摘 要

摘　要：多分支水平井是目前煤层气开发的主要井型之一，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，其结果可能是煤层垮塌，进尺达不到设计要求，主支不可监测、不可重

摘　要：多分支水平井是目前煤层气开发的主要井型之一，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，其结果可能是煤层垮塌，进尺达不到设计要求，主支不可监测、不可重入、不可冲洗。为此，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，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。已在山西沁水盆地成功钻成了该类井型，试验井ZSl平-5H井主支全部在煤层顶板泥岩内，该井顺利完成l个主支、l3个分支、26个脉支的钻进工作，总进尺12288m，见煤后总进尺9512m，纯煤进尺9408m，实现了单井万米进尺无事故，并成功实现了主支洗井，为我国煤层气高效开发提供了一种新的井型。

关键词：煤层气  仿树形水平井  顶底板  主支  分支  脉支  沁水盆地

A new attempt of a CBM tree-like horizontal well：A pilot case of Well ZS1P-5H in the Qinshui Basin

Abstract：A multi branch horizontal well is one of the main well types employed in the combed methane(CBM)development at present．In a traditional CBM multi branch horizontal well，either a trunk or branches will go crossing through coal beds to the largest degree．which eventually results in bed collapse，footage failing to meet the design requirement，and the trunk unavailable to be monitored．reentered and flushed．Therefore，this paper first puts forward an idea of“a trunk to provide a passageway，boughs(secondary branches)to control the gas production area．and twigs(small branches)to increase the gas output”for the design of a CBM tree-like horizontal well．In the drilling of this type of wells，the trunk is usually drilled on the stable roof or floor of a coal bed，boughs were drilled from the trunk into coal beds，and a quantity of twigs were drilled from boughs．Each tree-like horizontal well is composed of one trunk，some boughs and some twigs，making the trunk available to long-term stabilization，monitoring and reentry．The Well ZS1P-5H consisting of one main trunk，l3 boughs，and 26 twigs was successfully drilled in the Qinshui Basin，China，with the total drilling footage of 12，288m，the total footage of 9，512m right before targeting the first coal bed，and the net footage of 9,408m through all coal beds．Moreover，the trunk of this well was smoothly flushed．This tree-like well is a successful case of incident-free single well drilling with footage of over 10，000m and serves as a new well type for efficient CBM development in China．

Keywords：CBM，tree-like horizontal well，coal bed，roof and floor，trunk，bough，twig，Qinshui Basin

多分支水平井技术应用于煤层气始于20世纪初，美国CDX公司在试验成功后迅速在美国和其他国家推广应用。2004年，我国正式开始引进煤层气多分支水平井技术以后，中国石油天然气股份有限公司、中联煤层气有限责任公司等多家单位在沁水盆地、韩城区块、保德区块等地区进行了试验，并在沁水盆地南部地区取得了较高的钻井成功率^[1-3]。但由于我国的含煤盆地具有复杂的演化史和变形史^[4-5]，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，有可能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，因而不完全适用于我国煤层气开发。因此亟待研发适应我国煤层特点的水平井新井型。

1　技术现状与难点

传统的煤层气多分支水平井大多是由1口工艺井(多分支水平井)与l口排采井构成的1个井组^[6-7]。工艺井在进入煤层前造斜，在煤层内与排采井洞穴连通，并在煤层内延伸至设计长度，在水平段两侧钻若干分支(图1)；或工艺井与排采井洞穴连通后，分成两个主支，两个主支间夹角10°～15°，在每l主支井眼上再钻3～4个分支，分支与主支夹角一般为20°～45°(图2)。

 

 

上述的这种多分支水平井，其主支、分支以及工艺井与排采井连通的洞穴均在煤层中，在我国煤层气开发中存在的主要问题有：

1)由于我国煤层的不稳定特性^[8-9]，导致钻井事故频繁，建井周期长，钻井成本高。特别是，当主支井眼发生坍塌时，钻井不得不提前完钻，坍塌点以后的所有进尺成为无效进尺，如果坍塌点在排采井附近，整口井将失去排采通道。统计数据结果表明，华北油田在沁水盆地已完成的水平井中由于煤层垮塌发生卡钻事故的井数占39.3％，煤层进尺不足3500m(一般设计进尺不少于4500m)的井数占38％。

2)在实钻过程中一旦遇到煤层倾角局部发生变化时，往往会钻遇煤层顶板或底板。为确保高的煤层钻遇率，当钻遇煤层顶板时，就要降斜进入煤层；当钻遇煤层底板时，就要增斜进入煤层。从而造成实钻井眼轨迹呈“波浪状”起伏：”^[10-111]。这种“波浪状”井眼在排水降压采气过程中，以滑动、滚动、跳跃等方式搬运的较大煤灰颗粒就会在波谷处滞留，不断积聚，进而堵塞井眼，形成残留水塞过滤效应，最终导致煤层气多分支水平井产量降低。

3)生产过程中，井眼坍塌堵塞产气通道，且无法进行监测，更没办法重入管柱进行维护作业。

4)现有多分支水平井的排采井在煤层中造洞穴^[2-14]，方便了水平井与排采井的连通，但在后续抽排中易出现洞穴垮塌，或者井眼部分错位，导致排采设备难以入位。

5)由于煤层漏失压力小、易垮塌，造成现有多分支水平井完钻后或排采生产过程中洗井困难。

2　煤层气仿树形水平井设计技术

2．1　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，分支由主文侧钻进入煤层，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)。

 

2．2　煤层气仿树形水平井设计技术

2．2．1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。

 

2．2．2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。建在煤层顶板或底板内的主支，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l00～200m，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。

2．2．3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“主史疏通、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。

3　现场试验

ZSl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(ZSl平-5H井)和1口排采直井(ZSl平-5H井)、1口监测井(ZSl平-5H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Æ444.5mm钻头开钻，钻进至57m完钻，Æ406.4mm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Æ152.4mm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，l3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l2288m，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。

ZSl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。

4　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ZSl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、提高经济效益方而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。

 

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本文作者：杨勇  崔树清  倪元勇  王风锐  杨益涵  郎淑敏

作者单位：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