摘 要

摘　要：多分支水平井是目前煤層氣開發的主要井型之一，傳統的煤層氣多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤層，其結果可能是煤層垮塌，進尺達不到設計要求，主支不可監測、不可重

摘　要：多分支水平井是目前煤層氣開發的主要井型之一，傳統的煤層氣多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤層，其結果可能是煤層垮塌，進尺達不到設計要求，主支不可監測、不可重入、不可沖洗。為此，提出了“主支疏通、分支控面、脈支增產”的仿樹形水平井設計理念，將多分支水平井的主支建在穩定的煤層頂板或底板上，分支由主支側鉆進入煤層，再從分支側鉆若干脈支。一個主支與若干分支以及每個分支上的若干脈支，構成了主支長期穩定并可監測和重入維護的仿樹形多分支水平井。已在山西沁水盆地成功鉆成了該類井型，試驗井ZSl平-5H井主支全部在煤層頂板泥巖內，該井順利完成l個主支、l3個分支、26個脈支的鉆進工作，總進尺12288m，見煤后總進尺9512m，純煤進尺9408m，實現了單井萬米進尺無事故，并成功實現了主支洗井，為我國煤層氣高效開發提供了一種新的井型。

關鍵詞：煤層氣  仿樹形水平井  頂底板  主支  分支  脈支  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

多分支水平井技術應用于煤層氣始于20世紀初，美國CDX公司在試驗成功后迅速在美國和其他國家推廣應用。2004年，我國正式開始引進煤層氣多分支水平井技術以后，中國石油天然氣股份有限公司、中聯煤層氣有限責任公司等多家單位在沁水盆地、韓城區塊、保德區塊等地區進行了試驗，并在沁水盆地南部地區取得了較高的鉆井成功率^[1-3]。但由于我國的含煤盆地具有復雜的演化史和變形史^[4-5]，傳統的煤層氣多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤層，有可能出現垮塌復雜即完鉆。因此是一種被動防塌。其結果是煤層進尺達不到設計要求，主支不可監測、不可重入、不可沖洗，因而不完全適用于我國煤層氣開發。因此亟待研發適應我國煤層特點的水平井新井型。

1　技術現狀與難點

傳統的煤層氣多分支水平井大多是由1口工藝井(多分支水平井)與l口排采井構成的1個井組^[6-7]。工藝井在進入煤層前造斜，在煤層內與排采井洞穴連通，并在煤層內延伸至設計長度，在水平段兩側鉆若干分支(圖1)；或工藝井與排采井洞穴連通后，分成兩個主支，兩個主支間夾角10°～15°，在每l主支井眼上再鉆3～4個分支，分支與主支夾角一般為20°～45°(圖2)。

 

 

上述的這種多分支水平井，其主支、分支以及工藝井與排采井連通的洞穴均在煤層中，在我國煤層氣開發中存在的主要問題有：

1)由于我國煤層的不穩定特性^[8-9]，導致鉆井事故頻繁，建井周期長，鉆井成本高。特別是，當主支井眼發生坍塌時，鉆井不得不提前完鉆，坍塌點以后的所有進尺成為無效進尺，如果坍塌點在排采井附近，整口井將失去排采通道。統計數據結果表明，華北油田在沁水盆地已完成的水平井中由于煤層垮塌發生卡鉆事故的井數占39.3％，煤層進尺不足3500m(一般設計進尺不少于4500m)的井數占38％。

2)在實鉆過程中一旦遇到煤層傾角局部發生變化時，往往會鉆遇煤層頂板或底板。為確保高的煤層鉆遇率，當鉆遇煤層頂板時，就要降斜進入煤層；當鉆遇煤層底板時，就要增斜進入煤層。從而造成實鉆井眼軌跡呈“波浪狀”起伏：”^[10-111]。這種“波浪狀”井眼在排水降壓采氣過程中，以滑動、滾動、跳躍等方式搬運的較大煤灰顆粒就會在波谷處滯留，不斷積聚，進而堵塞井眼，形成殘留水塞過濾效應，最終導致煤層氣多分支水平井產量降低。

3)生產過程中，井眼坍塌堵塞產氣通道，且無法進行監測，更沒辦法重入管柱進行維護作業。

4)現有多分支水平井的排采井在煤層中造洞穴^[2-14]，方便了水平井與排采井的連通，但在后續抽排中易出現洞穴垮塌，或者井眼部分錯位，導致排采設備難以入位。

5)由于煤層漏失壓力小、易垮塌，造成現有多分支水平井完鉆后或排采生產過程中洗井困難。

2　煤層氣仿樹形水平井設計技術

2．1　煤層氣仿樹形水平井的成井理念

傳統的煤層氣多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤層，出現垮塌復雜即完鉆。因此是一種被動防塌。其結果是煤層進尺達不到設計要求，主支不可監測、不可重入、不可沖洗。為變被動防塌為主動防塌，確保主支通道穩定，提出了“主支疏通、分支控面、脈支增產”的仿樹形水平井設計理念。即，仿樹形水平井由主支、分支、脈支組成，主支是“樹干”，是匯聚各分支、脈支產氣的主通道，要求穩定疏通；分支是“樹枝”，是各脈支產氣進入主支的連通通道，通過分支的延伸控制產氣解析面積；脈支是“樹葉”，若干脈支在煤層內造孔，是煤層氣解析的主要來源。在此成井理念的指導下，將多分支水平井的主支建在穩定的煤層頂板或底板上，分支由主文側鉆進入煤層，再從分支側鉆若干脈支。一個主支與若干分支以及每個分支上的若干脈支，構成了主支長期穩定并可監測和重入維護的仿樹形多分支水平井排采系統(圖3)。

 

2．2　煤層氣仿樹形水平井設計技術

2．2．1煤層氣仿樹形水平井的組成

1口煤層氣仿樹形水平井由1口工藝井(即多分支水平井)和2口排采井組成(圖4)，其中，遠端排采井也可作為監測井。工藝井分別與兩口排采井連通，連通位置置于穩定的煤層頂板(或底板)，工藝井的主支在穩定的煤層頂板(或底板)沿上傾方向鉆進，形成穩定的排采通道；工藝井水平段由主支、分支、脈支構成。該仿樹形水平井主要適用于有穩定頂板(或底板)巖層的單斜煤層。

 

2．2．2煤層氣仿樹形水平井設計技術

1)工藝井的直井段位于煤層的低部位，主支在穩定的頂板或底板巖層(圖5、6)，沿煤層上傾方向鉆進，井斜角大于90°，距離煤層保持盡可能小的距離，但不觸煤。水平段長度一般不小于800m，與兩口排采井均在頂板(或底板)巖層中連通。建在煤層頂板或底板內的主支，提供了穩定的排水、疏灰、采氣通道；產狀上傾，有利于排水；不觸煤，有利于穩定。

 

 

2)在主支兩側鉆若干分支(一般6～12個)，分支沿地層上傾方向側鉆進入煤層，井斜角保持不小于90°，在煤層內保持平緩上傾延伸，盡可能鉆長，以滿足多鉆脈支的需要，分支長度一般不小于200m，同側分支側鉆點間距l00～200m，異側分支側鉆點間距50～100m。分支通過在主支兩側的延伸控制著仿樹形水平井在煤層中的展布形態和產氣解析面積。

3)在每個分支上側鉆若干脈支(一般3～8個)，脈支在煤層內，以溝通煤層內裂隙為主要目的，不出煤層，長度一般50～400m，不求長，但數量盡可能多，以增大煤層氣解析面積(圖5)。

4)排采井洞穴的主要作用，一是方便工藝井與排采井連通，二是排采時氣、液、固的分離腔。為確保洞穴長期穩定，將排采井洞穴建在穩定的頂板(或底板)，排采洞穴應處于水平井軌跡的低部位，便于主、分支順“勢”排水，便于氣、液、固三相分離，同時當井眼有垮塌物時，流水可將其搬運到洞穴處，保證井眼暢通。

2．2．3煤層氣仿樹形水平井的主要特點

煤層氣仿樹形水平井將主支建在穩定的煤層頂板(或底板)內，與其連通的排采井一起，組成“主史疏通、分支控面、脈支增產”的排采系統，有效解決了傳統的煤層氣多分支水平井在我國煤層氣開發中存在的技術問題。主要特點是：

1)主支井眼形成穩定的排水、疏灰通道，井眼軌跡平緩上傾，有利于水、灰進入排采井洞穴。

2)分支沿地層產狀上傾方向側鉆進入煤層，保持平緩上傾，不追求煤層鉆遇率，但盡可能伸長以滿足多鉆脈支的需要。

3)脈支是該系統產氣的主要來源，鉆穿煤層內夾矸層，以溝通煤層內裂隙為主要目的，不要求長度，但其數量盡可能多，以增大泄氣通道。

4)仿生水平井的主支與兩口排采井構成“山”形，可監測生產過程中主支暢通情況。

5)仿生水平井完鉆后可實施洗井作業。

6)成井或成井后當主支某部位有堵塞時，可重入鉆柱實施維護作業。

3　現場試驗

ZSl平-5H井是中國石油華北油田公司在山西沁水盆地的第1口煤層氣仿樹形水平井先導試驗。由1口工藝井(ZSl平-5H井)和1口排采直井(ZSl平-5H井)、1口監測井(ZSl平-5H井)組成(圖7)，工藝井主支設置在煤層頂板泥巖中，距煤層頂部保持適當距離(一般控制在0.5～3m)，不觸媒；排采井、監測井在煤層頂板造洞穴，洞穴底部距離煤層1m，直徑0.6m，高度6m。

 

工藝井于2012年10月用Æ444.5mm鉆頭開鉆，鉆進至57m完鉆，Æ406.4mm表層套管下至深度56.7m，固井，水泥返出地面。

2012年11月用374.6mm鉆頭第二次開鉆，在井深385m開始造斜，鉆進至1067m完鉆。技術套管下至1065.31m，固井結束后，冬休。

2013年2月27日使用Æ152.4mm鉆頭第三次開鉆，2月28日鉆至井深1144m處鉆壓突然下降，井口鉆井液短暫停止返出，漏失鉆井液2m³，排采直井井口返出清水，證明工藝井與排采直井已經連通。2013年3月8日下入連通鉆具實現與遠端監測井一次性連通，連通點井深1646m。之后由主支沿上傾方向鉆分支進入煤層，并在分支上側鉆脈支。該井順利完成1個主支，l3個分支，26個脈支的鉆進工作，于2013年5月20日完鉆，總進尺為l2288m，見煤后總進尺為9512m，純煤進尺為9408m，見煤后煤層鉆遇率為98.91％。2013年5月22日由遠端監測井注入清水92m³洗井，工藝井返出正常，洗井成功。

ZSl平-5H井煤層進尺創國內紀錄，實現了單井萬米進尺無事故。該井于2013年8月投產，目前處于正常排水降壓階段，工藝井、排采井、監測井的井底壓力監測表明，目前主支連通狀況良好。

4　結論與建議

1)煤層氣仿樹形水平井將主支建在穩定的煤層頂板(或底板)內，與其連通的排采井一起，組成“主支疏通、分支控面、脈支增產”的排采系統，有效解決了傳統的煤層氣多分支水平井主支坍塌堵塞排采通道以及主支不能重入、不能監測、不能進行洗井作業等技術問題。

2)煤層氣仿樹形水平井的建成，必將推動多分支水平井在煤層氣開發中的應用，減少常規直井或定向井的數量，節約井場占地，有利于化解礦產開發與耕地資源的矛盾，實現資源與環境和諧發展。

3)為確保分支、脈支的長期穩定，分支、脈支下篩管技術亟待進行現場實踐。

4)由于ZSl平-5H井是第1口先導試驗井，在鉆進過程中進行了主支井壁穩定試驗以及遠端洞穴連通、定點懸空側鉆等多項工藝技術試驗，造成完井周期較長。該井型在縮短鉆井周期、提高經濟效益方而還有很大的改進空間，需要進一步完善技術工藝系列，提高技術的經濟性。

5)煤層氣多分支水平井的應用規模相對于我國豐富的煤層氣資源來說還遠遠不夠，需要國家更多的政策扶持。

 

參考文獻

[1]姜文利，葉建平，喬德武．煤層氣多分支水平井的最新進展及發展趨勢[J]．中國礦業，2010，19(1)：101-103．

JIANG Wenli，YE Jianping，QIAO Dewu．The recent process and developing tendency in CBM multi-branch horizontal well[J]．China Mining Magazine，2010，19(1)：101-103．

[2]鄭毅，黃洪春．中國煤層氣鉆井完井技術發展現狀及發展方向[J]．石油學報，2002，23(3)：81-85．

ZHENG Yi，HUANG Hongchun．Development of drilling and completion technology of coal bed methane wells in China[J]．Acta Petrolei Sinica，2002，23(3)：81-85．

[3]黃洪春，盧明，申瑞臣．煤層氣定向羽狀水平井鉆井技術研究[J]．天然氣工業，2004，24(5)：76-78．

HUANG Hongchun，LU Min9，SHEN Ruichen．Study on pinnate horizontal directional drilling technique of coal bed gas[J]．Natural Gas Industry，2004，24(5)：76-78．

[4]陳曉東．對中國煤層氣勘探開發現狀的思考與建議．天然氣工業[J]，2002，22(5)：35-39．

CHEN Xiaodong．Thoughts and recommendations on coalbed methane gas status in China[J]．Natural Gas Industry，2002，22(5)：35-39．

[5]李元建．中國煤層氣產業開發利用現狀與對策分析[J]．中國礦業，2010，19(6)：8-10．

LI Yuanjian．China coalbed methane industry exploration＆utilization status and countermeasure analysis[J]．China Mining Magazine，2010，19(6)：8-10．

[6]接銘訓，葛曉丹，彭朝陽，等．中國煤層氣勘探開發工程技術進展與發展方向[J]．天然氣工業，2011，31(12)：63-65．

JIE Mingxun，GE Xiaodan，PENG Chaoyang，et al．Adances in the CBM exploration and development techniques and their developing trend in China[J]．Natural Gas Industry，2011，31(12)：63-65．

[7]崔樹清，王風銳，劉順良，等．沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井工藝[J]．天然氣工業，2011，3i(1i)：18-21．

CUI Shuqing，WANG Fengrui，LIU Shunliang，et al．Multi branch horizontal well drilling in the Qinshui Basin with high-rank coal-beds[J]．Natural Gas Industry，2011，31(11)：18-21．

[8]李景明，巢海燕，李小軍，等．中國煤層氣資源特點及開發對策[J]．天然氣工業，2009，29(4)：9-13．

LI Jingming，CHAO Haiyan，LI Xiaojun，et al．Character istics of coalbed methane resource and the development strategies[J]．Natural Gas Industry，2009，29(4)：9-13．

[9]廖永遠，羅東坤，李婉棣．中國煤層氣開發戰略[J]．石油學報，2012，33(6)：1098-1102．

LIAO Yongyuan，LUO Dongkun，LI Wandi．Development strategy analysis of China¢s CBM[J]．Acta Petrolei Sinica，2012，33(6)：1098-1102．

[10]楊勇，崔樹清，郎淑敏，等．我國煤層氣藏特征及提高地面抽采效果的方法[J]．石油鉆采上藝，2014，36(1)：66-69．

YANG Yong，CUl Shuqing，hANG Shumin，et al．Research on coalbed methane reservoir cbaracteristics and the methods of improving surface extraction effect[J]．Oil Drilling＆Production Technology，2014，36(1)：66-69．

[11]吳建光，孫茂遠，馮三利，等．國家級煤層氣示范工程建設的啟示——沁水盆地南部煤層氣開發利用高技術產業化示范工程綜述[J]．天然氣工業，2011，31(5)：9-15．

WU Jianguang，SUN Maoyuan，FENG Sanli，et al．Good lessons from the state level demonstration proj ect of coalbed methane development：An overview of such high tech and commercial project in the southern Qinshui Basin[J]．Natural Gas Industry，2011，31(5)：9-15．

[12]饒孟余，楊陸武，張遂安，等．煤層氣多分支水平井鉆井關鍵技術研究[J]．天然氣工業，2007，27(7)：52-55．

RAO Mengyu，YANG huwu，ZHANG Sui¢an，et al．Critical drilling techniques of muhilateral horizontal wells used to develop coalbed methane reservoirs[J]．Natural Gas Industry，2007，27(7)：52-55．

[13]田中嵐．山西晉城地區煤層氣鉆井完井技術[J]．煤田地質與勘探，2001，29(3)：25 28．

TIAN Zhonglan．Drilling＆completion techniques for coalbed methane wells in Jincheng Area，Shanxi，China[J]．Coal Geology＆Exploration，2001，29(3)：25-28．

[14]喬磊，申瑞臣，黃洪春，等．煤層氣多分支水平井鉆井工藝研究[J]．石油學報，2007，28(3)：112-115．

QIAO Lei，SHEN Ruichen，HUANG Hongchun，et al．Drilling technology of multi-branch horizontal well[J]．Acta Petrolei Sinica，2007，28(3)：112-115．

 

 

本文作者：楊勇  崔樹清  倪元勇  王風銳  楊益涵  郎淑敏

作者單位：中國石油華北油田公司

  中國石油海洋工程有限公司工程設計院