煤层气开发的多分支水平井钻井技术

TECHNOLOGY SUPERVISION IN PETROLEUM INDUSTRY 石油工业技术监督·2010年12月

概述

煤层气（俗称瓦斯）是继石油、天然气之后的又一新型、清洁能源。我国煤层气资源丰富，特别是山西沁水盆地具有煤层埋深浅、范围广、厚度大且稳定、含气量高、易于解析等特点，是开发煤层气的最有利地区。2006年，中国石油天然气股份有限公司制定了“开发煤层气，奉献新能源”的发展战略，成立了山西煤层气勘探开发分公司，在山西沁水盆地开展了大规模的煤层气勘探开发工作。

借鉴国内外开发煤层气的经验，应用多分支水平井技术可大大增加煤层渗滤面积，是提高单井产气量和采收率、降低综合成本、缩短投资回收期的有效手段和途径。2007年股份公司经过分析论证，确定了以水平井为主、普通直井及丛式井（定向井）为辅开发煤层气的钻井原则，随即开始大规模应用了多分支水平井钻井技术。截止到2009年底，共完成多分支水平井49口，建成了2.5亿m3煤层气生产能力，最高产气井单井日产气量达到4.6万m3。本文根据多分支水平井钻井实践，介绍其工艺特点并探讨所存在的问题。

煤层气多分支水平井的特点

煤层气水平井借鉴了常规石油天然气水平井钻井工艺技术，但由于其工作对象以及煤层气储藏性质、排采方式的不同，因而在设计、施工工艺等方面有其独特的特点。

1开发目的层单一且为水平面多分支

利用多分支水平井钻井技术开发煤层气，目前一般选择一个主力煤层开发，在单一层位类似水平面上钻多分支。这与油井在2个以上层位钻出多分支不同。

2目的层段分支及进尺较多

由于煤储层地层压力、渗透率相对较低，要达到提高煤层气产量的目的，需要比常规油气井更多的渗滤面积与排气通道，因而在煤层段所钻分支更多，一般1～2个主支,在主支两侧要钻多个(一般6～8个)分支，累计煤层段进尺一般要达到4000m以上。

3采用裸眼完井方式

煤层气多分支水平井一般采用裸眼完井方式，其原因：①煤层气开发区往往也是煤炭开采区（如山西沁水盆地），按照国家“先采气、后采煤”、“采气采煤一体化”的要求，采完气还要采煤，而采煤是禁忌在煤层有金属套管的；②由于完井技术的限制，现在多分支井还较难下入完井套管或筛管。

4主井眼及分支井眼尺寸较小

煤层强度及胶结程度较差，易垮塌。根据国内外煤层气多分支水平井的钻井经验，较小井眼有利于防止煤层垮塌。一般完井井眼尺寸为Φ152.4mm或Φ120.65mm。

5采用成对（1+1）井组，连通钻井工艺

一口井完成后，一般需要排水降压使煤层气解

煤层气开发的多分支水平井钻井技术

张绍雄张媛

中国石油山西煤层气勘探开发分公司（山西晋城048026）

摘要应用多分支水平井钻井技术开发煤层气，是提高单井产量、降低综合成本的有效手段。结合山西煤层气多分支水平井钻井实践，介绍了其工艺特点、应用技术及存在的问题。研究结果表明，应用多分支水平井钻井技术进行煤层气开发，可提高气井单井的综合收益。

关键词煤层气多分支水平井钻井

Abstract Applying the drilling technology of multiple branching horizontal to the exploration of coal-bed gas is one effective means to increase the output of the single well and reduce the comprehensive bined with the drilling practice of multiple branching horizontal well for coal-bed gas in Shanxi,an introduction is given to its technological characteristics,applied technology and existing problems.It is shown that exploring the coal-bed gas by applying multiple branching horizontal well technologies can increase the comprehensive benefits of the single gas well.

Key words coal-bed gas;multiple branching horizontal well;drilling well

工艺技术

56

TECHNOLOGY SUPERVISION IN PETROLEUM INDUSTRY

石油工业技术监督·2010年12月

析才能产气。煤层气多分支水平井由于其工艺上的特点，很难在水平井眼下入排采管柱及设备进行排水，需要一口专门的排采直井进行排水及产气，而这口直井必须与水平井连通才能达到目的。所以煤层气多分支水平井一般都是先打一口排采直井，再在适当位置（一般距直井200m 左右）打水平井（称其为工艺井）与直井连通，而后再钻多分支的。

煤层气多分支水平井钻井技术

煤层气多分支水平井是多项先进钻井技术的综合运用。归纳起来有以下8项主要技术：

1井身结构及井眼轨迹优化设计技术

由于煤层气井一般较浅，排采直井与工艺井的井口距离要适当，还要根据地质构造、煤层展布情况确定分支数量及方向，所以井身结构、井眼轨迹及分支井底形状的优化设计也显得尤为重要。而在山西沁水盆地所钻多分支水平井，由于地处山区，地势崎岖，在满足地质设计要求的同时，要根据地势特点选择排采直井与工艺井的井口位置，再进行井身结构及井眼轨迹的优化设计。

（1）井身结构。排采直井一般采用二开井身结构：一开使用Φ311.1mm 钻头钻至井深50～60m,封住地表松散地层，下入Φ244.5mm 表层套管固井，水泥返至地面；二开使用Φ215.9mm 钻头钻至完钻井深（一般目的煤层底以下60m ），下入Φ177.8mm 生产套管，在煤层井段加1根玻璃钢套管以便造穴，固井水泥返至煤顶以上200m 。

工艺井一般采用三开井身结构：一开与排采直井类似；二开使用Φ215.9mm 钻头钻至接近着陆点（煤层，一般井斜达到80°左右）完钻，距离排采直井（洞穴）60m 左右，为连通留有余地。下入套管尺寸根据钻机类型、预计煤层煤质及构造特点，按照三开钻头尺寸选择技术套管。

一般2种尺寸：一种是下入Φ177.8mm 技术套管固井，三开用Φ152.4mm 钻头钻水平主井眼及分支井眼；另一种是下入Φ139.7mm 技术套管固井，三开用Φ120.65mm 钻头钻水平主井眼及分支井眼。

（2）井眼重复利用工艺井身结构。利用同一口工艺井（上直段井眼）打多口多分支水平井是加快钻井速度、降低钻井成本的有效途径。山西煤层气勘探开发分公司所完成的水平井中，有多口工艺井是利用的同一井眼，最多的是4口井共用1个井眼。其井身结构及施工工艺是：二开钻完设计井深，下入套管并在套管的适当位置加入固井分级箍，固井打

完水泥浆后立即打开分级箍循环排出上部水泥浆。三开钻完一口水平井后，在分级箍以下套管内下入封隔器，下入割刀割断分级箍以上套管并起出，在适当位置打水泥塞。下口不同方向的多分支水平井即利用该井眼侧钻完成二开及三开的工序。

（3）连通前井眼轨迹的设计。煤层深度及工艺井与排采直井的距离，影响着井眼轨迹剖面类型的选择。山西沁水盆地，煤层埋深变化较大，一般在300～

750m 之间，而2井之间的距离一般在200m 左右。

如此应选择单增剖面、中曲率半径轨迹类型，造斜率一般在8°～15°/30m ，同时应计算校核技术套管能否顺利下入。

（4）水平主井眼及分支井眼的设计。连通后的水平主井眼及分支井眼是煤层气多分支水平井的关键。其分支数量、长度、夹角大小、井底形状等关系到采气面积、施工难度等，因而对此进行优化设计是很重要的。从国内外钻井实践看，有多种不同的类型，最典型的是美国CDX 公司已取得专利的“羽状”设计。山西煤层气勘探开发分公司所实施的多分支水平井，对分支形状、水平段长度、分支角度和方位、分支间距等重要参数进行了分析研究和对比论证，认为“2主支+6分支”的设计是适合山西煤层特点的，最佳参数是：主井眼之间夹角20°～30°、主支长度应该在1000m ；分支夹角为30°、方位与天然裂缝方向相交、分支间距为100～200m 、分支长度300～400m 、同侧3分支、扇形分布；煤层段进尺达到

4000m 以上。每口井大约覆盖0.3～0.4km 2的含气面

积，相当于10～15口普通煤层气直井控制的面积。2直井裸眼造穴技术

直井是煤层气排采的生产井，为了保证工艺井与直井的连通，要在直井的煤层位置“造穴”。其工艺过程为：在直井的完井套管的煤层位置下入一根玻璃钢套管固井，下入内割刀割断玻璃钢套管，下入造穴工具在煤层段造穴，清洗井眼，填砂至煤层底。目前有水力喷射射流造穴与机械造穴2种方法，一般使用机械造穴工具，洞穴直径可达1～1.5m,通常

0.6～0.8m 即可满足连通要求。

3井眼连通技术（国内称之为“穿针”技术）

水平井眼在进入煤层后必须与排采直井连通才能钻主支及分支。要实现Φ152.4mm 或Φ120.65mm 的小井眼在几百米深度的地层与直井纵横相交，需要精确的“制导”技术。目前美国Vector 公司具有该技术专利，其精确定位设备“RMRS ”系统是利用一个旋转的磁性接头在正钻井中产生一个从几十米

工艺技术

57