摘 要

摘　要：多分支水平井是目前煤層氣開發(fā)的主要井型之一，傳統(tǒng)的煤層氣多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤層，其結(jié)果可能是煤層垮塌，進(jìn)尺達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，主支不可監(jiān)測(cè)、不可重

摘　要：多分支水平井是目前煤層氣開發(fā)的主要井型之一，傳統(tǒng)的煤層氣多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤層，其結(jié)果可能是煤層垮塌，進(jìn)尺達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，主支不可監(jiān)測(cè)、不可重入、不可沖洗。為此，提出了“主支疏通、分支控面、脈支增產(chǎn)”的仿樹形水平井設(shè)計(jì)理念，將多分支水平井的主支建在穩(wěn)定的煤層頂板或底板上，分支由主支側(cè)鉆進(jìn)入煤層，再從分支側(cè)鉆若干脈支。一個(gè)主支與若干分支以及每個(gè)分支上的若干脈支，構(gòu)成了主支長期穩(wěn)定并可監(jiān)測(cè)和重入維護(hù)的仿樹形多分支水平井。已在山西沁水盆地成功鉆成了該類井型，試驗(yàn)井ZSl平-5H井主支全部在煤層頂板泥巖內(nèi)，該井順利完成l個(gè)主支、l3個(gè)分支、26個(gè)脈支的鉆進(jìn)工作，總進(jìn)尺12288m，見煤后總進(jìn)尺9512m，純煤進(jìn)尺9408m，實(shí)現(xiàn)了單井萬米進(jìn)尺無事故，并成功實(shí)現(xiàn)了主支洗井，為我國煤層氣高效開發(fā)提供了一種新的井型。

關(guān)鍵詞：煤層氣  仿樹形水平井  頂?shù)装?span lang="EN-US">  主支  分支  脈支  沁水盆地

A new attempt of a CBM tree-like horizontal well：A pilot case of Well ZS1P-5H in the Qinshui Basin

Abstract：A multi branch horizontal well is one of the main well types employed in the combed methane(CBM)development at present．In a traditional CBM multi branch horizontal well，either a trunk or branches will go crossing through coal beds to the largest degree．which eventually results in bed collapse，footage failing to meet the design requirement，and the trunk unavailable to be monitored．reentered and flushed．Therefore，this paper first puts forward an idea of“a trunk to provide a passageway，boughs(secondary branches)to control the gas production area．and twigs(small branches)to increase the gas output”for the design of a CBM tree-like horizontal well．In the drilling of this type of wells，the trunk is usually drilled on the stable roof or floor of a coal bed，boughs were drilled from the trunk into coal beds，and a quantity of twigs were drilled from boughs．Each tree-like horizontal well is composed of one trunk，some boughs and some twigs，making the trunk available to long-term stabilization，monitoring and reentry．The Well ZS1P-5H consisting of one main trunk，l3 boughs，and 26 twigs was successfully drilled in the Qinshui Basin，China，with the total drilling footage of 12，288m，the total footage of 9，512m right before targeting the first coal bed，and the net footage of 9,408m through all coal beds．Moreover，the trunk of this well was smoothly flushed．This tree-like well is a successful case of incident-free single well drilling with footage of over 10，000m and serves as a new well type for efficient CBM development in China．

Keywords：CBM，tree-like horizontal well，coal bed，roof and floor，trunk，bough，twig，Qinshui Basin

多分支水平井技術(shù)應(yīng)用于煤層氣始于20世紀(jì)初，美國CDX公司在試驗(yàn)成功后迅速在美國和其他國家推廣應(yīng)用。2004年，我國正式開始引進(jìn)煤層氣多分支水平井技術(shù)以后，中國石油天然氣股份有限公司、中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司等多家單位在沁水盆地、韓城區(qū)塊、保德區(qū)塊等地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，并在沁水盆地南部地區(qū)取得了較高的鉆井成功率^[1-3]。但由于我國的含煤盆地具有復(fù)雜的演化史和變形史^[4-5]，傳統(tǒng)的煤層氣多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤層，有可能出現(xiàn)垮塌復(fù)雜即完鉆。因此是一種被動(dòng)防塌。其結(jié)果是煤層進(jìn)尺達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，主支不可監(jiān)測(cè)、不可重入、不可沖洗，因而不完全適用于我國煤層氣開發(fā)。因此亟待研發(fā)適應(yīng)我國煤層特點(diǎn)的水平井新井型。

1　技術(shù)現(xiàn)狀與難點(diǎn)

傳統(tǒng)的煤層氣多分支水平井大多是由1口工藝井(多分支水平井)與l口排采井構(gòu)成的1個(gè)井組^[6-7]。工藝井在進(jìn)入煤層前造斜，在煤層內(nèi)與排采井洞穴連通，并在煤層內(nèi)延伸至設(shè)計(jì)長度，在水平段兩側(cè)鉆若干分支(圖1)；或工藝井與排采井洞穴連通后，分成兩個(gè)主支，兩個(gè)主支間夾角10°～15°，在每l主支井眼上再鉆3～4個(gè)分支，分支與主支夾角一般為20°～45°(圖2)。

 

 

上述的這種多分支水平井，其主支、分支以及工藝井與排采井連通的洞穴均在煤層中，在我國煤層氣開發(fā)中存在的主要問題有：

1)由于我國煤層的不穩(wěn)定特性^[8-9]，導(dǎo)致鉆井事故頻繁，建井周期長，鉆井成本高。特別是，當(dāng)主支井眼發(fā)生坍塌時(shí)，鉆井不得不提前完鉆，坍塌點(diǎn)以后的所有進(jìn)尺成為無效進(jìn)尺，如果坍塌點(diǎn)在排采井附近，整口井將失去排采通道。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，華北油田在沁水盆地已完成的水平井中由于煤層垮塌發(fā)生卡鉆事故的井?dāng)?shù)占39.3％，煤層進(jìn)尺不足3500m(一般設(shè)計(jì)進(jìn)尺不少于4500m)的井?dāng)?shù)占38％。

2)在實(shí)鉆過程中一旦遇到煤層傾角局部發(fā)生變化時(shí)，往往會(huì)鉆遇煤層頂板或底板。為確保高的煤層鉆遇率，當(dāng)鉆遇煤層頂板時(shí)，就要降斜進(jìn)入煤層；當(dāng)鉆遇煤層底板時(shí)，就要增斜進(jìn)入煤層。從而造成實(shí)鉆井眼軌跡呈“波浪狀”起伏：”^[10-111]。這種“波浪狀”井眼在排水降壓采氣過程中，以滑動(dòng)、滾動(dòng)、跳躍等方式搬運(yùn)的較大煤灰顆粒就會(huì)在波谷處滯留，不斷積聚，進(jìn)而堵塞井眼，形成殘留水塞過濾效應(yīng)，最終導(dǎo)致煤層氣多分支水平井產(chǎn)量降低。

3)生產(chǎn)過程中，井眼坍塌堵塞產(chǎn)氣通道，且無法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，更沒辦法重入管柱進(jìn)行維護(hù)作業(yè)。

4)現(xiàn)有多分支水平井的排采井在煤層中造洞穴^[2-14]，方便了水平井與排采井的連通，但在后續(xù)抽排中易出現(xiàn)洞穴垮塌，或者井眼部分錯(cuò)位，導(dǎo)致排采設(shè)備難以入位。

5)由于煤層漏失壓力小、易垮塌，造成現(xiàn)有多分支水平井完鉆后或排采生產(chǎn)過程中洗井困難。

2　煤層氣仿樹形水平井設(shè)計(jì)技術(shù)

2．1　煤層氣仿樹形水平井的成井理念

傳統(tǒng)的煤層氣多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤層，出現(xiàn)垮塌復(fù)雜即完鉆。因此是一種被動(dòng)防塌。其結(jié)果是煤層進(jìn)尺達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，主支不可監(jiān)測(cè)、不可重入、不可沖洗。為變被動(dòng)防塌為主動(dòng)防塌，確保主支通道穩(wěn)定，提出了“主支疏通、分支控面、脈支增產(chǎn)”的仿樹形水平井設(shè)計(jì)理念。即，仿樹形水平井由主支、分支、脈支組成，主支是“樹干”，是匯聚各分支、脈支產(chǎn)氣的主通道，要求穩(wěn)定疏通；分支是“樹枝”，是各脈支產(chǎn)氣進(jìn)入主支的連通通道，通過分支的延伸控制產(chǎn)氣解析面積；脈支是“樹葉”，若干脈支在煤層內(nèi)造孔，是煤層氣解析的主要來源。在此成井理念的指導(dǎo)下，將多分支水平井的主支建在穩(wěn)定的煤層頂板或底板上，分支由主文側(cè)鉆進(jìn)入煤層，再從分支側(cè)鉆若干脈支。一個(gè)主支與若干分支以及每個(gè)分支上的若干脈支，構(gòu)成了主支長期穩(wěn)定并可監(jiān)測(cè)和重入維護(hù)的仿樹形多分支水平井排采系統(tǒng)(圖3)。

 

2．2　煤層氣仿樹形水平井設(shè)計(jì)技術(shù)

2．2．1煤層氣仿樹形水平井的組成

1口煤層氣仿樹形水平井由1口工藝井(即多分支水平井)和2口排采井組成(圖4)，其中，遠(yuǎn)端排采井也可作為監(jiān)測(cè)井。工藝井分別與兩口排采井連通，連通位置置于穩(wěn)定的煤層頂板(或底板)，工藝井的主支在穩(wěn)定的煤層頂板(或底板)沿上傾方向鉆進(jìn)，形成穩(wěn)定的排采通道；工藝井水平段由主支、分支、脈支構(gòu)成。該仿樹形水平井主要適用于有穩(wěn)定頂板(或底板)巖層的單斜煤層。

 

2．2．2煤層氣仿樹形水平井設(shè)計(jì)技術(shù)

1)工藝井的直井段位于煤層的低部位，主支在穩(wěn)定的頂板或底板巖層(圖5、6)，沿煤層上傾方向鉆進(jìn)，井斜角大于90°，距離煤層保持盡可能小的距離，但不觸煤。水平段長度一般不小于800m，與兩口排采井均在頂板(或底板)巖層中連通。建在煤層頂板或底板內(nèi)的主支，提供了穩(wěn)定的排水、疏灰、采氣通道；產(chǎn)狀上傾，有利于排水；不觸煤，有利于穩(wěn)定。

 

 

2)在主支兩側(cè)鉆若干分支(一般6～12個(gè))，分支沿地層上傾方向側(cè)鉆進(jìn)入煤層，井斜角保持不小于90°，在煤層內(nèi)保持平緩上傾延伸，盡可能鉆長，以滿足多鉆脈支的需要，分支長度一般不小于200m，同側(cè)分支側(cè)鉆點(diǎn)間距l00～200m，異側(cè)分支側(cè)鉆點(diǎn)間距50～100m。分支通過在主支兩側(cè)的延伸控制著仿樹形水平井在煤層中的展布形態(tài)和產(chǎn)氣解析面積。

3)在每個(gè)分支上側(cè)鉆若干脈支(一般3～8個(gè))，脈支在煤層內(nèi)，以溝通煤層內(nèi)裂隙為主要目的，不出煤層，長度一般50～400m，不求長，但數(shù)量盡可能多，以增大煤層氣解析面積(圖5)。

4)排采井洞穴的主要作用，一是方便工藝井與排采井連通，二是排采時(shí)氣、液、固的分離腔。為確保洞穴長期穩(wěn)定，將排采井洞穴建在穩(wěn)定的頂板(或底板)，排采洞穴應(yīng)處于水平井軌跡的低部位，便于主、分支順“勢(shì)”排水，便于氣、液、固三相分離，同時(shí)當(dāng)井眼有垮塌物時(shí)，流水可將其搬運(yùn)到洞穴處，保證井眼暢通。

2．2．3煤層氣仿樹形水平井的主要特點(diǎn)

煤層氣仿樹形水平井將主支建在穩(wěn)定的煤層頂板(或底板)內(nèi)，與其連通的排采井一起，組成“主史疏通、分支控面、脈支增產(chǎn)”的排采系統(tǒng)，有效解決了傳統(tǒng)的煤層氣多分支水平井在我國煤層氣開發(fā)中存在的技術(shù)問題。主要特點(diǎn)是：

1)主支井眼形成穩(wěn)定的排水、疏灰通道，井眼軌跡平緩上傾，有利于水、灰進(jìn)入排采井洞穴。

2)分支沿地層產(chǎn)狀上傾方向側(cè)鉆進(jìn)入煤層，保持平緩上傾，不追求煤層鉆遇率，但盡可能伸長以滿足多鉆脈支的需要。

3)脈支是該系統(tǒng)產(chǎn)氣的主要來源，鉆穿煤層內(nèi)夾矸層，以溝通煤層內(nèi)裂隙為主要目的，不要求長度，但其數(shù)量盡可能多，以增大泄氣通道。

4)仿生水平井的主支與兩口排采井構(gòu)成“山”形，可監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程中主支暢通情況。

5)仿生水平井完鉆后可實(shí)施洗井作業(yè)。

6)成井或成井后當(dāng)主支某部位有堵塞時(shí)，可重入鉆柱實(shí)施維護(hù)作業(yè)。

3　現(xiàn)場試驗(yàn)

ZSl平-5H井是中國石油華北油田公司在山西沁水盆地的第1口煤層氣仿樹形水平井先導(dǎo)試驗(yàn)。由1口工藝井(ZSl平-5H井)和1口排采直井(ZSl平-5H井)、1口監(jiān)測(cè)井(ZSl平-5H井)組成(圖7)，工藝井主支設(shè)置在煤層頂板泥巖中，距煤層頂部保持適當(dāng)距離(一般控制在0.5～3m)，不觸媒；排采井、監(jiān)測(cè)井在煤層頂板造洞穴，洞穴底部距離煤層1m，直徑0.6m，高度6m。

 

工藝井于2012年10月用Æ444.5mm鉆頭開鉆，鉆進(jìn)至57m完鉆，Æ406.4mm表層套管下至深度56.7m，固井，水泥返出地面。

2012年11月用374.6mm鉆頭第二次開鉆，在井深385m開始造斜，鉆進(jìn)至1067m完鉆。技術(shù)套管下至1065.31m，固井結(jié)束后，冬休。

2013年2月27日使用Æ152.4mm鉆頭第三次開鉆，2月28日鉆至井深1144m處鉆壓突然下降，井口鉆井液短暫停止返出，漏失鉆井液2m³，排采直井井口返出清水，證明工藝井與排采直井已經(jīng)連通。2013年3月8日下入連通鉆具實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)井一次性連通，連通點(diǎn)井深1646m。之后由主支沿上傾方向鉆分支進(jìn)入煤層，并在分支上側(cè)鉆脈支。該井順利完成1個(gè)主支，l3個(gè)分支，26個(gè)脈支的鉆進(jìn)工作，于2013年5月20日完鉆，總進(jìn)尺為l2288m，見煤后總進(jìn)尺為9512m，純煤進(jìn)尺為9408m，見煤后煤層鉆遇率為98.91％。2013年5月22日由遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)井注入清水92m³洗井，工藝井返出正常，洗井成功。

ZSl平-5H井煤層進(jìn)尺創(chuàng)國內(nèi)紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了單井萬米進(jìn)尺無事故。該井于2013年8月投產(chǎn)，目前處于正常排水降壓階段，工藝井、排采井、監(jiān)測(cè)井的井底壓力監(jiān)測(cè)表明，目前主支連通狀況良好。

4　結(jié)論與建議

1)煤層氣仿樹形水平井將主支建在穩(wěn)定的煤層頂板(或底板)內(nèi)，與其連通的排采井一起，組成“主支疏通、分支控面、脈支增產(chǎn)”的排采系統(tǒng)，有效解決了傳統(tǒng)的煤層氣多分支水平井主支坍塌堵塞排采通道以及主支不能重入、不能監(jiān)測(cè)、不能進(jìn)行洗井作業(yè)等技術(shù)問題。

2)煤層氣仿樹形水平井的建成，必將推動(dòng)多分支水平井在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用，減少常規(guī)直井或定向井的數(shù)量，節(jié)約井場占地，有利于化解礦產(chǎn)開發(fā)與耕地資源的矛盾，實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境和諧發(fā)展。

3)為確保分支、脈支的長期穩(wěn)定，分支、脈支下篩管技術(shù)亟待進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐。

4)由于ZSl平-5H井是第1口先導(dǎo)試驗(yàn)井，在鉆進(jìn)過程中進(jìn)行了主支井壁穩(wěn)定試驗(yàn)以及遠(yuǎn)端洞穴連通、定點(diǎn)懸空側(cè)鉆等多項(xiàng)工藝技術(shù)試驗(yàn)，造成完井周期較長。該井型在縮短鉆井周期、提高經(jīng)濟(jì)效益方而還有很大的改進(jìn)空間，需要進(jìn)一步完善技術(shù)工藝系列，提高技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

5)煤層氣多分支水平井的應(yīng)用規(guī)模相對(duì)于我國豐富的煤層氣資源來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要國家更多的政策扶持。

 

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本文作者：楊勇  崔樹清  倪元勇  王風(fēng)銳  楊益涵  郎淑敏

作者單位：中國石油華北油田公司

  中國石油海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院