仿树形水平井的研究范文

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《天然气工业杂志》2014年第八期

1煤层气仿树形水平井设计技术

1.1煤层气仿树形水平井的成井理念传统的煤层气多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤层，出现垮塌复杂即完钻。因此是一种被动防塌。其结果是煤层进尺达不到设计要求，主支不可监测、不可重入、不可冲洗。为变被动防塌为主动防塌，确保主支通道稳定，提出了“主支疏通、分支控面、脉支增产”的仿树形水平井设计理念。即，仿树形水平井由主支、分支、脉支组成，主支是“树干”，是汇聚各分支、脉支产气的主通道，要求稳定疏通；分支是“树枝”，是各脉支产气进入主支的连通通道，通过分支的延伸控制产气解析面积；脉支是“树叶”，若干脉支在煤层内造孔，是煤层气解析的主要来源。在此成井理念的指导下，将多分支水平井的主支建在稳定的煤层顶板或底板上，分支由主支侧钻进入煤层，再从分支侧钻若干脉支。一个主支与若干分支以及每个分支上的若干脉支，构成了主支长期稳定并可监测和重入维护的仿树形多分支水平井排采系统（图3）。

1.2煤层气仿树形水平井设计技术

1.2.1煤层气仿树形水平井的组成1口煤层气仿树形水平井由1口工艺井（即多分支水平井）和2口排采井组成（图4），其中，远端排采井也可作为监测井。工艺井分别与两口排采井连通，连通位置置于稳定的煤层顶板（或底板），工艺井的主支在稳定的煤层顶板（或底板）沿上倾方向钻进，形成稳定的排采通道；工艺井水平段由主支、分支、脉支构成。该仿树形水平井主要适用于有稳定顶板（或底板）岩层的单斜煤层。

1.2.2煤层气仿树形水平井设计技术1）工艺井的直井段位于煤层的低部位，主支在稳定的顶板或底板岩层（图5、6），沿煤层上倾方向钻进，井斜角大于90°，距离煤层保持尽可能小的距离，但不触煤。水平段长度一般不小于800m，与两口排采井均在顶板（或底板）岩层中连通。建在煤层顶板或板内的主支，提供了稳定的排水、疏灰、采气通道；产状上倾，有利于排水；不触煤，有利于稳定。2）在主支两侧钻若干分支（一般6～12个），分支沿地层上倾方向侧钻进入煤层，井斜角保持不小于90°，在煤层内保持平缓上倾延伸，尽可能钻长，以满足多钻脉支的需要，分支长度一般不小于200m，同侧分支侧钻点间距100～200m，异侧分支侧钻点间距50～100m。分支通过在主支两侧的延伸控制着仿树形水平井在煤层中的展布形态和产气解析面积。3）在每个分支上侧钻若干脉支（一般3～8个），脉支在煤层内，以沟通煤层内裂隙为主要目的，不出煤层，长度一般50～400m，不求长，但数量尽可能多，以增大煤层气解析面积（图5）。4）排采井洞穴的主要作用，一是方便工艺井与排采井连通，二是排采时气、液、固的分离腔。为确保洞穴长期稳定，将排采井洞穴建在稳定的顶板（或底板），排采洞穴应处于水平井轨迹的低部位，便于主、分支顺“势”排水，便于气、液、固三相分离，同时当井眼有垮塌物时，流水可将其搬运到洞穴处，保证井眼畅通。

1.2.3煤层气仿树形水平井的主要特点煤层气仿树形水平井将主支建在稳定的煤层顶板（或底板）内，与其连通的排采井一起，组成“主支疏通、分支控面、脉支增产”的排采系统，有效解决了传统的煤层气多分支水平井在我国煤层气开发中存在的技术问题。主要特点是：1）主支井眼形成稳定的排水、疏灰通道，井眼轨迹平缓上倾，有利于水、灰进入排采井洞穴。2）分支沿地层产状上倾方向侧钻进入煤层，保持平缓上倾，不追求煤层钻遇率，但尽可能伸长以满足多钻脉支的需要。3）脉支是该系统产气的主要来源，钻穿煤层内夹矸层，以沟通煤层内裂隙为主要目的，不要求长度，但其数量尽可能多，以增大泄气通道。4）仿生水平井的主支与两口排采井构成“山”形，可监测生产过程中主支畅通情况。5）仿生水平井完钻后可实施洗井作业。6）成井或成井后当主支某部位有堵塞时，可重入钻柱实施维护作业。

2现场试验

ZS1平－5H井是中国石油华北油田公司在山西沁水盆地的第1口煤层气仿树形水平井先导试验。由1口工艺井（ZS1平－5H井）和1口排采直井（ZS1平－5V1井）、1口监测井（ZS1平－5V2井）组成（图7），工艺井主支设置在煤层顶板泥岩中，距煤层顶部保持适当距离（一般控制在0．5～3m），不触媒；排采井、监测井在煤层顶板造洞穴，洞穴底部距离煤层1m，直径0．6m，高度6m。工艺井于2012年10月用444．5mm钻头开钻，钻进至57m完钻，406．4mm表层套管下至深度56．7m，固井，水泥返出地面。2012年11月用374．6mm钻头第二次开钻，在井深385m开始造斜，钻进至1067m完钻。技术套管下至1065．31m，固井结束后，冬休。2013年2月27日使用152．4mm钻头第三次开钻，2月28日钻至井深1144m处钻压突然下降，井口钻井液短暂停止返出，漏失钻井液2m3，排采直井井口返出清水，证明工艺井与排采直井已经连通。2013年3月8日下入连通钻具实现与远端监测井一次性连通，连通点井深1646m。之后由主支沿上倾方向钻分支进入煤层，并在分支上侧钻脉支。该井顺利完成1个主支，13个分支，26个脉支的钻进工作，于2013年5月20日完钻，总进尺为12288m，见煤后总进尺为9512m，纯煤进尺为9408m，见煤后煤层钻遇率为98．91％。2013年5月22日由远端监测井注入清水92m3洗井，工艺井返出正常，洗井成功。ZS1平－5H井煤层进尺创国内纪录，实现了单井万米进尺无事故。该井于2013年8月投产，目前处于正常排水降压阶段，工艺井、排采井、监测井的井底压力监测表明，目前主支连通状况良好。

3结论与建议

1）煤层气仿树形水平井将主支建在稳定的煤层顶板（或底板）内，与其连通的排采井一起，组成“主支疏通、分支控面、脉支增产”的排采系统，有效解决了传统的煤层气多分支水平井主支坍塌堵塞排采通道以及主支不能重入、不能监测、不能进行洗井作业等技术问题。2）煤层气仿树形水平井的建成，必将推动多分支水平井在煤层气开发中的应用，减少常规直井或定向井的数量，节约井场占地，有利于化解矿产开发与耕地资源的矛盾，实现资源与环境和谐发展。3）为确保分支、脉支的长期稳定，分支、脉支下筛管技术亟待进行现场实践。4）由于ZS1平－5H井是第1口先导试验井，在钻进过程中进行了主支井壁稳定试验以及远端洞穴连通、定点悬空侧钻等多项工艺技术试验，造成完井周期较长。该井型在缩短钻井周期、提高经济效益方面还有很大的改进空间，需要进一步完善技术工艺系列，提高技术的经济性。5）煤层气多分支水平井的应用规模相对于我国丰富的煤层气资源来说还远远不够，需要国家更多的政策扶持。

作者：杨勇崔树清倪元勇王风锐杨益涵郎淑敏单位：中国石油华北油田公司中国石油海洋工程有限公司工程设计院