郭本广 孟尚志 莫日和 赵 军
( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)
摘 要: 多分支水平井是煤层气高效开发的重要钻完井技术，但面临着井壁稳定、储层保护、水动力条件等复杂的工程和地质难题。为保障柳林烟煤储层多分支水平井的安全和高产，开展了地应力与水平井井壁稳定性、储层伤害机理与保护措施、煤层厚度与强度、煤层含水特性、井眼轨迹优化设计等研究，并就水平井与洞穴连接、地质导向控制井眼轨迹、清水循环介质保护储层等实施工艺进行了分析论述。两口多分支水平井钻井中井壁稳定、储层得到有效保护，储层钻遇率 96%，排采的产气量达到一万方，初步取得了良好的示范效果，推广应用的前景广阔。
关键词: 煤层气 多分支水平井 井壁稳定 储层保护
Drilling and Completion Techniques of Coalbed Mathane Multi-lateral Horizontal Well in Liulin
GUO Benguang MENG Shangzhi MO Rihe ZHAO Jun
( China United Coalbed Mathane Corpation，Ltd. Beijing 100011，China)
Abstract: Multi-lateral horizontal well is the main type of drilling and completion in the exploration of coal- bed methane reservoirs. But this technique is fronted with complex engineering and geological problems such as borehole stability，reservoir protection and water in the coalbed. To the aim of safe and high production of multilat- eral horizontal well in exploring coalbed methane in Liulin，the insitu-stress and horizontal well stability，the inju- ry and protection of reservoir，the thickness and strength of coalbed，and water in the coalbed are studied in this paper. Also，the junction of horizontal well and vertical well，well trajectory control using geology-steering tech- nique，and water as drilling liquid to protect reservoir are discussed. The two multilateral horizontal wells were drilled in Liulin successfully，with the borehole keeping stable，the reservoir protected，the 96 percent length in coalbed，and with the gas production 10000 m3/ d. In the end，multi-lateral well technique is the good choice in Liulin CBM exploration.
Keywords: coalbed methane，multi-lateral horizontal well，borehole stability，reservoir protection
基金项目: 国家科技重大专项项目 62 ( 2009ZX050662) 资助。
作者简介: 郭本广，1962 年生，中联煤层气有限责任公司副总经理，国家科技重大专项项目 62 “鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发示范工程”副项目长。
1 引言
煤层气多分支水平井技术具有单井产气量高、采收率高、生产周期短、井场占地面积少的优点，集钻井、完井和增产措施于一体，是开发煤层气的主要技术。美国CDXGAS公司于1999年开发出了新型羽状定向水平井系统，在美国低渗煤层气田取得了非常好的效益。从2008年到2010年，在樊庄胡底区块、柿庄南区块和潘庄等区块均将多分支水平井作为开发的主要手段进行部署［1］。我国煤层气多分支水平井钻井中面临着井壁稳定、储层保护等难题，部分井煤层钻进中井壁垮塌严重，据统计，发生垮塌的井数占已钻水平井总数的32.65%［2］。
煤层气藏的保存程度取决于顶底板的封盖能力、构造活动、水动力环境等条件，煤层中承压水有助于阻止煤层甲烷的逸散，增加煤层吸附甲烷的能力。煤层水的不可压缩性还可对煤层割理、孔隙起到支撑作用，使得煤岩储层能保持较高的渗透率。因此，在多分支水平井实施中需要研究煤层的含水特性，工程与地质更多地结合是实现多分支水平井产能的保障［3，4］。
柳林示范区内3+4号煤层渗透率为0.01～2.8mD，平均0.6mD;5号煤层渗透率变化范围为0.06～1.59mD，平均0.7mD;8+9号煤层渗透率变化范围0.005～24.8mD，平均4.8mD;适宜采用多分支水平井技术进行高效开发。
针对多分支水平井面临的井壁稳定性、储层保护、煤层含水特性、井眼轨迹优化设计和控制等问题，系统地研究柳林烟煤储层采用多分支水平井的可行性，并简介了实施过程中煤层造洞穴、水平段与直井穿针、井眼轨迹控制和提高煤层钻遇率的工艺技术，多分支水平井的排采效果良好，初步形成了高效开发柳林煤层气的示范技术。
2 柳林多分支水平井钻完井技术研究
2.1 储层伤害机理与保护措施
柳林烟煤储层的比表面积平均为1.80m2/g，总孔容平均为0.00255mL/g，平均孔直径8.205nm，见图1，试验结果表明柳林烟煤储层孔喉特征类似于“墨水瓶”，具有“口小肚大”的特点，因此一旦储层受到伤害，就很难以恢复。
进一步对储层岩心进行速敏、水敏、碱敏、酸敏、水锁试验，结果见表1，试验结果表明柳林煤样的储层伤害平均权重比为:水锁9.355:吸附2.385:固相堵塞1.48:水敏1，由此可见，柳林煤样伤害最严重的是水锁，其次是吸附伤害和固相堵塞伤害，最后是水敏伤害。
根据伤害机理试验结果，制定了水平井储层保护技术措施，即采用清水+充气的欠平衡钻井方式有利于保护储层。
2.2 煤层水平井的井壁稳定性
(1)待钻多分是水平井煤层分布情况
采用CLH03V井的组合测井资料可以分析3+4号煤层的分布特点，结果见图2，煤层单层厚度超过4米，3+4号煤层厚度合计将近10米，隔层厚度3.5米。这样的煤层厚度可以保障有较丰富的煤层气含量，并有利于煤层段轨迹控制。
(2)煤层强度分析
图1 柳林烟煤储层孔隙特征
表1 烟煤储层伤害权重试验结果
图2 3+4号煤层的厚度分析
对柳林烟煤岩心做三轴应力试验测定，结果见表2表4，测定的单轴抗压强度在6MPa左右，弹性模量在1300MPa左右，泊松比在0.32左右，单轴抗拉强度在0.5MPa左右。
煤层强度有很强的离散性，而且不同井区的煤岩强度差别很大，需要结合待钻井的测井资料来进一步研究该井区煤层的强度特点。依据室内试验测定结果校正了强度和弹性解释的模型，利用CLH3V井的组合测井资料建立了该井区的地层强度参数和弹性参数的纵向剖面，见图3。该井区的3+4号煤组的单轴抗压强度在9MPa以上，煤层的强度较高，有利于井壁稳定。
表2 柳林3+4号煤层岩心单轴抗压强度测定
表3 柳林3+4号煤层岩心三轴抗压强度测定
表4 柳林3+4号煤层岩心抗拉强度测定
(3)地应力特征与水平井轨迹
柳林地区的水平最大主应力方位基本沿着东西方向，地应力大小的梯度剖面见图4，该地区三个主应力的大小关系:水平最大主应力>=上覆应力>水平最小主应力。
依据地应力方位和大小、煤层的强度数据，做水平井井壁稳定性分析，结果见图5，水平段钻井的坍塌压力与井眼轨迹方位和井斜角有关，总体看煤层水平段的坍塌压力低于0.9，适宜采用清水充气的欠平衡钻井方式。
2.3 煤层及顶底板的含水特性研究
煤层气能否高产与其顶底板的封盖能力以及煤层内含水关系很密切，煤层中含有承压水有助于圈闭煤层气、增加煤层的吸附能力，但井眼若沟通大的产水层不利于排采降压。
利用声波、密度、中子、深浅双侧向电阻率测井，研究3+4号煤层的顶底板与含水特性，分析结果见图6。3+4号煤层的上下都有泥岩隔层，可以阻止煤层气的垂向逸散。3号煤层内含水，直井日出水量在2～4m3，便于通过排水建立解析需要的压差。从顶底板岩性和含水特性看这是一种较为合理的地质情况，有利于煤层气获得高产。
2.4 井眼轨迹设计
CLH03和CLH04多分支水平井轨迹设计见图7，该井区煤层的倾角为3°，倾向为222°，为了便于排采，水平段优化设计的轨迹方位要求在北偏东42°左右，优化设计的井斜角93°。两口多分支水平井水平段设计的轨迹方位见图7。
图3 待钻水平井3+4号煤层的强度参数分析
图4 柳林地区地应力梯度剖面图
图5 3+4号煤层水平井的坍塌压力分析
图6 3+4号煤层的含水特性分析
2.5 井身结构及完井方式
井身结构见图8，一开用121/4″钻头，95/8″套管，下深60.00m左右，二开用81/2″钻头，钻至靶点A后起钻，下入51/2″套管中完，三开43/4″井眼水平段钻进，采用裸眼完井方式。
图 7 CLH 03H＆04H 多分支水平井井眼轨迹图
图 8 多分支水平井的井身结构设计
3 现场实施
3.1 施工步骤
(1)一开用121/4″钻头，95/8″套管，下深60.00m左右，水泥返至地面;
(2)二开用81/2″钻头，直井段采用钟摆钻具，防斜打直钻至339.64m后起钻，下入造斜钻具，造斜率7.60°/30m，目标方位82.76°，定向钻进至井深646.59m后起钻;
(3)下入51/2″套管后固井，候凝48小时，试压合格后二开完井;
图9 煤层GR和电阻率测井曲线
(4)三开扫灰塞，开始43/4″井眼施工;
(5)下连通工具，进行连通作业;两井连通成功后，起钻更换导向钻具，实施欠平衡钻进;
(6)M1主井眼井深钻至1550.00m后，起至L1分支侧钻点侧钻，然后进行L2分支;M2主井眼从第一主井眼侧钻，然后进行L3、L4分支钻进;完成3000m煤层进尺后，结束水平井CLH03H钻井施工;
(7)在CLH－03H井眼内割51/2″套管，起套管，自270.19m侧钻，重复CLH－03H施工步骤，开始施工CLH04H。
3.2 井眼轨迹控制
采用地质导向控制技术，煤层钻遇率达到96%，煤层GR和电阻率测井曲线见图9，实钻井眼在煤层中穿行的轨迹见图10，实钻的多分支井井眼轨迹水平投影见图11。
图10 地质导向控制井眼轨迹在煤层中的穿越情况
4 排采效果
两口多分支水平井的排采效果见图12和图13，两口井都见到很好的排采效果，发挥了多分支水平井泄压面积大、产能高的特点。
5 结论
(1)柳林地区3+4号煤层适宜采用多分支水平井技术来高效开采，为规避煤层气水平井存在的井壁坍塌填埋井眼的风险，形成了结合地应力大小和方向、煤层强度、水平井井眼轨迹的井壁稳定性评估方法，有效地保障了煤层内水平段钻井的安全。
图11 CLH03H＆04H井实钻轨迹水平投影图
图12 CLH-03V井的排采曲线
图13 CLH-04V井的排采曲线
(2)柳林烟煤储层的伤害机理明确，为钻井完井中储层保护措施制定提供了依据，适宜采用清水+充气的方式来保护储层。
(3)煤层气多分支水平井能否获得高产，与煤层含水特性、水层压力、顶底板封隔能力等关系很密切，在多分支水平井轨迹设计和优选层位时要考虑这些特性，加强地质与工程的结合研究，提高煤层气钻井的成功率。
参考文献
［1］姜文利，叶建平.2010.煤层气多分支水平井的最新进展及发展趋势［J］.中国矿业，19(1)
［2］乔磊，申瑞臣等.2007.煤层气多分支水平井钻井工艺研究［J］.石油学报，28(3):112～115
［3］高波，马玉贞等.2003.煤层气富集高产的主控因素［J］.沉积学报，21(2):345～348
［4］周志成，王年喜等.1999.煤层水在煤层气勘探开发中的作用［J］.天然气工业，14(4):23～25
内容全部来源于网络收集，如有侵权，请联系网站删除：QQ：24596024