孟尚志郭本廣趙 軍莫日和

（1.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 102235；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011）

柳林地區(qū)多煤層多分支水平井斜井連通工藝

孟尚志1，2郭本廣2趙 軍2莫日和2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 102235；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011）

柳林位于鄂爾多斯盆地東緣，區(qū)內(nèi)中煤階煤層含有豐富的瓦斯氣資源，但由于黃土垣地貌溝壑縱橫，限制了常規(guī)多分支水平井的應(yīng)用。為了提高煤層氣鉆井開發(fā)效率，創(chuàng)新采用了斜井連通工藝，實(shí)現(xiàn)了工程井和排采斜井井口間距10 m的小井場部署，并針對3+4號煤儲層與5號煤儲層壓力相同、適合合采的地質(zhì)特點(diǎn)，采用多煤層多分支水平井的鉆完井技術(shù)同時開發(fā)3+4和5號煤層，完井下入塑料篩管。目前已經(jīng)完成4口斜井連通的多煤層多分支水平井，4口井的日產(chǎn)氣達(dá)到5萬m3/d。多煤層多分支水平井鉆完井技術(shù)成為鄂爾多斯東緣中煤階煤層氣高效開發(fā)的示范技術(shù)，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

煤層氣；多煤層；多分支水平井；斜井連通

鄂爾多斯盆地東緣蘊(yùn)藏著豐富的煤層氣資源，預(yù)測1 500 m以淺煤層氣地質(zhì)資源量約9×1012m3，鄂爾多斯盆地東緣上古生界石炭系、二疊系煤系地層十分發(fā)育，煤層層數(shù)多，分布較穩(wěn)定，煤層集中發(fā)育在太原組和山西組，主要是中煤階，是實(shí)施中煤階煤層氣大井組勘探的理想地區(qū)［1-2］。

多分支水平井是在水平井和分支井的基礎(chǔ)上快速發(fā)展起來的一項新的開采技術(shù)，適用于滲透率低（＜3 mD）、各向異性明顯、厚度大且相對穩(wěn)定的煤層，具有單井產(chǎn)量高、井眼方向及位置可控等優(yōu)點(diǎn)［3-6］。多分支水平井的主支和分支在地層中廣泛均勻延伸，最大限度地溝通煤層割理和裂縫系統(tǒng)，增加井眼在煤層中的波及面積和泄氣面積，降低煤層裂隙內(nèi)氣液兩相流的流動阻力，從而提高單井產(chǎn)氣量及采收率［7］。因此，多分支水平井的氣體產(chǎn)出速率遠(yuǎn)大于單一水平井［8-9］。十一五期間多分支水平井技術(shù)在柳林地區(qū)獲得初步試驗(yàn)成功［10］，2011年進(jìn)一步結(jié)合柳林示范區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行了創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了多煤層多分支鉆井、斜井連通的工藝技術(shù)，成為鄂爾多斯東緣中煤階煤層氣高效開發(fā)的示范技術(shù)。

1 地質(zhì)條件與適應(yīng)性

柳林示范區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣的中部，區(qū)塊地形整體表現(xiàn)為南北高、西部與中部低，最大相對高差為471 m。柳林地區(qū)總體為一向西或西南傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為5°左右，寬緩的小褶曲較發(fā)育，區(qū)塊內(nèi)斷層稀少且規(guī)模不大［11］。柳林區(qū)塊主要目的煤層為4（3+4）號、5號、8+9號煤層，煤層平均厚度大于2 m，下部8+9號煤層距離上部5號煤層平均50 m，煤層壓力系數(shù)相差較大，適于分層設(shè)計分層排采；上部4（3+4）號、5號煤層平均間距5.5 m，最大不超過10 m，間距小，煤層多，煤層壓力系數(shù)相近，適合合采。上煤組滲透率低于3 mD，60%介于0.5~2.0 mD，低滲透率偏低。上煤組地層壓力系數(shù)0.46~1.12，50%在0.5~0.8，屬于中等偏低。3號煤層的含氣量在8.66 m3/t，4（3+4）號煤層的含氣量7.88 m3/t，5號煤層的含氣量6.4 m3/t，屬于中等情況。柳林地區(qū)煤層含氣飽和度在27.40%~99.60%，平均55.53%，含氣飽和度總體偏低，處于欠飽和狀態(tài)。

柳林地區(qū)地處西北黃土高原地帶，地表大部分被黃土覆蓋，久經(jīng)風(fēng)雨流水的侵蝕剝蝕，被逐漸切割成復(fù)雜地貌單元，常規(guī)多分支水平井的井位的選擇有很大難度。針對其地質(zhì)和地貌特征，試驗(yàn)了一種新的煤層氣多分支水平井井型，即雙煤層多分支水平井，水平井的生產(chǎn)井為定向井，在一個井場向不同方向鉆2口定向井，工程井和生產(chǎn)井位于同一井場，地面距離約為10 m，定向井的水平位移約為290 m，工程井在煤層頂板著陸后，距煤層連通點(diǎn)約100 m，工程井三開后與定向井進(jìn)行連通，連通成功后在一層煤鉆水平段，鉆完一層煤后退回到連通點(diǎn)前，在另一層煤再次連通，連通成功后再鉆這一層煤的水平段。這樣在一個井場上只有3個井口、水平井進(jìn)尺16 000 m，煤層控制面積2 km×2 km×0.9 km。

2 鉆井工程設(shè)計

（1）雙煤層多分支水平井的生產(chǎn)排采井可以是直井，也可以是斜井，均采用二開井身結(jié)構(gòu)，套管層序?yàn)椋?244.5 mm+ ?177.8 mm。目的層3+4號和5號煤層分別下入?177.8 mm玻璃鋼套管完井，目的煤層不造穴，避免排采生產(chǎn)過程中井壁不穩(wěn)定造成坍塌。

（2）雙煤層多分支水平井采用三開井身結(jié)構(gòu)：?311.1 mm鉆頭（?244.5 mm套管）+ ?215.9 mm鉆頭 （?177.8 mm套管下至著陸點(diǎn)）+ ?152.4 mm鉆頭三開，造斜率8°/30 m，最大造斜率不超過12°/30 m（10 m步長），三開煤層內(nèi)鉆進(jìn)最大狗腿度不超過9°/30 m。

（3）著陸點(diǎn)設(shè)計在4號煤頂板，連通點(diǎn)設(shè)計在生產(chǎn)井的5號煤中部，著陸點(diǎn)和連通點(diǎn)距離70~100 m，著陸點(diǎn)井眼軌跡井斜角90°。

（4）連通后先鉆進(jìn)5號煤層，然后側(cè)鉆至3+4號煤層進(jìn)行鉆進(jìn)，側(cè)鉆點(diǎn)選擇在連通點(diǎn)后30~50 m，也可以選擇在連通點(diǎn)50 m以前，連通點(diǎn)前側(cè)鉆需要第2次在4號煤中與生產(chǎn)井進(jìn)行連通。主分支長度設(shè)計600~1 000 m，次分支長度300~500 m，分支末端間距設(shè)計300 m。

（5）地質(zhì)導(dǎo)向首先根據(jù)區(qū)域地質(zhì)和鄰井資料建立地質(zhì)模型，模擬3+4號和5號煤層設(shè)計主井眼軌跡走勢，根據(jù)鄰井測井資料，分析目的煤層段以及頂?shù)装遒ゑR值分布特點(diǎn)，據(jù)頂?shù)装宓雀呔€圖做出軌跡預(yù)測控制曲線，在實(shí)鉆過程中提供指導(dǎo)，并利用實(shí)鉆結(jié)果修正等高線，再利用修正后的等高線預(yù)測50~100 m內(nèi)地層變化趨勢，以便更好地引導(dǎo)地質(zhì)導(dǎo)向，提高煤層鉆遇率。

（6）柳林區(qū)塊煤層煤質(zhì)易碎易垮塌，完井時各主井眼下入DN50高密度聚乙烯篩管，可以在一定程度上防止煤層坍塌造成的井眼滲流通道堵塞。

3 現(xiàn)場實(shí)施情況

截至2012年底，柳林示范區(qū)已經(jīng)完成3+4號、5號煤層雙層多分支水平井4口，目前正在生產(chǎn)排采4口，主要工程技術(shù)參數(shù)見表1。

4 斜井連通工藝

水平井與直井連通在柳林區(qū)塊均是一次成功。如FL-H6-L井與FL-H6-V井的連通，整個煤層包括頂?shù)装迳舷?~3 m均被玻璃鋼管所貫穿，水平井連通直井時，只要方位準(zhǔn)確，是比較容易控制的，基本不考慮水平井眼軌跡在連通點(diǎn)垂直方向上的誤差。在實(shí)際操作中還需要注意以下幾點(diǎn)：做測量數(shù)據(jù)的誤差分析，檢查測斜儀器校準(zhǔn)日期和準(zhǔn)確性，根據(jù)水平井MWD和直井多點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)、連斜數(shù)據(jù)比較實(shí)際軌跡的偏移量，根據(jù)ESS數(shù)據(jù)校正水平井從套管鞋至連通點(diǎn)的剖面方位，確認(rèn)目標(biāo)點(diǎn)在設(shè)計軌跡線上，并在鉆進(jìn)過程中根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)調(diào)整。保持軌跡運(yùn)行在煤層中，及時觀察返出巖屑和全烴顯示。

水平井與直井連通是在相對穩(wěn)定的一個平面上，一條曲線相交另一條垂直線，水平井與斜井連通理論上是一條曲線與一條斜線相交，而實(shí)際操作中，水平井軌跡所處的剖面并不會完全與斜井軌跡所處的剖面理想地重合，不可避免地是這兩個剖面存在一個交叉角度，兩個剖面的交叉角的大小和影響程度隨著斜井的井斜角增大而增大，使得水平井與斜井的連通趨向于一條曲線在空間上與一個“點(diǎn)”進(jìn)行相交，也就是說不僅要求連通方位準(zhǔn)確無誤，水平方向誤差小于±157.05 mm，而且在相對于水平井（或生產(chǎn)井）井口，水平井眼軌跡在連通點(diǎn)的垂直方向（垂深）誤差也不能過大，不能像水平井和直井連通那樣，垂直方向上下有很大的空間距離，只要是玻璃鋼范圍均可以連通，一般把煤層的厚度作為垂直方向上誤差范圍，而水平井眼軌跡與斜井連通必須考慮垂直方向誤差，否則就會與斜井軌跡擦肩而過。

在柳林區(qū)塊共進(jìn)行3口水平井和斜井連通作業(yè)，F(xiàn)L-H3-S、FL-H4-S和FL-H5-S井連通點(diǎn)處斜井井斜超過50°（表2），設(shè)定斜井井斜50°計算垂直方向誤差允許范圍，水平井與直井和斜井連通比較，垂直方向誤差小于±260 mm。

表2 4口雙煤層多分支水平井與排采井的連通情況

在柳林區(qū)塊的水平井和斜井連通實(shí)際操作中，針對斜井允許方位和垂直方向誤差范圍小，除了提到的水平井和直井連通的技術(shù)手段外，還必須參照煤層深度增加對水平井和斜井垂深的校正，連通時盡量保障水平井眼軌跡從斜井軌跡上方通過，煤層中煤質(zhì)軟，水平井軌跡深度不易控制。

5 地質(zhì)導(dǎo)向與軌跡控制

水平井和生產(chǎn)井成功連通后，在煤層中如何控制井眼軌跡有效地在煤層中延伸，提高煤層鉆遇率也是影響生產(chǎn)井產(chǎn)氣高峰和壽命的重要因素。在設(shè)計和準(zhǔn)備工作中必須根據(jù)柳林的地質(zhì)情況建立導(dǎo)向的地質(zhì)模型，不斷在煤層鉆進(jìn)中校正。井眼軌跡從上下哪個方向進(jìn)出煤層，可以根據(jù)伽馬值變化趨勢進(jìn)行判斷，但是當(dāng)煤層的伽馬值與上下頂?shù)装宓牡馁ゑR值相近時，就不容易準(zhǔn)確判斷井眼軌跡進(jìn)出煤層，應(yīng)該在鉆進(jìn)過程中配合使用以下輔助措施。

（1）綜合氣測全烴顯示，在煤層中鉆進(jìn)過程中，目的層的氣測值曲線排除遲到時間后是比較清晰地展示了水平井眼軌跡進(jìn)出煤層情況的，注意觀察氣測值的變化，輔助判斷井眼軌跡走向。

（2）觀察巖屑變化情況，盡管水平井隨著軌跡的延伸，巖屑不能及時反映地層的變化情況，但是細(xì)心的觀察還是能發(fā)現(xiàn)巖屑中細(xì)微的變化，煤粉和砂泥巖含量也是判斷軌跡在煤層中位置的一個手段。

（3）鉆井參數(shù)變化也預(yù)示著巖性的變化，在鉆壓、泵壓、鉆井液性能穩(wěn)定的情況下，鉆時是最為敏感的參數(shù)，煤層中鉆時很快，煤層頂?shù)装邈@時會明顯變慢，扭矩也會有變化。結(jié)合鉆井參數(shù)的變化，輔助隨鉆伽馬值、垂深和地質(zhì)模型綜合判斷水平井眼在煤層中的軌跡走向。

隨著柳林區(qū)塊的多分支水平井和其他井資料的積累，地質(zhì)模型的指導(dǎo)作用越來越有意義，所鉆4口雙煤層水平井的煤層鉆遇率統(tǒng)計如表3。

表3 雙煤層多分支水平井的煤層鉆遇率統(tǒng)計

6 完井方式

柳林區(qū)塊多分支水平井完井方式采用高密度聚乙烯塑料篩管完井，主要目的是在井眼坍塌的情況下能夠給煤層水提供滲流通道。

高密度聚乙烯HDPE密度一般大于0.94 g/cm3，有良好的機(jī)械性能，如抗拉伸強(qiáng)度、剛度和硬度等，制成的篩管孔眼有長圓孔和圓孔，10~12孔/m。由于篩管材料密度小于1.0 g/cm3，在水平井分支中貼于井眼上部。HDPE篩管直徑50 mm，壁厚3.7~4.0 mm，實(shí)心DN50篩管截面面積只有152.4 mm水平井眼截面面積的11%，環(huán)形截面面積與有一定井徑擴(kuò)大率的井眼相比，遠(yuǎn)小于11%，所以在井眼沒有坍塌的情況下，篩管的下入對水平井眼的裸露和地層水的過流通道影響非常微弱；若井眼發(fā)生坍塌，篩管可在各分支的水平井眼上部保留一定的地層水滲流通道，高密度聚乙烯HDPE篩管具有以下特點(diǎn)：

（1）由于篩管密度小，貼于水平井眼上部，地層水?dāng)y帶的煤粉沉積不會堵塞篩管內(nèi)的通道；

（2）操作簡單，現(xiàn)場作業(yè)中容易實(shí)現(xiàn)，下入篩管的設(shè)備只有一臺2個人可輕松移動安裝的液壓式注入泵，在沒有注入泵的情況下，也可以手動下入；

（3）作業(yè)風(fēng)險小，下篩管作業(yè)只是一趟普通的通井作業(yè)，鉆具組合全部采用鉆桿，在下鉆過程中遇阻，可以開泵循環(huán)，保障了篩管下入指定位置；

（4）HDPE塑料篩管材料和附件便宜，操作簡單，風(fēng)險小就意味著成本很低，適合于多分支水平井完井作業(yè)，滿足煤層氣低成本開發(fā)的要求。

7 結(jié)論與認(rèn)識

（1）柳林區(qū)塊的雙煤層多分支水平井鉆井工藝可以說基本取得成功，生產(chǎn)排采也取得了一定進(jìn)展，初步解決了大斜度井排采設(shè)備生產(chǎn)問題。

（2）柳林區(qū)塊3+4號煤和5號煤平均間距3~5 m，屬于同一水動力體系，此工藝是同一口多分支水平井聯(lián)通生產(chǎn)井后同時鉆穿相鄰的3+4號和5號層，多分支水平井井眼軌跡在兩層煤中展布，同時開發(fā)相鄰兩層煤的資源，大大提高單井井下資源的利用率。

（3）減少了兩層煤單獨(dú)鉆水平井的重復(fù)工程，節(jié)約了土地，降低了成本。

（4）兩層煤同時開發(fā)，避免了單獨(dú)開采一層造成的壓力降對相鄰另一層開發(fā)的干擾。

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（修改稿收到日期 2014-10-29）

〔編輯 付麗霞〕

Research on inclined wells connecting technology of multi-coalbed and multiple branches horizontal wells in Liulin District

MENG Shangzhi1,2, GUO Benguang2, ZHAO Jun2, MO Rihe2
（1.China University of Geology,Beijing102235,China;2.China United Coalbed Methane Co.Ltd.,Beijing100011,China）

Liulin is located at the east edge of Erdos Basin, and the medium coalbed in the region contains rich methane gas.But the ravines on loess landform restricted the application of conventional multi-branch horizontal wells.In order to improve development efficiency of the coalbed methane(CBM) drilling, the inclined well connecting technology was innovatively adopted, achieving the goal of small-size wellsite planning where the spacing between the engineering wells and drainage slant hole wellhead is 10 m.In line with that the No.3+4 coal reservoirs have the same reservoir pressure as No.5 coal reservoir and are suitable for comingled production, the drilling and completion technique for multi-coalbed multi-branch horizontal wells was innovatively adopted to development No.3+4 and No.5 coalbeds at the same time;plastic screen tubes were run in hole after completion.Now a set of multi-coalbed multi-branch horizontal wells have been drilled which connected four inclined wells;the total daily gas production is up to 50 000 m3/d.The drilling and completion technique for multi-coalbed, multi-branch horizontal wells has become the demonstration technology for efficient development of medium coal methane at east edge of Erdos Basin, which achieves remarkable economic and social benefits.

coalbed methane;multi-coalbed;multi-branch horizontal well;inclined well connection

孟尚志，郭本廣，趙軍，等.柳林地區(qū)多煤層多分支水平井斜井連通工藝［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：28-31.

TE249

：A

1000–7393（2014） 06–0028– 04

10.13639/j.odpt.2014.06.007

國家科技重大專項“鄂爾多斯盆地東緣煤層氣開發(fā)示范工程”（編號：2011ZX05062）資助。

孟尚志，1973年生。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在讀博士研究生，主要從事煤層氣勘探開發(fā)工作。電話：13661295305。E-mail：1191183135@qq.com。