成分，是發現煤層氣的重要手段，也關繫到鑽井施工等相關作業。本井嚴格按照《綜合錄井作業規范》的要求，加強錄井前的各項安裝准備工作。氣測錄井嚴格按照設計要求自二開至完鑽進行全自動連續測量，每1m記錄一點所測資料，全烴為連續記錄曲線，做到不漏點、不漏測；對氣測異常井段及時做出預報和初步解釋，保障了水平井的順利施工。

3.伽馬錄井

本井三開水平段鑽進過程中，在MWD隨鑽測斜儀中增加伽馬探管，利用自然伽馬曲線在不同地層中的反映，特別是在煤層頂、底板為泥岩時，自然伽馬曲線具有明顯的幅值反映。能夠分析判斷鑽頭是否在煤層中，當鑽頭穿透煤層到達其頂底板時，能夠及時調整MWD隨鑽測斜儀鑽進參數，使鑽頭重新回到煤層中。利用伽馬錄井配合鑽時、氣測、岩屑錄井，能夠很好地分析解釋鑽頭在煤層中水平鑽進，起到地質導向的作用。

（五）測井

測井內容及要求如表6-8。

表6-8 煤層氣多分支水平井測井內容及要求

三、定向和導向技術

（一）LWD隨鑽地質導向技術

「LWD」為隨鑽測井3個英文單詞的簡寫。利用LWD導向，監測的主要參數是：地層自然伽馬值和電阻率值，據此來判斷鑽頭是在煤層中鑽進，還是到了頂板或底板。地質師根據判斷，要求定向井工程師隨時調整井眼軌跡，最大限度保證在煤層中鑽進（圖6-9）。

DS01-1V井採取「轉動+滑動」的復合鑽進方式，以及LWD隨鑽實時測井，能有效地實現鑽頭在目標層中穿行，導向鑽進不但要考慮煤層穿行率，同時還要考慮機械鑽速。

二開造斜井段設計造斜段狗腿度11.081°/30m，剖面設計為雙增圓弧剖面，連續造斜鑽進至3號煤層頂部，鑽至煤頂後，循環起鑽，調整馬達彎角。下鑽時准確確定馬達彎角方向，並預留反扭角；鑽完第一柱後每單根測斜，定向井勤預測軌跡；在斜井段內鑽具因故停止轉動（洗井、測斜、機修、保養等）時，鑽具需3～5min上提下放一次，活動距離不得小於6m，接立柱或起鑽時，所卸接頭需高於轉盤面1～2m，鑽進過程中不得轉動轉盤，接立柱時不得用轉盤卸扣。

圖6-9 地質導向示意圖

二開鑽進採用小鑽壓吊打，每50m測斜一次，保證井斜控制在2°以內。第二趟鑽增斜調整方位，採用Sperry-Sun MWD 測量方式，定向方式為高邊方式；第四趟鑽通井處理泥漿後下套管，起鑽測ESS多點；造斜鑽進時，地質工程師每2m撈砂一次，注意地層變化，造斜鑽進至煤層頂板後，控制鑽速，進入煤層斜深1m結束二開。固井設計時，因造斜率比較高，決定少下扶正器，具體為：入井第1根套管最下端加剛性扶正器1隻，100～380m井段每3根加彈簧扶正器1個每5根套管灌漿一次。

三開鑽進，試壓後鑽入新地層1m，處理泥漿後起鑽，接入「LWD+Motor」鑽具組合，按定向井的要求井口作業及測試；下鑽到底後，循環一周後導向鑽進；LWD實時檢測軌跡，保持井眼在煤層的中上部運移，鑽進過程中，解釋工程師密切注意實時測井曲線，發現雙Y曲線異常波動，及時與地質監督溝通，並結合返出岩屑，判斷井眼軌跡趨勢，及時採取措施，特別注意鑽入底部的粉煤層；注意震動篩煤的返出量，若返出量減少，立管壓力（LWD及錄井檢測）波動大，採取控制轉速等措施，保持井眼清潔；加強錄井、LWD監測，及時反饋，盡可能保持井眼在煤層中上部穿行；各分支井眼鑽進，進行LWD實時測井。

（二）MWD+伽馬探管+鑽時、岩屑、氣測錄井組合定向

PHH-001和PHH-002多分支水平井在水平段鑽進中，採用MWD無線隨鑽測斜儀進行定向鑽進，配合鑽時錄井、岩屑錄井、氣測錄井、伽馬錄井等方法進行地質導向。極大地降低成本，獲得了十分有效的定向結果。

根據地層性質，鑽進煤層時，鑽時小、伽馬值低、甲烷氣測值高；鑽入煤層頂板泥岩時，鑽時較大、伽馬值極高、甲烷氣測值較低；鑽遇石灰岩時，鑽時大、伽馬值較高、甲烷氣測值低。

煤層中施工水平井時，煤層鑽遇率是工程成功與否的關鍵。在施工中，施工方根據煤層鑽進的特點，總結一套有效保證煤層鑽遇率的方法。煤層鑽進時，氣測顯示值遠高於在頂底板的氣測顯示值，鑽時則明顯低於鑽進頂底板的鑽時；同時，將伽馬探管接在離鑽頭較近的位置，根據15號煤層低伽馬顯示值的特性，進行地質導向，取得了很好的效果，PHH-002井煤層鑽遇率高達80.7%。

（三）無線隨鑽測斜定向技術

PHH-001、PHH-002井採用國產無線隨鑽系統進行鑽井軌跡控制。在實際施工中，採用不同造斜率的螺桿鑽鑽進，RST-48型無線隨鑽系統電子探管將井底參數通過泥漿傳輸至地面，遠程計算機系統將泥漿脈沖進行解析後反饋給軌跡控制人員，軌跡控制人員通過採用滑動鑽進、復合鑽進、調整工具面、選擇鑽具造斜率等手段進行鑽井軌跡控制。

四、對接連通技術

與水平井對應直井所造的洞穴直徑一般為0.5～0.6m，水平井要穿過該洞穴，僅靠常規的精度很高的定向井測量儀器，一般來說是不可能的。必須採用專用連通儀器，用定向井測量儀器和工具作為配合，根據獲得的信號和指令，要求定向井工程師調整井眼軌跡，達到對接連通的目的（圖6-10）。

DS01-1 井鑽進參數：WOB 20～40kN；泵壓8MPa。

（1）直井下入VECTOR儀器。

（2）水平井接收信號，判斷與洞穴的相對位置。

（3）每3m測斜一次，根據定向井工程師的預測數據，連通工程師發出井斜、方位調整指令。

（4）定向井工程師依據指令，完成井斜和方位的調整。

（5）距洞穴3m，直井起出儀器。

（6）水平井旋轉鑽進連通，連通後鑽進10m左右，起鑽甩RMRS。

圖6-10 DS01-1工程井與生產井連通示意圖

五、排采技術

排采技術包括排采設備、排採制度和修井等方面的技術集成。

（一）排采設備

排采設備的選擇主要取決於井深、井底壓力、水的流速及氣的流速等因素。本項目直井選擇管式泵排采設備，工程井和生產井合一的水平井進行了專門的泵型試驗。

井口裝置包括：

（1）單井采氣系統。主要包括油、套環空出口+套管壓力表+支管線+火把。

（2）單井排液系統。主要包括油管出口+氣、水分離器+水計量表+排水管線。

（3）自動數據採集和設備自動控制系統。主要包括探頭、傳輸電纜。

CNG站的自動控制系統通過安裝於井口的探頭和傳輸電纜來採集各井的產水量和套管壓力數據及控制抽油機和電機的運行。

（二）排採制度

排采工作制度根據產水量和降液速度進行調整。各井各不相同，同一口井在排采先後階段需要適時調整。PHH-001、PHH-002、DS01-1V、DS02-1V井採用1.5～1.8m沖程，1.5～6.0次/min沖次，保證每日3～5m³的降液速率，滿足該井排液，保持液面平穩。

（三）壓力煤粉控制和管理

3號煤煤質較硬，排采過程中，可以隨井液進入泵筒的只有懸浮的微粒，略大的井下物都沉積在井筒中，所以該類井在排采過程中，特別是排采初期，應當定期進行檢泵，清除井筒內沉積物，保證後期產氣的穩定。

15號煤煤質較軟，初期排采強度過大，降液速度過快，使井底流壓突然變化，會造成井眼坍塌。所以該類井必須控制好降液速度，防止過快造成井眼坍塌，堵塞產氣通道。

（四）修井

排采期間由於產液含煤粉量大，井下有大量煤漿，運行時煤漿進入泵桶，部分隨井液排出地面，另有部分留在井桶內，造成凡爾堵塞或柱塞卡死，或因電路故障停機造成卡泵，因此排采井要定期進行修井作業。

六、裝備、工具

鑽井設備的選擇是鑽井成功的關鍵，水平井施工要求鑽機具備較大的提升能力和加壓鑽進能力。導向工具確保完成設計的井眼軌跡，提高煤層鑽遇率。對接系統要求准確連通。

（一）鑽機

1.ZJ30B鑽機設備清單

ZJ30B鑽機設備清單見表6-9。

2.T130XD頂驅車載鑽機

PHH-001、PHH-002井鑽井設備採用美國雪姆公司生產的T130XD頂驅車載鑽機。該鑽機主動力760馬力，名義鑽井深度1900m（311mm井徑，114mm鑽桿）。提升能力60t，頂驅給進能力14.5t，扭矩12kN·m，車載空壓機2.4MPa，排量38m³/min。井台可伸起2.41m，可以直接安裝防噴器。

表6-9 ZJ30B鑽機設備清單

續表

固控及防噴系統未列出。

該鑽機搬遷安裝極為方便，提升、回轉能力均能滿足煤層氣水平井施工的需要。該鑽機即可採用常規鑽井方法施工，也可採用空氣鑽井工藝施工。特別是該鑽機加尺時用時很短，一般不超過1min，有效地減少了鑽井時因停泵造成的井下復雜，使用鑽井設備見表6-10。

表6-10 鑽井設備配備表

（二）81/2″井眼井下特殊設備

81/2″井眼井下特殊設備見表6-11。

表6-11 81/2″井眼井下特殊設備清單

（三）6″井眼井下特殊設備

6″井眼井下特殊設備見表6-12。

表6-12 6″井眼井下特殊設備列表

七、鑽井液和儲層保護技術

（一）鑽井液性能要求

鑽井液性能要求見表6-6。

（二）鑽井液性能維護

（1）開鑽前檢查固控設備、配漿及循環系統是否符合要求，各開關閘門是否靈活。

（2）清泥漿罐，配漿。坂土漿需預水化24h以上。

（3）鑽進時開除砂器。一開結束，充分循環洗井。起鑽前適當提高泥漿黏切，確保表層套管順利下入。

（4）二開用好各種固控設備，保證鑽井液具有低的固相含量。

（5）造斜段確保井眼清潔；可以不定期使用稠泥漿段塞清洗井眼。

（6）造斜後應全面實施減阻防卡措施。

（7）通井鑽具到底後，充分循環洗凈，起鑽前打入3方稠塞。

（8）下套管前裸眼段注入防卡減阻液，確保套管順利下入；下套管完循環洗井時適當降低泥漿黏切，以提高水泥漿頂替效率。

（9）水平段在煤層中鑽進，以清水為介質，加強固控、除氣。觀察返出岩屑情況，可打入生物聚合物XC，提高井底的凈化效果。

（10）鑽進用好振動篩和除砂器，清除煤粉。

（11）為了確實保護好煤層，嚴格按照設計，採用清水鑽進，用XC液體清潔井眼時高黏返出時放掉，泥漿罐內鑽井液超過30s，放掉換清水。

本井在使用清水+生物聚合物鑽煤層時可能存在風險，特製定兩套預案，但未實施。

（三）煤層保護技術

煤層氣井施工時，煤儲層保護極為關鍵。在本次鑽井中，主要採用清水鑽井液鑽進，嚴格控制鑽井液固相含量、密度，井內岩粉較多時，通過泵入高黏無污染鑽井液排出岩粉，既保證了井內安全，又防止了儲層污染。

15號煤採用清水作為循環沖冼液鑽進，為減少對儲層污染，施工中嚴格控制清洗液的密度和固相含量，相對密度不超過1.03，由於煤層鑽速很快，煤屑多，鑽進一段時間需往井內泵入一定量的高黏無污染清潔液排出煤粉，保證井下既安全鑽進又不污染煤層。完井起鑽前採用清水清孔，替換孔內鑽井液，保持孔內清潔干凈，確保出氣通道暢通。三開水平井鑽井過程中，為避免和減少沖洗液中固相顆粒對煤層的污染，煤層水平井段使用吸水的鑽進。但是由於清水的攜帶能力低，特別是水平井段不可避免地會造成煤屑、岩屑床，因此在鑽進過程中，遇到井內復時，及時使用XC配製的清掃液進行清理，保持了井底干凈，有效地避免了埋卡鑽，確保了鑽進安全，為本井的勝利完井打下了堅實的基礎。

3. 水平井技術

水平井鑽井技術正在向集成系統發展，即結合地質、地球物理、油層物理和工程技術，向大位移水平井、側鑽水平井、多分支水平井、羽狀水平井、叢式水平井(PAD)、欠平衡水平井、連續油管鑽井等技術方向發展，研製出技術含量更高的隨鑽測量(MWD)、隨鑽測井(LWD)等設備。重點是以下4個方面：

一是精細化管理。近年來，美國泥頁岩氣開發促進鑽井發生了很大變化，即精細化管理、高效率、低成本。普遍採用叢式井組設計，表層採用小鑽機批鑽，通過提高鑽機移運性、自動化程度，應用先進適用技術，鑽井效率顯著提高。美國Fayetteville頁岩埋深1800～1900m，水平段長度由2007年的790m增加到2009年的1250m，鑽井周期由18d降到11d，年鑽井數由12口增加到34口。

二是旋轉導向技術。為最大限度增加儲層暴露面積，獲得高質量的井眼，提高鑽井有效進尺，國外研發出高造斜率旋轉導向系統，造斜率可達15°/30m，可滿足復雜井眼軌跡鑽進，縮短鑽井周期。長保徑、高抗研磨性PDC鑽頭有利於保持井眼光滑，提高水平井眼鑽井速度。水力振盪器利用水力產生軸向震動，以解決水平井眼摩阻過大及嚴重拖壓問題，增加水平段的長度。

三是水平井地質導向技術。斯倫貝謝研發的PeriScope邊界探測地質導向技術，可在360°方向、4.5m范圍內進行電阻率掃描，探測鑽頭到地層或油水邊界距離，及時控制井眼軌跡在儲層中的位置，實現水平井眼精確導航。針對薄層、底水油氣藏，它是精確控制水平井井眼軌跡的有效手段。哈里伯頓近期開發出的ADR方位深探測電阻率地質導向技術，探測深度達5.5m。

四是精細控壓鑽井技術。該技術是國際上近年來發展十分迅速的一項技術，可有效降低鑽井事故或復雜情況，哈里伯頓、威德福、斯倫貝謝都自主研發了精細控壓鑽井系統。精細控壓鑽井技術不僅在深海、含H₂S碳酸鹽岩地層以及鹽層鑽進中得到了應用，在Haynesville頁岩通過精細控壓鑽井克服了頁岩異常高壓、溢流和漏失等復雜問題，大大節約了鑽井周期。

在非常規油氣勘探開發中，水平井還將呈現多元發展趨勢。在煤層氣開發中多分支井井身結構設計優化、分支側鑽軌跡控制、煤層井壁穩定等技術研發已成為重要發展方向。在低孔、低滲泥頁岩氣開發中，水平井鑽井傾向於採用欠平衡鑽井和控壓鑽井技術來保護儲層，新一代旋轉導向系統、隨鑽測井系統、井底鑽具組合，符合泥頁岩氣地質特徵的優質鑽井液體系，新型的泡沫水泥同井技術等形成了適用於泥頁岩氣的水平井鑽井技術體系。

4. 水平鑽井工藝技術在晉城煤層氣中應用實踐

張正修¹郭丙政²商敬秋¹孫建平²黃尊靈¹盧忠良¹鍾明¹

（1.山東省煤田地質局第二勘探隊 山東嘉祥 272400）

（2.中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011）

作者簡介：張正修，1956年生，男，山東省嘉祥縣人，工程師，山東省煤田地質局二隊隊長，從事鑽探施工管理工作。

摘要 煤層氣水平井是增加煤層氣井產量及降低開采成本的有效途徑。在中聯煤層氣有限責任公司山西晉城煤層氣項目開發中，採用車載鑽機，引用無線隨鑽（MWD）技術、綜合地質錄井方法成功實施了國內第一批15^＃煤層水平井。煤層氣水平井技術主要包括軌跡設計與控制、目標煤層著陸、儲層保護、完井技術等。

關鍵詞 水平井 煤層氣 軌跡控制 鑽井液

Practice for Application of Horizontal Drilling Technique in Jinche ng CBM Field

Zhang Zhengxiu¹，Guo Bingzheng²，Shang Jingqiu¹，Sun JianPing²，Huang Zunling¹，Lu Zhongliang¹，Zhong Ming¹

（1.Team No.2，Shandong Bureau of Coal Geology，Jiaxiang 272400；2.China United Coalbed Methane CorP.Ltd.，Beijing 100011）

Abstract：Horizontal drilling in coalbed methane field provides an effective technique to both increase gas proction rate for single well and decrease the cost of development.Using truck-mounted drilling rig，together with the advanced wireless Measure-While-Drilling（MWD）tools and comprehensive geological logging methods，CUCBMsuccessfully drilled several horizontal wells，which is the first group of wells drilled in China and they kept hole extending within coal 15＃.CBM Horizontal drilling technique mainly consists of well design，wellbore extending track inspection and control，landing in the goal coal seam，formation protection and completion method，etc.

Keywords：Horizontal drilling；CBM；extending track control；drilling fluid

1 概述

1.1 煤層氣鑽井的現狀

據預測，我國煤層氣的資源量居世界第三位，是煤層氣資源大國。近兩年，隨著石油價格的上漲，油氣及煤層氣的開發利用顯得越來越重要；同時，煤礦重大安全事故的接連發生使地面開採煤層氣的呼聲日益高漲。鑒於上述情況，國家政策對煤層氣開採的支持力度明顯增強，煤層氣的勘探開發也因之得到了迅速發展。2002年前的10年時間內，全國共完成216口各類煤層氣井，全部採用常規直井鑽井技術。而2005年一年完成的工程量已超過了2002年前10年的總和，鑽井類型也已向叢式井、造穴井及水平井、多分支水平井發展。

1.2 水平井是增加煤層氣井產量的必然方向

在美國煤層氣的開發中，水平井的施工及完井技術的成功使煤層氣的產量大大提高，使美國的煤層氣產業得到了空前發展。分析我國煤層氣的具體賦存條件，我國煤層普遍存在低壓、低滲和低飽和的特性，一般採用直井壓裂技術，單井產量在1000～3500m³/d。利用直井開發煤層氣，存在佔地多、投資大、投資回收期長、經濟效益低等缺點，嚴重製約了我國煤層氣開發速度。近兩年，我國的煤層氣鑽井領域採用石油部門的鑽井設備及石油水平井的鑽井技術，利用美國先進的儀器設備及人員服務，成功地施工了多分支水平井，取得了較好的效果。但由於工程造價較高，在我國快速推廣有一定難度。

中聯煤層氣有限責任公司在實施潘河示範項目一期工程和端氏項目多分支水平井的基礎上，深入總結沁南地區鑽井完井技術、壓裂增產技術，針對15號煤層單井產能低的問題，按照由簡單到復雜的原則，提出了在潘河示範項目區內利用水平井技術開發15煤的試驗，以期掌握並擁有自主知識產權的煤層氣水平井技術。因此，在中聯煤層氣有限責任公司和山東煤田地質局二隊的共同努力下，由山東煤田地質局二隊負責關鍵設備的配套並組織施工，在晉城潘河示範項目區內15^＃煤層中成功地實施了兩口水平井（PHH-001，PHH-002），取得了一定的經驗，達到了鑽井設計目標。

2 設備選擇

2.1 鑽機選擇

我國煤層氣水平井主井眼井深一般在2000m以內。水平段一般不超過1500m。水平段超過1500m時，對設備要求高，施工難度加大，施工成本會大大增加。施工水平井，一般要選用頂驅能力在100t以上的鑽機。國內目前施工水平井的頂驅鑽機，最小能力250t，施工成本高。晉城地區煤層埋深較淺，3^＃煤層埋深一般在300～350m左右，15^＃煤層在400～450m范圍內。根據我隊現有設備的情況，選擇了T130XD鑽機。

T130XD頂驅車載鑽機主動力760馬力，名義鑽井深度1900m（311mm井徑，114mm鑽桿）。提升能力60t，頂驅給進能力14.5t，扭矩12kN·m，車載空壓機2.4MPa，排量38m³/min。鑽台可升起2.41m，因此能夠直接安裝防噴器。

該鑽機搬遷安裝極為方便，提升、回轉能力均能滿足煤層氣水平井施工的需要。該鑽機既可使用常規鑽井液鑽進，也可使用空氣鑽井。特別是該鑽機接單根用時很短，一般不超過1分鍾，有效地減少了接單根時因停泵造成的井下復雜的幾率。

2.2 隨鑽儀器選擇

在實際施工中，採用不同角度的彎接頭或彎螺桿鑽進，RST-48型無線隨鑽系統的電子探管將井底參數通過泥漿傳輸至地面，遠程計算機系統將泥漿脈沖進行解析後反饋給軌跡控制人員，軌跡控制人員通過採用滑動鑽進、復合鑽進、調整工具面、選擇鑽具造斜率等手段進行鑽井軌跡控制。

2.3 專用鑽具選擇

根據設計要求，選擇了兩種規格的單彎馬達4根、兩種規格的無磁鑽鋌4根、穩定器2根、隨鑽震擊器1件以及加重鑽桿4根。

3 水平井工藝技術

3.1 水平井的井眼軌跡設計

根據國內外施工水平井的經驗，設計的基本原則是：在充分了解地質資料的情況下，設計剖面應盡量避開可能的復雜地層，縮短增斜井段的水平位移，縮短增斜井段的長度，減少增斜及水平段扭矩的摩阻。為了確保在預計深度進入靶區，增加可調節的穩斜段。

3.1.1 增斜段設計

15號煤層薄，結構相對復雜，軌跡控制中調整頻繁、難度大，設計中要求做到：

（1）詳細了解地質構造、地層傾角、可鑽性等情況，結合鄰井地質、鑽井、測井資料、卡准煤層位置、准確地設計靶區。

（2）設計造斜率應適當低於動力鑽具結合的造斜能力，縮短動力鑽具定向鑽井井段，增長導向鑽進井段，確保井眼的平滑、安全。

（3）優化剖面結構，最大限度減少摩阻和扭矩，為後期水平段施工提供安全基礎。

3.1.2 水平段的設計

掌握煤層的厚度、傾角、走向及煤層頂底板的岩性和地層的構造情況，盡量減少調整段。

對水平井的長度的設計，從理論上講，水平段的長度越長越好，水平段長度的增加受到工程技術及煤層地質條件、煤質等多因素的限制，一般根據預測的施工長度及施工中遇到的具體情況決定水平井的最佳長度。

3.2 鑽具組合

（1）直井段：一般選用塔式鑽具組合。

（2）造斜增斜段：採用了單彎螺桿造斜。

（3）水平段：優化鑽具組合，使用短無磁鑽鋌及無磁扶正器，縮短隨鑽測量儀器與鑽頭的位置距離，盡量選擇造斜能力強的鑽具組合，以便及時調整鑽井軌跡。

在施工中，為保證井壁圓滑規則，減少工程風險，盡量增大復合鑽進的比例。

通過兩口水平井的實踐，鑽頭+導向馬達+無磁鑽鋌+MWD短節+抗壓縮鑽桿+鑽桿的鑽具組合，應用效果較好。

3.3 動力鑽具選擇

為了適合軟及中硬地層，選擇了中轉速中扭矩馬達。

3.4 鑽頭的選擇

二開造斜段選擇HJ517L鑽頭，三開水平段選擇PDC鑽頭。

3.5 鑽井液的選擇

煤層氣井施工時，煤儲層保護極為關鍵。在本次鑽井中，主要採用清水鑽進，嚴格控制鑽井液固相含量、比重，井內岩粉較多時，通過泵入高粘無污染鑽井液排出岩粉，既保證了井內安全，又防止了儲層污染。

3.6 軌跡控制技術

水平井的井眼軌跡控制技術是水平鑽井成套技術中的關鍵環節，總的要求是具有一定的控制精度，具有較強的應變能力，具有較高的預測准確度，達到較穩、較快的施工水平。

3.6.1 彎馬達的選擇

根據軌跡全形變化率選擇相對應的彎馬達，見下表：

單彎馬達造斜率

單彎馬達的造斜率與地質構造及現場施工參數有關，不同的地層和施工參數造斜率不同，在實際施工中，選擇馬達的造斜率應大於設計造斜率。

3.6.2 著陸軌道控制

（1）著陸點應在水平預計點前部小於20m。

（2）著陸前下入LWD，對鑽進地層進行自然伽馬跟蹤，通過氣測錄井、鑽時錄井、地質錄井，確保著陸准確，並在煤層中鑽進。

4 工程成果

PHH-001水平井共完成主井眼一個、分支井眼2個，完成鑽井總進尺1678m，其中6寸井眼進尺1056m，15^＃煤層段進尺1050m，現場評定煤層鑽遇率93.1%。主井眼軌跡控制達到設計要求，分支井軌跡控制較差，但通過增加進尺，確保了該井控制面積。實際建井周期46.42d。

PHH-002水平井共完成主井眼一個、分支井眼5個，完成鑽井總進尺2624m，其中6寸井眼進尺2047m，15^＃煤層段進尺2030m，現場評定煤層鑽遇率80.7%。實際建井周期33.67d。

5 經驗與建議

通過兩口水平井的施工，取得了以下經驗：

（1）及時測斜、准確計算、跟蹤作圖是保證井身軌跡的關鍵。使用MWD能准確掌握井身軌跡的變化情況，使軌跡得到有效控制。

（2）在鑽井過程中，隨時觀察扭矩、泵壓的變化，發現問題及時分析、解決。

（3）根據馬達的使用特性和鑽井要求，確保馬達的排量和使用要求。按照馬達的水平推力和鑽壓平衡圖，選擇最優的鑽壓，確保馬達在平衡狀態下工作。

（4）使用柔性鑽具組合，以加重鑽桿替代鑽鋌。

（5）正常鑽進時，密切關注拉力變化，發現問題及時上提鑽具或短起下。

（6）為保證在煤層中鑽進，採用伽馬值監測、氣測錄井、鑽時及岩屑錄井的綜合分析手段，及時進行軌跡調整。

（7）15^＃煤平均厚度只有3m左右，遇到地層突變時很容易穿到頂底板，由於水平井施工的特殊性，鑽井軌跡不能很快調整到煤層中，會導致煤層穿透率降低，影響產能。因此合理布置井位、優化主井眼及分支井眼方位是水平井成功的關鍵。

在完井技術方面應盡快推廣篩管完井技術，以保證水平井的穩定產能。

5. 煤炭鑽井機械設備有哪些、

看打井的用途，我了解的有

1、通風井。從地面往井底新鮮空氣，起到稀釋煤礦中瓦斯濃度和輸送氧氣的作用。

2、水井。抽采地下水，消除挖掘過程中，地下水給煤礦生產機人員的危害。

3、抽瓦斯井。分兩種：在地面向煤層中打井（有直井、U型井、水平定向井）、在煤礦地下打水平井。

4、救援井。從地面向礦井中被困人員輸送給養、解救被困人員。從地面打小井眼，用來輸送給養和通訊設備，井直徑一般只有8厘米左右。另外就是打大井，起落救生艙用、輸送給養、救生設備。

我對瓦斯抽采井有些了解。

1、在煤礦井底打瓦斯抽放井。

• 鑽機、鑽桿、鑽頭、泥漿泵或空壓機等。如果需要測量井的傾斜度、方向，還需要專業的測量設備。

  目前了解的只有奧鑽和西安煤科院有這方面測量儀器。

2、在地面向煤礦井底打井。

需要鑽井架、泥漿泵、鑽桿、鑽頭、鑽鋌（選擇）、套管、泥漿（化學品）、專業測量儀器、儲油罐、泥漿池、發電機、列車房等。根據鑽井深度選擇鑽井架子或者車載井架。一般2000米的井架子就能滿足煤礦鑽井用。這種井需要使用測量設備測量。

希望能對你有幫助！

6. 水平連通井關鍵技術及在三交地區的應用

鄧鈞耀 鮮保安

( 中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司 北京 100095)

摘 要: 我國大多數煤儲層具有 「低孔」、「低滲」、「低壓」的特性。這種 「三低」特性是導致我國的煤層氣井 「低產」且 「不穩定」的主要因素之一。水平連通井能最大程度穿越煤層割理裂隙系統、溝通煤層裂隙通道以提高滲透率; 擴大煤層降壓范圍、降低煤層水排出時的摩阻、從而大幅度提高單井產量和採收率，以達到產能最大化的目的。文章從三交地區的地質情況出發，分析了洞穴完井的工藝條件及在該區塊實施水平連通井的可行性; 闡述了施工水平連通井所採用的井身結構設計、造穴技術、水平連通等關鍵技術; 介紹了在該區實施水平連通井的具體情況以及實施過程中復雜情況的應對措施; 提出了一套鑽井液優化設計與維護措施; 並對今後在該區實施水平連通井提出了建議。水平連通井技術的應用，不僅可以保護煤層原生結構及煤儲層，而且能為之後的分級壓裂作充分准備，具有重要的經濟意義。

關鍵詞: 煤層氣 水平連通井 三交地區 造穴技術 井眼軌跡

作者簡介: 鄧鈞耀，1984 年生，男，工程師，碩士研究生，2010 年畢業於西南石油大學石油工程專業，現在中聯煤層氣國家工程研究中心鑽井完井所從事煤層氣鑽完井技術研究與管理工作。地址: 北京市海淀區環保科技示範園地錦路 7 號院 1 號樓，郵編: 100095。電話: 18791328408，電子郵箱: dengjy@ nccbm. com. cn

The key Technology of Horizontal Connected Wells and Application in the Sanjian Area

DENG Yunyao XIAN Baoan

( China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Co. ，Ltd， Beijing 100095，China)

Abstract: Most coal reservoirs in China have「low porosity」、「low permeability」and 「low pressure」fea- tures. This「three lows」features are one of the main factors of「low yield」 and「unstable 「 in the China's coal- bed methane wells. Horizontal Connected wells can communicate seam fracture in order to enhance permeability; Enlarging the range of pressure dropping of coal reservoir. Recing the friction when water discharge out of the coal reservoir in order that improving the yield of per well and recovery ratio，achieving the purpose of maximizing proctivity finally. This thesis start with the geological situation in sanjiao area，analysising the technology condi- tions of the well caving completion and implementing horizontal connected drilling's feasibility; Describing casing program design、well caving completion technology and horizontal connection technology; Introcing concrete circumstances in Sanjiao area and complex situation's measures. Proposing a set of optimal design and maintenance measures of drilling fluid. Giving recommendations in the area implementing horizontal connected wells. The appli- cation of horizontal connected technology not only can protect the primary structure and coal seam reservoir but also be ready for the preparing of classification in the future. Those has important economic significance.

Keywords: CBM; horizontal connected well; Sanjiao area; caving technology; well trajectory

引言

煤層氣水平井與常規油氣水平井最大不同之處在於一般不單獨施工水平井，而是與預先鑽好的直井相連通。水平井產氣，直井排采。採用水平井開採煤層氣可有效增加供給范圍，增大導流能力，從而提高單井產量。連通水平井技術最早用於救援井施工，當一口井發生井噴或失火時，在距該井一定距離處，鑽一口井與其連通，通過注入高密度鑽井液壓井或採取其他措施來處理井下事故。但其特殊工藝也給施工水平井增加了技術難度。目前國外在煤層中鑽水平連通井的技術已日臻完善，但國內相關工作起步較晚，許多理論與關鍵技術仍有待進一步提高。

1 概述

三交地區地處鄂爾多斯盆地東部邊緣。該地區從構造上講呈南北條帶狀展布，屬於呂梁山復背斜西翼的一部分;總體構造形態表現為西傾的單斜構造，構造較為簡單。總體而言，構造特點對煤層氣的生成和賦存條件是有利的。

三交地區各類岩層均有局部出露，第四系廣泛遍布於山樑和溝谷中。據鑽探揭露地層由老至新依次為:奧陶系中統馬家溝組、峰峰組;石炭繫上統本溪組;二疊系下統太原組、山西組、下石盒子組，上石盒子組、石千峰組;三疊系下統劉家溝組、和尚溝組、中統二馬營組;以及新生界第三繫上新統保德組、第四系中更新統離石組、上更新統馬蘭組和全新統。

從分布於全區的煤層氣及煤炭鑽井資料來看，主力煤層廣泛發育且分布穩定。根據區內煤炭鑽孔及煤層氣鑽孔資料統計數據:主要目的煤層為4+5號、8+9號煤層。從平面分布上看，4/5號煤整體西厚東薄，厚度2.5～10.1m;埋深在300～550m。8/9號煤層分布穩定、厚度較大，埋深一般在300～850m。據取自區內多口探井中的兩百餘個樣品測試表明:4/5號煤層噸煤含氣量一般為6～12m³，最大達18m³，平均為8.48m³;8/9號煤層噸煤含氣量一般為10～16m³，最大達23m³。

2 實施「U」型水平連通井的優點與難點

與直井相比，「U」型水平連通井能擴大煤層氣供給范圍，提高導流能力，增大解吸波及面積，因而可大幅提高單井產量。對兩連通井眼循環洗井，可有效解除井眼可能發生的堵塞;同時水平段沿儲層下傾方向鑽進利於控制井眼軌跡^［1］。

但該區塊部分井所鑽遇的第四系地層為流砂層;太原組易水侵、易漏失;局部煤層為塊狀碎裂煤、裂縫較發育、且含有1～2層較薄碳質泥岩夾矸。上述特點導致在該區塊施工連通水平井存在如下難題:

(1)井眼軌跡控制方面。水平連通井井淺、造斜率高、造斜井段軌跡控制精度要求高。這對造斜及兩井水平連通的工具和儀器精度將提出更高要求。

(2)井眼穩定方面。由於煤層本身膠結疏鬆、質脆，存在著互相垂直的天然裂縫;加之進入煤層段鑽進時採用清水或低固相鑽井液對煤層抑制能力差，因此常會引起煤層坍塌、卡鑽甚至井眼報廢等復雜情況的發生。

(3)儲層保護方面。一方面由於煤儲層自身的特性(如吸附能力、應力敏感性、速敏性、水敏性等)決定了煤層易受損害。二是由於煤儲層的壓力低，鑽井液中的固相顆粒在液柱壓差作用下易於進入煤層孔隙和裂縫，造成煤層損害。

3 關鍵技術研究

3.1 井身結構設計技術

三交地區的直井採用常規井身結構。但與常規油氣井井身結構設計所不同的是「U」型水平連通井需考慮直井與水平井的連通、後期的排水采氣、煤層段井壁穩定及水平井煤層井段下套管固井等因素:

(1)在連通井井段造洞穴，須在井底留足口袋。以不揭開下部含水層的原則下應考慮增大口袋留深。

(2)著眼於排采考慮，煤層上部出水量大的層位必須用套管封堵。

(3)需將井壁穩定性及儀器設備的配套性納入水平井段井眼大小的考慮范圍中，通常優先考慮小尺寸井眼。

結合上述因素，研究確定三交區塊水平連通井的井身採用三級結構:水平段採用φ120.65mm井眼。具體結構為:φ311.1mm井眼×φ244.5mm表層套管+φ215.9mm井眼×φ139.7mm技術套管+φ120.65mm水平井眼。

3.2 井眼軌跡設計與控制技術

1.井眼軌跡設計

根據煤層氣水平井的特點，井眼軌跡設計要著重考慮以下兩方面因素^［2］:

(1)井眼軌跡控制。由於煤層氣井埋藏較淺，兩井連通前可供控制的井段較短，因此，設計的井眼軌跡應有利於控制，保證兩井准確連通。

(2)水平井段加壓。煤層氣水平段鑽柱提供的鑽壓有限，特別是在水平井段滑動鑽進時加壓更加困難。所設計的水平井井眼軌道應採用「直—增—穩—增—水平」五段制軌道。盡可能保證設計出的井眼軌跡光滑，最大限度減少摩阻。

2.井眼軌跡控制

(1)直井段。控制井斜，為下部井段施工創造條件。可選塔式鑽具組合。

(2)造斜段。確保工具的造斜率達到設計要求，保證井眼軌跡在煤層中准確著陸。採用「導向馬達+MWD」的常用定向鑽具組合。

(3)水平段。重點確保井眼軌跡在目的層的穿透率。可採用「單彎螺桿鑽具+LWD」的地質導向鑽具組合。

(4)連通段。一是保證在連通儀器探測距離范圍之外的井段方位偏差不大;二是要准確判斷距直井20m以內的井底方位。

3.3 鑽井液體系設計

針對三交地區地層的特點，優選出相適應的鑽井液體系方案如下:

(1)一開設計為低固相坂土鑽井液。性能以防垮、防漏為主。

(2)二開直井段鑽進:根據鑽井設計預測的井下地層復雜情況，採用聚合物鑽井液。視井下情況，加入一定量的膨潤土控制濾失，用CMC輔助增粘、降失水，用腐殖酸鉀防止泥岩因水化膨脹而產生坍塌和掉塊。

(3)二開定向段鑽進:採用低固相聚合物鑽井液，鑽井液的附加系數0.05～0.10g/cm³，盡可能取小值，鑽井液密度控制在1.10g/cm³左右，以保護目的煤層。

(4)三開前配鑽井液體系:清水+生物聚合物鑽井液。在水平井段用清水鑽進中岩屑若不能完全有效清除，會在井筒內形成岩屑床而造成泵壓升高、摩阻增大，嚴重影響井下安全和施工進度。鑽進中不定時泵入高粘XG(生物聚合物)溶液，提高鑽井液懸浮攜砂能力以解決岩屑堆積形成的岩屑床問題^［3］。

4 煤層造穴及兩井連通工藝技術

4.1 造穴工藝應具備的條件

(1)較好的儲層條件。要求含氣量最好大於10m³/t，滲透率相對較高。

(2)較好的圍岩特徵。煤層頂、底板封閉性好、機械強度高、不能有斷層或漏失層段。

(3)煤層厚度較大，主要為塊煤，無夾矸。

(4)井壁穩定，區域地層相對穩定。

4.2 造穴工藝技術原理

在實際應用中煤層造穴工藝主要具有如下特徵^［4］:

(1)實際洞穴有效直徑。實際洞穴的有效直徑工程上通過返出的煤、岩屑的體積計算得出。實際上有效井徑形狀不規則、表面參差不齊的特點也增大了煤層的裸露面積。

(2)在井筒周圍形成一定范圍的破碎帶。使洞穴以外的煤層在造穴後發生張性和剪切破裂，形成更大范圍的破碎帶。它們能溝通處於煤層內封閉或半封閉狀態下的原始微裂縫，提高煤層滲透率。

(3)保護煤層原生結構。採用空氣加清水通過瞬間釋放壓力的方法造穴，可有效保護煤層原生結構，避免常規泥漿鑽井、固井、壓裂等對煤層的破壞。

將圖1所示的切削玻璃鋼套管用的割刀裝在圖2造穴鑽頭的孔內，安裝好後進行調試。調試完成後下入鑽頭到玻璃鋼套管頂端，下入鑽頭的整個過程中刮刀始終處於造穴鑽頭孔內;在鑽井液沖擊下刮刀自動張開，在方鑽桿的帶動下，鑽頭在玻璃鋼套管內作圓周運動，完成對玻璃鋼套管的切削。完成對玻璃鋼套管切削後就可以對裸露的煤層進行擴孔，該過程與上述對玻璃鋼套管的切削過程大致相同。將圖3所示的擴孔刮刀置於圖4所示的擴孔鑽頭內，在鑽桿的帶動下即可對煤層擴孔。擴孔刮刀長度一般約為25～30cm，因而用它所完成的煤層洞穴直徑一般在50～60cm左右。

4.3 兩井連通技術

兩井連通採用近鑽頭電磁測距法(RMRS技術)。鑽具組合為:鑽頭+永磁短節+馬達+無磁鑽鋌+隨鑽測斜儀+鑽桿^［5］。采氣的直井先於水平井施工，並在煤層段造穴，以便水平井眼順利穿過。但由於直井軌跡的漂移、裸眼洞穴直徑的限制及受造斜段隨鑽監測精度的影響，兩井連通是一個較大的難題。因此，在兩井連通前必須做到以下兩點:①對直井進行多點測量或陀螺測量，確切搞清裸眼洞穴點的坐標和井深位置;②在裸眼洞穴以下井段打水泥塞，將裸眼洞穴下部井眼封住，再進行連通工作。這樣鑽頭通過裸眼洞穴時就不會因重力而進入下部井眼，可以避免發生復雜情況^［6］。

圖1 切削玻璃鋼套管用的割刀

圖2 造穴鑽頭

圖3 用於擴孔的刀片

圖4 擴孔用的鑽頭

圖5 兩井連通示意圖

連通過程中，在直井中下入探管，鑽頭處連接一個永磁短節。根據採集的測點數據判斷出當前的井眼位置，預測鑽頭處方位的變化;通過調整工具面，及時糾正井眼方向至洞穴中心位置^［7］。接近洞穴時，運用專用軌跡計算軟體准確判斷水平井與洞穴中心的距離，實時、連續監測鑽頭位置，確保連通的成功率，如圖5所示。

5 井壁穩定控制技術

井壁穩定技術是煤層氣井鑽水平井段急需解決的關鍵問題之一，它是兩井能否實現順利連通的前提^［8］。它包括:

(1)盡量採用結構簡單的鑽具組合以減小煤層井壁碰撞和起下鑽時掛拉;

(2)造斜點以下地層和煤層段全部採用井下動力鑽具。鑽柱不旋轉，相對而言工作較平穩，有利於保持煤層井壁穩定;

(3)盡量縮短煤層水平段鑽井時間，減少鑽井液對煤層的浸泡時間;

(4)盡可能使井眼軌跡位於相對穩定的塊狀煤體中。

實際工作中主要從優化井身結構設計、合理控制鑽井液密度和穩定井眼的工程技術措施來實現^［9］。

(1)優化井身結構設計。重點考慮井下安全，兼顧避免對煤儲層造成傷害。

(2)合理控制鑽井液體系。鑽井液密度過低，會引起煤岩構造應力釋放，使煤層沿節理或裂縫斷裂、坍塌。鑽井液密度過高，在壓差作用下鑽井液進入煤層會撐開煤層裂隙結構，使煤層中侵入固相顆粒^［10］。根據三交地區煤層氣鑽井實踐，以清水為介質配合欠平衡技術鑽進水平段煤層。為提高井底的凈化效果、增強攜岩性和防塌性能，可根據返屑情況加入羧甲基纖維素CMC。

6 現場應用

2009年中石油在三交地區施工了一口水平連通井。該井於2009年7月11日開鑽，10月7日完鑽，歷時89天。採用了煤層造洞穴、注氣欠平衡鑽井、兩井連通、隨鑽地質導向等先進技術。

6.1 井身結構

如圖6所示。

6.2 鑽具組合

1.一開鑽進

φ311.1mm3A鑽頭*0.30m+630×4A10接頭*0.46m+φ159mmDC*46.92m+4A11×410接頭*0.43m+方鑽桿。

2.二開直井鑽進

φ215.9mm3A鑽頭*0.25m+430×4A10×*0.30m+φ159mmDC*81.68m+4A11×410*0.38m+φ127mmDP*213.86m+方鑽桿。

3.二開定向鑽進

215.9mm3A鑽頭*0.25m+φ172mm螺桿*7.60m+φ165mm短無磁*1.60m+φ165mm定向接頭*1.43m+φ159mm無磁鑽鋌*9.11m+φ127mm無磁承壓*9.05m+φ127mmDP*482.49m+方鑽桿。

4.連通

φ120.65PDC*0.18m+φ95mmRMRS*0.41m+φ95mmMotor*3.78+φ95mmF/V*0.53m+φ95mmMWD+φ95mmNMDC+φ73mmDP。

圖6 井身結構示意圖

6.3 鑽井液體系及維護

根據該井鑽井設計的井身結構、施工進度安排，結合鑽井的目的，一開、二開鑽進中著力對鑽井液做好以下幾方面的准備及維護(如表1)^［11］:

表1 三交地區某井一、二開鑽井液性能表

(1)一開用坂土漿鑽井液施工，CMC增粘、降失水。粘度30～37MPa·s。

(2)二開鑽完水泥塞後，置換被污染的鑽井液，用水基膨潤土鑽井液開鑽施工，鑽井液用CMC輔助提粘、降失水，用NPAN降粘控制流變性。

(3)正常鑽進，可視井下情況，加入一定量的膨潤土形成緻密濾餅控制失水;在定向段鑽進時，用高密度低固相鑽井液，盡可能實現近平衡鑽井;控制鑽井液上返流速;用CMC維持粘度，NaOH控制濾失、調整流變性，防止泥岩地層水化分散而造成鑽井井壁坍塌、縮徑。

(4)為盡可能減小對煤層的損害，要嚴格控制鑽井液密度、濾失量，少加高分子處理劑。

6.4 應用效果

該井一開鑽至49.83m，下入Φ244.5m表層套管。二開鑽至518m完鑽。煤層段為448.38～453.73m，於井段445.87～454.10m下入8.23m長的玻璃鋼套管，於449～453m使用直徑為600mm的割刀對煤層段造穴4.00m。該井的水平井一開井深58.38m，二開鑽至521m，技術套管下深519.47m。水平井距直井洞穴水平位移198.33m。兩井連通垂深451.14m。全井施工順利，井下安全無事故，為後期排采提供了良好的井眼。

根據該井直井排采數據顯示:該井自2010年2月9日至2010年4月20日連續69天穩產在1萬方以上，最高日產氣量超過1.5萬方，排采效果良好。

7 結論與建議

(1)隨著能源需求的日益增長和煤層氣工業的發展，水平連通井將成為煤層氣開採的重要手段之一。但針對不同地區不同儲層的適應性問題尚需進一步論證。

(2)優化井身剖面可以降低井眼軌跡控制的難度;著陸控制和水平控制是水平井井眼軌跡控制的關鍵技術;而工具造斜率的確定、閉合方位控制、矢量進靶、動態監控等則是水平井井眼軌跡控制的重要手段。

(3)軌跡控制和優化鑽井液體系是成功實施水平連通井的關鍵。隨鑽地質導向、兩井連通技術及針對鑽遇地層和相應井段特點優選出的鑽井液體系為三交地區「U」型水平連通井的實施奠定了基礎。而電磁波無線隨鑽測量系統、低轉速高扭矩馬達、強磁導向系統等先進工具儀器則為三交地區「U」型水平連通井的實施提供了保障。

(4)水平段採用清水或低固相鑽井液鑽進能起到良好的儲層保護效果，但不利於井眼穩定。建議今後在該區塊嘗試採用空氣、泡沫等進行欠平衡鑽井，在提高鑽井速度的同時達到儲層保護的目的。

(5)三交地區的「U」型水平連通井普遍採用裸眼完井，後期排采表明部分井眼存在堵塞現象。建議今後在該區塊實施水平連通井時下入PVC連續篩管完井。

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［11］王彥琪.2010.和順區塊煤層氣遠端連通水平井鑽井關鍵技術研究［J］.中國煤層氣，7，(1):20～21

7. 開採石油和天然氣時如何在地下深處打水平井

小油瓶先用張圖展現一下打水平井的意義所在

正是憑借鑽桿的彎曲度，鑽井液的潤滑，螺桿的造斜，我們才可以將一個垂直的井眼變成一個水平的井眼，這就是在地下深層打水平井的大概原理！

8. 鑽井費用與鑽井設備是什麼

勘探鑽井是所有勘探過程中投資最高的階段，其費用是地質和地球物理勘探的數倍之多。鑽井的結果將直接反映地球科學家們的研究工作是否「命中」靶區。勘探鑽井費用的變化幅度很大，它取決於地理條件（陸地或海洋，接近的難易程度或極端環境的地域等），同時也取決於鑽井的深度。一些裸眼鑽井僅僅向地下鑽進幾百米，幾天就可完成，其費用不足100萬美元。然而，一些井則需要向下鑽進5000米到6000米甚至7000米，整個鑽進過程需要1年左右才能完成，所需費用就會約達1億美元。下圖為鑽井設備示意圖。

鑽井設備原理示意圖

什麼是鑽機？

鑽機由鑽孔的鑽頭和地面設備組成。鑽機可以是能用於鑽水井、油井和天然氣井的大型機械設備，也可以是由一個人就可移動的小型設備。它們可以採集地下礦物樣品，檢測岩石、土壤和地下水的物理性質，還可以安裝一些地下裝置，如地下水設備、儀器、管子或井等。

（1）陸地過渡帶（坐底式鑽井裝置）、淺水區（自升式鑽井平台）。鑽井裝置包括了鑽井所需的所有設備。鑽井過程中，有一些輔助設備（如鑽頭、套管）和產物（如鑽井液），這些都是在鑽進過程中所使用的。在鑽進過程中，還需要大量的服務工作，比如與儲層相關的知識以及完井的工藝與技術。

（2）鑽井的形式多樣化，它們不再僅僅是垂直狀的。人們用水平井和定向鑽井來提高油氣藏的開發速度及多套含油氣層的開采。高水平的鑽井是復雜而智慧的技術。在這類鑽井的完井作業中，將一些儀器安置在井孔的不同深度處，可以測量那裡的液體和氣體含量，並且可以遙控終止井孔內某一特定井段的生產（當某一井段的產水量過多時採用此方法處理）。

9. 經濟和社會效益評價

多分支水平井鑽井完井技術自從應用到煤層氣開發以來，就以其高產氣量、高採收率、短生產周期的優勢獲得廣泛認同，迅速推廣和應用，不僅產生顯著的經濟效益，更由於其在煤礦區煤層氣抽采方面極高的效率，得到管理部門和企業的高度重視。

一、多分支水平井的技術優勢

（一）欠平衡鑽井極大地保護了儲層

在多分支水平井鑽井完井技術中，既要保護儲層免受傷害，又要嚴格控制井眼軌跡，防止井壁坍塌，因此鑽井液體系的配置和使用十分關鍵。本次利用清水、清水注氣等技術方法，保證了欠平衡鑽井技術的有效實施。

在工程井，一開採用坂土漿鑽井液體系。二開採用低密度聚合物鑽井液體系。三開採用清水＋生物聚合物。三開為防止泥漿對煤層的污染，採用清水鑽進。由於該井為水平分支井，單一地用清水鑽進，不易清除水平井所造成的岩屑床的問題。因此在鑽進過程中採用不定時地用高黏生物聚合物（XC生物聚合物）泥漿清洗井眼的方法，較好地解決了該井的攜帶岩屑清洗井眼、有效解決岩屑床的技術難題，保證了該井三開施工的順利進行。這種XC生物聚合物具有較強的攜帶岩屑、清除水平井岩屑床的功能，降解快，不對煤層造成污染等特點。

（二）有效地增大流體導流能力和抽排面積

多分支水平井在井眼軌跡和長度、分支長度、分支間距等設計中，充分考慮有效的抽排面積，增大流體導流能力。

1.高技術集成彰顯高科技水平

煤層氣多分支水平井鑽井完井技術是現代石油天然氣鑽井完井的尖端技術的集成和優化。它包括中等深度的頂驅鑽機、欠平衡鑽井空壓機和增壓系統、地質導向系統、磁定位和穿針技術，以及一整套高端精密儀器和大型裝備。一部分工具和裝備均是進口的，如頂驅鑽機、大排量空壓機、LWD和EMWD地質導向系統等。通過不同裝備和工具的組合集成，煤層與常規儲層不同，煤層具有松軟、易坍塌、厚度薄、深度淺等特點，因此煤層氣水平井存在井眼穩定性差、井眼坍塌造成埋鑽等工程事故，井軌跡延伸不長，易受泥漿污染，水平鑽井位移大等問題。通過試驗和研究，目前在沁水盆地南部利用多分支水平井鑽井完井技術獲得了初步成功。

2.技術進步提高煤層氣開發效率

煤層氣多分支水平井技術最直接的優點表現在：單井產氣量高、採收率高、生產周期短、井場佔地面積少。

（1）單井產氣量高。初步試驗和排采表明，本項目3號煤層日產氣量可以達到1×10⁴m³以上，潘庄井組平均日產量達到5×10⁴m³，最高日產量為10×10⁴m³。樊庄區內2007年以來新完鑽的多分支水平井，部分井還處在排水降壓期，部分井已開始產氣，多數產氣井還處在產氣提升期，單井日產氣量在1×10⁴m³以下，單井最高日產氣量已突破4×10⁴m³/d。

（2）採收率高。據已實施多分支水平井的煤礦的資料，多分支水平井前3年生產數據，按照100m分支間距布置多分支水平井，2～3年內煤層氣採收率達到約40%～50%，而達到此採收率的話，直井需要開采15～20年。同時根據數值模擬預測，多分支水平井組排采3年時就可達到井間干擾作用，煤層氣採收率達到40%以上，排采5年煤層氣採收率達到55%以上，排采10年煤層氣採收率達到75%。

（3）生產周期短。上述可見，當煤層氣採收率達到40%～50%時，只需3年左右，相比較而言，直井需要開采15～20年。

（4）井場佔地面積少，抽排面積大。多分支水平井井場佔地少，初步估計，與相同抽排面積的直井相比，多分支水平井將少2/3。一個多分支水平井場佔地面積約2400m²，對應抽排面積內布6口直井，6口直井井場佔地面積共需7200m²。一個單翼多分支水平井控制的抽排面積在0.5～0.6km²，如果一個井場設計3～4翼多分支水平井，將控制2～3km²的抽排面積，相當於20～30口300m×300m井距部署的直井抽排面積。

二、工程投資成本測算

（一）多分支水平井和直井工程投資對比

1.水平井鑽井成本結構

以在沁南地區已成功實施的多分支水平井的投資額為基準，同時假設可以在當前的行業支持條件下批量作業。假定在沁水南部地區作業，煤層埋深300～500m，若煤層段內水平進尺數為4000m時，水平井投資1500萬元人民幣左右。以上述假定為前提，針對目前水平井鑽井成本結構的具體分析如下：

（1）征地費。水平井鑽井臨時佔地約10畝，臨時道路佔地5畝。排采直井臨時佔地1.5畝，永久佔地1.5畝（20年）。按征地實際發生費用計算，現階段實施1口多分支水平井臨時佔地及永久征地費用35萬元。

（2）鑽前工程費。包括井位測量、井場平整及道路修建等，因井場所處位置不同，道路與井場修建所涉及的挖方、填方等工程量差別很大。據其平均成本估算，單井水平井鑽前工程費平均達25萬元。

（3）排采直井鑽井工程費。包括鑽井、測井、套管完井及造穴等，直井鑽井工程費平均約65萬元。

（4）水平井鑽井工程。包括水平井鑽井、定向工程、陀螺測量、水平井工具與地質導向、兩井連通等工序，目前工程投資為1280萬元。

（5）保險及稅金。單井保險費預計為40萬元，現階段鑽井工程主要採取總包模式，營業稅金以單井鑽井綜合成本的4.30%計。

根據上述計價標准，現階段1口多分支水平井投資約為1500萬元。表6-19為現階段典型多分支水平井成本結構明細。

表6-19 現階段典型水平井成本結構表

2.水平井成本預測

當前水平井成本較高是緣於多方面因素的，其中原因之一是目前國內沒有煤層氣水平井的專用設備，主要設備都是從石油天然氣行業借用和移植過來的，直接拉升了服務價格。

隨著煤層氣產業的發展和市場規模的不斷擴大，煤層氣多分支水平井技術也日益成熟並趨於完善，其專用設備、工具及專門的工程服務隊伍也會在近期不斷得到優化並穩定發展壯大，水平井工程相應成本將隨之逐漸降低。

如果以上分析成立，且不考慮物價波動因素，3～5年後煤層中水平進尺為4000m時，包括采氣直井在內，水平井投資有可能降至800萬～1000萬元人民幣左右。當水平井鑽井成本降到800萬～1000萬元左右時，預計該成本在相當一段時間內不會發生較大的波動。

（二）水平井與直井綜合採氣成本對比

綜合採氣成本主要包括鑽井成本和地面建設成本，該成本受產能規劃等因素影響較大。潘庄已實施的6口多分支水平井目前產能已達到30×10⁴m³/d。以水平井與垂直井均達到30×10⁴m³/d產能，並配有相應規模的集輸、集氣設施為對比基礎，分析其綜合採氣成本。

1.水平井綜合採氣成本

（1）鑽井投資。表6-20為6口多分支水平井的鑽井投資明細表，達到30×10⁴m³/d產能，水平井鑽井投資額9032.49萬元人民幣。

表6-20 水平井鑽井投資預測表

（2）地面集輸工程。6口水平井的集輸站（1號集輸站），其管線用地及站場用地按臨時征地處理，施工共需臨時佔地100畝，佔地費用約45.0萬元。按照目前6口水平井集輸工程設計，6口井的所有氣量將匯集到1號集輸站，由0.1～0.2MPa增壓到0.7MPa，然後集中外輸到脫水增壓站和附近的LNG/CNG站。根據設備訂購和工程總包合同，地面集輸工程投資約1507.50萬元（表6-21）。

綜上所述：6口水平井日產達到30×10⁴m³/d，並具備外輸能力共需投資人民幣1.05億元，每立方氣綜合採氣成本約為1.06元。

表6-21 6口水平井地面集輸建設投資預測表

2.垂直井綜合採氣成本

垂直井平均日產以3500m³計算，要達到日產30×10⁴m³的規模，需實施垂直井約86口。據中聯端鄭項目地面工程設計，每10口井設一座集氣站，平均6個集氣站設一座增壓氣站。鑒於30×10⁴m³/d的生產規模較小，暫不考慮建設末站。其餘輔助設施，如配電設備、自控設施等均按30×10⁴m³/d相應規模建設。

（1）鑽井投資。根據垂直井建成日產30×10⁴m³產能規模，其鑽井投資額約為9391.20萬元（表6-22）。

表6-22 垂直井鑽井投資預測表

（2）地面配套設施建設投資。因垂直井數較多，配套的站場相對較多，佔地費用較高。一個集氣站需佔地5畝，一個增壓氣站需佔地10畝。管線臨時佔地按1m寬作業帶計算。永久征地費以每畝10萬元計，臨時佔地費以每畝4500元計。垂直井集輸管網分兩種：第一種為集氣管網，即壓氣站之間和壓氣站至末站之間管網。按設計，86口垂直井需建1.5個壓氣站，建設時考慮合並為一座壓氣站集中處理。第二種為集輸管網，即各井至集氣站和集氣站至壓氣站管線。若每口井至集氣站平均管線距離以700m計，86口井共需建設集輸管線約60km。按平均10口垂直井一個集氣站設計，共需集氣站9座。其他配套設施主要包括：輸配電網：平均1口井電網建設約1.3萬元人民幣。電力增容：平均1個站增容投資17.9萬元人民幣。自控系統：只在壓氣站建設，平均投資37.2萬元人民幣。目前暫不考慮建設。表6-22為與86口垂直井配套的地面建設工程投資明細，合計3173.48萬元（表6-23）。

綜上所述，垂直井達到日產30×10⁴m³生產規模，鑽井及其配套地面設施建設共需投資人民幣約1.26億元，每立方米煤層氣綜合採氣成本約為1.27元。按建成日產氣30×10⁴m³，年產能達1×10⁸m³規模計算，垂直井鑽井方案要比水平井鑽井方案預計多投資約0.20億元，其綜合採氣成本相對高出約0.21元/m³。

表6-23 垂直井地面集輸建設投資預測表

三、不同井型的成本核算和經濟性分析

本次示範工程進行了不同井型多分支水平井的試驗，包括工程井和生產井分離的多分支水平井、工程井和生產井合一的多分支水平井、末端對接水平井，這三種井型的多分支水平井工程成本存在差異，同時產量也有所差別。其應用的對象或者說針對不同的地質條件和煤層特徵有所不同。

工程井和生產井分離的多分支水平井，關鍵技術採用國外設備和工具，如DS01和DS02井，工程成本在1606萬～1866萬元；工程井和生產井合一的多分支水平井，主要採用國產設備和國內隊伍，鑽井規模相對較小，如PHH-001、PHH-002井，工程成本在528萬～612萬元。末端對接水平井，主要採用國產設備和國內隊伍，單支水平井，如DS20-1井，工程成本在528萬～612萬元。

從產氣效果分析，到目前為止，地下煤層段分支多、水平分支井長度大，達到較大抽排面積的多分支水平井，產氣量較高，如果通過井組排采，達到區域整體壓降，實現壓力干擾，將會提高煤層氣單井產量，提高煤層氣採收率。DS01-1V單井達到1×10⁴m³以上，潘庄PZP井組單井平均達到5×10⁴m³。工程井和生產井合一的多分支水平井產氣效果與工程井和生產井分離的多分支水平井基本類似，差別在於節省了穿針、鑽生產井等分項工程及其工程費用，但排采過程中修井次數增多，生產維護成本要增加。本次旨在試驗15號煤層產氣潛力，因此產量相對於3號煤層偏低。末端對接水平井從單井規模而言單井產量相對較低，但形成井組後，產量仍然較好。保德項目由4口末端對接水平井組成開發井組，單井產量超過6000m³，顯示了這種完井方式同樣具有良好的生產潛力。

總體而言，井型是根據鑽井的地形、地質和儲層條件進行設計，如何使井型和地形、地質和儲層條件實現優化配置，將是達到工程經濟合理的關鍵。同時，通過設備和工具的國產化，技術隊伍的本土化，將是降低工程成本造價、實現良好經濟效益的必由之路。

四、多分支水平井開發項目經濟效益分析

現以潘庄區塊為例評價水平井開發的投資效益。

（一）潘庄區塊產能規劃及地面建設

1.水平井部署及產能規模

潘庄區塊面積為150.77km²，是目前國內煤層氣勘探開發最活躍的區域，除礦井採煤區、煤層氣開發試驗區、自然保護區、資源與地表條件不適區，選擇有利區域進行開發井部署。3號煤層可布置62口直井與98口多分支水平井，15號煤層可布置91口多分支水平井，產能規劃為5×10⁸m³/a（表6-24）。

表6-24 區塊鑽井計劃表

2.地面設施建設

根據產能規劃及布井安排，建設相配套的地面集輸設施。水平井地面設施包括排采設備、集輸管網（集氣管線、集氣支線和集氣干線）、集氣站、脫水增壓站、指揮中心及通訊、配電、道路等設施。地面建設預算詳見表6-25。

表6-25 地面建設預算價格表

（二）水平井開發總體投資分析

按照上述的產能與地面設施建設規劃，在潘庄區塊內以水平井技術開發建設5×10⁸m³/a產能，包括鑽井工程、地面設施建設及不可預見費，總體投資預測約16.68億元人民幣（表6-26）。

表6-26 水平井技術開發方案建成年產能5×10⁸m³的投資預測總表

備註：多分支水平井單井投資第一年按1500萬元/井、第二、三年按1200萬元/井、第四年及以後按800萬元/井進行測算。

（三）水平井運營成本分析

（1）人員費用。包括集氣站、脫水增壓站排采人員以及管理人員費用。集氣站平均每站按8人定員，脫水增壓站按12人定員，排采人員按每人負責3口排采井，並按3班編制測算，管理人員則按17人編制。工人工資加福利平均以每月3000元計，管理人員工資加福利平均每月8000元。

（2）修井費用。平均1口井1年修井1.5次，每次修井費用2萬元。

（3）電費。用電負荷為單井負荷10kW；集氣站按平均運行3台壓縮機設計，每台功率280kW；脫水增壓站包括大型壓縮機，負荷按5000kW計算；指揮中心負荷按680kW計算。

（4）水費。以3萬元/a估算。

（5）維修費用。在設備全部投入運營後，以30萬元/月估算。

（6）環保費用。水平井單井環保投資平均1萬元/月。

綜上所述，項目運行20年，年平均作業費約為6456萬元人民幣（表6-27）。

表6-27 項目年平均作業費用預算表

（四）項目運行20年後續投資及投資回報分析

1.後續投資情況分析

如按3年達產，項目運行20年計算，從第四年開始，共需補打水平井108口，以維持5×10⁸m³產能至第十年。同時需同步建設相應的地面配套集輸設施，預計項目後續投資約為18.77億元人民幣，項目總體投資為35.45億元人民幣。

2.投資回報分析

通過分析，水平井技術開發煤層氣，其財務內部收益率達到29.86%（表6-28），投資回收期5.50年，兩項評價指標優越性明顯。

表6-28 水平井技術開發投資分析表

五、社會效益

多分支水平井鑽井完井技術除了顯著的經濟效益之外，社會效益也十分明顯。表現在節省井場用地和減少征地，同時實現環境保護；煤礦區煤層氣快速抽采，實現煤礦安全生產目標。

與相同抽排面積的直井相比，多分支水平井將少2/3井場佔地。一個多分支水平井井場佔地面積約2400m²；對應抽排面積內布6口直井，6口直井井場佔地面積共需7200m²。

多分支水平井由於井場佔地少，特別適合高差大、地形復雜的山地，適合森林保護區等林區。一方面在復雜的山區，減少道路、井場等征地面積，另一方面積極保護了林區森林植被的砍伐，保護山體、土壤的剝離，使得植被、山體、土壤等環境得到最大的保護。

煤礦生產安全是目前企業和國家的頭等大事。利用多分支水平井技術使煤礦井下煤層氣實現快速抽采，經過4～5年的抽采，煤層氣採收率可以達到60%～70%左右，在採煤前降低煤層含氣量，節省煤礦建設和煤炭生產過程中通風系統和抽放系統投資，減少煤礦瓦斯災害，保障煤礦安全生產，其社會效益不可估量。

10. 水平連通井關鍵技術及在三交地區的應用

鄧鈞耀 鮮保安

作者簡介:鄧鈞耀,1984年生,男,工程師,碩士研究生,2010年畢業於西南石油大學石油工程專業,現在中聯煤層氣國家工程研究中心鑽井完井所從事煤層氣鑽完井技術研究與管理工作。地址:北京市海淀區環保科技示範園地錦路7號院1號樓,郵編:100095。電話:18791328408,電子郵箱:[email protected]

(中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司 北京 100095)

摘要:我國大多數煤儲層具有「低孔」、「低滲」、「低壓」的特性。這種「三低」特性是導致我國的煤層氣井「低產」且「不穩定」的主要因素之一。水平連通井能最大程度穿越煤層割理裂隙系統、溝通煤層裂隙通道以提高滲透率;擴大煤層降壓范圍、降低煤層水排出時的摩阻、從而大幅度提高單井產量和採收率,以達到產能最大化的目的。文章從三交地區的地質情況出發,分析了洞穴完井的工藝條件及在該區塊實施水平連通井的可行性;闡述了施工水平連通井所採用的井身結構設計、造穴技術、水平連通等關鍵技術;介紹了在該區實施水平連通井的具體情況以及實施過程中復雜情況的應對措施;提出了一套鑽井液優化設計與維護措施;並對今後在該區實施水平連通井提出了建議。水平連通井技術的應用,不僅可以保護煤層原生結構及煤儲層,而且能為之後的分級壓裂作充分准備,具有重要的經濟意義。

關鍵詞:煤層氣 水平連通井 三交地區 造穴技術 井眼軌跡

The key Technology of Horizontal Connected Wells and Application in the Sanjian Area

DENG Yunyao XIAN Baoan

(China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Co., Ltd, Beijing 100095, China)

Abstract: Most coal reservoirs in China have 「low porosity」、 「low permeability」 and 「low pressure」 fea- tures.This 「three lows」 features are one of the main factor s of 「low yield」 and 「unstable 「 in the China's coal- bed methane wells.Horizontal Connected wells can communicate seam fracture in order to enhance permeability; Enlarging the range of pressure dropping of coal reservoir.Recing the friction when water discharge out of the coal reservoir in order that improving the yield of per well and recovery ratio, achieving the purpose of maximizing proctivity finally.This thesis start with the geological situation in sanjiao area, analysising the technology condi- tions of the well caving completion and implementing horizontal connected drilling's feasibility; Describing casing program design、 well caving completion technology and horizontal connection technology; Introcing concrete circumstances in Sanjiao area and complex situation's measures.Proposing a set of optimal design and maintenance measures of drilling fluid.Giving recommendations in the area implementing horizontal connected wells.The appli- cation of horizontal connected technology not only can protect the primary structure and coal seam reservoir but also be ready for the preparing of classification in the future.Those has important economic significance.

Keywords: CBM; horizontal connected well; Sanjiao area; caving technology; well trajectory

引言

煤層氣水平井與常規油氣水平井最大不同之處在於一般不單獨施工水平井,而是與預先鑽好的直井相連通。水平井產氣,直井排采。採用水平井開採煤層氣可有效增加供給范圍,增大導流能力,從而提高單井產量。連通水平井技術最早用於救援井施工,當一口井發生井噴或失火時,在距該井一定距離處,鑽一口井與其連通,通過注入高密度鑽井液壓井或採取其他措施來處理井下事故。但其特殊工藝也給施工水平井增加了技術難度。目前國外在煤層中鑽水平連通井的技術已日臻完善,但國內相關工作起步較晚,許多理論與關鍵技術仍有待進一步提高。

1 概述

三交地區地處鄂爾多斯盆地東部邊緣。該地區從構造上講呈南北條帶狀展布,屬於呂梁山復背斜西翼的一部分;總體構造形態表現為西傾的單斜構造,構造較為簡單。總體而言,構造特點對煤層氣的生成和賦存條件是有利的。

三交地區各類岩層均有局部出露,第四系廣泛遍布於山樑和溝谷中。據鑽探揭露地層由老至新依次為:奧陶系中統馬家溝組、峰峰組;石炭繫上統本溪組;二疊系下統太原組、山西組、下石盒子組,上石盒子組、石千峰組;三疊系下統劉家溝組、和尚溝組、中統二馬營組;以及新生界第三繫上新統保德組、第四系中更新統離石組、上更新統馬蘭組和全新統。

從分布於全區的煤層氣及煤炭鑽井資料來看,主力煤層廣泛發育且分布穩定。根據區內煤炭鑽孔及煤層氣鑽孔資料統計數據:主要目的煤層為4+5號、8+9號煤層。從平面分布上看,4/5號煤整體西厚東薄,厚度2.5~10.1m;埋深在300~550m。8/9號煤層分布穩定、厚度較大,埋深一般在300~850m。據取自區內多口探井中的兩百餘個樣品測試表明:4/5號煤層噸煤含氣量一般為6~12m³,最大達18m³,平均為8.48m³;8/9號煤層噸煤含氣量一般為10~16m³,最大達23m³。

2 實施「U」型水平連通井的優點與難點

與直井相比,「U」型水平連通井能擴大煤層氣供給范圍,提高導流能力,增大解吸波及面積,因而可大幅提高單井產量。對兩連通井眼循環洗井,可有效解除井眼可能發生的堵塞;同時水平段沿儲層下傾方向鑽進利於控制井眼軌跡^[1]。

但該區塊部分井所鑽遇的第四系地層為流砂層;太原組易水侵、易漏失;局部煤層為塊狀碎裂煤、裂縫較發育、且含有1~2層較薄碳質泥岩夾矸。上述特點導致在該區塊施工連通水平井存在如下難題:

(1)井眼軌跡控制方面。水平連通井井淺、造斜率高、造斜井段軌跡控制精度要求高。這對造斜及兩井水平連通的工具和儀器精度將提出更高要求。

(2)井眼穩定方面。由於煤層本身膠結疏鬆、質脆,存在著互相垂直的天然裂縫;加之進入煤層段鑽進時採用清水或低固相鑽井液對煤層抑制能力差,因此常會引起煤層坍塌、卡鑽甚至井眼報廢等復雜情況的發生。

(3)儲層保護方面。一方面由於煤儲層自身的特性(如吸附能力、應力敏感性、速敏性、水敏性等)決定了煤層易受損害。二是由於煤儲層的壓力低,鑽井液中的固相顆粒在液柱壓差作用下易於進入煤層孔隙和裂縫,造成煤層損害。

3 關鍵技術研究

3.1 井身結構設計技術

三交地區的直井採用常規井身結構。但與常規油氣井井身結構設計所不同的是「U」型水平連通井需考慮直井與水平井的連通、後期的排水采氣、煤層段井壁穩定及水平井煤層井段下套管固井等因素:

(1)在連通井井段造洞穴,須在井底留足口袋。以不揭開下部含水層的原則下應考慮增大口袋留深。

(2)著眼於排采考慮,煤層上部出水量大的層位必須用套管封堵。

(3)需將井壁穩定性及儀器設備的配套性納入水平井段井眼大小的考慮范圍中,通常優先考慮小尺寸井眼。

結合上述因素,研究確定三交區塊水平連通井的井身採用三級結構:水平段採用φ120.65mm井眼。具體結構為:φ311.1mm井眼×φ244.5mm表層套管+φ215.9mm井眼×φ139.7mm技術套管+φ120.65mm水平井眼。

3.2 井眼軌跡設計與控制技術

1.井眼軌跡設計

根據煤層氣水平井的特點,井眼軌跡設計要著重考慮以下兩方面因素^[2]:

(1)井眼軌跡控制。由於煤層氣井埋藏較淺,兩井連通前可供控制的井段較短,因此,設計的井眼軌跡應有利於控制,保證兩井准確連通。

(2)水平井段加壓。煤層氣水平段鑽柱提供的鑽壓有限,特別是在水平井段滑動鑽進時加壓更加困難。所設計的水平井井眼軌道應採用「直—增—穩—增—水平」五段制軌道。盡可能保證設計出的井眼軌跡光滑,最大限度減少摩阻。

2.井眼軌跡控制

(1)直井段。控制井斜,為下部井段施工創造條件。可選塔式鑽具組合。

(2)造斜段。確保工具的造斜率達到設計要求,保證井眼軌跡在煤層中准確著陸。採用「導向馬達+MWD」的常用定向鑽具組合。

(3)水平段。重點確保井眼軌跡在目的層的穿透率。可採用「單彎螺桿鑽具+LWD」的地質導向鑽具組合。

(4)連通段。一是保證在連通儀器探測距離范圍之外的井段方位偏差不大;二是要准確判斷距直井20m以內的井底方位。

3.3 鑽井液體系設計

針對三交地區地層的特點,優選出相適應的鑽井液體系方案如下:

(1)一開設計為低固相坂土鑽井液。性能以防垮、防漏為主。

(2)二開直井段鑽進:根據鑽井設計預測的井下地層復雜情況,採用聚合物鑽井液。視井下情況,加入一定量的膨潤土控制濾失,用CMC輔助增粘、降失水,用腐殖酸鉀防止泥岩因水化膨脹而產生坍塌和掉塊。

(3)二開定向段鑽進:採用低固相聚合物鑽井液,鑽井液的附加系數0.05~0.10g/cm³,盡可能取小值,鑽井液密度控制在1.10g/cm³左右,以保護目的煤層。

(4)三開前配鑽井液體系:清水+生物聚合物鑽井液。在水平井段用清水鑽進中岩屑若不能完全有效清除,會在井筒內形成岩屑床而造成泵壓升高、摩阻增大,嚴重影響井下安全和施工進度。鑽進中不定時泵入高粘XG(生物聚合物)溶液,提高鑽井液懸浮攜砂能力以解決岩屑堆積形成的岩屑床問題^[3]。

4 煤層造穴及兩井連通工藝技術

4.1 造穴工藝應具備的條件

(1)較好的儲層條件。要求含氣量最好大於10m³/t,滲透率相對較高。

(2)較好的圍岩特徵。煤層頂、底板封閉性好、機械強度高、不能有斷層或漏失層段。

(3)煤層厚度較大,主要為塊煤,無夾矸。

(4)井壁穩定,區域地層相對穩定。

4.2 造穴工藝技術原理

在實際應用中煤層造穴工藝主要具有如下特徵^[4]:

(1)實際洞穴有效直徑。實際洞穴的有效直徑工程上通過返出的煤、岩屑的體積計算得出。實際上有效井徑形狀不規則、表面參差不齊的特點也增大了煤層的裸露面積。

(2)在井筒周圍形成一定范圍的破碎帶。使洞穴以外的煤層在造穴後發生張性和剪切破裂,形成更大范圍的破碎帶。它們能溝通處於煤層內封閉或半封閉狀態下的原始微裂縫,提高煤層滲透率。

(3)保護煤層原生結構。採用空氣加清水通過瞬間釋放壓力的方法造穴,可有效保護煤層原生結構,避免常規泥漿鑽井、固井、壓裂等對煤層的破壞。

將圖1所示的切削玻璃鋼套管用的割刀裝在圖2造穴鑽頭的孔內,安裝好後進行調試。調試完成後下入鑽頭到玻璃鋼套管頂端,下入鑽頭的整個過程中刮刀始終處於造穴鑽頭孔內;在鑽井液沖擊下刮刀自動張開,在方鑽桿的帶動下,鑽頭在玻璃鋼套管內作圓周運動,完成對玻璃鋼套管的切削。完成對玻璃鋼套管切削後就可以對裸露的煤層進行擴孔,該過程與上述對玻璃鋼套管的切削過程大致相同。將圖3所示的擴孔刮刀置於圖4所示的擴孔鑽頭內,在鑽桿的帶動下即可對煤層擴孔。擴孔刮刀長度一般約為25~30cm,因而用它所完成的煤層洞穴直徑一般在50~60cm左右。

4.3 兩井連通技術

兩井連通採用近鑽頭電磁測距法(RMRS技術)。鑽具組合為:鑽頭+永磁短節+馬達+無磁鑽鋌+隨鑽測斜儀+鑽桿^[5]。采氣的直井先於水平井施工,並在煤層段造穴,以便水平井眼順利穿過。但由於直井軌跡的漂移、裸眼洞穴直徑的限制及受造斜段隨鑽監測精度的影響,兩井連通是一個較大的難題。因此,在兩井連通前必須做到以下兩點:(1)對直井進行多點測量或陀螺測量,確切搞清裸眼洞穴點的坐標和井深位置;(2)在裸眼洞穴以下井段打水泥塞,將裸眼洞穴下部井眼封住,再進行連通工作。這樣鑽頭通過裸眼洞穴時就不會因重力而進入下部井眼,可以避免發生復雜情況^[6]。

圖1 切削玻璃鋼套管用的割刀

圖2 造穴鑽頭

圖3 用於擴孔的刀片

圖4 擴孔用的鑽頭

圖5 兩井連通示意圖

連通過程中,在直井中下入探管,鑽頭處連接一個永磁短節。根據採集的測點數據判斷出當前的井眼位置,預測鑽頭處方位的變化;通過調整工具面,及時糾正井眼方向至洞穴中心位置^[7]。接近洞穴時,運用專用軌跡計算軟體准確判斷水平井與洞穴中心的距離,實時、連續監測鑽頭位置,確保連通的成功率,如圖5所示。

5 井壁穩定控制技術

井壁穩定技術是煤層氣井鑽水平井段急需解決的關鍵問題之一,它是兩井能否實現順利連通的前提^[8]。它包括:

(1)盡量採用結構簡單的鑽具組合以減小煤層井壁碰撞和起下鑽時掛拉;

(2)造斜點以下地層和煤層段全部採用井下動力鑽具。鑽柱不旋轉,相對而言工作較平穩,有利於保持煤層井壁穩定;

(3)盡量縮短煤層水平段鑽井時間,減少鑽井液對煤層的浸泡時間;

(4)盡可能使井眼軌跡位於相對穩定的塊狀煤體中。

實際工作中主要從優化井身結構設計、合理控制鑽井液密度和穩定井眼的工程技術措施來實現^[9]。

(1)優化井身結構設計。重點考慮井下安全,兼顧避免對煤儲層造成傷害。

(2)合理控制鑽井液體系。鑽井液密度過低,會引起煤岩構造應力釋放,使煤層沿節理或裂縫斷裂、坍塌。鑽井液密度過高,在壓差作用下鑽井液進入煤層會撐開煤層裂隙結構,使煤層中侵入固相顆粒^[10]。根據三交地區煤層氣鑽井實踐,以清水為介質配合欠平衡技術鑽進水平段煤層。為提高井底的凈化效果、增強攜岩性和防塌性能,可根據返屑情況加入羧甲基纖維素CMC。

6 現場應用

2009年中石油在三交地區施工了一口水平連通井。該井於2009年7月11日開鑽,10月7日完鑽,歷時89天。採用了煤層造洞穴、注氣欠平衡鑽井、兩井連通、隨鑽地質導向等先進技術。

6.1 井身結構

如圖6所示。

6.2 鑽具組合

1.一開鑽進

φ311.1mm³A鑽頭*0.30m+630×4A10接頭*0.46m+φ159mmDC*46.92m+4A11×410接頭*0.43m+方鑽桿。

2.二開直井鑽進

φ215.9mm³A鑽頭*0.25m+430×4A10×*0.30m+φ159mmDC*81.68m+4A11×410*0.38m+φ127mmDP*213.86m+方鑽桿。

3.二開定向鑽進

215.9mm³A鑽頭*0.25m+φ172mm螺桿*7.60m+φ165mm短無磁*1.60m+φ165mm定向接頭*1.43m+φ159mm無磁鑽鋌*9.11m+φ127mm無磁承壓*9.05m+φ127mmDP*482.49m+方鑽桿。

4.連通

φ120.65PDC*0.18m+φ95mmRMRS*0.41m+φ95mmMotor*3.78+φ95mmF/V*

6.3 鑽井液體系及維護

根據該井鑽井設計的井身結構、施工進度安排,結合鑽井的目的,一開、二開鑽進中著力對鑽井液做好以下幾方面的准備及維護(如表1)^[11]:

圖6 井身結構示意圖

表1 三交地區某井一、二開鑽井液性能表

(1)一開用坂土漿鑽井液施工,CMC增粘、降失水。粘度30~37MPa·s。

(2)二開鑽完水泥塞後,置換被污染的鑽井液,用水基膨潤土鑽井液開鑽施工,鑽井液用CMC輔助提粘、降失水,用NPAN降粘控制流變性。

(3)正常鑽進,可視井下情況,加入一定量的膨潤土形成緻密濾餅控制失水;在定向段鑽進時,用高密度低固相鑽井液,盡可能實現近平衡鑽井;控制鑽井液上返流速;用CMC維持粘度,NaOH控制濾失、調整流變性,防止泥岩地層水化分散而造成鑽井井壁坍塌、縮徑。

(4)為盡可能減小對煤層的損害,要嚴格控制鑽井液密度、濾失量,少加高分子處理劑。

6.4 應用效果

該井一開鑽至49.83m,下入Φ244.5m表層套管。二開鑽至518m完鑽。煤層段為448.38~453.73m,於井段445.87~454.10m下入8.23m長的玻璃鋼套管,於449~453m使用直徑為600mm的割刀對煤層段造穴4.00m。該井的水平井一開井深58.38m,二開鑽至521m,技術套管下深519.47m。水平井距直井洞穴水平位移198.33m。兩井連通垂深451.14m。全井施工順利,井下安全無事故,為後期排采提供了良好的井眼。

根據該井直井排采數據顯示:該井自2010年2月9日至2010年4月20日連續69天穩產在1萬方以上,最高日產氣量超過1.5萬方,排采效果良好。

7 結論與建議

(1)隨著能源需求的日益增長和煤層氣工業的發展,水平連通井將成為煤層氣開採的重要手段之一。但針對不同地區不同儲層的適應性問題尚需進一步論證。

(2)優化井身剖面可以降低井眼軌跡控制的難度;著陸控制和水平控制是水平井井眼軌跡控制的關鍵技術;而工具造斜率的確定、閉合方位控制、矢量進靶、動態監控等則是水平井井眼軌跡控制的重要手段。

(3)軌跡控制和優化鑽井液體系是成功實施水平連通井的關鍵。隨鑽地質導向、兩井連通技術及針對鑽遇地層和相應井段特點優選出的鑽井液體系為三交地區「U」型水平連通井的實施奠定了基礎。而電磁波無線隨鑽測量系統、低轉速高扭矩馬達、強磁導向系統等先進工具儀器則為三交地區「U」型水平連通井的實施提供了保障。

(4)水平段採用清水或低固相鑽井液鑽進能起到良好的儲層保護效果,但不利於井眼穩定。建議今後在該區塊嘗試採用空氣、泡沫等進行欠平衡鑽井,在提高鑽井速度的同時達到儲層保護的目的。

(5)三交地區的「U」型水平連通井普遍採用裸眼完井,後期排采表明部分井眼存在堵塞現象。建議今後在該區塊實施水平連通井時下入PVC連續篩管完井。

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