沈建中， 龍志平

(中國石化華東分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京 210031)

延川南煤層氣低成本高效鉆井技術(shù)探索與實(shí)踐

沈建中， 龍志平

(中國石化華東分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京 210031)

儲層豐度低、單井產(chǎn)量低是制約煤層氣開發(fā)的瓶頸，因此如何提高鉆井效率、控制成本是實(shí)現(xiàn)煤層氣有效開發(fā)的關(guān)鍵。在總結(jié)延川南煤層氣區(qū)塊前期鉆井經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入“井工廠”鉆井模式，重點(diǎn)開展了井組及施工工序優(yōu)化、預(yù)偏離防碰、導(dǎo)向鉆具、個性化鉆頭和高效堵漏等降本增效技術(shù)的研究和實(shí)踐，并利用學(xué)習(xí)曲線法對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化，形成了煤層氣低成本高效鉆井技術(shù)。延川南煤層氣區(qū)塊808口井采用了煤層氣低成本高效鉆井技術(shù)，優(yōu)質(zhì)高效地完成了產(chǎn)能建設(shè)任務(wù)，其中平均單井鉆井周期較產(chǎn)能建設(shè)前縮短30.3%以上，機(jī)械鉆速提高了51.6%以上。研究與實(shí)踐表明，煤層氣開發(fā)時應(yīng)用“井工廠”鉆井模式能夠顯著控制鉆井成本，提高開發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)煤層氣有效開發(fā)。

煤層氣 叢式井 井工廠 鉆井 學(xué)習(xí)曲線 機(jī)械鉆速

煤層氣儲層低壓、低滲、低產(chǎn)的特點(diǎn)是制約其規(guī)模開發(fā)的主要瓶頸，因此如何降低成本成為煤層氣田開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵[1-2]。國外在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中廣泛應(yīng)用了“井工廠”模式，成本大幅降低，收益顯著[3-4]。國內(nèi)近年來也參照這一開發(fā)模式開展了研究與實(shí)踐[5-8]，但整體還處于起步階段，其降本增效優(yōu)勢未得到充分體現(xiàn)。2013年，中國石化首個煤層氣田——延川南煤層氣田啟動開發(fā)[9]，在開發(fā)過程中，科技人員結(jié)合氣田開發(fā)特點(diǎn)，在借鑒國外類似氣田“井工廠”開發(fā)模式的基礎(chǔ)上，開展了井組及施工工序優(yōu)化、復(fù)合鉆進(jìn)、“一趟鉆”鉆頭和高效堵漏等方面的技術(shù)研究，并通過學(xué)習(xí)曲線法加以持續(xù)優(yōu)化，最終將這些技術(shù)有機(jī)集成，形成了有針對性的煤層氣低成本高效鉆井技術(shù)，取得了較好的應(yīng)用效果，為氣田高效開發(fā)起到了積極的推動作用。

1 總體開發(fā)思路

煤層氣的特點(diǎn)決定了其開采首先需要經(jīng)過排水，使地層壓力下降到臨界解吸壓力以下，此后氣體解吸并在割理裂縫中流動，通過“排水→降壓→解吸→擴(kuò)散→滲流→匯入井筒→排出地面”這一過程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出，因此煤層氣田開發(fā)主要采用密集井網(wǎng)進(jìn)行面積排水采氣。延川南煤層氣田地表屬黃土高原，溝壑縱橫，條件復(fù)雜，叢式井組是其主要的部署模式[10]。

煤層氣田具有豐度低、產(chǎn)能低的特點(diǎn)，且該氣田的開發(fā)方案計劃在2年內(nèi)鉆成808口井，使作業(yè)者面臨著較大挑戰(zhàn)。如何利用有效的鉆井完井技術(shù)，減少非作業(yè)時間、縮短建井周期、降低作業(yè)成本顯得非常重要。

2 低成本高效鉆井設(shè)計技術(shù)

2.1 平臺井?dāng)?shù)優(yōu)化

實(shí)踐表明，叢式井組鉆井可以節(jié)省作業(yè)費(fèi)用，但隨著平臺井?dāng)?shù)的增加，井底水平位移增大，鉆井施工難度增加，反而會增加成本。根據(jù)實(shí)際井距要求，每增加一口井，井場面積需增加250 m2，而延川南氣田山高溝深，實(shí)際的鉆前費(fèi)用就會增加很多，反而達(dá)不到降低成本的目的。根據(jù)井網(wǎng)部署及井間距的要求，結(jié)合延川南區(qū)塊的地形地貌特征，綜合考慮后期排采作業(yè)要求及鉆井施工難易程度，在滿足軌道設(shè)計各項(xiàng)原則的前提下，反演計算出單井輻射的最大范圍，從而確定平臺井?dāng)?shù)。在優(yōu)化鉆井?dāng)?shù)量的過程中，考慮劉家溝組地層漏失較為頻繁，造斜點(diǎn)不宜選在該層段。模擬計算結(jié)果見表1。

從表1可以看出，當(dāng)靶點(diǎn)垂深為1 280.00 m、井斜角不大于35°時，可控位移為470.00 m。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，可計算出單平臺最多控制井?dāng)?shù)(見圖1)，即如果平臺選擇在某個井位上時，可控制井?dāng)?shù)最多為9口。然而，在實(shí)際的平臺選擇中會遇到多種制約因素，因此單平臺通常選擇4～7口井。

2.2 鉆井施工順序優(yōu)化

煤層氣“井工廠”鉆井是通過采用移動鉆機(jī)依次鉆多口不同井的相似層段來實(shí)現(xiàn)的。該鉆井模式成功運(yùn)行的關(guān)鍵在于鉆機(jī)的設(shè)備配套，要求鉆機(jī)在較短的時間內(nèi)消耗最小的人力、物力進(jìn)行整體移動，拆裝最少的設(shè)備達(dá)到移動井位的目的，可以在為鉆機(jī)底部配備滑動裝置滿足這一要求。

但是,通常各個井隊所配備軌道的長度有限，移至較遠(yuǎn)井口時需要循環(huán)使用軌道以滿足鉆機(jī)持續(xù)前行。每一次循環(huán)使用軌道時都可能需要動用吊車或絞車，從而花費(fèi)較大的人力和物力。通過優(yōu)化平臺鉆井施工順序，在保證施工效果和效率的同時最大限度地減少循環(huán)使用軌道次數(shù)。可大致分為以下幾類(見圖2)：1)有效軌道長度滿足鉆機(jī)拖至任意井口的要求，平臺所有井可采用依次一開再依次二開的鉆井順序；2)有效軌道長度滿足鉆機(jī)最多向前拖1口井的要求，可采用2N組合(N=0,1,2,3,…)；3)有效軌道長度滿足鉆機(jī)最多向前拖2個井口的要求時，可采用3N+2n組合(N=0，1，2，3，…；n=0，1，2，3，…)。

2.3 平臺井眼軌跡防碰設(shè)計

在確定并優(yōu)化叢式井組防碰設(shè)計思路時，通常根據(jù)井位部署調(diào)整造斜點(diǎn)位置及鉆井順序，以避免井間干擾，確保安全施工[11-12]。但對于延川南煤層氣工區(qū)而言，主要目的煤藏埋深較淺(一般為800～1 200 m)，同時考慮后期排采要求，定向井主要采用“直—增—穩(wěn)”三段制剖面，最大井斜角一般不大于35°。針對這一特點(diǎn)進(jìn)行井眼軌道設(shè)計時，造斜點(diǎn)的選擇余地十分有限，且井眼軌道在平面上就更應(yīng)避免相互交叉的情況，若采取三維繞障設(shè)計則會增加施工難度和施工成本。因此，采用常規(guī)的防碰技術(shù)存在較多的局限。

延川南煤層氣工區(qū)在進(jìn)行井組優(yōu)化時，常采用2種方法解決這一問題:1)根據(jù)井位部署情況，采用井口與地質(zhì)靶點(diǎn)呈輻射狀布局的設(shè)計方案，從源頭上減小井眼的碰撞概率，同時也為井眼軌跡的調(diào)整留有余地；2)由于井口距離較小，直井段防碰要求高，要對井眼軌道進(jìn)行“預(yù)偏離”設(shè)計，即直井段采用較小的造斜率提前向設(shè)計方位造斜，使井間距提前放大。實(shí)踐表明，采用上述方法有以下優(yōu)點(diǎn)：1)降低了井間干擾及防碰的風(fēng)險;2)可以選用3°/30m的較低造斜率，為后期生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件；3)減小了穩(wěn)斜井段的穩(wěn)斜角，以滿足排采要求；4)在鉆進(jìn)過程中可適當(dāng)釋放鉆進(jìn)參數(shù)，以提高鉆進(jìn)效率。

3 低成本高效鉆井施工技術(shù)

3.1 “一趟鉆”鉆頭的研制

延川南煤層氣區(qū)塊鉆遇第四系、三疊系、二疊系、石炭系等地層。其中，三疊系二馬營組、和尚溝組、劉家溝組地層巖性主要為砂質(zhì)泥巖夾多層中細(xì)粒長石石英雜砂巖；二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組地層巖性為中粒長石石英砂巖和炭質(zhì)泥巖，下部石炭系地層巖性以泥巖、粉砂巖、灰色砂巖及灰?guī)r為主，并發(fā)育多套煤巖。市場上還沒有適用于這類多種巖性、硬度不一的地層，且具有較高機(jī)械鉆速、長壽命、適合定向鉆進(jìn)的鉆頭。為此，在深入分析地層特性的基礎(chǔ)上，開展了PDC鉆頭的自主研制工作。通過對鉆頭冠部進(jìn)行多次優(yōu)化，形成了成熟的鉆頭設(shè)計思路：鉆頭的主要特征為五刀冀、淺內(nèi)錐、中拋物線形冠部，內(nèi)錐線與鉆頭冠部中心軸線夾角為13°～18°，小后傾布齒，切削齒直徑為16.0 mm，刀翼切削齒間距根據(jù)鉆頭各部位受力情況由鉆頭冠部中心至外部呈不規(guī)則排列，并采用切削齒主動保徑和標(biāo)準(zhǔn)保徑的復(fù)合保徑方式。

3.2 低成本鉆井液的配制

由于煤層氣“井工廠”鉆井采用的是流水線式施工方式，在各井一開鉆進(jìn)中，只需在平臺的第一口井施工時配制鉆井液，后面幾口井施工時稍加維護(hù)即可。一開井段，使用預(yù)水化膨潤土鉆井液，其主要作用是攜帶巖屑、保證一開鉆井快速完成；二開井段，雖鉆遇多套地層且包括目的層，但地層相對穩(wěn)定、鉆井施工難度小、井壁失穩(wěn)風(fēng)險低。鉆井液主要以滿足安全快速成井為原則，設(shè)計采用聚合物低固相鉆井液，即在生產(chǎn)水加入少量的幾種常用處理劑，主要目的是攜帶巖屑，具體配方為：生產(chǎn)水+4.00%膨潤土+0.15%PHPA+0.20%～0.60% CMC-LV+1.00%～2.50% FT-2。該鉆井液成本較為低廉，一般僅為常規(guī)聚合物鉆井液成本的1/6～1/5。

3.3 導(dǎo)向鉆具組合

延川南工區(qū)煤層氣井所鉆地層埋深一般為1 000.00～1 500.00 m，位移為100.00～450.00 m，井眼軌道采用“直—增—穩(wěn)”三段制剖面，具有較長的穩(wěn)斜段。在實(shí)際鉆井過程中，中靶精度要求較高，為了保證直井段的防斜打直、穩(wěn)斜段的穩(wěn)斜穩(wěn)方位情況下快速鉆進(jìn)和精確中靶(即一次性完成直井段、定向造斜段、穩(wěn)斜段整個井段的鉆進(jìn))，必須優(yōu)化鉆具組合。通過探索實(shí)踐，形成了以下鉆具組合：φ215.9 mm PDC鉆頭+φ212.0 mm螺旋穩(wěn)定器+φ172.0 mm單彎螺桿+φ210.0 mm螺旋短穩(wěn)定器+φ165.1 mm無磁鉆鋌×1根+φ165.1 mm鉆鋌×17根+φ127.0 mm鉆桿(見圖3)。該鉆具組合在滑動鉆進(jìn)時進(jìn)行造斜作業(yè)，復(fù)合鉆進(jìn)時可起到穩(wěn)斜作用，由于石盒子組、山西組地層有自然降斜的能力，因此該鉆具組合中第2個穩(wěn)定器的直徑應(yīng)該略小于第1個穩(wěn)定器的直徑，可以不起鉆倒換鉆具組合。

3.4 快速堵漏措施

延川南工區(qū)的漏失自上至下幾乎貫穿全部鉆遇地層，其中主要漏失層位集中在上部第四系地層及下部目的層位附近。第四系、劉家溝組及石盒子組地層分界面附近裂隙比較發(fā)育，山西組、太原組地層局部井段灰?guī)r發(fā)育，峰峰組地層灰?guī)r段都是易發(fā)生井漏的層位。漏失資料顯示，各層位的漏失程度并不相同，即使同一層位井與井之間也存在很大差異。漏失造成的鉆井液消耗較大，耗費(fèi)人力、財力和物力，影響鉆井周期[13-14]。部分井嚴(yán)重漏失，鉆井液失返，易導(dǎo)致沉砂卡鉆事故的發(fā)生，甚至導(dǎo)致井眼報廢。

針對上述漏失特點(diǎn)，先采取降低鉆井液密度、提高鉆井液的黏度和切力、并在鉆井液中加入“1%～3%單向封閉劑+3%～4%鋸末+1%～2% JYW-1”的隨鉆堵漏方案，邊鉆進(jìn)邊觀察。若仍然出現(xiàn)漏失，根據(jù)漏失程度添加膨潤土、CMC和復(fù)合型堵漏劑等。如果漏失嚴(yán)重，停止鉆進(jìn)，配制堵漏漿，靜止堵漏。當(dāng)靜止堵漏不成功或者漏失更加嚴(yán)重時，采取在漏失層位先注入低密度水泥漿、后注入堵漏漿的方式堵漏。由于煤層氣井一般較淺，堵漏材料很難通過液柱壓力擠入裂隙，現(xiàn)場一般利用自制的簡易井口密封裝置使環(huán)空內(nèi)形成一定的壓力，將堵漏材料擠入地層，同時在鉆井液中添加1%～2% JYW-1(無滲透處理劑)來提高地層的承壓能力。

在現(xiàn)場施工過程中，為預(yù)防或處理漏失，還應(yīng)注意以下問題：

1) 在松軟、易漏地層鉆進(jìn)，應(yīng)控制鉆速和鉆井液固相含量；

2) 起下鉆忌過猛過快，開泵平穩(wěn)，避免因操作不當(dāng)引起壓力激動；

3) 提高鉆井液抑制性，改善鉆井液的流變性能，降低循環(huán)壓耗；

4) 鉆至主要漏失層位前，適當(dāng)提高鉆井液黏度，提前在鉆井液中加入大顆粒隨鉆堵漏劑。

3.5 簡易表層固井

延川南區(qū)塊地層壓力低，常采取一級井控要求，因此一般下入表層套管封固第四系地層，下入深度相對較淺(通常為50.00～100.00 m)。為了進(jìn)一步降低鉆井成本，選用價格相對低廉的J55ERW焊縫管作為表層套管。

工區(qū)附近無油井水泥生產(chǎn)企業(yè)，油井水泥運(yùn)輸成本較高。為了降低成本，開展了低成本水泥表層固井室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上通過多次優(yōu)化水泥石強(qiáng)度的形成時間，形成了較為成熟的低成本水泥漿體系，具體配方為低成本水泥(325)+3.0%CaCl2+0.5%USZ+42.0%H2O，密度為1.85 kg/L。

在實(shí)驗(yàn)室對該低成本水泥漿體系的主要性能進(jìn)行了測試,結(jié)果為：1)φ600，φ300，φ200，φ100，φ6和φ3的讀數(shù)分別為260,130,116,90,35和28;2)水泥石在常壓和20 ℃條件下養(yǎng)護(hù)6,9,12,24和48 h的抗壓強(qiáng)度分別為0.8,2.4,3.5,8.9和14.7 MPa。由此可以看出，該水泥漿體系形成水泥石較快，流動度良好，完全滿足表層固井需要。

4 學(xué)習(xí)曲線法的運(yùn)用

學(xué)習(xí)曲線的定義為“在一定時間內(nèi)獲得技能或知識的速率”；學(xué)習(xí)效應(yīng)是指在一個合理的時間段內(nèi)，連續(xù)進(jìn)行有固定模式的重復(fù)工作，工作效率會按照一定比率遞增[15-16]。而將學(xué)習(xí)曲線應(yīng)用于油氣鉆井中，需具有特定的前提條件——區(qū)塊、井別、井型、目的層和井深相同，即“5個相同”。延川南煤層氣鉆井過程中，同一平臺井不僅能夠滿足上述“5個相同”，而且鉆井方式、井身結(jié)構(gòu)、鉆遇地層、鉆機(jī)型號、施工隊伍等也基本相同。在此條件下，采用學(xué)習(xí)曲線分析技術(shù)的適應(yīng)性和成熟程度并評價未來的鉆井指標(biāo)就更精確，更有利于提高鉆進(jìn)效率。同時，采用學(xué)習(xí)曲線還可對出現(xiàn)的井漏等相似井下故障進(jìn)行總結(jié)，完善應(yīng)對方案，及時預(yù)防，減少處理所占用的時間和材料消耗，從而達(dá)到縮短鉆井周期、提高鉆井效益的目的。

以延川南煤層氣田T90平臺為例進(jìn)行說明。該平臺共部署8口井，均為開發(fā)井，井口呈一字形分布，使用1臺帶軌道鉆機(jī)進(jìn)行“井工廠”模式鉆井，先對所有井依次一開、固井，然后依次二開、固井、完井。各井之間除了井深有較小差異外，在區(qū)塊、井別、井型、地層、井身結(jié)構(gòu)、鉆機(jī)型號、施工隊伍和鉆井方式等方面均相同。各井實(shí)際鉆井情況見表2。

由表2可知，在學(xué)習(xí)階段，單井鉆井周期隨所鉆井井序依次縮短。分析認(rèn)為，在各項(xiàng)條件(如區(qū)塊、地層、井型、井身結(jié)構(gòu)、鉆井方式等)保持不變的情況下，通過不斷的重復(fù)性工作產(chǎn)生了一定的學(xué)習(xí)效果，所以鉆井周期才逐漸縮短。在穩(wěn)定階段，平均單井鉆井周期基本趨于穩(wěn)定，學(xué)習(xí)效應(yīng)不是很明顯，甚至可以將其忽略。分析認(rèn)為，若要進(jìn)一步提高鉆井速度、縮短鉆井周期，應(yīng)改變鉆井條件或者引進(jìn)新的鉆井技術(shù)，比如可以采用改變鉆井方式(如空氣鉆井)等方法達(dá)到進(jìn)一步縮短鉆井周期的目的。

5 應(yīng)用效果

引入“井工廠”鉆井模式并集成多項(xiàng)針對性技術(shù)而形成的低成本高效鉆井技術(shù)，其核心是“井工廠”鉆井技術(shù)。2014年應(yīng)用“井工廠”鉆井技術(shù)在延川南煤層氣田鉆井808口，應(yīng)用后建井周期大大縮短，非生產(chǎn)時間大幅度減少，整體效果明顯。延川南區(qū)塊近三年不同鉆井方式下的鉆井指標(biāo)對比見表3。

由表3可知：較之常規(guī)鉆井技術(shù)，該煤層氣田應(yīng)用“井工廠”鉆井技術(shù)后，平均鉆井周期縮短了30.3%以上，平均機(jī)械鉆速提高了51.6%以上。另外，實(shí)踐表明，應(yīng)用“井工廠”鉆井技術(shù)后鉆機(jī)井間搬遷最短僅需4 h即可達(dá)到開鉆要求，單井成本節(jié)省了近18%。這些都證明了形成的以“井工廠”鉆井模式為核心的低成本高效鉆井技術(shù)在煤層氣鉆井中的有效性。

6 認(rèn)識與建議

1) 在煤層氣田開發(fā)中，引入“井工廠”鉆井模式并集成有針對性的適用技術(shù)，并將其應(yīng)用于鉆井作業(yè)的各個環(huán)節(jié)，能夠顯著控制鉆井成本，提高開發(fā)效率。

2) 學(xué)習(xí)曲線法可有效促進(jìn)油氣田開發(fā)技術(shù)水平的進(jìn)步，同時不斷總結(jié)和優(yōu)選出適合該區(qū)塊的配套技術(shù)，達(dá)到提高鉆井效率、降低鉆井成本的目的。

3) 我國許多非常規(guī)油氣有利區(qū)地處山區(qū)，交通不便、水資源缺乏和井場選擇受限等問題制約其有效開發(fā)，采用“井工廠”模式開發(fā)可在一定程度上解決上述問題，同時能夠降低開發(fā)成本，因此“井工廠”鉆井將是今后發(fā)展的主要趨勢。

4) “井工廠”鉆井模式已在煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)資源開發(fā)中得到成功應(yīng)用，建議將該技術(shù)推廣至常規(guī)油氣開發(fā)中。

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《油氣地質(zhì)與采收率》以討論“油氣勘探開發(fā)新理論、新方法”和“提高油氣采收率技術(shù)”為主題，報道內(nèi)容涵蓋了油田勘探開發(fā)主業(yè)的各個專業(yè)。設(shè)有“油氣地質(zhì)”、“勘探技術(shù)”、“油氣藏工程”、“油氣采收率”、“油氣鉆采工程”和“專家論壇”等欄目。

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Research and Application of Low Cost and Efficient CBM Drilling Technology in South Yanchuan

Shen Jianzhong, Long Zhiping

(PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopecEastChinaCompany,Nanjing,Jiangsu, 210031,China)

Low reservoir volume and low single well production are bottlenecks that restrict coal bed methane(CBM) development, so how to improve the drilling efficiency and how to control the costs are the keys to the effective development of CBM. After summarizing the previous drilling experiences in South Yanchuan CBM block, the well factory drilling model was successfully applied and many technical research and field applications focused on reducing the cost and increasing benefits were carried out. Techniques included cluster well optimization, preventive deviation anticollision, navigational BHA, individualized bit design, efficient leak stoppage, etc. Then, the learning curve was used to optimize and improve key technologies and develop low cost and efficient drilling technology. Low cost and efficient drilling technology that was developed in the South Yanchuan CBM Block was applied to 808 wells and the operations were performed with good quality and high efficiency, in which the average single well drilling cycle was shortened by more than 30.3%, and productivity construction and penetration rate were improved by over 51.6%. The application showed that the well factory drilling mode could be employed in the field of CBM development to significantly control drilling costs, improve the efficiency to cost-effectively develop CBM.

coal bed methane；cluster wells；well factory；drilling；learning curve；penetration rate

2014-12-17；改回日期：2015-06-16。

沈建中(1975—)，男，江蘇揚(yáng)中人，1995年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)校鉆探工程專業(yè)，2004年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工程技術(shù)研究和相關(guān)管理工作。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201505012

TE249

A

1001-0890(2015)05-0069-06

聯(lián)系方式：(025)58859487，sjz_75@sina.com。