45、武M1-1煤层气羽状水平井钻井技术.doc

武M1-1煤层气多分支水平井钻井工艺分析研究乔磊 申瑞臣 黄洪春 鲜保安 庄晓谦 鲍清英（中国石油勘探开发研究院廊坊分院完井所 河北廊坊 065007）摘 要：武M1-1井是中石油第一口煤层气多分支水平井，它的成功完钻为煤层气的高效开发闯出了一条新路子。以武M1-1井的实钻工程资料和现场施工经验为基础，结合有关的理论进行了总结与分析，全面概括了武M1-1井钻井工艺的特点和成功的经验，深入剖析了钻井工艺中的不足之处。本文的主要内容包括井身剖面设计与轨迹控制、井下摩阻/扭矩预测与控制、水平井与洞穴井对接、煤层井壁稳定性分析和井眼清洁等工艺。武M1-1井的钻井工艺不仅具有科学的理论依据，而且经过了现场的应用，证明其具有一定的参考价值和指导作用。主题词：煤层气 多分支水平井 欠平衡 摩阻分析 地质导向煤层气是煤层中自生自储的一种清洁、高效的非常规天然气资源，又称为甲烷、瓦斯。我国煤层气的储量与常规天然气资源相当1，预测储量为31*1012m3。但是我国煤层普遍存在低压、特低渗和气饱和等特性，利用现有的直井射孔压裂常规技术开采单井产量低，效益差。为了寻求煤层气的高效开发方式，2005年中国石油集团首次在山西宁武盆地部署了一口多分支水平井，探讨这一煤层气新技术的工程可行性。历时3个多月，在15家单位的共同努力下武M1-1井于05年10上旬顺利完钻，填补了中石油钻井史上的一项空白。武M1-1井设计有十个分支，主井眼每侧各5个分支，垂深为900米，总进尺达7993米。一、 武M1-1井钻井工艺概况武M1-1井多分支水平井工艺集成了充气欠平衡、地质导向技术等许多现代先进钻井技术，是一项技术含量高、涉及专业广和服务队伍多的系统工程。整个施工过程中动用了许多新式的工具和仪器，例如用于两井连通的电磁测量装置、小尺寸的地质导向工具、高效减阻短节（AG-itator）和欠平衡相关装备等。武M1-1井组由两口井组成，即洞穴井和多分支水平井。该井的施工顺序为：首先钻洞穴井并在其井底煤层段造一符合现场要求的洞穴，接着开始多分支水平井的钻进，采用近钻头电磁测距的方法将两井连通，最后完成煤层中的主水平井眼和多个分支井眼。由于煤层比较脆，而且武M1-1井比较深，所以整个施工过程中的防塌任务比较突出。同时煤层也容易污染并导致产量急剧下降，井底欠压值的控制就成为了至关重要的因素。二、 井身剖面与结构设计宁武盆地9煤层顶板深度为882.06m，煤厚11m，煤层倾角7左右，同时水平井与洞穴井的连通距离仅200m，这些因素都给井眼剖面的设计带来了困难。设计人员最终采用了“能消耗较少垂深而得到较大位移”的理念进行井身剖面设计，所选定的井身剖面“直增稳”三段制，从而达到了更大的水垂比，使井眼轨迹顺利着陆。武M1-1井的造斜点在712米，着陆点在942m，造斜段造斜率为10/30m。水平井的井身结构为：244.5mm表层套管51m177.8mm技术套管949m152.4mm主水平井眼（裸眼完井）2000m152.4mm分支水平井眼（10个分支）（300600m）。洞穴井的井身结构为：244.5mm表层套管60m177.8mm技术套管950m，其中878883m处为裸眼洞穴。着陆点洞穴井图1 武M1-1井眼轨迹垂直投影图三、 井下摩阻、扭矩预测与控制钻柱的井下摩阻、扭矩分析是煤层气多分支水平井井眼轨迹设计的基础，是确定分支井在煤层控制区域大小的关键参数。另外摩阻、扭矩分析也是钻机选型、轨迹优化的依据。武M1-1水平井选择的钻机为ZJ30B，配有250t的顶驱。武M1-1井煤层段的钻进使用了Andergauge公司的AG-itator新型减阻器，有效降低了摩阻，使管柱受力合理，避免了钻柱的螺旋屈曲。井眼轨迹的设计采用了最小曲率法，并假定两测点间的管柱形状与井段形状一致，同时采用了Landmark软件中的软杆模型进行了摩阻、扭矩的分析与预测。四、 井眼轨迹的导向控制武M1-1多分支水平井的井眼轨迹控制模式可以概括为：（1）井下导向马达的滑动钻进实现方位和井斜的改变；（2）井下导向马达的复合钻井实现稳斜；（3）LWD的应用实现了地质导向。水平井上部的直井段采用了塔式钻具组合和钟摆钻具组合，重点控制井斜。造斜段为的井深712m942m，采用单弯可调螺杆钻具（1.76）完成了083的造斜，具体钻具组合为：216mm钻头螺杆钻具169mm无磁钻挺1根MWD165mm无磁钻挺1根127mm加重钻杆7根159mm震击器127mm钻杆。施工过程中要确保工具的造斜率能够达到设计要求，使井眼轨迹在煤层中顺利着陆。主水平井眼及十个分支均采用了地质导向钻具组合钻进，具体钻具组合为：152.4mm钻头(Ms1354Mss,W12W12W13)0.22m120mm马达6.76m(1.5)120mm无磁钻挺2.91m120mmLWD10.81m120mm无磁钻挺8.64m120mm浮阀0.3m89mm加重钻杆(3柱)Agitator(2.57m)振击器(2.55m)89mm加重钻杆(3柱)89mm钻杆(3柱)89mm加重钻杆(8柱)89mm普通钻杆。裸眼侧钻是武M1-1井的难点，由于煤层易坍塌，侧钻过程采取滑动钻进的方式，同时必须严格控制排量和机械钻速。侧钻时钻压为050KN，排量为15L/s。五、 水平井与洞穴井连通工艺武M1-1水平井和洞穴井的连通过程中采用了RMR技术。RMR技术的核心是电磁测距，主要用来测量目标井（通常为直井）和实钻井的直线距离，它必须与螺杆钻具和MWD配合使用，目前RMR在CBM井、SAGD、控制井喷等领域得到了广泛应用2。RMR技术的硬件构成包括永磁短节和强磁计或探管。永磁短节用来提供一个恒定的待测磁场，电磁信号的有效距离为40m，探管可采集永磁短节产生的磁场强度信号，最后通过采集软件可准确计算两井间的距离和当前钻头的位置。连通过程的钻具组合为：152.4mm钻头125永磁短节0.39m马达(1.5)120mm无磁钻挺MWD120mm无磁钻挺89mm钻杆。图2 武M1-1井两井连通过程（水平投影图）起点 测点 洞穴六、 井壁稳定与井眼清洁宁武盆地9煤比较稳定，但是如何保持煤层井壁稳定，仍是贯穿钻完井过程的一个核心问题。煤层的井壁稳定涉及地应力、岩石强度、地层压力、井内液柱压力和钻井液化学成份等多方面的因素，如果设计或施工中出现一些漏洞，那么在这种疏松地层中钻进极易引起井下垮塌、卡钻等复杂事故3。武M1-1井600900米处的地层压力系数约为11.12，通过综合考虑以上影响因素，确定的泥浆密度为1.08，然后通过注气将ECD降低到0.96左右，以实现近平衡钻井。该井三开的钻井液体系为甲基无固相钻井液，添加剂包括坂土、石墨固体润滑剂、液体润滑剂、超细石灰石（CaCO3）、防塌剂等，具体的钻井液性能为：密度1.08g/cm3，粘度42s，失水5mL。由于煤层段的钻速可达到3m/min，武M1-1井采取了完善的井眼清洁措施。每钻完一柱后，至少充分循环一周并严格监视振动筛，同时每钻进30m至60m泵入CMC高粘度泥浆（70S）12m3。但是通过完井后的生产情况看，该井的钻井液配方不合理，最终导致煤层受到了伤害。由于煤层对油具有吸附性，钻井液中的油基润滑剂会吸附在煤层的孔隙内，从而降低了煤层的渗透率并会影响煤层气的解析。另外钻井液中的坂土等颗粒性物体也会对煤层造成一定的伤害。通过近期几口煤层气井的实践和总结，适合煤层气开发的最佳钻井液为清水和空气，既可以实现煤储层的最有效保护，又可以达到低成本开发的目的。七、 充空气欠平衡工艺宁武盆地的煤层具有低压、低渗、出水多的特点，为了保护储层，不宜采用常规的过平衡钻井技术。经过多方的论证，武M1-1井采用了充气欠平衡技术以消除泥浆对煤层的伤害。充空气钻井液是将空气注入钻井液内形成以气体为离散相，液体为连续相的充气钻井液体系。它主要适合于地层压力系数为0.71.0g/cm3之间的储层，而且不受地层大量出水的影响4。利用武M1-1洞穴井将压缩空气注入到水平井的环空，以减少泥浆的当量密度，从而降低液柱对井底的压力，最后达到在井底形成负压差以实现欠平衡钻井。洞穴井井筒注气法工艺简单，成本低，适用于浅层煤层气的开发。武M1-1井采用的欠平衡装备包括：美国Grant旋转控制头，可控制回压：3-5Mpa；安瑞科双箭牌压缩机3台，注气流量为10M3，转速1330r/min。充气钻井的具体施工参数为：泥浆泵排量为1516L/S，注气量为7m3/min，泥浆密度为1.071.08g/cm3，洞穴井井口压力为6.8-9.1Mpa。但是由于武M1-1洞穴井井筒体积较大，小的注气量难以形成稳定的气液两相流，最后导致水平井环空中形成极不均匀的气液两相流，在气体返出口间隔2个小时才有气体返出，而且气体返出量瞬间很大，容易诱发井喷、地层坍塌等事故，同时处于过平衡钻井的时间占绝对比例，这样对煤层伤害也很大。图2是在10月5号下午3：457：15技术人员现场记录的洞穴井井口压力数据，下午3：554：15分水平井的排气口有气体返出，持续了20分钟，井口压力维持在6.8MPa左右。然后在4：154：21时间段停止注气，接单根，井口压力略微上升至7.2Mpa。4：21开始注气，注气压力从7.2MPa持续上升。4：216：38阶段排气口一直没有气体返出，持续了2小时17分，直到6：38气体返出，注气压力从9.1MPa开始降低6.5Mpa。经不完全统计，井底欠平衡的时间仅占全井钻井时间的20，对储层造成了严重的伤害，这是武M1-1井最终没有实现预计产能的一个重要原因。图3 注气压力变化图八、 结论通过充分论证和精心设计的武M11井在钻完井工艺上达到了目的，并且创下了最深的煤层气多分支水平井世界记录，施工过程中动用了煤层造洞穴、两井连通、随钻地质导向、钻水平多分支、充气欠平衡等多项世界先进钻井技术。武M11井的成功完钻证明了多分支水平井开采煤层气的工程可行性，为煤层气的开发创出了一条新路子，同时也标志着国内运用多分支水平井技术开发煤层气进入了商业化开发阶段。作为一口试验井，武M1-1井有其不足之处，尤其是没有实现预期的产气量给我们留下了深刻的教训，并且留给了我们工程技术人员许多启发和经验：（1）必须制定并严格执行合理的煤层保护措施和方案，尽量采用清水和空气等无污染钻井液。（2）钻井前应对煤层井壁稳定进行全面评价，尽快建立节理煤层井壁稳定评价模型和编制操作性强的配套应用软件。（3）在学习国外煤层气多分支水平井专用工具的基础上，应努力研发具有自主知识产权的工具和装备。参 考 文 献1 郑毅等中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展方向石油学报2002(3)2 TracyMagnetic Ranging Technologies for Drilling Steam Assisted Gravity Drainage Well Pairs and Unique Well Geometries-A Comparison of TechnologiesSPE 79005,20013 黄洪春等多分支水平井技术及其在煤层气开发中的应用天然气，2006(2)。4 张振华等低密度钻井流体技术石油大学出版社，2004。Research of Drilling Technique About WuM1-1 CBM Multi-branched Horizontal Well Qiao Lei Shen Ruichen Huang Hongchun Xian Baoan（LangFang Branch of RIPED, Langfang 065007, China）Abstract: WuM1-1 well is the first CBM multi-branched horizontal well for Petrochina. Its completion provides one new road to development CBM efficiently. Basedand on real data of WuM1-1 well and field experience, this article summarized drilling technique and success experience. Main content includes intersection between two wells, underbalanced drilling and making cave technology and so on. By the research of multi-branched horizontal well techincs, theory