摘要：沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井施工中遇到了以下难题：①井壁稳定性差，容易发生井下复杂事故；②煤层易受污染，储层保护难度大；③岩屑携带不畅，井壁严重失稳；④缺乏先进适用的钻井工具及仪器。为解决上述问题，分析了多分支水平井井眼轨迹及分支结构优化设计、复合造穴、水平井与洞穴井连通、井眼轨迹控制、充气欠平衡钻井等关键技术的要点，结合现场先导试验实施情况和效果，综合研究后认为：①沁水盆地3#煤层分布稳定、煤层平坦、煤岩机械强度相对较高、煤层顶板稳定，适于采用多分支水平井钻井技术来开发煤层气，而且利用国内现有技术和装备完全可以实施多分支水平井钻井施工；②在该区实施充气欠平衡钻井应尽量选取小的欠压值，或者保持近平衡钻进，重点应放在辅助清水钻井液携岩方面；③高阶煤层比较脆且存在互相垂直的天然裂缝，极易引起井下垮塌、卡钻等复杂事故，甚至造成井眼报废，钻进过程中要密切关注钻井参数的变化，及时调整钻井参数，防止井下发生复杂事故；④储层保护、携带煤屑和井壁稳定仍是高阶煤层多分支水平井亟待攻克的技术瓶颈。
关键词：沁水盆地南部；高阶煤层；煤层气；多分支水平井；钻井工艺技术；可行性；欠平衡钻井；钻井参数
多分支水平井是开采煤层气的重要手段[1～2]，它集成了煤层造洞穴、两井对接、随钻地质导向、钻水平分支井眼、欠平衡钻井等多项先进的钻井技术[3]，与油气井钻井有着很大差异，具有技术含量高、施工风险大等特点。为此，中国石油华北油田公司在沁水盆地南部高阶煤层煤层气开发中进行了多分支水平井钻井先导试验。
1 多分支水平井钻井技术难点
由于高阶煤层力学性质较“脆”，而且煤层中发育相互垂直的面割理和端割理，钻进过程中极易发生井眼垮塌、卡钻等复杂情况且处理难度较大，使主、分支井眼钻进延伸受到制约。目前，沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井施工中遇到的技术难点可概括为以下方面：
1.1 井壁稳定性差，容易发生井下复杂事故
由于高阶煤层热演化程度高，微孔隙发育，机械强度低，存在较高的剪切应力作用[4]，因而煤层段井壁极不稳定，在钻完井过程中极易发生井壁坍塌、井漏、起钻遇卡、下钻遇阻，甚至埋掉井眼等井下复杂和事故。此外，由于高阶煤层段井壁稳定性差，划眼过程中易形成新井眼，造成井眼重入困难。同时，由于煤层埋藏比较浅，井眼曲率较大，钻压难以满足要求，钻水平分支井眼时钻柱易发生疲劳破坏，进而导致井下复杂。在沁水盆地南部48口多分支水平井的统计数据中，只有14口施工顺利，有14口发生垮塌埋钻具事故，损失LWD、MWD、EMWD共11套、螺杆12套，埋井钻具总长逾3250m，可见煤层垮塌是沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井的主要风险之一。
1.2 煤层易受污染，储层保护难度大
高阶煤层作为煤层气的储集层与常规储层(砂岩、碳酸盐岩)有很大差别，高阶煤层具有高吸附性、低渗透性的特点，且易受压缩、易破碎，钻井过程中受伤害的概率远大于常规储层。由于煤层气赋存状态的特殊性，造成了煤层伤害直接影响到煤层气的解吸、扩散、运移及后期排采，因此储层伤害是高阶煤层钻井过程中应极力避免的一个问题。沁水盆地南部高阶煤层的性质决定了井眼稳定和煤层保护之间的矛盾较常规油气储层更为突出，科学合理地处理井眼稳定与煤层保护之间的矛盾，是沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井成败的关键。
1.3 岩屑携带不畅，井壁严重失稳
迄今为止，在沁水盆地南部煤层气开发中的多分支水平井均由一口洞穴直井(排采井)和一口水平分支井(工艺井)组成，排采井在其煤层处的洞穴作用主要是为了工艺井与其交汇时的连通提供便利，但其副作用是不利于携带岩屑。当从排采井注气帮助携岩时，往往由于注气的工艺及配套参数掌握不好而导致井底压力波动太大，造成煤层井壁严重失稳。
1.4 缺乏先进适用的钻井工具及仪器
煤层气多分支水平井钻井过程中涉及许多专用工具和仪器[5]，例如，用于两井连通的电磁测量装置、适合于煤层气施工特点的地质导向工具、高效减阻短接等，目前由于缺乏这些先进适用的装备和仪器，在一定程度上制约了煤层气多分支水平井钻井施工队伍的国内化进程。
2 多分支水平井钻井工艺技术
2.1 井眼轨迹及分支结构优化设计
多分支水平井分支结构设计是一个多目标优化问题[6]，需要从地质工程、气藏工程、钻井工程和经济等各个方面综合加以考虑。沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井井眼轨迹优化设计主要考虑的因素有：钻机性能、井眼轨道的摩擦阻力(或扭矩)大小、钻柱强度、现场施工的难易程度等。
通过对两主支间夹角、主支与分支间的夹角以及分支条数、分支间距、分支长度等相关参数的计算和优化，在沁水盆地南部选用2主支8分支的井型结构(图1)，在保证控制面积的基础上，降低施工难度，确保无控制盲区。
2.2 复合造穴技术
目前，在国内外煤层气开采中，采用的裸眼洞穴造穴技术主要有3种：负压造穴、水力射流造穴和机械工具造穴[7]。在综合分析上述3种裸眼造穴技术优缺点的基础上，结合沁水盆地南部高阶煤层特点，形成了“水力射流+机械工具”复合造穴技术。即首先应用水力射流的原理对要造穴的井段进行一次射流作业，或形成一定直径的洞穴，或使井壁疏松，尔后下入机械造穴工具进行工具造穴作业，完成钻井设计中对洞穴的要求。
2.3 水平井与洞穴井连通技术
由于洞穴直井(排采井)轨迹的漂移、裸眼洞穴直径的限制，以及主井眼造斜段随钻监测精度的影响，两井连通是该类井施工的一个难点[8]。两井连通过程中采用的技术为RMRS(Rotating Magnet Ranging Service)，目前RMRS技术在煤层气钻井、蒸汽辅助重力泄油、控制井喷等领域得到了广泛应用。其技术思路是：在直井裸眼洞穴中放入特制的旋转磁场定位系统，并与计算机连接。在主水平井中的钻头和马达之间接入一根强磁短节来发射磁场，由直井中旋转磁场定位系统接收，并及时把信息传送到计算机中，技术人员根据传送的信息判定钻头钻进的方向与直井连通点位置的方位，由钻井工程师根据随钻监测的LWD不断调整钻头方位、井眼轨迹，直至连通。在沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井施工过程中，研制配套了两井连通设备，形成了两井连通工艺技术，并成功应用于现场施工。
2.4 井眼轨迹控制技术
煤层气多分支水平井定向控制的主要参数包括井斜角、方位角和垂深。水平井主井眼上直段重点是防斜打直[9]，沁水盆地煤层主要存在于石炭、二叠系，钻开平原组后就进入古老的石炭系、二叠系地层。在施工中钻遇倾角较大的上直段地层时易发生井斜，在易斜段控制井眼轨迹的方式是：动力钻具+MWD。丰井眼造斜段一般使用“导向马达+随钻测斜仪”的常用定向钻具组合，水平主井眼及分支井眼一般采用“单弯螺杆钻具+随钻测井仪+减阻器”的地质导向钻具组合钻进，通过连续滑动钻进的方式，实现增斜、降斜，通过复合钻进的方式稳斜，既达到连续钻进的目的，又可随时根据需要调整井眼状态，有效地提高了钻井速度和轨迹控制精度。
煤层气水平井施工中通常把煤层上下岩性较稳定的致密顶板泥岩、煤层夹矸作为判断钻头上行、下行钻进、实时监控钻头是否在目标层中的标志层[10]。标志层可通过邻井或洞穴直井的测井或随钻跟踪曲线来合理选取，同时结合钻井过程中返出的岩屑、钻时变化、综合录井等相关参数分析决策井眼轨迹控制。
2.5 欠平衡钻井技术
煤层是有机储层，具有低地层压力、低渗透率的特点，易受污染，储层保护难度大。若钻井液密度过高，在压差作用下钻井液进入煤层，不仅会将煤层中裂缝撑开使煤层结构破裂，而且会对煤层造成伤害，直接影响到煤层气的解吸、扩散、运移及后期排采。根据对沁水盆地南部3#目标煤层的钻井实践，在水平段的煤层中钻进时，以清水为介质配合充气欠平衡钻井技术取得了较好效果。施工过程中常出现的问题是注气压力不稳，出现周期性波动，水平井井口返出液体量也伴随出现周期性变化，甚至出现断流憋堵。注气压力和井口返出量的周期性波动，给钻井工程施工带来一系列问题：①加剧了井壁垮塌；②不能起到欠压保护气层的目的；③无法判断井漏；④给气测录井、岩屑录井带来困难。因此，施工过程中需要完善充气欠平衡钻井设备，合理匹配注气量、循环排量、注气压力，解决注气压力波动大的问题，使井底压力保持稳定，在保证井壁稳定的前提下，实现顺利携岩、降低环空压力、防止井漏等目标。
3 应用实例及效果分析
郑平02-1、郑平05-1、郑试平4H和郑试平7H井是沁水盆地南部斜坡高阶煤层气田郑庄区块上部署的多分支水平井，钻井过程中，使用清水作为循环介质，并从洞穴直井充气帮助携带岩屑。郑平02-1H井施工过程中，曾因煤层垮塌，造成环空循环通道堵塞，导致两次卡钻事故。L5分支井眼钻进过程中因井壁垮塌严重、井眼上下交错复杂，在M1主井眼上已经没有侧钻点，钻出的分支又无法重入。反复论证后，改变原设计，在洞穴前面的主井眼侧钻一个主分支，在该主分支上继续侧钻分支井(图2)。郑平05-1H井在施工过程中发生卡钻事故2起，损失时间419h，占总时间的16.51%；第二次卡钻事故解除后，因821～894m井段煤层垮塌严重，井下情况复杂，被迫在760m开窗侧钻。
在总结郑平02-1、郑平05-1井经验教训的基础上，不断完善施工方案，尽量缩短连通段的煤层进尺、连通位置上提、控制井眼轨迹在优质煤层穿行，以及优化施工技术细节等应对措施，成功钻探了郑试平4H井、郑试平7H井。其中，郑试平7H井完成2个主支和9个分支(图3)，进尺4738m，煤层进尺4106m，煤层钻遇率86.7%。
4 结论
1) 沁水盆地南部郑庄区块的钻探实践证明，3#煤层分布稳定，煤层平坦，煤岩机械强度相对较高，煤层顶板稳定，适于采用多分支水平井钻井技术高效开发煤层气，而且利用国内现有技术和装备完全可以实施多分支水平井钻井施工。
2) 沁水盆地南部高阶煤层实施充气欠平衡应尽量选取小的欠压值，或者保持近平衡钻进，其首要作用应放在辅助清水钻井液携岩方面。
3) 高阶煤层比较脆且存在互相垂直的天然裂缝，在这种脆性煤层中钻进极易引起井下垮塌、卡钻等复杂事故，甚至井眼报废。钻进过程中要密切关注钻井参数的变化，如返出口出现异常，扭矩变化较大时，应及时调整钻井参数，防止井下发生复杂事故。
4) 沁水盆地南部多分支水平井钻井实践结果表明，储层保护、携带煤屑和井壁稳定仍是煤层气高阶煤层多分支水平井技术亟待攻克的技术瓶颈。
参考文献
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[8] 饶孟余，杨陆武，张遂安，等.煤层气多分支水平钻井关键技术研究[J].天然气工业，2007，27(7)：52-55.
[9] 黄洪春，卢明，申瑞臣.煤层气定向羽状水平井钻井技术研究[J].天然气工业，2004，24(5)：76-78.
[10] 鲍清英，张义，何伟平，等.煤层气羽状水平井井眼轨迹控制技术[J].石油钻采工艺，2010，32(4)：86-90.
(本文作者：崔树清 王风锐 刘顺良 周立春 余津文 中国石油华北油田公司)
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