張 波，倪元勇，盛 晨，崔樹清，武正天，邱春華

(1.華北油田公司，河北 任丘 062552；2.長江大學(xué)，湖北 武漢 431000)

1 概 述

傳統(tǒng)的煤層氣裸眼多分支水平井大多是由1口工藝井與1口排采井構(gòu)成的1個井組。工藝井在煤層內(nèi)與排采井洞穴連通，并在煤層內(nèi)延伸至設(shè)計(jì)長度，在水平段兩側(cè)鉆若干分支。由于這種主支、分支以及工藝井與排采井連通的洞穴均在煤層中，存在較多問題[1-4]：①煤層的不穩(wěn)定特性造成主支易坍塌失去排采通道；②主支、分支追求最大限度穿越煤層，當(dāng)出現(xiàn)垮塌時，隨即完鉆而達(dá)不到煤層進(jìn)尺設(shè)計(jì)要求，主支不可監(jiān)測、不可重入、不可沖洗；③生產(chǎn)過程中，井眼坍塌堵塞排采通道，井眼無法實(shí)現(xiàn)管柱重入進(jìn)行疏通作業(yè)；④排采直井洞穴易垮塌，導(dǎo)致排采設(shè)備難以準(zhǔn)確下入預(yù)定排采深度；⑤由于煤層漏失壓力小、易垮塌，完鉆后或排采生產(chǎn)過程中洗井困難。為此，提出了“主支疏通、分支控面、脈支增產(chǎn)”的水平井設(shè)計(jì)理念，形成了一種新的仿樹形水平井井型[5]。

仿樹形水平井是一種主支建在穩(wěn)定的煤層頂板或底板上，分支由主支側(cè)鉆進(jìn)入煤層，再從分支側(cè)鉆若干脈支的水平井。一個主支與若干分支以及每個分支上的若干脈支，形多分支水平井排采系統(tǒng)(圖1)。主要由1口工藝井和2口排采井組成，其中，遠(yuǎn)端排采井也可作為監(jiān)測井。工藝井分別與兩口排采井連通，連通位置置于穩(wěn)定的煤層頂板(或底板)，工藝井的主支在穩(wěn)定的煤層頂板(或底板)沿上傾方向鉆進(jìn)，形成穩(wěn)定的排采通道；工藝井水平段由主支、分支、脈支構(gòu)成[5]。筆者將重點(diǎn)介紹仿樹形水平井成井的一些關(guān)鍵技術(shù)，為仿樹形水平井的成功成井提供安全保障，同時也為該井型的推廣提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

2 仿樹形水平井的關(guān)鍵成井技術(shù)

2.1 泥巖主支綜合導(dǎo)向技術(shù)

仿樹形水平井主支在頂板(底板)泥巖層延伸，導(dǎo)向技術(shù)比較困難，主要存在以下難點(diǎn)：①主支頂板泥巖鉆進(jìn)導(dǎo)向依據(jù)難以確定，鉆頭位置判斷難度較大，主支一般在煤層頂部0～1.5m范圍內(nèi)泥巖中鉆進(jìn)，泥巖中砂質(zhì)條帶非穩(wěn)定分布，主要導(dǎo)向參數(shù)伽馬曲線特征橫向變化較大，同時頂板泥巖厚度變化較大，沒有區(qū)域穩(wěn)定分布的標(biāo)志層作為導(dǎo)向依據(jù)；②水平井井眼軌跡主要參考地震測線進(jìn)行調(diào)整，微構(gòu)造在地震解釋剖面上難以發(fā)現(xiàn)，主支控制在煤層頂板泥巖1.5m范圍難以實(shí)現(xiàn)；③主支在頂板泥巖鉆進(jìn)較煤層鉆進(jìn)摩阻大，定向鉆進(jìn)及側(cè)鉆分支比較困難。

可以通過泥巖綜合導(dǎo)向技術(shù)來解決為主支的延伸問題。

1)精細(xì)地質(zhì)分析，利用鉆井及測井(取芯)資料，強(qiáng)化主支泥巖的地質(zhì)認(rèn)識。在進(jìn)入煤層前進(jìn)行井壁取芯，通過巖石薄片鑒定分析巖性，判斷煤層頂部有無明顯砂質(zhì)條帶標(biāo)志層，并通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)判斷主支泥巖能否滿足穩(wěn)定性要求；同時，對比地震解釋剖面、構(gòu)造等高線與鄰井實(shí)鉆資料，預(yù)測地層傾角并確定幾何導(dǎo)向控制點(diǎn)。在鉆前分析鄰井(包括洞穴井)煤層頂部泥巖巖電組合特征，施工中總結(jié)隨鉆導(dǎo)向參數(shù)層對應(yīng)特征，進(jìn)而確定導(dǎo)向依據(jù)，實(shí)現(xiàn)跟蹤判斷。

2)合理軌跡控制。隨著水平位移的增大，井下摩阻逐漸增加，為達(dá)到主支與遠(yuǎn)端洞穴井的連通，采用多段微調(diào)整的軌跡控制進(jìn)行幾何導(dǎo)向，連續(xù)定向井段一般在3～5m，保證井身軌跡質(zhì)量，確保與遠(yuǎn)端洞穴井的連通。

2.2 登梯法軌跡控制技術(shù)

常規(guī)裸眼多分支井主支和分支都追求煤層鉆遇率，通過不斷地調(diào)整軌跡去追蹤煤層，易形成波浪狀井眼，導(dǎo)致U型管效應(yīng)，發(fā)生水鎖和灰堵(圖2)，不利于后期排采。為確保主支在煤層頂板泥巖延伸，滿足后期排采過程主通道的穩(wěn)定，減少U型管效應(yīng)，采用登梯法井眼軌跡控制技術(shù)[6](圖3)，確保主支平滑。圖3中E、N為頂板泥巖內(nèi)主支井眼；G、H為井斜角增至與地層傾角相當(dāng)時穩(wěn)斜段；H、I為井斜角降至與地層傾角相當(dāng)時穩(wěn)斜段；I、K為井斜角大于地層產(chǎn)狀上傾0.5°的區(qū)域時穩(wěn)斜段；F、M為煤層側(cè)鉆分支；J、L為井斜角達(dá)到90.5°穩(wěn)斜進(jìn)入煤層，保證軌跡上傾井段。

圖2 煤層氣排采水鎖效應(yīng)示意圖

圖3 登梯法軌跡控制示意圖

登梯法井眼軌跡控制要求主支整體上傾，井斜角不小于90.5°，同時保證軌跡距煤層頂部不小于1.5m。控制好鉆頭距煤層頂部的距離調(diào)整井斜角與地層傾角相當(dāng)，鉆進(jìn)過程中考慮復(fù)合自然增斜率來合理控制軌跡。當(dāng)鉆遇地層水平或下傾時，先確定鉆頭距煤層頂部的距離，控制井斜90.5°鉆進(jìn)，會出現(xiàn)距離煤層愈來愈遠(yuǎn)的情況，因此，后續(xù)地層上傾井段因緩慢增斜，最終達(dá)到鉆頭距煤層頂部距離適中、井斜角與地層傾角相當(dāng)。

2.3 泥巖造穴及連通技術(shù)

仿樹形水平井主支需要在頂板(底板)泥巖進(jìn)行連通，而泥巖的強(qiáng)度比煤巖大，常規(guī)在煤層段造穴用的雙刀翼工具易發(fā)生斷裂等復(fù)雜事故，應(yīng)用一種新的單翼造穴工具(圖4)，實(shí)現(xiàn)泥巖段的成功造穴。該工具主要由本體、心軸和刀翼三部分組成，本體將工具與鉆桿連接到一起，并為工具的旋轉(zhuǎn)提供扭矩；心軸連接刀翼與本體，其上部有液流通道，能夠讓鉆井液進(jìn)入到刀翼；刀翼上均布有切削齒和水眼，用來切削地層，并承受一定的鉆壓與扭矩。

圖4 單刀翼造穴工具

同時，考慮在泥巖連通，泥巖段扭方位比較困難，而且泥巖中一旦連通失敗，不能像煤層采取憋壓連通等補(bǔ)救措施，只能實(shí)施二次連通。因此對泥巖連通的工藝提出了更高的要求。常規(guī)煤層連通采用普通的測量系統(tǒng)(MWD或EMWD等)即可完成，但是存在測量誤差和計(jì)算誤差，不適合泥巖的精準(zhǔn)連通。采用一種精確中靶系統(tǒng)(RMRS系統(tǒng))，它是一種主動測量系統(tǒng)，能精確計(jì)算出鉆頭相對于靶點(diǎn)處傳感器的相對方位和距離，不會產(chǎn)生累積誤差，從而精確引導(dǎo)鉆頭向靶點(diǎn)鉆進(jìn)，確保工藝井和排采井在泥巖精準(zhǔn)連通。

2.4 復(fù)合雙循環(huán)攜巖技術(shù)

由于煤層的不穩(wěn)定性，且煤層氣多分支水平井井眼在煤層中延伸距離較長，為防止鉆屑和垮塌煤塊堆積，常規(guī)解決攜巖和井眼清潔問題主要通過增加鉆井液的粘度、切力等流變性能和提高循環(huán)排量來攜帶巖屑，保持井眼清潔。但是容易污染煤儲層和壓漏煤層，進(jìn)而發(fā)展了充氣輔助攜巖技術(shù)，通過向鉆井液內(nèi)注入氣體，減小鉆井泵循環(huán)壓力，提高鉆井液返速，從而實(shí)現(xiàn)輔助攜巖的效果。但由于氣體的可壓縮性大，當(dāng)井壁垮塌時，或鉆井液中巖屑濃度變化大時，帶來井底壓力波動，加劇井壁失穩(wěn)。針對充氣輔助攜巖技術(shù)這一缺陷，利用液體可壓縮性遠(yuǎn)小于氣體及液體射流可產(chǎn)生負(fù)壓的特點(diǎn)，采用雙管雙循環(huán)技術(shù)[7]實(shí)現(xiàn)仿樹形水平井巖屑的有效攜帶(圖5)。該技術(shù)能有效防止在煤層鉆進(jìn)時由于鉆速過快而在水平段形成砂橋，造成卡鉆等復(fù)雜事故。

圖5 雙管雙循環(huán)攜巖示意圖

二開鉆井結(jié)束后，先下入帶有防轉(zhuǎn)插座與相關(guān)固井附件的外層套管，并進(jìn)行內(nèi)插管固井作業(yè)；固井結(jié)束后下入帶有扶正器、自封封隔器、射流發(fā)生器、防轉(zhuǎn)插頭等部件的內(nèi)層套管，并將防轉(zhuǎn)插頭插入到外層套管的防轉(zhuǎn)插座上，進(jìn)行配合固定。鉆進(jìn)時從立管注入排量Q1的鉆井液保持正常的循環(huán)外，還有一部分鉆井液從外層套管與內(nèi)層套管的環(huán)空注入排量Q2的鉆井液，經(jīng)射流發(fā)生器發(fā)生轉(zhuǎn)向，進(jìn)入鉆具與內(nèi)層套管的環(huán)空，與原有的鉆井液混合在一起，提高了內(nèi)部環(huán)空的鉆井液排量，達(dá)到上直段與斜井段輔助攜巖的目的。

2.5 泥巖固壁技術(shù)

主支頂板泥巖雖然強(qiáng)度比煤巖大，但是存在大量微裂縫，流體侵入裂縫導(dǎo)致巖石應(yīng)力改變，強(qiáng)度降低，發(fā)生井壁失穩(wěn)。為確保仿樹形水平井主支安全鉆井，采用擠注固壁劑對泥巖裂縫進(jìn)行封堵加固(圖6)。固壁后，泥巖的平均單軸抗壓強(qiáng)度比鉆井液侵入下提高了114%(表1)，能有效解決泥巖的垮塌問題，為主支在泥巖安全延伸提供保證。

圖6 泥巖固壁過程

序號頂板泥巖單軸強(qiáng)度/MPa鉆井液固壁劑強(qiáng)度提高/%130.4377.77156239.0872.9687336.0775.62110平均35.1975.45114

2.6 懸空側(cè)鉆技術(shù)

由于仿樹形水平井設(shè)計(jì)多個分支和脈支，采用普通的下封隔器/斜向器進(jìn)行側(cè)鉆或打水泥塞進(jìn)行側(cè)鉆，成功程序復(fù)雜，不適合在水平段進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)；而且分支數(shù)量多，大大增加鉆井周期，投資成本增加，效益降低。經(jīng)過探索和實(shí)踐，采用懸空側(cè)鉆是比較適合的一種經(jīng)濟(jì)有效的側(cè)鉆方式。它具有工藝簡單、可操作性強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)。在鉆過的井眼中，將由單彎螺桿組成的導(dǎo)向鉆具下至側(cè)鉆點(diǎn)，根據(jù)要求的方位擺放好工具面，以滑動的方式控時鉆進(jìn)，鉆頭在無任何支撐的條件下鉆出新的井眼，從而實(shí)現(xiàn)分支和脈支的有效鉆進(jìn)，在一水平主支井眼上采用懸空側(cè)鉆的方式鉆多個分支，在分支上側(cè)鉆脈支。

3 結(jié) 語

鄭試1平-5井是華北油田在沁水盆地部署的一口仿樹形水平井，通過上述關(guān)鍵技術(shù)的集成應(yīng)用，該井共順利完成1個主支，13分支，26個脈支。全井總進(jìn)尺12288m，純煤進(jìn)尺9408m，實(shí)現(xiàn)萬米進(jìn)尺無事故，煤層進(jìn)尺創(chuàng)國內(nèi)之最。

通過配套關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，仿樹形水平井成井屏障基本攻克，為這種新型水平井的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)了水平井主支的穩(wěn)定、疏通、可重入，一定程度上降低了煤層坍塌堵塞排采通道的問題，同時最大限度地溝通煤層割理系統(tǒng)，增大煤層的裸露面積，從而提高煤層氣單井產(chǎn)量。仿樹形水平井技術(shù)對我國煤層氣開發(fā)具有重要意義。