和顺地区煤层气远端水平连通井钻井技术.pdf

3 8卷 第 0期 2 1 0年 月 石 油 钻 探 技 术 I ’ ETR I EUM I I I I I ， I N TECH 1 QUES Vo i ． 3 8 ＼ ． 3 M aV． 201 0 钻 井与完 井 和顺 地区煤层气远端水平连通 井钻 井技术 杨 力 中国石化 华东石油局 ， 江苏 南京2 1 0 0 1 1 摘要 针 对 和 顺 煤 层 气 区块 的 地 质特 点及 远 端 水 平 连 通 井 的 施 _T -难 点 ， 结 合 和 平 1井 组 的 钻 井 方案 ， 介 绍 了 煤层气远端水平连通井的井眼轨道及 井身结构优 化设计 、 利 用地质 导向进行轨 迹控制 、 采用 强磁 连通仪 实现 井眼 远端连通、 在 清水 中加入 氯化钾 对储层和 井壁进行有效保护 ， 以及优 选水平 井裸 眼 完井排采 井套管 完井方式和 双凝一 双密度水泥浆体 系等 关键技术 。实践表明 ， 这一 系列技 术能够保 障远 端水平连通 井的顺利 实施 ， 形成 了较 为 成 熟 的 煤层 气 水 平连 通 井钻 井工 艺模 式 ， 并 取 得 了 良好 的 应 用 效 果 。 关键词 煤成 气； 水平 井；井眼轨迹 ； 远 端连 通；完井 中图分 类号 T E 2 4 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 卜0 8 9 0 2 0 1 0 0 3 ～ 0 0 4 0 0 4 连通水 平井技 术 最 早用 于救 援 井施 工 ， 当一 口 井 发生井 喷或失火 时 ， 在距该 井一定 距离处 ， 钻 一 口 井 与其连 通 ， 通过 注 入 高密 度 钻 井液 压 井 或 采取 其 它措 施来处 理井下 事故 l 1 ] 。胜利 油 田早 在 1 9 9 7年 就将 该 技术 应 用 于江 苏省 洪 泽县 芒 硝矿 开 采I 3 ] ， 钻 一 口水平井 与另一 口生产 井 一般 为 直 井 连 通 ， 使 整个水平段在矿层底部穿过 ， 将套管下至矿层顶部 有效 位置 ， 从 而实 现一 口井 注水 ， 另 一 口井生 产矿层 溶解 液 ， 达 到高效低 耗开采 地下 矿体 的 目的 ， 克服 了 以往单 井吞 吐生产 方 式 因清 水 在 井下 时 间 短 ， 芒硝 溶液 的浓度 不 能 达 到 饱 和 ， 而 影 响 其 产 量 的不 足 。 目前 国外在煤 层 中钻 水平 连通井 的技术 已经 比较完 善， 但国内相关工作起步较晚， 许多关键技术还有待 进一步研 究 。为 此 ， 2 0 0 8年 ， 中 国石 化 在 和顺 区块 部署 了一 口远 端 水 平 连通 井 和 平 1 井 组 ， 旨在 进 一步获 取沁水 盆地煤 层含 气特征 及探索 勘探 开发 的技术参 数 ， 加快 煤 层气 的勘探开 发进程 。 1 地质特点和施工难点 1 第 四系为砾石 层和 流沙层 ； 2 太原组 灰岩 段易水侵 、 易 漏失 ； 3 1 5号煤层 顶板砂 岩层 为弱 含水层 ； 4 1 5号煤层 性脆 ， 属 块 状碎 裂 煤 ， 该煤 层 含 有 1 ～2层较 薄碳 质泥 岩夹矸 ， 同时各 小层 煤性不 一 ； S 煤 层裂缝 较 发育 。 1 ． 2煤层气 远端 水平 连通 井的施 工难点 1 煤层 比较 脆 ， 存 在 着互 相 垂 直 的天 然 裂缝 ， 而在这 种脆性 地层 中钻 进极 易 引起 井下 垮 塌 、 卡钻 等复 杂情况 和事故 ， 甚 至使 井 眼报废 。 2 煤 层 易 受 污染 ， 储 层 保 护难 度 大 ， 一 般 采用 充气 钻井 液 、 泡 沫钻井 液或 清水 钻进 。 3 由于煤层埋藏比较浅 ， 水平连通井井眼曲率 较大， 钻压难以有效传递 ， 同时钻水平井眼时钻柱易 发生 疲劳破 坏 ， 导致 出现井 下复杂 情况 。 4 煤层气 水 平 井 施 工 涉及 到 许 多 新 工具 和仪 器 ， 例如用 于两 井连通 的电磁测 量装置 、 小尺 寸地质 导 向工具 等 ， 目前这些 装备 和仪 器 尚需 引进 。 1 ． 1 和顺煤层气区 块的地质特点 2 水平连通井组钻井方案 和平 1 井组所 属 的和顺 区块 构造位 于 沁水 盆地 东缘北部 ， 主要钻遇第 四系 ， 二叠系 的上石盒 子组 、 下 石盒子组和 山西组 ， 石 炭系太原组 和本溪组地 层 。古 生界石炭系太原组 和二叠系山西组是 主要含 煤地层 ， 其 中太原组 1 5 号煤层变质 程度高 ， 属 高阶煤 ， 为煤 层 气勘探主力 目的煤层l_ 4 ] ， 该区地层具有如下特点 和平 1井组 由一 口直井 和 1井 和一 口水 平井 收稿 日期 2 0 0 9 ～ 1 l 一 2 j 改 回 日期 2 O 1 0 - i _ _ O 2 作者 简介 杨 力 1 9 引 ． 男． 湖南 临澧人． 1 t 8 1年毕业 于武汉 地质学院钻探工程专业． 副总工程 师兼工程 院院长． 高级S - 程 师． 主 要从 事石 油钻井方面的抖研与 管理工作 联 系方 式 02 5 5 8 1 ．{ ． y a n g l i 9 5 9 8 、 t l1 L 1 ． 、 『 1 I 第3 8 卷 第3 期 丝 顺 地区 和 平】 远端 水 平 连通 井 钻 井 技术 和平 1 井 连 通 组 成 。设 计 中， 先 钻 成 垂 深 5 6 0 m 的和 1井 ， 再 钻水平 井 ， 水平井 的井 口距 离直井 井 口 7 1 7 ． 5 5 n l 。直井 采用 ≠ 1 7 7 ． 8 1“ II 1 “／ 1 套管 完井 ，套管 串 位 于太原 组 1 5 煤层段 ， 在 该位 置 处加 入 了 1根 玻 璃 钢 套 管 。 固 井 后 ， 1 5煤 层 段 的 井 眼 直 径 扩 至 5 0 0 m m 。 水 平井 二开 造斜井 段设计 造斜 率 8 ／ 3 0 m ，设计 为五段 制 剖 面 ， 连 续 造 斜钻 至 1 5 煤 层 顶 部 ，下 入 9 5 l 7 7 8 mm技术套管。采用 ≠ 1 2 0 ． 0 mm 钻头 沿 煤 层水 平 钻进 ， 直 至 与 和 l井 实 现连 通嘲 。和 平 l井 组的钻井方案如图 1 所示 ● 4 4 f f f 499 9I1 531 9m 478I1．1 480m 468m 』 f f l B 二 誊 藏。 谢 辩 】 5 号 -煤 层J1 一 5 0 0 In _． 一2 3 O m一 图 1 和平 1井组钻井方案示意 1 2 7 8 3m 1 27 3 9 m 3 关键技术 3 1 并 眼轨道优 化设计 因为煤层一般较浅 ， 所 以进行煤层气水平井井 眼轨 道设 计时 采用 消耗较 小垂深 而得 到较大 位移 的 思 路 ， 主要需 考虑 以下几 点 因素 1 主井 眼 入煤 层 的方 位 。根 据 连 通 直井 的位 置 、 连通方式和产层的倾角方向， 决定水平井 口与被 连通 直井井 口的方 向与距 离 。 2 井 眼轨道 设 计 必 须 满 足 现 场施 工 工 况 的要 求。由于煤层气水平井垂直井段短 ，通 常 在 5 0 0 m 以内 ， 而 水平段 一 般在 5 0 0 m 以上 ，位移 大 ， 位 垂 比 大 ， 应 尽可 能选择 摩阻 扭矩小 的轨 道剖 面 。 3 考虑 到煤层 的井 壁稳定 性 差 ，水 平 井 眼要处 于煤层 的相对稳定部位 ， 以利于安全钻进 。 和平 1 井 在 设计 过 程 中选 用 了“ 直一 增一 稳一 增 一 水 平” 五段制 轨道 ， 造 斜 率选用 8 ／ 3 o m 和平 1 井 轨 道设 计 的主要参 数见 表 1 ， 并 且 将着 陆 点控 制 在水 平 段 的预 计 点 前 2 0 I -D ． ， 利 于 在 储 层 预 测 发 生 变 化 时 ， 及 时有 效地对 井 眼轨迹进 行调 整 ，确保按 预定位 妻1 和 平1 井 轨 道 设 计 主要 参 数 井 段 井深／ m 0～ 2 3 0 ． 0 0 2 3 0 ． 0 0 4 1 9 ．9 8 4 1 9 ． 9 8～ 4 4 9．3 7 4 4 9 ． 3 7～ 6 0 3 ．3 4 垂深／ m 0～ 23 O ． O 0 2 3 0 ． 0 O ～ 3 9 8 ．1 4 3 9 8 ． 1 4 41 7 ． 63 4 l 7 ． 6 3 ～ 4 7 4 ． O 0 直井段 第一增斜段 稳斜段 第二增斜段 水平段 方位角／ 。 O 2 5 3 ． 9 1 2 5 3 ． 9 1 25 3 ． 9 5 j 2井 身 结 构 设 计 煤层气水平井的井身结构设计 与常规油气井 的设计 有 所不 同 ， 需考 虑 直 井 与水 平 井 的 连 通 、后 期 的排 水 采 气 和煤 层 的 井 壁 稳 定 、技 术 套 管 的 下 深 等 因素 1 由于煤层 承压 强度 低 ， 技 术套 管 要考 虑 防止 固井 时将煤 层压 裂 。 2 从抽排采气的角度考虑， 套管必须将煤层上 部 出水 量 大的层位 封堵 。 3 为 了在连通 井井 段造 洞穴 ， 井 底必 须 留有 合 适 长度 的 口袋 。 口袋 留深 以不揭开 下部 含水层 为基 本原则 ， 应优先 考虑增 大 口袋 留深 。 4 水平井段井眼的大小需考虑井壁的稳定性 及工具仪器的配套性 。 和平 1 井组的直井 和 1井 采用了常规井身结 构 ， 但 为 了便 于连通 ， 在 目的层 位 置 太原 组 1 5 煤 层段 加入 了 1根 长 约 8 1T I 的玻 璃 钢 套 管 ，其 井 身 结 构如 图 2 所 示 。水 平 井 和 平 1 井 设计 的井 身结 构如 图 3 所 示 。考 虑 到 和顺 地 区 1 5 煤 层 上 部 为 粉 煤层 ， 极 易垮 塌 ， 经 论 证 ， 决定 将 技 术 套管 下 至 目 的煤层 夹矸 位置处 ， 以确保后 续施 工 时井 下安 全 。 图 2和 1井井身结构示意 一 一 4 ～ 图 3和 平 1井 井 身结 构 示 惹 3 ． 3井 眼轨 迹控 制 井眼轨迹 控制 是煤 层气水 平井钻 井成 功与否 的 关键。水平井段 一般采用 “ 单弯螺 杆钻具 L WD 伽 马参数 ” 的地质 导 向钻具组 合钻进 ， 通过 连续 滑 动钻进方式实现增斜 、 降斜 ， 通过 复合钻进方 式稳 斜， 利用 L WD随钻监测 的地层 参数来修正地质模 型并 调 整 井 眼 轨 迹 。 另 外 ， 工 程 技 术 人 员 结 合 综 合 录井 仪 实 时 监 测 到 的 钻 时 和 钻 井 液 返 出 的 岩 屑 ， 判 断钻 头是 否 穿 出煤层 ， 从 而 确 保 水 平 井 段 的 有 效 穿透 率 。和 平 1井井 眼 轨迹 和煤 层 的 关 系 如 图 4所示 。 井 深 ／ m 一 预板标高 一底板标高 一井身标高 图 4和平 1 井水平井段钻遇煤层示意 伽 马值 是 判 断地 层 岩性 的参 数 ， 伽 马短 节 位 于 环空压 力短节 之后 3 0 c m。通 常每 个地 区的煤 层 和 围岩都有其特征的伽马值。通过钻探和 1 井得顶板 泥岩伽 马值在 9 0 AP I以下 个 别 点 超 过 9 0 AP I ； 底 板泥岩 在 7 2 AP I 以 下 ； 下 夹 矸 伽 马 值 最 高 可达 1 3 0 AP I ， 在横 向上有 变化 ； 上 夹 矸 伽 马值 变 化 不 明 显 。 因此 ， 根据 随钻地 质参数 的变 化调 整轨迹 ， 可提 高煤层的有效穿透率 。 3 ． 4远端 连通 两井连 通时采 用 电磁 波测 量仪器 。连 通过 程 中 首先在 直井 中下入 探 管 ， 水平 井 施 工 时在 钻 头 处 连 接 一个永 磁短节 ， 当旋 转 的永 磁 短 节 到达 直 井 附近 区域 时 ， 探 管 可采 集永 磁短 节产生 的磁场 强度 信号 ， 接 收仪 器 就 可 以 不 断 地 收 到 当 前 磁 场 的 强 度 值 H 、 H 和 H ， 然后 根 据采 集 的测 点 数据 判 断 出 当前 的井 眼位置 ， 实 时 计算 当前 测 点 的闭 合 方位 并 预 测钻头 处方位 的变 化 ， 然后 通 过 调整 工 具 面及 时 将井 眼方 向纠 正 至洞 穴 中心 的位 置 。接 近洞 穴 时 ， 根据防碰原理 ， 利用专用的轨迹计算软件进行柱面 法 扫描 ， 计 算水平 井 与洞穴 中心 的距 离 ， 以达 到连通 的 目的 。 3 ． 5钻井 液 由于煤储 层具 有 吸附能 力强 、 应 力敏感 性强 、 水 敏性 和碱敏性 强等 特点 ， 决定 了煤层 容易受 到污染 。 再则煤 层胶 结疏松 ， 水平 井 施 工 时容 易 发 生坍 塌 卡 钻事故 。因此 ， 在 煤层 上 部 采 用低 固相 聚合 物 钻井 液 ， 满 足快速 钻井 和井 眼稳 定 的要求 ， 进入煤 层前 转 化为清水 或在 清水 中加 入 氯化 钾 ， 以达 到保 护 煤层 的要求并 能有 效 预 防煤 层 吸 水 膨胀 垮 塌 。 同时 ， 水 平井段 定期 采 用 高 黏 C MC胶 液 进 行携 岩 ， 将 垮 塌 物 携带 出井 ， 保 障井 下安全 。 3 ． 6 完 井 3 ． 6 ． 1 完 井方式 的选择 和顺煤 层气 区块 是低压 、 低渗 的高 阶煤储层 ， 和 平 1井组 是 由和 1 井 与 和 平 1井组 成 的 一组 井 ， 和 1井是排 采井 ， 需要先 钻 ， 和平 1 井 水 平段 在 煤层 中 穿过 ， 增加 接触 面积 ， 提 供 出气通 道 ， 因此 宜选 用 裸 眼完井 ] 。 和 1井作 为 排采 井 ， 选 择 完井 方式 时 主 要考 虑 要为后 期 的排 采 提供 一 个稳 定 的井 眼 ， 而 由于和平 1 井 的水 平段 在 煤 层 中穿 过 ， 可 以消 除 掉 固井 过程 中对煤 层造成 的 污染 带 ， 这 样 套管 完 井 就是 一 种理 想 的选 择 。 3 ． 6 ． 2水 泥浆 的优 选 由于煤 层 低压 低 渗 ， 易受 固井施 工 时水 泥 浆游 离 液的 损害 ， 同时井 温 低 也不 利 于油井 水 泥 浆 的水 化 ， 制约了水泥胶结强度和抗压强度的发展。为此 ， 设计 水 泥浆时重 点从 以下 方面考 虑 1 施 工 时控 制水 泥 浆 封 固段 的 液 柱压 力 与 地 层 的压差 ， 降低地 层井漏 、 井 塌和水 泥浆 固相颗 粒进 入煤层 孔 隙及 裂缝 的概 率 。 第 3 8巷 第 3期 杨 力 和 顺 地 区和 平 1远 端 水 平 连 通 井 钻 井技 术 2 控 制水 泥 浆 失水 和 自由液 的产 生 。确 保 水 泥浆 的水 化 条 件 ， 降 低 高 碱 性 滤 液 及 固 状 物 进 入 煤 层 后加 速 黏 土矿 物 的水 化 和沉 淀 物 的形 成 。 同 时提高水 泥浆 的黏度 和静切 力 ， 尽 可能使 水泥 浆 液 柱静 压 弱 ， 传 递 外 压 能 力 低 ， 以实 现 平 衡 压 稳 ， 减 少气 窜 。 3 控 制水 泥浆 稠 化 时 间 ， 追求 直 角 稠 化 ， 形 成 水 泥浆胶结 强度 增长快 、 水 泥石抗 压强 度大 的效应 ， 达 到减 小水 泥浆 和地层 相互 浸污 时 间的 目的 。 设 计 主要 采 用 双 凝 一 双 密 度 水 泥 浆 体 系 ， 总 的 要 求 是 高 早 强 、 低 失 水 、 过 渡 时 间短 、 沉 降 稳 定 性 好 等 。为 了满 足 压 裂 和 后 期 作 业 的 要 求 ， 煤 层 段 采 用 常规 密 度 的水 泥浆 体 系 ， 以 确 保 强 度 ； 上 部 采 用 低 密度 水 泥浆 体 系 ， 主 要 是 降 低 液 柱 压 力 ， 减 少 对 煤层 的伤 害 。 4 应用效果 5 结论 与建议 1 煤 层气有 其 自身 的一 套 勘 探 开 发方 法 和 工 艺技术 ， 在轨道设计 、 井身结构设计 、 钻井工艺、 储层 保 护和完 井方 式等 技 术 上 ， 与 常规 油 气 井设 计 施 工 有所 不 同 ， 要 区别对 待 。 2 煤层 采用 清水钻 进 ， 可 以起 到 保 护煤储 层 的 作用 ， 但不 利 于煤层 的井 眼稳定 。使用 清水 钻井 ， 应 以快保安全。建议开展 空气 、 泡沫流体等欠平衡钻 井技术的研究工作 ， 一方面可以提高钻井速度 ， 另一 方 面 可以避 免 固相 、 液 相等流 体 的侵 入 ， 进一步 提高 煤 储层 的保 护效果 。 3 随 着煤层 气 工 业 的发 展 和 能 源需 求 的 日益 增 长 ， 水 平连 通井将 成 为煤 层气 的 主要 开 发手 段 之 一 。但针 对不 同类 型煤层 气储 层 的适 应性 有待进 一 步论 证 。 参 考 文 献 和平 1井组 中 ， 和 1 井一 开 钻至 井深 3 6 ． 7 7 m， [ 1 ] 王洪 光， 肖 利民， 赵海艳． 连通水 平井工程设计与井眼 轨迹控制 表层套 管下 深 3 6 ． 4 5 m， 二开 钻 至井深 5 6 0 ． O 0 m 完 技术[ J ] 石油 钻探技术， 2 O 0 7 , 3 5 7 6 - 7 8 ． 钻 。 然 后 对 煤 层 井 段 进 行 扩 孔 ， 扩 孑 L 井 段 5 O s ． s o ～ 妻 7K 术 口 1 探 矿 工 5 0 9 ． O0 m 。 [ 3 ] 吴敬涛 ， 杨彦明 ， 周继坤 ， 等． 连 通水平井钻井 技术在芒硝矿 中 和平 1井 一 开 钻 深 3 6 ． O 0 m， 表 层 套 管 下 深 的 应用[ J ] ． 石油钻探技术， 1 9 9 9 ， 2 7 4 7 9 3 5 ． 4 1 m， 二 开钻 至 2 2 3 ． 0 0 m 后开 始定 向钻进 ， 技 术 。煤层气安全钻 舡艺 套 管下深 6 0 8 ． 0 0 m。然 后 进行 三 开水 平 井 段 钻进 ， [ 5 ] 李云峰 ．沁水盆地煤层气参 数井钻井工 艺[ J ] ． 探矿工程 岩 土 其中水平段 长为 5 0 8 ． O 0 m， 水平 位移 7 2 0 ． 9 0 m， 最 大 钻掘工程， 2 0 0 6 ， 3 3 9 5 5 5 7 ． 井 斜角 ． s 遇煤 层 4 8 0 0 。m ， 有 聱 享 率 ， ,2 1 1 4 - 1 7的． 9 4 ． 4 9 ， 并在 井深 1 0 8 4 0 0 m 与 和 1井 实 现 远 端 [ 7 ] 杨陆武 ，孙茂远 ， 胡爱梅 ， 等． 适合 中国煤层气藏特 点的开发技 一 次连通 。全井施工J l , N ， 井下安全无事故 ， 为后期 n 石油学报， 2 0 0 2 ， 2 3 4 4 6 5 0 ． 排采 提供 了 良好 的井 眼条件 。 [ 审稿 都 振川] Re m o t e - En d Ho r i z o nt a l Co m m u ni c a t i o n Dr i l l i n g Te c h n o l o g y f o r Co a l Be d M e t ha ne i n He s h u n Bl o c k Ya ng Li Ea s t Ch i n a Pe t r o l e u m Bu r e a u， S i n o p e c ，Na n i n g，Ji a n g s u， 2 1 0 0 1 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t Co n s i d e r i ng t h e ge o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f He s h u n b l o c k s a nd d r i l l i n g d i f f i c u l t i e s a r i s i n g f r o m r e mo t e - e n d h o r i z o n t a l Co mmu n i c a t i o n we l l a l o n g wi t h d r i l l i n g p r o g r a m o f He p i n g l we l l g r o u p，t h e f o l l o wi n g t e c h n i q u e s we r e u s e d ，i n c l u d i n g o p t i mi z a t i o n o f t h e we l t t r a j e c t o r y a n d c a s i n g s c h e ma t i c s o f C B M r e mo t e - e n d h o r i z o n t a l c o n n e c t e d we l l ，u s i n g g e o s t e e r i n g t o c o n t r o l we l l t r a j e c t o r y ，u s i n g ma g n e t i c c o n n e c t i o n i n s t r u me n t t o a c h i e v e we l l r e mo t e c o n n e c t i o n，a d d i n g p ot a s s i u m c h l o r i d e i n t o wa t e r t o e f f e c t i v e l y p r o t e c t t h e r e s e r v o i r a n d t h e we l l b o r e，o p t i mi z i n g h o r i z o n t a l we l l s o pe n h o l e c o mp l e t i o n a n d o p t i mi z i n g d e wa t e r i ng we l l s c a s i n g c o mp l e t i o n，u s i n g d ou b l e - c o n d e n s a t e a n d d o u bl e - d e ns i t y m u d s y s t e m．Fi e l d a pp l i c a t i o ns s h o w t h a t t hi s s u i t e o f ke y t e c h n o l o g i e s e n s u r e s s mo o t h a p p l i c a t i o n o f r e mo t e h o r i z o n t a l c o n ne c t e d we l l s ，a n d a s e t o f ma t u r e d r i l l i n g p r o c e d u r e f o r CBM h o r i z o n t a l c o n n e c t e d wa s d e v e l o p e d a n d g o o d a pp l i c a t i o n r e s u l t s we r e o b t a i ne d ． Ke y wo r d s c o a l f o r me d g a s ； h o r i z o n t a l we l l ； h o l e t r a j e c t o r y； r e mo t e c o n n e c t i o n； we l l c o mp l 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