造穴技術在華北油田煤層氣開發中的發展與應用

梅永貴 周立春 余 巍 閆 玲 呂宏玖 王仙之

(中石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

造穴技術在華北油田煤層氣開發中的發展與應用

梅永貴 周立春 余 巍 閆 玲 呂宏玖 王仙之

(中石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

煤層氣水平井洞穴完井是目前沁水盆地煤層氣應用最為廣泛的水平井完井方式，關鍵技術之一是造穴技術。華北油田經過近10年的煤層氣開發實踐，經歷了探索、改進、創新和完善4個階段，結合水力造穴和機械造穴工藝的優點，形成了煤層氣水平井洞穴完井的復合造穴工藝并配套研制了具有自主知識產權的造穴工具，滿足了沁水盆地南部煤層氣開發的需求。

華北油田 煤層氣 水平井 造穴技術

1 前言

隨著煤層氣產業的不斷發展和技術的不斷進步，煤層氣開發井已由單一的直井發展到叢式井和水平分支井組等多種形式，其中多分支水平井是目前在華北油田煤層氣開發中應用最多的一種水平井井型。該井型由洞穴井和工程井組成，其中洞穴井為垂直井用于后期排采，工程井為多分支水平井。工程井在目標煤層段與已鉆洞穴井洞穴連通后，側鉆多條水平分支在煤層中延伸，以增大煤層接觸面積達到提高產氣效果的目的(見圖1)。

圖1 水平井洞穴連通示意圖

煤層氣洞穴井造穴就是在目的煤層段,利用機械、水力、負壓等方法實現局部煤體結構破碎、崩落，使孔內目的煤層段形成的洞穴直徑遠遠大于鉆孔直徑的鉆孔。洞穴井在目標煤層段造穴的目的：一是為水平井定向施工在目的煤層中放置靶點目標儀器同時增大水平井連通靶點目標范圍，提高中靶連通成功率；二是井眼周圍形成含有大量張性裂縫的卸載區，提高井眼周圍割理裂縫的滲透性，增大地層的導流能力，使井眼與地層之間實現有效連通而達到增產的目的；三是有利于后期排采。

2 技術發展與應用

華北油田的造穴技術在水平井的應用大致經歷了四個階段。

第一階段：探索與引進階段(2005～2006年)，2005年華北油田剛剛開始煤層氣勘探開發，煤層氣開發尤其是水平井開發技術欠缺，只能依靠國外技術引進。2005年底，與美國CDX煤層氣作業公司合作，在山西沁水盆地完成了晉平2-2、晉平2-4井2口煤層氣多分支水平井的施工。本階段造穴使用的工具是機械造穴工具，工具與羽狀水平井技術共同引進，但在實施過程中發現，造穴過程中遇卡、工具變形情況頻發，嚴重影響施工進度。美國煤層氣儲層煤階較低，煤體堅固系數高且地下條件簡單，一般在裸眼鉆井施工后無需固井直接進行造穴。但沁水盆地南部開發區域煤儲層屬于高階煤，煤體堅固系數低、易碎且地下構造、應力條件復雜，裸眼造穴過程中井壁掉塊嚴重，影響造穴工具正常工作，需要根據沁水盆地儲層特征對造穴技術進行改進。

第二階段：技術改進階段(2007～2009年)，在總結前期經驗的基礎上，與奧瑞安能源技術開發有限公司合作對造穴進行了改進，提出了玻璃鋼套管造穴工藝。該工藝過程為：在洞穴井鉆井結束后進行套管固井，煤層位置下入一根玻璃鋼套管固井，下入內割刀割斷玻璃鋼套管，下入造穴工具在煤層段造穴，清洗井眼完井。該工藝通過套管固井的方式有效解決了造穴過程中井壁掉塊嚴重的問題，工具遇卡變形情況得到了明顯改善。同時在造穴井段下入了玻璃鋼套管，可以有效減少鋼制套管對連通磁定位信號的干擾，保證連通成功率。

本階段以鉆井工程外包的方式，與奧瑞安公司合作實施了多分支水平井45口，造穴連通成功率100%，取得了較好的開發效果。但由于技術保密、缺乏競爭等問題，導致華北油田煤層氣水平井開發成本居高不下，技術對外依賴性強。

第三階段：自主研發階段(2010～2012年)，為了擺脫對外技術依賴，2010年開始，華北油田與中國石油渤海鉆探公司攜手進行了造穴工藝及配套工具的自主設計研發。到2012年設計研制出一套水力射流造穴工具和一套機械造穴工具并申請了相關專利。

(1)水力射流造穴工具(見圖2)：已形成φ206mm、φ145mm、φ114mm三種規格型號工具，適用于φ216mm、φ152mm、φ118mm裸眼水力射流造穴作業。

圖2 水力射流工具結構示意圖

(2)機械造穴工具(見圖3)：形成ZXQ-145、ZXQ-210、ZXQ-280系列造穴工具，用于6″、81/2″、121/4″裸眼的造穴作業，并可按工藝要求調整造穴尺寸從400mm至2000mm。

圖3 機械造穴工具

并在此基礎上設計完成了一套適用于沁水盆地煤儲層特征的水平井復合造穴工藝，此復合造穴工藝解決了水力造穴洞穴形狀、半徑難以控制和機械造穴工具強度不足容易變形的問題，實現了工藝設備簡單、洞穴大小隨意控制的目標。該工藝過程為：在造穴井段完成套管切割后下入水力射流造穴工具，對設定的需要造穴段進行水力射流作業，通過調節工具節流裝置噴嘴的大小和泥漿泵排量控制造穴半徑和洞穴形狀，達到破巖和沖洗井壁效果。然后根據造穴需要下入不同型號的機械造穴工具，根據施工要求調整工具張開度，實現洞穴形狀控制。此項復合造穴工藝及配套工具在沁水盆地煤層氣水平井開發中應用效果良好，完成復合造穴12井次，洞穴直徑1000mm，造穴成功率100%，連通率100%。

第四階段：技術發展完善階段(2013～目前)，隨著煤層氣產業的發展，煤層氣勘探開發逐步向新資源區域延伸，各種地表、地下復雜情況對水平井鉆井及造穴技術提出了新的要求。首先，隨著開發區域煤層氣的埋深逐步增大，對套管的抗壓能力提出了新的要求，以往常用的玻璃鋼套管只能達到6MPa的抗壓能力，在煤層埋深較大地區井筒變形情況嚴重，影響后期下泵排采；其次，地表條件復雜，洞穴直井設計區域無法進行鉆井施工；再次，由于部分地區煤儲層煤體結構破碎，在造穴過程中煤層段井壁垮塌嚴重，洞穴形狀難以控制，且在后期排采過程中煤層掉塊掩埋排采設備、阻塞井眼通道情況時有發生，影響水平井開發效果。

針對以上問題，對造穴技術進行了進一步完善，提出了定向井鋼套管煤層氣底板造穴技術方案。該技術方案過程為：在地表條件復雜區域用定向斜井代替傳統洞穴直井，在鉆井完成后直接全井段下入鋼制套管，固井后下入套銑工具對造穴井段(煤層底板)套管進行鍛銑，最后下入復合造穴工具造穴完井。與原有技術相比具有以下優點：(1)有效提高了套管抗壓能力，減少了因為套管變形造成的后期排采困難；(2)采用定向斜井造穴，大大減少了地表條件對鉆井施工的影響，地面井場的設計更加靈活；(3)底板造的穴相對比頂板和煤層造穴位置更低，可以確保排采設備下放到水平井段最低部位，有利于水平段地層流體的采出。目前該工藝已經在沁水盆地南部現場試驗了3口井，均一次性連通成功。

3 小結

目前華北油田煤層氣水平井開發已經9年時間，大致經歷了探索、改進、創新、完善4個階段，積累了豐富的造穴技術經驗與認識：

(1)復合造穴技術具備水力造穴和機械造穴技術的優點，可以滿足目前煤層氣水平井造穴的各項要求；

(2)在煤層埋深較淺、地表條件較好的區域，采用直井玻璃鋼套管造穴，可以有效提高造穴效率，降低施工成本；

(3)在煤層埋深較大、地表條件復雜或者煤體結構破碎的地區，采用定向井鋼套管底板造穴技術，可以有效解決套管變形、井壁垮塌及地面井場建設困難等問題。

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(責任編輯 丁 聰)

Development and Application of Cavitation Technology for CBM Development in Huabei Oilfield

MEI Yonggui, ZHOU Lichun, YU Wei, YAN Ling, LV Hongjiu, WANG Xianzhi

(CBM Exploration and Development Branch, PetroChina Huabei Oilfield Company, Shanxi 048000)

Cave completion is the most widely used mode for CBM horizontal well completion in Qinshui Basin, and one of the key technologies is cavitation technology. After 10 years' practice of CBM development, Huabei Oilfield has experienced 4 stages, including exploration stage, improvement stage, innovation stage and consummate stage. Combined with the advantages of hydraulic cavitation and mechanical cavitation, composite cavity-forming techniques for CBM horizontal wells has been completed，and reaming tools with proprietary intellectual property rights has been developed，they have met the need for CBM development of in Southern Qinshui Basin.

Huabei Oilfield; CBM; horizontal wells; cavitation technology

國家科技重大專項“山西沁水盆地煤層氣水平井開發示范工程”(編號2011ZX05061)

梅永貴，男，工程碩士學位，現任華北油田山西煤層氣勘探開發分公司總工程師，高級工程師，從事煤層氣勘探開發與研究工作。