水平钻井技术在晋城煤层气中的应用实践

(1.山东省煤田地质局第二勘探队山东嘉祥272400)

(2)北京中联煤层气有限责任公司100011)

作者简介:张，1956出生，男，山东省嘉祥县人，工程师，山东省煤田地质局二队队长，从事钻探施工管理工作。

煤层气水平井是提高煤层气井产量、降低开采成本的有效途径。中联煤层气有限公司在山西晋城煤层气项目开发中，采用车载钻机、无线随钻(MWD)技术和综合地质录井方法，成功实施了我国第一口15 #煤层水平井。煤层气水平井技术主要包括轨迹设计与控制、目标煤层落地、储层保护、完井技术等。

水平井；煤层气；轨迹控制；钻井液

水平钻井技术在车缙天然气煤层气田的应用实践

张正秀1，郭秉正2，尚静秋1，孙建平2，黄尊玲1，吕忠良1，钟明1

(1.山东省煤田地质局二队，嘉祥272400；2.中国联合煤层气有限责任公司，北京100011)

文摘:煤层气田水平钻井是一项既能提高单井产量又能降低开发成本的有效技术。使用车载钻机，配合先进的无线随钻测量(MWD)工具和综合地质测井方法，cucbm成功钻了几口水平井，这是中国第一批钻成的井，并在煤15#内保持井眼延伸。煤层气水平钻井技术主要包括井身设计、井筒延伸轨迹检测与控制、目标煤层着陆、地层保护和完井方法等。

关键词:水平钻井；CBM延伸跟踪控制；钻探泥浆

1概述

1.1煤层气钻井现状

据预测，中国煤层气资源居世界第三位，是一个煤层气资源大国。近两年，随着油价的上涨，油气和煤层气的开发利用越来越重要；与此同时，煤矿重大安全事故的不断发生，使得地面开采煤层气的呼声日益高涨。鉴于上述情况，国家政策对煤层气开采的支持力度明显增强，煤层气勘探开发也得到快速发展。在2002年之前的65，438+00年间，中国完成了265，438+06口煤层气井，全部采用常规垂直钻井技术。但2005年完成的工程量已经超过2002年以前10年的总和，钻井类型也发展到丛式井、空腔井、水平井、多分支水平井。

1.2水平井是煤层气井增产的必然方向。

在美国煤层气开发中，水平井施工和完井技术的成功，大大提高了煤层气产量，使美国煤层气产业得到空前发展。通过分析我国煤层气的具体赋存条件，发现我国煤层普遍具有低压、低渗、低饱和度的特点，普遍采用直井压裂技术，单井产量为1000 ~ 3500m3/d，利用直井开发煤层气存在占地面积大、投资大、回收期长、经济效益低等诸多缺点，严重制约了我国煤层气的开发速度。近两年来，我国煤层气钻井领域采用石油部的钻井设备和石油水平井钻井技术，利用美国先进的仪器设备和人员服务，成功建造了多分支水平井，取得了良好的效果。但由于工程造价高，在国内很难快速推广。

中联煤层气有限责任公司在实施潘河示范项目一期工程和段氏项目多分支水平井的基础上，深入总结了秦南区钻完井技术和压裂增产技术。针对15煤层单井产能低的问题，为了掌握和拥有自主知识产权的煤层气水平井技术，按照由简到繁的原则，提出了在潘河示范项目区进行15煤层水平井技术开发试验。因此，在中联煤层气有限责任公司和山东煤田地质局二队的共同努力下，由山东煤田地质局二队负责配套关键设备和组织施工，在晋城潘河示范项目区15 #煤层成功实施了两口水平井(PHH-001、PHH-002)，取得了一定的经验。

2设备选择

2.1钻机选择

我国煤层气水平井主井眼深度一般在2000m以内，水平井段一般不超过1500m。当水平段超过1500m时，对设备要求高，施工难度增加，施工成本会大大增加。在水平井施工中，一般选择顶驱能力在100t以上的钻机。目前，我国水平井顶部驱动钻机最小产能为250吨，建造成本高。晋城地区煤层埋深较浅，3 #煤层埋深一般在300 ~ 350 m左右，15 #煤层埋深在400 ~ 450 m之间..根据我队现有设备，选择T130XD钻机。

T130XD顶驱钻机主功率760马力，公称钻井深度1900米(311mm井径，114mm钻杆)。提升能力60t，顶驱进给能力14.5t，扭矩12kN·m，车载空压机2.4MPa，排量38m3/min。钻台可提升2.41m，可直接安装防喷器。

该钻机移动和安装非常方便，其提升和旋转能力能够满足煤层气水平井施工的需要。钻机可用于用常规钻井液或空气钻井。特别是接单管时间短，一般小于1分钟，有效降低了接单管时停泵造成井下复杂的概率。

2.2随钻仪器的选择

在实际施工中，使用弯曲接头或弯曲螺钉进行钻井，RST-48无线钻井系统的电子探头通过泥浆将井底参数传输到地面，远程计算机系统分析泥浆脉冲并反馈给轨迹控制器，轨迹控制器通过滑动钻井、复合钻井、调整工具表面和选择钻具造斜率来控制钻井轨迹。

2.3特殊钻具的选择

根据设计要求，选择了四个两种规格的单弯马达、四个两种规格的无磁钻铤、两个稳定器、1随钻震击器和四根加重钻杆。

3水平井技术

3.1水平井井眼轨迹设计

根据国内外水平井施工经验，设计的基本原则是:在充分了解地质资料的情况下，设计段应尽量避开可能出现的复杂地层，缩短斜段水平位移，缩短斜段长度，减少斜段摩阻力和水平段扭矩。为了保证在预期深度进入目标区域，增加了可调倾斜稳定段。

3.1.1斜截面设计

15煤层薄，结构相对复杂，轨迹控制调整频繁且难度大。在设计中，要求:

(1)详细了解地质构造、倾角、可钻性，结合邻井地质、钻井、测井资料及煤层位置，准确设计目标区。

(2)设计造斜率应适当低于动力钻具的造斜率，以缩短动力钻具的定向钻进间隔，增加定向钻进间隔，保证井眼的畅通和安全。

(3)优化管段结构，尽可能减小摩擦力和扭矩，为后期水平管段施工提供安全基础。

3.1.2水平截面设计

掌握煤层厚度、倾角、走向，煤层顶底板岩性和地层结构，尽量减少调整断面。

从理论上讲，水平段越长，水平井长度的设计越好。水平段长度的增加受到工程技术、煤层地质条件、煤质等多种因素的限制。通常水平井的最佳长度是根据预测的施工长度和施工中遇到的具体情况来确定的。

3.2 BHA

(1)垂直井段:一般选用塔式钻井组合。

(2)造角和加大截面:单弯螺杆用于造角。

(3)水平段:优化钻具组合，使用短无磁钻铤和无磁扶正器，缩短MWD仪器与钻头的位置距离，尽量选择造斜能力强的钻具组合，以便及时调整钻井轨迹。

在施工中，为了保证孔壁平整、规则，降低工程风险，尽可能增加复合钻孔的比例。

通过两口水平井的实践，钻头+导向电机+无磁钻铤+MWD短节+抗压钻杆+钻杆的钻具组合应用效果良好。

3.3动力钻具的选择

为了适应软地层和中硬地层，选用了中速中矩电机。

3.4钻头的选择

二开造斜段选用HJ517L钻头，三开水平段选用PDC钻头。

3.5钻井液的选择

在煤层气井建设过程中，煤储层的保护至关重要。本次钻井主要采用清水钻井，严格控制钻井液的固相含量和比重。当井内有大量岩粉时，通过泵入高粘度无污染钻井液将岩粉排出，既保证了井内安全，又防止了储层污染。

3.6轨迹控制技术

水平井井眼轨迹控制技术是水平钻井成套技术中的关键环节。总的要求是要有一定的控制精度，应变能力强，预测精度高，这样才能达到稳定快速的施工水平。

3.6.1弯曲电机选择

根据轨迹全角的变化率选择相应的折弯电机，如下表所示:

单个弯曲电机建立速率

单弯马达的造斜率与地质构造和野外施工参数有关。不同的地层和结构参数具有不同的造斜率。在实际施工中，所选电机的建压率应大于设计建压率。

着陆轨迹控制

(1)落点应在预期水平点前方20m以内。

(2)着陆前运行LWD，对钻遇地层进行自然伽马追踪。通过气测录井、钻时录井和地质录井，确保准确落地，钻进煤层。

4工程成果

PHH-001水平井* * *完成1个主井眼和2个分支井眼，总进尺1678m，其中6英寸井眼进尺1056m，15 #煤层进尺1050m，煤层钻速现场评估。主井轨迹控制达到设计要求，分支井轨迹控制较差，但通过增加进尺保证了井的控制面积。实际建井周期为46.42天

PHH-002水平井* * *完成1口主井眼和5口分支井眼，总进尺2624米，其中6英寸进尺2047米，15 #煤层进尺2030米，煤层钻速现场评估为80.7%。实际建井周期为33.67天

5经验和建议

通过两口水平井的施工，获得了以下经验:

(1)及时测斜、准确计算、描图是保证井眼轨迹的关键。利用MWD可以准确把握井眼轨迹的变化，有效控制轨迹。

(2)钻进过程中，随时观察扭矩和泵压的变化，及时分析和解决问题。

(3)根据电机的使用特点和钻孔要求，保证电机的排量和使用要求。根据电机的水平推力和WOB平衡图，选择最佳WOB，保证电机工作在平衡状态。

(4)使用柔性钻具组合，用加重钻杆代替钻铤。

(5)正常钻进时，密切注意张力变化，发现问题及时上提钻具或短起下钻。

(6)为保证煤层钻进，采用伽马值监测、气测录井、钻时、岩屑录井等综合分析手段，及时调整轨迹。

(7)15 #煤平均厚度仅3m左右，遇地层突变易穿透顶底板。由于水平井施工的特殊性，钻井轨迹不能快速调整到煤层，会导致煤层机械钻速下降，影响产能。因此，合理布置井位，优化主井和分支井的方位，是水平井成功的关键。

在完井技术方面，应尽快推广筛管完井技术，确保水平井稳产。