煤层气多分支水平井设计优化

测深 井斜 方位
m
°
°
1262.00 94.00 176.53
1351.78 94.00 158.53
1532.00 94.00 158.53
垂深 m
717.22 710.91 698.34
北坐标 m
-592.38 -679.47 -846.78
东坐标 m
35.92 55.18 120.98
狗腿度 °/30m
间等待直井泄压的状况。
因此设计在直井 D177.8mm 套管内下注气管柱，以减少气体的这种容积效应。D73mm 注气管
串结构从下到上为：笔尖+封隔器+单向阀+油管短节+油管+油管挂+油补距。
2.2 多分支水平井轨道设计
① M1 主井眼剖面设计表
描述
测深 m
井斜 °
方位 °
垂深 m
北坐标 m
东坐标 m
煤层气多分支水平井钻井工程设计优化 孟振期
摘要：华北油田全部利用自主技术钻探的第一论煤层气先导试验多分支水平井取得了一定的成 果，但也发生了一些工程事故，在总结经验的基础上，从钻井工程设计入手，经过优化和改进，第 二轮先导试验井取得了巨大的成功。为以后大量的煤层气多分支水平井施工打下了基础，积累了经 验。
6
906.75 94.00 176.53 742.00 -238.65 14.47
6.00 239.09 176.53 20.00
7
1556.75 94.00 176.53 696.66 -885.88 53.72
0.00 887.50 176.53 650.00
描述
侧钻点 2 3
② L1 分支剖面设计表
多分支水平井组的施工顺序为：先施工排采直井，并在煤层部位造洞穴。直井的主要作用为： ① 预探地层信息，为多水平井着陆及水平井、直井 连通提供资料；② 施工多分支水平井时，连通后， 在直井注气，帮助多分支水平井携岩及形成欠平衡 钻井；③ 所有钻井施工完成后，在直井排水采气。
然后施工多分支水平井，并与直井在洞穴部位 连通，继续向前钻进，形成第一主支（M1），在 M1 主支上侧钻若干分支。然后再抽回钻具在过洞穴后 的适当位置侧钻第二主支（M2），再在 M2 主支上侧 钻若干分支，依次类推。如右图所示：
单向阀被粘煤堵塞 3.2 煤层垮塌卡钻
压力表端坐内存有粘煤块状 物，工作人员用手正在挖去
卡钻事故一：钻至井深 913m（过洞穴井 19m 左右），有大量煤屑返出，滑动钻进有托压现象，
上提活动钻具遇卡，钻具无法提出，强行倒划、倒扣，最后找不到鱼头侧钻，损失时间 14 天。
卡钻事故二：于 1035 米侧钻第二个分支过程中，上提至 1028m，出现遇卡现象，振动筛处钻
13~15L/S，气体注入量的范围为 5~8m3/min。
3 郑平 05 井钻井工程复杂
因为对煤层气多分支水平井的研究较少，与常规油气水平井相比，煤层气多分支水平井施工程 序变得更加复杂，再加上是国内施工队伍第一次独立自主施工，第一轮的两口先导试验井各自发生 了一些工程复杂事故，以下还以郑平 05 井说明。
通位置为煤层中部，第二轮井设计中把连通位置上提，设计连通位置尽量在煤层上部，靠近顶板泥
岩，这样就避免了洞穴井上部煤层严重垮塌后形成巨大的储气腔，引起气体的体积效应，影响注气
效果。郑试平 4 井设计连通点距顶板泥岩 1.5m。 ③ 采用降斜侧钻
从定向井现场施工反馈回来的意见知，现场施工采用降斜侧钻比较容易成功，在第二轮的设计
利，有 14 口发生垮塌埋钻具事故，损失 LWD、MWD、EMWD 共 11 套、螺杆 12 套，埋井钻具总
长 3250 余米，由此可见煤层垮塌是煤层气钻井的首要风险。 ① 尽量缩短三开连通段的煤层进尺 第一轮的两口先导试验井都在洞穴附近发生了煤层垮塌卡钻事故，第二轮的先导试验井设计中
对连通井段轨道进行了优化，尽量缩短三开连通井段在煤层中的进尺，使连通段在煤层上顶板泥岩 中的进尺增加。
狗腿度 闭合距 闭合方位
°/30m
m
°
段长 m
上直段 569.49 0.00
/
569.49 0.00
0.00
0.00
0.00
/
569.49
二开底 827.49 86.00 176.53 740.96 -159.60 9.68
10.00 159.90 176.53 258.00
3
842.49 86.00 176.53 742.00 -174.54 10.58
0.00 6.00 0.00
闭合距 闭合方位 段长
m
°
m
593.47 176.53 0.00
681.71 175.36 89.78
855.37 171.87 180.22
2.3 充气欠平衡设计
根据井身结构、钻具组合及地层压力系数，利用钻井水力参数优化设计软件，计算出正常情况
下不同钻井液注入量、不同环空空气注入量时的主水平井眼井底与洞穴点的欠压值，以下为计算结
1.2 煤层气多分支水平井指标要求
① 第一轮先导试验井指标要求
多分支水平井钻 2 主支、6~8 分支。要求主支长度 600~800m，分支长度 200~500m，主支夹
角 12°，分支夹角 18~30°，煤层总进尺 4500m。
② 第二轮先导试验井指标要求
多分支水平井钻 2 主支、6~8 分支。要求主支长度 800~1000m，分支长度 200~500m，主支
0.04 -0.22 -0.44 -0.54 -0.63 0.02
不同气量、基液量情况下主水平井眼井底(1556.75m)欠压值
空气注入量(m3/min)
井底欠压值（MPa）
5
7
9
10
11
13
泥浆排量（L/S）
10
-0.35 -0.72 -1.03 -1.16 -1.29 -1.52
11
-0.20 -0.55 -0.85 -0.98 -1.09 -1.31
12
-0.08 -0.40 -0.68 -0.80 -0.92 -1.11
13
0.03 -0.27 -0.53 -0.63 -0.74 -0.93
14
0.14 -0.15 -0.39 -0.49 -0.59 -0.76
15
0.23 -0.03 -0.27 -0.36 -0.46 -0.62
为了同时满足保护储层及煤层井壁的安全，根据以上计算结果，选择液体注入量的范围为
夹角 12~15°，分支夹角 18~30°，煤层总进尺 4000m 以上，煤层钻遇率大于 90%。
2 郑平 05 井钻井工程设计
第一轮先导试验井有郑平 02 和郑平 05 井，这里以郑平 05 井为例，把第二轮试验井主要优化
部分加以说明。
2.1 直井注气管柱设计
直井采用二开井身结构。一开用 D311.2mm 钻头，下 D244.5mm 套管；二开用 D215.9mm 钻
果（计算条件为：钻速 30m/h、煤屑密度 1.40g/cm3、煤屑直径 5mm、地层孔隙压力系数 0.94）：
不同气量、基液量情况下主水平井眼洞穴点(886.75m)欠压值
空气注入量(m3/min)
井底欠压值（MPa）
5
7
9
10
11
13
泥浆排量（L/S）
10
-0.48 -0.83 -1.12 -1.26 -1.38 -1.60
1 华北油田煤层气多分支水平井井组简介
1.1 多分支水平井井组组成及施工顺序
现阶段华北油田的一个煤层气多分支水平井井组由一口排采直井（或洞穴直井）和一口多分支 水平井组成；多分支水平井由主支及在主支上侧钻的若干分支组成。施工内容包括钻直井井眼、钻 多分支水平井主井眼和各分支井眼，还包括水平井主井眼与直井眼的相交连通。
在郑平 02 井及郑平 05 井的基础上，第二轮先导试验井调整了下入的注气管串结构，一方面加 深了封隔器下深，减小了洞穴部位储气腔的体积，增强了注气效果；另一方面采用双单流阀，保障 了注气管注的单向密封效果。
郑试平 4 井 D73mm 注气管串结构从下到上为：笔尖+封隔器+单向阀+油管短节+油管+单向阀 +油管+油管挂+油补距。
郑平02井起出管柱
郑试平4井起出管柱
从现场施工来看，优化后的注气管柱能满足现场的要求。从上图的对比中可以看出郑平 02 井
的注气管柱中有好多煤屑，而优化后的郑试平 4 井的注气管柱中比较干净，可见双单向阀起到了应
有的作用。
4.2 设计轨道优化
煤层易垮塌是客观实事，由数据统计华北油田公司完成的 48 口多分支水平井中，只有 14 口顺
0.00 174.86 176.53 15.00
4
862.49 90.00 176.53 742.70 -194.49 11.79
6.00 194.84 176.53 20.00
连通点 886.75 90.00 176.53 742.70 -218.70 13.26
0.00 219.10 176.53 24.26
中国煤层气资源相当丰富，约占世界总量的 13%，仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位。特 别是我国山西省的煤层气资源非常丰富，约占全国煤层气总量的三分之一，其中尤以沁水盆地最为 富集，资源储量为 6.85 万亿方。
华北油田自 1997 年开始在沁水盆地开采煤层气，开始几年多以直井压裂为主，但直井开采方 式存在解析面积小，单井产气量低，布井密度高，给环境带来巨大压力等缺点；而根据国外研究， 煤层气多分支水平井具有单井控制面积大、单井产量高、采气速度快、采收率较高、减少了地面建 设和占用的土地等优点。于是，华北油田从 2005 年开始利用国外技术逐渐在沁水盆地钻探煤层气 多分支水平井，但是国外公司对煤层气多分支水平井的核心技术严格保密，经过几年的研究，华北 油田于 2010 年才开始利用国内技术钻探煤层气多分支水平井，钻井工程设计由渤钻工程院负责。 到现在为止已经实施了两轮先导试验井，第一轮为郑平 02 和郑平 05 井，第二轮为郑试平 4 和郑试 平 7 井。
郑平 05 井
优化后第二轮井
第一轮设计三开连通段煤层进尺较长，在 30~40m 之间，优化后缩短煤层进尺在 10~20m 之间， 减少了煤层垮塌的几率。郑试平 4H 井连通段设计煤层进尺为 17.3m。
② 连通位置上提
连通点的煤层经过造穴、穿针等工艺，使本来就易垮塌的煤层更加容易垮塌，原来的设计中连
11
-0.36 -0.68 -0.96 -1.09 -1.20 -1.41
12
-0.25 -0.54 -0.81 -0.93 -1.04 -1.24
13
-0.14 -0.42 -0.67 -0.78 -0.88 -1.07
14
-0.05 -0.31 -0.55 -0.65 -0.75 -0.92
15
中优化了侧钻轨道，先微降斜，等侧钻成功后在上挑井斜钻进。
郑试平 4 井 L1 分支剖面设计表
测深 井斜 方位 垂深 北坐标 东坐标 狗腿度 闭合距 闭合方位 段长
m
°
°
m
m
M °/30 m m
来自百度文库
°
m
1250.00 94.00 140.51 727.13 -443.75 365.67 0.00 575.00 140.51 0.00
头，下 D177.8mm 套管。
完井 D177.8mm 套管的容积太大，而因为气体的可压缩性，充气时会产生很大的容积效应。即
在直井井口开始充气的一段时间内，压力升高很慢，气体通过连通的洞穴返到水平井井筒内，直到
水平井井口的时间太长，形成水平井长时间等待气体到来的情况；而相反，由于各种原因需要起钻
时，又因为 D177.8mm 套管内存有大量足够压力的气体，需要长时间的释放，又形成了水平井长时
井液返出量减少，泵压升高，停泵后憋压 6MPa，泄压。旋转顶驱倒划，倒划至 1018m 钻具断，鱼
顶井深 857.68m，鱼长 160.32m，最后落鱼全部取出。
3.3 注气压力不稳定，注气量有待于进一步优选
利用软件计算的气体注入量的范围为 5~8m3/min，而现场实际施工过程中摸索出来的注气量约
3.1 注气管柱的单向阀失效
从现场的实际注气施工情况来看，注气管柱中的单向阀被煤粉堵死，注气管柱井口的压力表内 有煤粉出现，注气井场有钻井液溢出。分析为水平井起钻，直井注气压力泄压时，由于气体的膨胀 性，单向阀来不及弹回起到单流作用，就被回流钻井液中的携带的较大块煤屑卡住，造成了大量携 带煤粉的钻井液进入注气管柱内，等气体释放完毕后，钻井液中携带的煤粉下沉，从而堵塞了单向 阀。
20~25m3/min，理论计算注气量和实际有较大的出入，还需要进一步优选。
同时因为煤层垮塌掉块及注气量选择的共同影响，导致现场注气压力不稳，大幅上下波动（见
下图），水平井井口返出液体量也伴随出现周期性变化，甚至出现断流。
第一轮先导试验井注气压力图
4 多分支水平井设计优化及效果
4.1 直井注气管柱优化