任海強(qiáng)

（晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦，山西晉城048007）

煤層氣多分支水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)探究

任海強(qiáng)

（晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦，山西晉城048007）

多分支水平井鉆井技術(shù)是目前開發(fā)煤層氣最有效的技術(shù)之一，多分支水平井鉆井是一項(xiàng)技術(shù)要求高、施工難度大的系統(tǒng)工程。本文結(jié)合目前國內(nèi)煤層氣多分支水平井的發(fā)展情況，分析了鉆井時(shí)井壁失穩(wěn)的因素，提出了井壁穩(wěn)定控制的技術(shù)，總結(jié)了其現(xiàn)有成果，可為同類多分支水平井鉆井井壁的控制提供借鑒。

煤層氣；多分支水平井；鉆井；井壁；失穩(wěn)因素

煤層氣又俗稱瓦斯，是一種新型的清潔能源。我國的煤層氣資源非常豐富，但是目前煤層氣的利用率僅為30%左右，我國的煤層氣產(chǎn)業(yè)還處在產(chǎn)業(yè)化初期階段［1］。要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)煤層氣，需要采用一系列關(guān)鍵技術(shù)，其中在鉆井時(shí)井眼軌跡控制是多分支水平井成功實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一。在鉆井前期階段，井壁穩(wěn)定控制問題多存在于鉆探過程中。目前，井壁穩(wěn)定控制問題多存在于煤層氣的開發(fā)過程中，出現(xiàn)的問題多是煤層坍塌、破裂等。煤層井壁穩(wěn)定控制的難點(diǎn)主要是非連續(xù)性、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造與儲(chǔ)層保護(hù)的矛盾。煤層中存在大量的割理，導(dǎo)致在鉆井過程中煤層易破碎和垮塌。而且煤層易受污染、儲(chǔ)保護(hù)難度大［2］。

1 煤層氣井壁失穩(wěn)的因素

1.1 煤層的宏觀地質(zhì)構(gòu)造

復(fù)雜的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致煤層中存在多種多樣的構(gòu)造，影響煤層井壁穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造主要有破碎帶、斷層、向斜、背斜及陷落柱。

1）破碎帶。破碎帶按其成因可分為斷層破碎帶和高應(yīng)力破碎帶。斷層破碎帶是在形成斷層時(shí)斷層附近巖石破碎形成。高應(yīng)力破碎帶主要是由于煤巖的強(qiáng)度遭構(gòu)造地應(yīng)力破壞而形成。

2）斷層。由斷層形成的巖性突變和斷層破碎帶是影響井壁穩(wěn)定控制的兩個(gè)因素：a）巖性突變。斷層通常會(huì)造成巖性突變，巖性突變會(huì)使鉆層的強(qiáng)度產(chǎn)生驟變，此種情況在鉆井過程中往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。b）斷層破碎帶。斷層形成過程中，不同層位在外力的作用下會(huì)發(fā)生錯(cuò)段，層位錯(cuò)斷時(shí)，在斷層附近的巖石會(huì)發(fā)生破碎，產(chǎn)生小的破碎帶，這些小的破碎帶稱為斷層破碎帶，這些斷層破碎帶也會(huì)對(duì)煤壁的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

3）向斜、背斜及陷落柱。向斜、背斜對(duì)煤壁穩(wěn)定的影響主要因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生張應(yīng)力和壓應(yīng)力兩個(gè)應(yīng)力區(qū)，在背斜的頂部由于張應(yīng)力的存在，會(huì)使頂部的巖層產(chǎn)生裂縫或者破碎，這個(gè)區(qū)域的滲透率較大，但易發(fā)生井壁坍塌。在背斜的兩翼由于壓應(yīng)力的存在，雖然地層較穩(wěn)定，但是此區(qū)域的滲透率較低。

地下的溶洞坍塌時(shí)，上覆非可溶性巖層陷落充填形成陷落柱。陷落柱會(huì)造成鉆層發(fā)生巖性突變，適合煤巖的鉆井液可能不適合泥巖性質(zhì)的陷落柱，因此，使用鉆井液時(shí)，極易發(fā)生煤壁失穩(wěn)。

1.2 煤層的力學(xué)環(huán)境

地應(yīng)力和地層壓力構(gòu)成了煤層的力學(xué)環(huán)境，影響兩力的主要因素包括煤層埋深和煤層所處位置的地質(zhì)構(gòu)造。

地應(yīng)力和地層壓力都會(huì)影響地層的破裂壓力和坍塌壓力。在煤層中各個(gè)方向的地應(yīng)力有很大的不同，在面割理方向上的水平主應(yīng)力最大，當(dāng)沿此方向鉆井時(shí)滲透率低，煤壁易坍塌；在端割理方向上的水平主應(yīng)力最小，當(dāng)沿此方向鉆井時(shí)，滲透率最高，但是鉆井液易發(fā)生滲漏。因?yàn)槊簩邮堑蜐B透層，較高的地層壓力有利于儲(chǔ)層保護(hù)，但是也會(huì)影響鉆井液的密度，此外地層壓力和地應(yīng)力會(huì)對(duì)煤粉的形成和運(yùn)移產(chǎn)生重要的影響。

圖1 洞穴井井筒注氣法示意圖

圖2 油管注氣法示意圖

2 煤層井壁穩(wěn)定控制技術(shù)優(yōu)化

結(jié)合煤層井壁失穩(wěn)的因素，目前采用的技術(shù)方案主要有優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、欠平衡鉆井技術(shù)、合理控制鉆井液體系、穩(wěn)定井眼技術(shù)等。

2.1 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則：考慮井下安全的同時(shí)減少對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。首次開鉆鉆表土層，進(jìn)入基巖5 m左右結(jié)束，下表層用套管封固易漏地表地層；第二次開鉆時(shí)鉆至著陸點(diǎn)（即見煤點(diǎn)）以上結(jié)束，并用套管封固煤層以上地層；第三次開鉆鉆至主水平井眼和分支井眼時(shí)，采用裸眼完井，以避免對(duì)煤層造成傷害。在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中考慮：1）煤層較脆，技術(shù)套管不可進(jìn)入煤層，以防止固井時(shí)把煤層壓裂，導(dǎo)致鉆進(jìn)過程中井壁坍塌。2）從抽排采氣方面考慮，套管須將煤層上方出水層位封堵。3）為在洞穴井的井底造穴，井底須保留合理容量口袋?？诖纳疃炔豢纱┩赶虏亢畬?，但應(yīng)盡可能的增大口袋深度。

鄭平01-1H井采用三開模式。第一次開鉆：ù312.1 mm鉆頭@ù 245.5 mm表層套管，水泥返至地面。第二次開鉆：ù 216.9 mm鉆頭@ù178.8 mm技術(shù)套管，水泥返至煤層頂板不小于200 m。第三次開鉆：ù153.4 mm鉆頭鉆至井底至各分支井眼，裸眼完井。

2.2 合理控制鉆井液體系

目前，適用于煤儲(chǔ)層的鉆井液體系有充空氣鉆井液、泡沫流體、地層水和空氣。煤層氣多分支水平井采用的注氣方法主要有洞穴井井筒注氣法（圖1）和油管注氣法（圖2）。

在工程實(shí)踐中，應(yīng)注意選擇使用有較好凝固能力，低固相的鉆井液體系，可以使鉆井液具有很強(qiáng)的防塌性和抑制性，能有效降低鉆井液動(dòng)失水，降低濾液滲透率，減少鉆井時(shí)對(duì)煤層的深度損害。同時(shí)也要控制鉆井液密度。鉆井液的密度對(duì)井壁穩(wěn)定性有很大的影響。鉆井液密度過低會(huì)使構(gòu)造應(yīng)力釋放，使煤層沿裂縫和節(jié)理方向崩裂和坍塌。鉆井液密度過高會(huì)將煤層中的裂縫撐開造成煤層結(jié)構(gòu)破裂，而且會(huì)傷害煤層，影響煤層氣的解吸、擴(kuò)散、運(yùn)移及后期排采。

鄭平01-1H井采用自行研制的無固相且解堵鉆井液。該鉆井液通過濃集、吸附、覆蓋可形成滲透率超低的致密無孔膜，在井壁的周圍形成了保護(hù)層，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層封堵。在施工過程中，優(yōu)化鉆井參數(shù)，采取勤劃眼、小排量等技術(shù)措施，確保煤層鉆進(jìn)時(shí)不出現(xiàn)井壁垮塌和鉆液漏失現(xiàn)象，可有效保護(hù)井壁［3］。

2.3 穩(wěn)定井眼的工程技術(shù)

井眼的穩(wěn)定控制能有效地預(yù)防煤層污染，防止煤壁垮塌，有效保護(hù)煤壁，它包括:1）造斜點(diǎn)以下的地層和煤層段都使用井下動(dòng)力鉆具。鉆柱不旋轉(zhuǎn)，工作相對(duì)較平穩(wěn)，有利于煤層井壁的穩(wěn)定。2）盡量使用結(jié)構(gòu)簡單鉆具，以減少井壁碰撞。3）在煤層水平井段鉆進(jìn)時(shí)盡可能快速通過，使煤層不受鉆井液的長時(shí)間浸泡。4）在設(shè)計(jì)井眼軌跡時(shí)，將其設(shè)計(jì)到煤層穩(wěn)定區(qū)域［4］。

鄭平01-1H井在5 m左右厚煤層中施工的多分支水平井，井眼難控制，對(duì)井斜控制提出了較高的技術(shù)要求。兩井主水平井長超過1 000 m，側(cè)鉆分支長超過500 m。大段的裸露煤層井段造成鉆具扭矩和摩阻增大，在水平段鉆進(jìn)的定向工具控制難度增大，鉆速較難控制，又因?yàn)槊簩佑幸滋奶攸c(diǎn)，這對(duì)鉆井安全造成影響。

3 結(jié)論

1）煤層井壁的穩(wěn)定控制直接關(guān)系到多分支水平井能否成功實(shí)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定的控制，須首先研究清楚井壁的失穩(wěn)機(jī)理，然后采取相應(yīng)的工程技術(shù)手段。

2）井身的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以保證井下的安全，也可以減少煤儲(chǔ)層所受的傷害，三開模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程實(shí)踐中得到了成功應(yīng)用，可以對(duì)此模式進(jìn)行進(jìn)一步的研究優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更佳的技術(shù)效果。

3）充氣欠平衡技術(shù)是目前最適合煤層地質(zhì)的側(cè)鉆技術(shù)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)這一技術(shù)的優(yōu)化研究，使其更好地為煤層多分支水平鉆井服務(wù)。

4）煤層構(gòu)造不同于其它的地層構(gòu)造，研制成功應(yīng)用的無固相且解堵鉆井液以超低滲透的封堵膜作為支撐體，可以在井壁四周形成保護(hù)層，可有效穩(wěn)定井壁和保護(hù)儲(chǔ)層。

5）在鉆井過程中選擇合適的鉆具，合理的鉆進(jìn)速度和井眼軌跡是控制井眼穩(wěn)定地關(guān)鍵。

［1］劉志強(qiáng)，胡漢月，劉海翔.煤層氣多分支水平井技術(shù)探討［J］.中國煤層氣，2011，8（3）:26-30.

［2］申瑞臣，屈平，楊恒林.煤層井壁穩(wěn)定技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢［J］.石油鉆探技術(shù)，2010，38（3）：1-6.

［3］田中蘭，喬磊，蘇義腦.鄭平01-1煤層氣多分支水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.石油鉆采工藝，2010，32（2）：27-29.

［4］饒孟余，楊陸武，張遂安，梁乙偉.煤層氣多分支水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（7）:52-55.

Study on Key Technology of Coal Bed Methane Multi-branch Horizontal Well Drilling

Ren Hai-qiang

Drilling technology of multi-branch horizontal well is one of the most effective technology to development CBM at present，multi-branch horizontal well drilling is a system engineering of which are high technical requirement and difficult construction.Combines with the domestic development situation of CBM multibranch horizontal well at present，analyzes the factors of borehole wall instability，puts forward the technology of borehole wall stability control，and summarizes the existing achievements，it can provide a reference for borehole wall control on similar multi-branch horizontal well drilling.

Coal bed methane；Multi-branch horizontal well；Drilling;Borehole wall；Instability factors

TD26

B

1672-0652（2014）11-0050-03

2014-09-24

任海強(qiáng)（1974—），男，山西沁水人，2013年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，碩士，工程師，主要從事采掘技術(shù)管理工作（E-mail）zsh0201@163.com