煤层气水平井钻井工艺分析与技术改进研究

煤层气水平井钻井工艺分析与技术改进

研究

摘要：近年来，随着中国煤层气开采的发展，新储层日益复杂，老煤层气田发展的困难也越来越大。进一步提高老煤层气田发展效益，合理发展边际油地面积和提高油气采收率，是中国石油工业的共同目标。近年来，在中国新发现的低渗透储量已占据全国新探明储量的50%以上。应增强中国低渗透新探明储量的发展优势，大大提高单孔生产率。实现低渗透率煤层的合理开发利用，实现国民经济的基本能源需求，是发展中国深煤层气产业的一个迫切任务。本文对煤层气水平井钻井工艺分析与技术改进进行分析，以供参考。

关键词：煤层气；水平井；钻井工艺；研究

引言

水平井钻井技术是煤层气高效抽采的关键技术之一。中国的煤层气钻井技术主要借鉴引用油气开发钻井工艺，随着当前钻井技术的不断发展，水平井钻井技术体系已取得长足进步，尤其是在井眼轨道、井身结构、井眼轨迹和井眼稳定性影响因素探究等方面，技术工艺和参数优化水平有了很大的提升。但对于煤层气开发，上述技术改进大部分基于工程技术研究方面，很少有基于煤层气开发原理的技术研究，因此有必要基于煤层气水平井井型设计，研究综合各类煤层气水平井井型的优点和缺点，针对性提出配套钻井工艺参数优化方法，提高煤层气水平井抽采效率。

1水平井分段压裂工艺研究

1.1水力喷射分段压裂工艺

水力喷射分段压裂是一种集射孔、水力压裂、封隔于一体的新型增产技术。该工艺通过特殊套管爆破和岩石成孔等手段产生高速流体。工作面流体压力大于

破裂压力，形成单向主裂纹。实际施工中会泵送少量的橡胶液，若确定载体溶液

与喷嘴之间的距离，则孔数会迅速增加。在注塑成型、密封圈关闭几分钟后，根

据密封圈的设计性能或最大密封圈压力下的最大允许泵速，从密封圈中去除橡胶。此时应根据设计排砂量和磨管内砂浓度对混合砂进行破碎。第一次研磨后，调整

钻具，使喷嘴对准下一次挤压和喷射研磨的位置，然后进行分级研磨。根据需要，在不同裂缝尺寸的水平井中，可通过单根管线进行水力浇筑，并可以精确控制水

平井的水力裂缝位置。该技术被广泛应用，可用于水平井完井和钻井，建筑安全

性高，施工时间短。由于钻孔时间短，储层损坏率低，无需机械封隔。这是一项

现代水平井找平技术，国内外已有数百口砂酸处理井成功应用。

1.2环空封隔器分段压裂技术

环空封隔器分段压裂是将封隔器置于设计位置，用管道密封环空封隔器，然

后在支撑环中压碎。解锁时，按下压力管路，断开连接，打开冲洗通道阀门，冲

洗完毕后取出被压碎的管柱。再重复这些步骤加深研磨程度。该技术施工过程中

使用的钻具较少，遇沙塞事故时，与选用双重密封、机械桥塞+封隔器的分段压

裂相比，处理难度系数比较低。施工过程中，摩擦力低，设计档次高，设计难度低。该技术应用于吉林油田的施工中，通过这项技术，水平井产量稳定在周围直

井产量的3.5倍。

2排采工艺优化

2.1井下泵组的优化

为了适应较大狗腿度的井眼，缩短了泵筒（芯）的长度，提高井眼的适应性。主要是将泵组在原有的基础上进行缩短，尺寸缩短能更好的应对大斜度井况，狗

腿度变化大的井起下工具更通畅；同时减轻了重量，特别是泵芯重量减轻后，更

容易实现起泵芯操作。为了解决排采过程中泵芯卡，无法更换泵芯检泵的问题，

通过优化改进泵组结构，减少检泵频率。主要是优化泵芯和中心管插头的结构，

提高起泵芯成功率：改造泵芯和中心管插头的结构，在泵芯本体的外侧设置“凸”起的台阶，在中心管插头的内侧设置“凸”起的台阶。泵芯遇卡时，上提中心管，带动泵芯一起向上移动，实现泵芯解卡。

2.2管柱结构优化

电潜螺杆泵在排采运转时，杆柱旋转，受偏心距和扭矩作用，抽油杆与油管

内壁的接触、摩擦，越靠近转子，偏心距作用越明显，偏磨越严重，导致油管磨穿。因此，一般在井斜较大的定向井或水平井，一般推荐使用无杆排采设备。为

试验螺杆泵在马必东区块L型水平井的应用，进行管柱结构优化使用万向导向装

置和双保护接箍，可以大大延长检泵周期。

2.3螺杆泵补水系统

螺杆泵排采设备在工作过程中，流套压控控制不好或者动动液面控制不当容

易造成烧泵，另外当井筒水质变差时还容易引起卡泵的问题，为此通过优化给井

筒内补水理念，一方面避免烧泵，另一方面改善井筒内水质环境，提高泵组的运

行效率。补水系统主要由地面水箱及补水系统，当水箱液面下降到设定位置时，

补水系统直接自动给水箱补满水；井下主要有水管和注入头组成，水管和注入头

下入深度根据下泵深度确定，在下泵时连着油管一起入井。

3井型设计改进

3.1 L型水平井

L型水平井是目前使用较多的一种设计方式，主要包括采动区L型水平井和

常规地面抽采L型水平井。一般在生产准备区布置采动区L型水平井，其中，水

平段在煤层顶板，直井段结合地质情况特殊设计。该方式兼具煤矿高位钻孔抽采

和地面直井抽采的优点，能够通过煤层采动影响，有效释放地层应力，提高储层

渗透率，可以大规模推广应用。在远景规划区一般布置常规地面抽采L型水平井，该设计方式能够通过排水降压使煤层中甲烷解吸产出，通过全水平段下入筛管或

套管，对水平井进行压裂或者氮气扩孔增渗，提高储层渗透率。

3.2 U型水平井

U型水平井由一个直井和一个水平分支组成，其中，直井主要在煤层处造穴，水平井穿过洞穴与直井连通。U型水平井能够对煤层形成有效支撑，防止水平段

垮塌，实现水平井产量的大幅提升。但该设计方式技术难度大，占地面积大，而

且造价成本较高，不符合大规模推广使用要求。

3.3直斜段固井技术

采用二开钻井工艺时，由于二开钻进直接钻完水平段，极易导致直斜段未固井，造成井筒坍塌，需采用直斜段下套管固井技术，通过在套管外增加分级箍、

封隔器及盲板等加固部件，实现了直斜段固井、煤层段不固井，有效增强了直斜

段稳定性，降低了水平井直斜段施工风险，同时也避免了对水平井段煤层的污染。

3.4储层保护性能评价

将煤岩岩心在不同钻井液中加压5MPa浸泡24h后，使用TAW-1000型岩石力

学试验设备测试其单轴抗压强度，每组钻井液测试2块岩心作为平行样，针对不

同钻井液类型，使用JHDS-Ⅲ型高温高压动态失水试验仪和KDY-50型岩心流动试

验装置对煤岩岩心开展储层保护性能试验。首先，用地层水饱和待测岩心，用氮

气测试煤岩在束缚水饱和度下的初始渗透率；然后，在压差3.5MPa条件下用钻

井液对岩心进行污染，再反向驱替2倍孔隙体积的破胶液，测试破胶后的煤岩在

束缚水饱和度下的气测渗透率，计算渗透率恢复率。

结束语

（1）优化同心双管射流泵井下泵组减少了排采过程中泵芯遇卡的问题，优

化了地面工艺流程实现一拖二排采，一台柱塞泵能同时满足两口井的排采要求，

降低单井能耗。通过现场应用试验取得了比较良好的效果。（2）优化螺杆泵增

加万向导向装置和双保护接箍降低偏磨，增加注水系统降低烧泵风险，通过现场

应用取得了一定的效果。

参考文献

[1]陈金宏,爬行器在煤层气水平井分簇射孔中的应用[J].中国煤层

气,2022,19(01):45-47+26.