煤層氣多分支水平井鉆井常見問題及保障措施

劉天授

(中聯煤層氣有限責任公司，北京 100016)

鉆井是煤層氣勘探與開發的主要手段，鉆井工程質量的優劣和鉆井速度的快慢，直接關系到鉆井成本的高低和煤層氣勘探開發的綜合經濟效益。鉆井工程就是從開鉆到鉆至勘探開發目的層，鉆完全井進尺的鉆進過程。鉆進工程是鉆井的主體工程，其工程技術水準和質量，以及各相關工種、技術服務、鉆井各環節工作的協調銜接配合，是安全鉆進，縮短鉆井周期，降低材料消耗，決定工程成本高低及勘探投資效益高低的關鍵。

煤層氣多分支水平井具有單井產量高、采出程度高、經濟效益好等優勢，因此在美國得到了廣泛的應用，在我國多個地區也進行了試驗和應用，取得了良好的開發效果。但由于我國煤層地質構造比美國復雜得多，對多分支水平井地質及儲層條件的要求也比較苛刻，而且多分支水平井開發本身工藝就比較復雜，具有大斜度、大位移、多目標等特點，對鉆井中靶精度要求高，況且多分支水平井段穿多個煤層，造成先前施工井眼空裸，井眼易塌等，加之多分支水平井的鉆井實踐相對較少。因此，鉆井施工技術難度大，成本高。通過分析煤層氣分析多分支水平井工藝技術、國內外多分支水平井工程施工現狀及多個區塊前期工程實踐，剖析多分支水平井鉆井的主要常見問題，找到相應解決辦法，為后期煤層氣多分支水平井開發提供指導意義。

1 常見問題

1.1 軌跡控制難度大，鉆井軌跡易于偏移

多分支水平井鉆井要求中靶準確度高，而水平井軌跡復雜，軌跡控制難度大，鉆井軌跡易于偏移，這就對鉆井的技術工藝調控處嚴格要求。多分支水平井靶體通常是三維靶體，要求實鉆軌跡點在進入目標窗口平面后每一個點都在靶體所限制的范圍內，防止在鉆進水平段的過程中鉆頭穿出靶體造成脫靶。

由于多分支水平井水平段長，隨著斜井段的延伸，井眼摩阻隨之增加，使得鉆具在井眼中的轉動困難，從而加大了工具面角擺放的難度。

由于地質不確定性、工具造斜能力不確定性及測量信息滯后等客觀因素的存在，使多分支水平井由造斜點開始到鉆至增斜井段控制和水平井段控制難度較大。

1.2 施工摩阻扭矩大、鉆壓傳輸困難

多分支水平井鉆探過程中，鉆具與井壁之間的摩擦阻力主要由鉆柱的軸向摩擦阻力及周向摩擦扭矩所組成。

鉆探水平井所需的鉆探設備多，鉆柱結構復雜，對鉆探機具工藝性能要求高，下部鉆具結構剛性強，外徑大，在水平井段由于鉆柱重力作用，使鉆柱貼于下井壁，鉆井液紊流受到影響，返砂效果差，而且油層井段一般地層孔隙度大，砂層居多，巖石膠結性差，易形成砂橋，會嚴重影響鉆柱的上提下放等。

1.3 井眼易污染，難以清潔，井眼易垮，維持井眼穩定難度大

多分支水平井鉆探過程中，在穩斜段和水平井段，由于重力作用，鉆具在井眼中靠向下井壁，使鉆具周圍間隙寬窄變化明顯，造成井眼中寬間隙處流速大，窄間隙處流速小，剪切速率增大，使巖屑易沉向下井壁，且不易清除，形成巖屑沉淀層。

同一井眼，在相同排量下，不同井段的環空鉆井液會處于不同的流動狀態。井眼下部，巖屑一般處于均勻分布狀態；而井眼中部，鉆井液的攜巖能力也明顯變小。

由于多分支水平井工程復雜，水平井段橫穿儲層，鉆井深度大，鉆井周期長，致使鉆井泥漿在井眼循環緩慢，滯留周期長，造成大段懸空裸眼井段，暴露在鉆井液的面積大大增加，侵入地層的濾液量增加，極易引起井壁坍塌，且儲層易通過井眼受泥漿污染，且難以清潔；由于鉆井深度大，時間長，且受工程擾動時間長及頻率大等，使得井眼易垮，鉆井維持井眼穩定的難度大。

1.4 鉆井易發生卡鉆等事故

由于多分支水平井井斜大、水平段長，隨井深增加鉆具與井壁接觸面積也隨之增加，鉆具作用于井壁的側壓力隨之增加，故極易發生粘附卡鉆；同時由于水平井造斜、增斜、穩斜和扭方位等工序復雜，全角變化率較大，起鉆過程中易形成鍵槽而發生鍵槽卡鉆。

1.5 固井質量控制難度大

多分支水平井固井需要解決的突出問題表現在兩個方面：一是如何確保有足夠強度的套管柱能夠克服阻力順利下至設計位置；二是在大斜度井段及水平井段套管居中與能否完全充填水泥漿。多分支水平井的井身結構復雜，固井工藝較為復雜，固井控制技術難度相應增大。

2 主要保障措施

盡管多分支水平井煤層氣開發工藝復雜，工程難度大，但多分支水平井具有控制面積大、適應地形條件好、采收率高、抽采效果好等特點而備受煤層氣勘探開發業界青睞，且隨著煤層氣勘探開發的需要，以及鉆井工藝、鉆井工具、裝備等相關技術的發展，水平井的應用越來越廣泛。多分支水平井的實施是一項復雜的系統工程，要成功實施一口多分支水平井，應從地質選區、井位部署、工程設計、工程施工等全方面做好保障。

2.1 地質選區、井位部署及井身結構設計

在地質與氣藏工程分冊中，已結合多分支水平井的工藝和技術要求，從地質、儲層等多個方面優化選擇了多分支水平井適合的地區，設計了多分支水平井的井位。從井眼剖面、完井方式、多分支水平井布井等方面，進行煤層氣多分支水平井工程設計，包括多分支水平井控制區域、分支、方位、井身結構、井眼剖面、鉆具組合、鉆井液，井控及固完井設計等。

2.2 井眼軌道控制

在多分支水平井鉆進過程中，要充分發揮滑動鉆進和復合鉆進的技術優勢，提高鉆速，為鉆出平滑規則的井眼提供保障，其目的是通過井眼軌道控制降低井眼軌跡控制的難度。

2.2.1 井眼軌道剖面類型優化

井眼軌跡控制是水平井鉆井施工成功與否的關鍵，選擇合理的井身剖面、井眼曲率并制定有效可行的鉆井安全技術措施十分重要。

多數造斜工具的造斜特性不可能保持非常穩定，常常產生一定程度的偏差，通過調整穩斜段的造斜率和段長，彌補鉆具造斜能力的偏差，防止穩斜段過長，造成現場井眼控制困難及井眼清潔效果差。

2.2.2 井眼曲率優化

井眼曲率過小，使造斜井段的鉆進時間太長，穩斜段太短，調整方位的回旋余地太小。井眼曲率過大，鉆具偏磨嚴重，摩擦阻力增加，起下鉆困難，容易磨出鍵槽而造成卡鉆事故，對井下儀器不安全，給后期作業造成困難。

根據井口坐標和靶點參數，設計確定造斜率。現場施工時，考慮到造斜工具造斜特性的不穩定性，選擇工具的理論造斜率應該比設計造斜率高10%～20%。

2.2.3 鉆具組合

2.2.3.1 直井段

在多分支水平井施工中，直井段的核心任務是防斜，其質量將關系到定向時方位的調整。為了直井段能盡量打直，應采用適合地區特點的鉆具組合，直井段常用的防斜鉆具組合是鐘擺鉆具和塔式鉆具。要求鉆具組合既有利于控制井斜，又有利于解放鉆壓，有效提高直井段的機械鉆速。在工程施工過程中，根據現場發現問題，結合根據地質及儲層條件，及時分析，隨時優化鉆具組合，并為后續工程的實施積累經驗。

2.2.3.2 造斜段及水平段

水平井鉆井過程中簡化鉆具組合，減少鉆鋌使用長度，用加重鉆桿代替鉆 鋌，可以有效減小摩阻，降低施工難度。

為減小斜井段鉆具摩阻，使用柔性斜坡鉆桿優化鉆具組合，同時采用加重鉆桿代替鉆鋌，盡量簡化鉆具結構，減輕下部鉆具重量，確保井底獲得足夠的鉆壓，減少粘卡的機會。

使用LWD隨鉆地質導向系統，隨鉆測量自然伽馬、電阻率曲線。根據隨鉆測井，確定目的層頂界深度，跟蹤調整井眼軌跡，根據實際情況采用滑動鉆進和復合鉆進兩種方式施工，隨時調整井斜方位。在工程實施過程中，根據現場需求及時優化鉆具組合，并為后續工程的實施積累經驗。

使用相關材料控制地層造漿，確保上部井眼穩定；適量采用防塌鉆井液體系能，提高鉆井液的潤滑防塌性能，保證斜井段及水平段井眼的質量。

2.2.4 固井工程

采用大泵紊流頂替鉆井液，排量不低于鉆進排量，提高驅替效率，保證質量。控制實鉆井眼軌跡，確保有一個良好的井眼和井身質量；套管柱上加扶正器，保證套管居中，避免套管偏斜對固井質量的影響。優選水泥漿體系，控制水泥漿失水和自由水。

3 結論

(1)煤層氣多分支水平井鉆井具有軌跡控制難度大，鉆井軌跡易于偏移、施工摩阻扭矩大、鉆壓傳輸困難，井眼易污染，難以清潔，井眼易垮，維持井眼穩定難度大，鉆井易發生卡鉆等事故以及固井質量控制難度大等常見問題。

(2)煤層氣多分支水平井鉆井過程中應從地質選區、井位部署及井身結構設計，井眼軌道控制，井眼曲率優化及固井工程等方面進行優化，來保障和提高成功率。

(3)在煤層氣開發過程中，要緊密跟蹤多分支水平井實鉆的情況，針對直井段、造斜段、水平段鉆井過程中固完井、井身結構及井眼軌跡、鉆具組合、鉆井液、 鉆井參數等方面的設計合理性做出評價，并分析實鉆中發生事故的原因，總結了現階段多分支水平井設計及應用的經驗和教訓，為未來多分支水平井鉆井工 程設計提出建議。