羽状水平井钻井工艺

定向羽状水平井钻井工艺

定向羽状水平井技术适合于开采低渗透储层的煤层气,集钻井、完井与增产措施于一体。其主要机理在于多分支井眼在煤层中形成网状通道,促进微裂隙的扩展,又能连通微裂隙和裂缝系统,提高单位面积内的气液两相流的导流能力,大幅度提高了井眼波及面积,降低煤层气和游离水的渗流阻力,提高气液两相流的流动速度,进而提高煤层气产量和采出程度。

一、钻井设备：

1.钻机、钻塔、钻铤和钻具。

2.造斜工具

中、长半径造斜工具（包括P5LZ165、PSLZ197、P5LZ120三种尺寸系列、多种结构规格的固定弯壳体造斜马达）和短半径造斜工具。

3.水平井测井仪器。包括钻杆输送式、泵送式两种测井仪器和下井工具,以及湿式接头和锁紧装置等。

4.射孔工具。包括旋转弹架和旋转枪身等2种高强度定向射孔枪和传爆接头。

5.完井工具。包括金属棉筛管、新型套管扶正器及其它9种完井工具

6.铰接式钻具

羽状分支水平井的井眼轨迹是空间弯曲线,既有井斜的变化又有方位的变化,通常需要在钻铤或钻杆连接处加装一个具有柔性连接的铰接式接头。这种接头具有万向节的功能,在一定角锥度范围内可以任意方向转动,同时具有密封功能。此外,采用铰接式钻具组合,最大限度降低扭矩、摩阻和弯曲应力。

7.可回收式裸眼封隔器/斜向器

斜向器是分支井钻井的关键技术工具,对分支井的钻井起着至关重要的作用,它在分支点处引导钻头偏离原井眼按预定方向进行分支井眼的钻进。煤层气钻进中的斜向器是可回收式带裸眼封隔器的,它由斜向器和封隔器两部分组成,斜向器的斜面上开有送入和回收的孔眼,用于施工作业中送入和回收斜向器,可膨胀式封隔器用于固定和支撑斜向器。

8.井眼轨道控制

由于煤层可钻性好,钻速快,单层厚度薄(3～6m),井眼轨迹控制难度大。为将井眼轨迹控制在煤层内,可采用“LWD+泥浆动力马达”或地质导向钻井技术。实现连续控制,滑动钻进,提高轨迹控制精度,加快钻进速度。同时要避免井眼轨迹出现较大的曲率波动。钻进中尽量避免大幅度变动下部钻具组合结构、尺寸和钻进参数,并控制机械钻速在一定范围内变化,防止井眼出现小台肩现象。

9.其它工具和装备。例如专用取心工具、无磁钻挺、纺锤形稳定器等多种工具和装备。

二、材料：

钻井液：油基钻井液、水基钻井液、无土相钻井液和气基钻井液。

套管等。

三、工艺流程：

1.煤层气羽状水平井完井方法

分支井作为水平井与定向井的集成与发展，其技术难点不再是钻井工艺技术而是完井技术。同水平井及直井相比，分支井完井要复杂的多，主要是分支井根部的连接密封以及分支井眼能否再次进入的问题。目前，国外分支水平井的完井方法主要有三种：裸眼完井、割缝衬管完井和侧向回接系统完井。裸眼完井较为常见，但易出现井壁坍塌等问题。割缝衬管完井虽然能克服这一缺陷，但安装比较困难。如果水平段的岩性比较硬可用裸眼完井或割缝衬管完井，一般较软岩石可用水平井回接系统完井。实际操作中，可根据具体情况进行设计对于煤层气定向羽状分支水平井的完井方式，工艺较简单。如要采用裸眼完井，直接投产。2.钻出工艺

目前国外主要采用以下四种方法钻出分支井：

1）开窗侧钻

多采用可回收空心造斜仪器侧钻而较少采用段铣方法，目前可回收空心造斜器的回收率已大于95%，现已出现了集成的造斜器及铣刀，可通过一次起下钻作业完成造斜器的定向、坐放及套管开窗，如Sperry-Sun公司的RDS系统。

2）预设窗口

将一个特制的留有窗口的短节接到套管柱中，窗口由易钻的复合材料组成，下井后用专用工具打开窗口。

3）裸眼侧钻

运用封隔器及造斜器不仅能进行低边侧钻，也可以实现高边侧钻，

还可以直接进行裸眼侧钻，或打水泥塞，然后从水泥塞中造斜，或下裸眼造斜器进行侧钻。

4）井下分支系统（Down hole Splitter System）

这是一种集侧钻、完井于一体的多用途系统。它便于在主井眼和分支井眼钻出后安装回接完井管柱。

3.钻井流程

1）定向井井位的确定

井位坐标要求：基本数同一般直井。丛式井坐标需一同下发，以便作出丛式井整体设计。注明各中靶点的坐标及垂直深度，提供最新井位构造图。

2）地面井口位置的选择

工程、地质设计及测量人员根据井位坐标和地面实际条件确定井口位置和井架整托方向（丛式井）。井口位置选择尽量利用地层自然造斜规律。多目标井井口位置在第一靶点和最后一个靶点联线的延长线上。井架立好后需要进行井口坐标的复测。

3）羽状井设计

主水平井眼采用中、小曲率半径和“直—增—增—稳(水平段)”的连增复合型剖面,井眼轨迹圆滑、摩阻和扭矩小,造斜点选在煤层顶部砂岩上。分支井眼采用中曲率半径和“增—稳”剖面,与主水平井眼呈45°夹角。为使主水平井眼和分支井的位置最佳,垂直井段必须经过精心设计和钻进,要利用煤层上方压实砂岩进行裸眼造斜和稳定短半径弯曲井段,并达到良好的地层控制。

分支水平井眼钻井顺序是由下往上逐个分支钻成的。工艺步骤如下。

(1)当钻完主水平井眼后,调整钻井液性能确保水平井段内岩屑清洗干净、无底边岩屑床,煤层井壁稳定。

(2)起出钻具,下入可回收式斜向器到预定分支点位置,定向后座封;然后下入带“LWD+泥浆马达+高效钻头”的钻具,侧钻出一个水平分支井眼。

(3)钻完第一个分支井眼后起出钻具,下入专用工具将斜向器起出;重复上述方法钻完设计分支井眼个数后裸眼完井。

四、增产机理及主要优点：

1.定向羽状水平井的增产机理

(1)增大解吸波及面积,沟通更多割理和裂隙定向羽状水平井突破了以往微小面积排水降压和裂缝内流体阻力大的束缚,通过多分支井眼进行了大面积的网状沟通,完全沟通了裂缝与割理系统(图1),使煤层内气体的解吸波及范围大大提高。

图1 不同类型井煤层气的供给范围比较

(2)降低区域内流体的流动阻力