煤层气羽状水平井技术(宋生印)

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1、煤层气羽状水平井技术,宋生印,2 0 0 6 年 5月,突破瓶颈技术，实现快速发展,1. 概述2. 煤层气羽状水平井钻井工艺3. 煤层气羽状水平井井壁稳定技术4. 羽状水平井井眼轨迹控制技术5. 沁水CBM井井身结构优化设计6. 羽状分支井井下控制工具及钻具组合,煤层气羽状水平井技术,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,基本概念 羽状水平井，又叫鱼刺分支井或鱼骨分支井，是在一个主水平井眼两侧钻出若干个分支井眼，由于其形状象羽毛，也象鱼刺（鱼骨），因而得名。 Z-PINNATE FISHBONE,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,基本概念,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,2.CBM羽

2、状水平井基本要求 由于煤层气的吸附特性，决定了煤层气的开发与常规天然气井不同，必须要考虑排水降压。 羽状水平井的主水平井井斜大，排水采气设备难以下入，因此仅利用一口井满足不了煤层气开发的技术要求； 这也就决定了，煤层气羽状水平井一般包括一口多分支水平井和一口抽排直井。因此，严格地说一口煤层气羽状水平井实际上是一个两口井的井组。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,3.涉及的几个基本概念 羽状水平井 抽排直井 主水平井：上直段、造斜段、水平段 分支井 洞穴完井 布井方式：羽前、羽后 井间距离：250300m,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,突破瓶颈技

3、术，实现快速发展,羽 前 布 井 方 式,一、概述,突破瓶颈技术，实现快速发展,羽后布井方式,一、概述,4.CBM羽状水平井技术优势 集钻井、完井和增产措施于一体的一种新型煤层气开发技术； 能够在地下形成井网；,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,4.CBM羽状水平井技术优势 充分增大井眼泄流面积； 单井控制面积高达数平方公里（4.8Km2）。 单井产量比常规压裂井高1015倍。 美国西弗吉尼亚，利用该技术单井日产5.6104m3。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,4.羽状水平井技术优势 羽状水平井58年控制面积内的采收率高达7080；而常规CBM压裂直井，采收率最高能达到50左右。

4、经济效益好，是常规CBM井的35倍； 投资回收期短，一般2年左右即可收回全部成本；而常规CBM压裂直井投资回收率一般接近10年。 羽状水平井施工时井场占地面积小，只有常规压裂直井的1/3左右。如果与同样的控制面积来进行比较井场面积，羽状水平井可能只有十数分之一。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,5.国外研究现状 美国CDX GAS LC公司（简称CDX）于上世纪末发明并采用羽状水平井体系(Pinnate System)新技术进行完井和生产。2002年、2003年获得美国专利。 该技术适用于厚度和结构完整的薄煤层，同时，煤岩要具有一定的强度，以便成孔。 目前，该技术领域已申请了多项技术专利

5、，包括：羽状水平井井位布置、井身结构优化设计、欠平衡钻井、井眼轨迹控制及洞穴完井技术。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,5.国外研究现状 CDX公司1999年开始进行羽状水平井技术研究和试验应用，截至2004年底已钻200多口羽状水平井，形成了煤层气羽状水平井钻井、造洞穴、井眼轨迹控制、开发设计与施工的一系列专有的工程技术。 CDX公司取得了非常好的应用效果，近两年该技术已被美国环保局和天然气产业部门指定为开发煤层气的推广技术。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,6.国内研究现状 国内煤层气勘探开发经历了10多年的艰难探索，施工了数百口井，钻井方式从平衡钻井到欠平衡钻井，完井方式从射

6、孔到裸眼洞穴再到动力洞穴，增产措施从水力压裂到注N2/CO2助排或高能气体压裂，等等，应该说投入了大量的人力、物力、财力，进行了各式各样的尝试与探索，但仍然很不理想，至今没有真正形成一定规模的产业化基地，,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,6.国内研究现状 石油天然气方面： 普通水平井各个油田得到了广泛的应用，分支水平井随之引起了高度重视，但目前，国内对多分支井的产能研究比较深入，对多分支井钻井、完井工程技术研究较少。据我所知，目前石油行业仅进行了6口多分支井工程施工：胜利油田庄1支平1井、梁46支平1井，辽河油田静3159FP水平分支井，中海油海1420井、西江B22井，江苏小桥盐矿T9

7、6井。 羽状水平井作为一种更加特殊的钻井技术，目前国内油田只有大港于2004年底施工的JH2井，仅此一口。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,6.国内研究现状 在煤层气方面： 美国奥瑞安公司于2004年和2005年分别在沁水盆地施工了两口多分支CBM井，第一口井由中原油田钻井集团承钻，第二口由华北石油管理局第二钻井公司承钻。这两口井施工时国内公司主要提供钻机服务，核心技术主要依靠国外公司。因此，国内公司并不掌握关键技术。 美国格瑞克公司在江西丰城施工CBM多分支水平井没有成功。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,7.主要技术难点分析 羽状水平井采用裸眼完井，因此完井方面不存在技术难题；

8、 羽状水平井井眼轨迹控制技术本身是一项非常复杂、且非常先进的技术，再加上在煤层中钻进保持井眼稳定难度很大，使得CBM羽状水平井井眼轨迹控制面临下列技术难题： (1)上直段轨迹控制对主水平井眼和分支井眼轨迹控制会产生间接影响，如果控制不好，将会增大主水平井和分支井眼轨迹控制难度，甚至会导致主水平井和分支井无法施工。 (2)主水平井眼的轨迹变化会对分支井眼轨迹控制产生影响，可能会因主水平井眼轨迹没有达到设计要求，而对分支井眼的分支位置、井眼长度、分支井眼数量等产生影响。,突破瓶颈技术，实现快速发展,一、概述,7.主要技术难点分析 (3)在主水平井眼内进行侧钻施工，其难度远远大于在直井井眼中进行侧钻

9、施工：摩阻、扭矩、钻具疲劳失效等 (4)井眼重入问题仍未得到实质性解决； (5)始终保证主水平井和分支井在煤层中钻进仍有许多未解决的技术难题； (6)主水平井眼穿越抽排井裸眼洞穴的中标难度很大。 (7)实时修改、修正施工设计和作业参数方面的技术要求很高。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、 煤层气羽状水平井钻井工艺,1.整体施工顺序 先钻抽排直井，然后钻主水平井，并使主水平井在煤层部位与抽排直井相交，最后在主水平井两侧依次钻各个分支井眼。 如果先钻羽状水平井，后钻抽排直井，则两井相交的难度会大大增加，甚至会导致两井相交失败。因为：尽管直井钻井施工难度远低于水平井，但实践表明，直井井眼控制难度比水

10、平井眼轨迹控制大。 另外，为了保护储层CBM井最好采用欠平衡钻井技术，这样在分支井施工时可以利用抽排直井向井下注入气体。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、 煤层气羽状水平井钻井工艺,2.抽排直井施工工艺 在距设计的羽状水平井井口250300m的位置钻抽排直井： (1)钻表层，下入表层套管并注水泥固井； (2)如果设计有技术套管，则钻至相应的设计深度，下入技术套管并注水泥固井，然后钻进至煤层顶板；如没有设计技术套管，则直接钻进至煤层顶板； (3)下入生产套管，注水泥固井； (4)钻穿煤层； (5)采用特制的扩孔器在煤层段进行扩孔，造出一个直径2m的洞穴。该洞穴的作用：一是将来进行煤层气生产时用作

11、储集水、气；二是洞穴直径比井眼直径大，有利于水平井与抽排井相交。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、 煤层气羽状水平井钻井工艺,3.特制的扩孔工具,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、 煤层气羽状水平井钻井工艺,4.主水平井施工工艺 (1)钻主水平井上直段； (2)钻主水平井造斜段，当井斜角达到86左右后，下入技术套管并注水泥固井； (3)继续钻进直到主水平井眼与抽排裸眼洞穴相交，至此，主水平井眼与抽排直井相连通； (4)穿越裸眼洞穴继续钻水平井眼，至设计井深。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、 煤层气羽状水平井钻井工艺,5.分支井施工工艺 两种施工工艺方法: 倒退法：由主水平井眼尾端侧翼先钻一分支

12、井，然后沿往回方向的两侧再钻其它分支井，这样从末端向后倒退逐个钻成分支井。 前进法：与前种方法相反，从主水平井起始位置向前逐个钻成分支井的方法。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、 煤层气羽状水平井钻井工艺,5.1 倒退法施工工艺 (1)利用常规导向钻具组合现将主水平井眼全部钻完，调整钻井液性能，充分循环，确保主水平井段井眼清洁，无挂卡、遇阻现象； (2)起钻，下入分支井导向钻具组合，在主水平井眼末端附近，侧钻第一个分支井眼； (3)上提钻头至下一个侧钻点钻第二分支； (4)用同样的方法在主水平井两侧依次钻出设计要求的各分支井。,突破瓶颈技术，实现快速发展,二、 煤层气羽状水平井钻井工艺,5.

13、2前进法施工工艺 (1)利用常规导向钻具组合钻部分主水平井眼，钻至第一个分支侧钻点，调整钻井液性能，充分循环，确保主水平井段井眼清洁，无挂卡、遇阻现象； (2)起钻，下入分支井导向钻具组合，侧钻第一个分支井眼； (3)钻完第一个分支井后，充分循环，起钻； (4)采用常规导向钻具组合继续钻主水平井，钻至第二个分支侧钻点，再充分循环，确保主水平井段井眼清洁，无挂卡、遇阻现象；起钻； (5)下入分支井导向钻具组合，侧钻第二个分支井； (6)重复上述步骤，在主水平井两侧依次钻出设计要求的各分支井。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,1.煤岩特性使得井壁稳定性差,突破瓶颈技术

14、，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术 对于泥页岩坍塌机理，常规油气井钻井通常采用控制钻井液密度、失水及造壁等特性来实现井壁稳定； 对CBM井，单纯依靠控制钻井液性能难以实现井壁稳定。因： 廊坊分院完井所曾对沁水盆地3#煤层进行了煤样三轴应力条件下，井壁稳定性模拟试验研究，得到了为防止煤层破裂的最大许用钻井液密度和防止井眼坍塌的最小钻井液密度值为：1.301.50g/cm3 （密度窗口） 。 但根据煤层坍塌的机理，结合沁水盆地CBM井钻井实践，单靠控制钻井液密度来实现井壁稳定是不可行的。一方面，提高钻井液密度将加剧煤层污染（伤害）；另一方面，钻井液密度高会导致

15、井漏，沁水钻井实践表明，钻井液密度控制在1.10g/cm3以下，仍然出现井漏现象。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术 根据煤岩失稳机理及其影响因素研究表明，我认为，针对沁水盆地煤层段钻井液可采用如下4种方案： (1)钾铵聚合物防塌体系； (2)清水注空气钻井液体系； (3)油包水钻井液体系； (4)气体钻井(空气、煤层气),突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术 (1)钾铵聚合物防塌体系 钾铵聚合物钻井液体系，从其配方和所达到的性指标来看，具有稳定井壁的作用。但该体系仍然不可避免地造成储层伤害，特

16、别是对煤层造成的伤害仍然不可忽视。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(2)清水注空气钻井液体系 CDX公司钻羽状水平井几乎都用该体系，在清水中形成气泡，一方面可以提高携岩屑能力，另一方面降低了环空压力，减少了钻井液进入煤层的可能性，达到了防止漏失和保护储层的目的。,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(2)清水注空气钻井液体系 采用清水注空气体系，只需在地面配备一台空压机，工作压力达到6MPa以上。 充气量可根据地层压力系数和欠平衡的需要，通过计算钻井液循环的当量密度用专用软件来确定。 实际施工时可结合地层流体的返出情况控制充气量。 爆炸控制问题：氧气与甲烷混合,突破瓶颈技术，实现快速发展,三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术,2.井壁稳定钻井液技术(3)油包水钻井液体系 油包水钻井液属于无粘土(无固相)钻井液体系，采用抽排水作为配浆水，对煤层污染非常小，且该体系维护简单，更重要的是该体系摩阻小，能满足大位移水平井的技术要求，因此，具有很强的实用性。,