張正修1 郭丙政2 商敬秋1 孫建平2 黃尊靈1 盧忠良1 鐘明1
（1.山東省煤田地質局第二勘探隊 山東嘉祥 272400）
（2.中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011）
作者簡介：張正修，1956年生，男，山東省嘉祥縣人，工程師，山東省煤田地質局二隊隊長，從事鉆探施工管理工作。
摘要 煤層氣水平井是增加煤層氣井產量及降低開采成本的有效途徑。在中聯煤層氣有限責任公司山西晉城煤層氣項目開發中，采用車載鉆機，引用無線隨鉆（MWD）技術、綜合地質錄井方法成功實施了國內第壹批15＃煤層水平井。煤層氣水平井技術主要包括軌跡設計與控制、目標煤層著陸、儲層保護、完井技術等。
關鍵詞 水平井 煤層氣 軌跡控制 鉆井液
Practice for Application of Horizontal Drilling Technique in Jinche ng CBM Field
Zhang Zhengxiu1，Guo Bingzheng2，Shang Jingqiu1，Sun JianPing2，Huang Zunling1，Lu Zhongliang1，Zhong Ming1
（1.Team No.2，Shandong Bureau of Coal Geology，Jiaxiang 272400；2.China United Coalbed Methane CorP.Ltd.，Beijing 100011）
Abstract：Horizontal drilling in coalbed methane field provides an effective technique to both increase gas production rate for single well and decrease the cost of development.Using truck-mounted drilling rig，together with the advanced wireless Measure-While-Drilling（MWD）tools and comprehensive geological logging methods，CUCBMsuccessfully drilled several horizontal wells，which is the first group of wells drilled in China and they kept hole extending within coal 15＃.CBM Horizontal drilling technique mainly consists of well design，wellbore extending track inspection and control，landing in the goal coal seam，formation protection and completion method，etc.
Keywords：Horizontal drilling；CBM；extending track control；drilling fluid
1 概述
1.1 煤層氣鉆井的現狀
據預測，我國煤層氣的資源量居世界第三位，是煤層氣資源大國。近兩年，隨著石油價格的上漲，油氣及煤層氣的開發利用顯得越來越重要；同時，煤礦重大安全事故的接連發生使地面開采煤層氣的呼聲日益高漲。鑒於上述情況，國家政策對煤層氣開采的支持力度明顯增強，煤層氣的勘探開發也因之得到了迅速發展。2002年前的10年時間內，全國***完成216口各類煤層氣井，全部采用常規直井鉆井技術。而2005年壹年完成的工程量已超過了2002年前10年的總和，鉆井類型也已向叢式井、造穴井及水平井、多分支水平井發展。
1.2 水平井是增加煤層氣井產量的必然方向
在美國煤層氣的開發中，水平井的施工及完井技術的成功使煤層氣的產量大大提高，使美國的煤層氣產業得到了空前發展。分析我國煤層氣的具體賦存條件，我國煤層普遍存在低壓、低滲和低飽和的特性，壹般采用直井壓裂技術，單井產量在1000～3500m3/d。利用直井開發煤層氣，存在占地多、投資大、投資回收期長、經濟效益低等缺點，嚴重制約了我國煤層氣開發速度。近兩年，我國的煤層氣鉆井領域采用石油部門的鉆井設備及石油水平井的鉆井技術，利用美國先進的儀器設備及人員服務，成功地施工了多分支水平井，取得了較好的效果。但由於工程造價較高，在我國快速推廣有壹定難度。
中聯煤層氣有限責任公司在實施潘河示範項目壹期工程和端氏項目多分支水平井的基礎上，深入總結沁南地區鉆井完井技術、壓裂增產技術，針對15號煤層單井產能低的問題，按照由簡單到復雜的原則，提出了在潘河示範項目區內利用水平井技術開發15煤的試驗，以期掌握並擁有自主知識產權的煤層氣水平井技術。因此，在中聯煤層氣有限責任公司和山東煤田地質局二隊的***同努力下，由山東煤田地質局二隊負責關鍵設備的配套並組織施工，在晉城潘河示範項目區內15＃煤層中成功地實施了兩口水平井（PHH-001，PHH-002），取得了壹定的經驗，達到了鉆井設計目標。
2 設備選擇
2.1 鉆機選擇
我國煤層氣水平井主井眼井深壹般在2000m以內。水平段壹般不超過1500m。水平段超過1500m時，對設備要求高，施工難度加大，施工成本會大大增加。施工水平井，壹般要選用頂驅能力在100t以上的鉆機。國內目前施工水平井的頂驅鉆機，最小能力250t，施工成本高。晉城地區煤層埋深較淺，3＃煤層埋深壹般在300～350m左右，15＃煤層在400～450m範圍內。根據我隊現有設備的情況，選擇了T130XD鉆機。
T130XD頂驅車載鉆機主動力760馬力，名義鉆井深度1900m（311mm井徑，114mm鉆桿）。提升能力60t，頂驅給進能力14.5t，扭矩12kN·m，車載空壓機2.4MPa，排量38m3/min。鉆臺可升起2.41m，因此能夠直接安裝防噴器。
該鉆機搬遷安裝極為方便，提升、回轉能力均能滿足煤層氣水平井施工的需要。該鉆機既可使用常規鉆井液鉆進，也可使用空氣鉆井。特別是該鉆機接單根用時很短，壹般不超過1分鐘，有效地減少了接單根時因停泵造成的井下復雜的幾率。
2.2 隨鉆儀器選擇
在實際施工中，采用不同角度的彎接頭或彎螺桿鉆進，RST-48型無線隨鉆系統的電子探管將井底參數通過泥漿傳輸至地面，遠程計算機系統將泥漿脈沖進行解析後反饋給軌跡控制人員，軌跡控制人員通過采用滑動鉆進、復合鉆進、調整工具面、選擇鉆具造斜率等手段進行鉆井軌跡控制。
2.3 專用鉆具選擇
根據設計要求，選擇了兩種規格的單彎馬達4根、兩種規格的無磁鉆鋌4根、穩定器2根、隨鉆震擊器1件以及加重鉆桿4根。
3 水平井工藝技術
3.1 水平井的井眼軌跡設計
根據國內外施工水平井的經驗，設計的基本原則是：在充分了解地質資料的情況下，設計剖面應盡量避開可能的復雜地層，縮短增斜井段的水平位移，縮短增斜井段的長度，減少增斜及水平段扭矩的摩阻。為了確保在預計深度進入靶區，增加可調節的穩斜段。
3.1.1 增斜段設計
15號煤層薄，結構相對復雜，軌跡控制中調整頻繁、難度大，設計中要求做到：
（1）詳細了解地質構造、地層傾角、可鉆性等情況，結合鄰井地質、鉆井、測井資料、卡準煤層位置、準確地設計靶區。
（2）設計造斜率應適當低於動力鉆具結合的造斜能力，縮短動力鉆具定向鉆井井段，增長導向鉆進井段，確保井眼的平滑、安全。
（3）優化剖面結構，最大限度減少摩阻和扭矩，為後期水平段施工提供安全基礎。
3.1.2 水平段的設計
掌握煤層的厚度、傾角、走向及煤層頂底板的巖性和地層的構造情況，盡量減少調整段。
對水平井的長度的設計，從理論上講，水平段的長度越長越好，水平段長度的增加受到工程技術及煤層地質條件、煤質等多因素的限制，壹般根據預測的施工長度及施工中遇到的具體情況決定水平井的最佳長度。
3.2 鉆具組合
（1）直井段：壹般選用塔式鉆具組合。
（2）造斜增斜段：采用了單彎螺桿造斜。
（3）水平段：優化鉆具組合，使用短無磁鉆鋌及無磁扶正器，縮短隨鉆測量儀器與鉆頭的位置距離，盡量選擇造斜能力強的鉆具組合，以便及時調整鉆井軌跡。
在施工中，為保證井壁圓滑規則，減少工程風險，盡量增大復合鉆進的比例。
通過兩口水平井的實踐，鉆頭+導向馬達+無磁鉆鋌+MWD短節+抗壓縮鉆桿+鉆桿的鉆具組合，應用效果較好。
3.3 動力鉆具選擇
為了適合軟及中硬地層，選擇了中轉速中扭矩馬達。
3.4 鉆頭的選擇
二開造斜段選擇HJ517L鉆頭，三開水平段選擇PDC鉆頭。
3.5 鉆井液的選擇
煤層氣井施工時，煤儲層保護極為關鍵。在本次鉆井中，主要采用清水鉆進，嚴格控制鉆井液固相含量、比重，井內巖粉較多時，通過泵入高粘無汙染鉆井液排出巖粉，既保證了井內安全，又防止了儲層汙染。
3.6 軌跡控制技術
水平井的井眼軌跡控制技術是水平鉆井成套技術中的關鍵環節，總的要求是具有壹定的控制精度，具有較強的應變能力，具有較高的預測準確度，達到較穩、較快的施工水平。
3.6.1 彎馬達的選擇
根據軌跡全角變化率選擇相對應的彎馬達，見下表：
單彎馬達造斜率
單彎馬達的造斜率與地質構造及現場施工參數有關，不同的地層和施工參數造斜率不同，在實際施工中，選擇馬達的造斜率應大於設計造斜率。
3.6.2 著陸軌道控制
（1）著陸點應在水平預計點前部小於20m。
（2）著陸前下入LWD，對鉆進地層進行自然伽馬跟蹤，通過氣測錄井、鉆時錄井、地質錄井，確保著陸準確，並在煤層中鉆進。
4 工程成果
PHH-001水平井***完成主井眼壹個、分支井眼2個，完成鉆井總進尺1678m，其中6寸井眼進尺1056m，15＃煤層段進尺1050m，現場評定煤層鉆遇率93.1%。主井眼軌跡控制達到設計要求，分支井軌跡控制較差，但通過增加進尺，確保了該井控制面積。實際建井周期46.42d。
PHH-002水平井***完成主井眼壹個、分支井眼5個，完成鉆井總進尺2624m，其中6寸井眼進尺2047m，15＃煤層段進尺2030m，現場評定煤層鉆遇率80.7%。實際建井周期33.67d。
5 經驗與建議
通過兩口水平井的施工，取得了以下經驗：
（1）及時測斜、準確計算、跟蹤作圖是保證井身軌跡的關鍵。使用MWD能準確掌握井身軌跡的變化情況，使軌跡得到有效控制。
（2）在鉆井過程中，隨時觀察扭矩、泵壓的變化，發現問題及時分析、解決。
（3）根據馬達的使用特性和鉆井要求，確保馬達的排量和使用要求。按照馬達的水平推力和鉆壓平衡圖，選擇最優的鉆壓，確保馬達在平衡狀態下工作。
（4）使用柔性鉆具組合，以加重鉆桿替代鉆鋌。
（5）正常鉆進時，密切關註拉力變化，發現問題及時上提鉆具或短起下。
（6）為保證在煤層中鉆進，采用伽馬值監測、氣測錄井、鉆時及巖屑錄井的綜合分析手段，及時進行軌跡調整。
（7）15＃煤平均厚度只有3m左右，遇到地層突變時很容易穿到頂底板，由於水平井施工的特殊性，鉆井軌跡不能很快調整到煤層中，會導致煤層穿透率降低，影響產能。因此合理布置井位、優化主井眼及分支井眼方位是水平井成功的關鍵。
在完井技術方面應盡快推廣篩管完井技術，以保證水平井的穩定產能。