现代钻探技术 - 林子晔

煤层气水平井钻井轨迹设计

1. 水平井的基本内容

水平井指最大井斜角保持在90度左右，同时在目的层相对水平地维持一定井段长度的特殊井。

水平井钻井技术：指在钻井过程中，通过控制钻头钻进的轨迹，使之沿目标层的走向钻进，以最大限度地增加泄油面积，提高油田采收率和勘探效果。

按水平井垂直井身剖面弯曲程度分类，水平井可以分为三种类型：长曲率半径水平井（即常规水平井）、中曲率半径水平井、短曲率半径水平井。其造斜段的造斜率分别为：长曲率半径水平井造斜率小于6°/30m、中曲率半径水平井为6～20°/30m、短曲率半径水平井造斜率为15～300°/30m。

在石油钻探领域，水平井除具有一般定向井功能外，还有其他的用途;开发底水油（气）藏、气质油藏、底水气顶油藏、天然裂缝油藏、低渗透和高渗透油藏、砂体延伸长连通性好的砂岩油藏、断层或地层遮挡的高角度多层油气藏。

目前主要的水平井完方式有：裸眼完井、固井射孔完井、尾管射孔完井、割缝筛管完井、割缝管加管外分割器完井、充填砾石防砂完井。

这5种主要的完井方式可分为：1）非选择性完井，2）选择性完井方式。裸眼、钻孔/割缝衬管、砾石预充填完井都属于非选择性完井。当水平井只横穿一个油层，只有一种流体通过，只遇到一种流体压力且地层坚硬，井眼比较规则时，则可以采用非选择性的完井方式。当水平井开采的目的层具有非均质性，岩性可变且有断层，具有气顶或底水，有天然裂缝或要进行油层改造措施时，就可采用选择性的完井方式。

一种完井方法的确定需要考虑以下各方面：1）地质构造；2）储层物性、3）钻井目的；4）人工举升方法；6）测井方法和能力；7）井下作业；8）油层伤害情况；9）增产效果；10）水平井的曲率半径；11）投资灰色量化决策。

2 水平井开发煤层气的优缺点及适用条件

在所有煤层气人及钻井工作者的努力下，目前随着钻井三大新技术（随钻测量仪、钻头聚晶金刚石复合片钻头、高效螺杆导向钻具）的突破，水平井技术已逐步应用与煤层气开采领域。与以往常规的直井钻井、射孔、压裂开采煤层气相比，水平井技术规避了常规直井开采的地质局限性，具有以下主要优点：

（1）提高了导流能力。对直井而言，压裂的裂缝无论多长，其流通的阻力都很大，水平井直接垂直走向裂缝，可以大大的减少地层流体流通的阻力。

（2）单井的产量高，资本回收效率高，经济效益明显。采用水平井开采，单井成本虽然高于直井，但在一个固定的区块中，可以减少钻井数量，同时节省

钻井场地等钻前工程，钻井材料等，综合成本低，而且其产量高，采收率高，可以迅速的回笼资本，经济效益明显。

（3）增大煤层气解析面积，沟通更多的节理裂缝，从而增大煤层气井的供气面积。

（4）不受场地限制，由于水平井具有定向井的特点，所以开采场地不受限制，可在山地湖泊下开采，也可在高大建筑物下开采。

通过大量的煤层气水平井钻井实践证明，其并不适合所有的煤层。对各项异性明显、厚度大、高煤阶、低渗透、高含气量和强度高的煤层气藏，适合使用煤层气水平井技术。而对构造煤发育，各项异性不明显、强度低、不稳定的薄煤层，目前情况下，不适合采用水平井技术进行开采[16]。

3 煤层气水平井钻井工艺技术

关于煤层气水平井，前人在这方面已经做过大量理论研究，关于煤层气水平井钻井工艺主要包括以下各方面： 3.1井身结构的设计

井身类型的选择不但关系到施工的成败，更关系到一口井施工的耗材和经济效益。

井身结构的选择尽量选择简单的，并且能适应钻井工程需要的井身结构。每多固一层套管，井径就会相应变小，这样不但会增加套管等成本，同时随着套管层数的增多，必然要选择直径更小的钻杆等钻进设备，这样深层钻进的压力和冲洗液量等就很难控制，增加了钻井的风险。

目前主要采用的井身结构为二开（一开钻进到稳定基岩部分，下表层套管固井；二开钻进到目的层以下40m左右，留有一定深度的沉砂袋，然后采用裸眼完井或套管完井后射孔）、三开（一开钻到稳定基岩部分，下表层套管固井；二开钻到煤层以上10m左右，下技术套管固井；三开钻到煤层底板40m完钻；下生产套管或玻璃钢管固井）。 3.2 井眼轨迹的设计

借鉴以往在本区的施工经验，以沁水盆地某煤层气定向羽状水平井为例来简单介绍井眼轨迹的设计。

沁水煤田阳泉矿区韩庄区块位于寿阳区的中部，基本构造形态为走向近东西，向南倾斜的单斜，倾角4 °～ 21°，一般小于10°，本定向羽状水平井设计的目标煤层为山西组3#。

其井眼轨迹设计包括以下三方面： （1）洞穴井设计

在钻孔轨迹设计之前建立一个三维坐标系，这样可以使设计简化和各种数据表示更加清晰，如图 1。以Q1井的开孔点为坐标原点，竖直向下为 Z 轴正方

向，水平主井筒延伸方向为 X 正方向。由于钻孔总体孔深为 722.30 m，选择综合造斜强度为 iθ =0.5°m，用公式 R1 =57.3iθ 可求得曲率半径 R1 为 114.6 m。进而推出羽状水平井的主井筒的造斜点垂深为 607.70 m。

洞穴井为垂直井，井身轨迹结构较为简单，开孔点于 A（120、0、0）处，在点 B（120、0、722.30）处于水平井相交汇，终孔C(120、0、794.05)，GC 段为钻孔口袋。

图 3-1 坐标建立

（2）水平井设计

选取水平井剖面类型为直 - 弯 - 直型，在三维坐标空间中处于 Y=0 的平面上，建立 XZ 坐标平面如图 2。OD 段为垂直井段，DE 段为造斜段，EF 段为水平井段，长度为 1 216.4， OJ 确 定 为 722.30 m， 弧 DE 长 为 0.5πR=0.5 ×3.14 ×114.6=180 m。 （3）羽状分支设计

羽状分支井的设计，主要根据当地的设计先例进行，选择造斜强度为 iθ =0.5°/m。用公式 R1 =57.3iθ ，可求得曲率半径 R 为 114.6 m。羽状分支孔水平间距 300 m，交错布置。羽状分支井直井段长从 1#～8# 井分别为 800，700，…，200，100 m。羽状分支井直井段与水平主井筒的连接为弯曲造斜井段弯强 iθ =0.5°/m，羽状分支井直井段与主水平井筒的夹角为45°。

4. 钻具组合优化设计技术

在充分认识地层特点、准确预测钻具造斜能力的前提下，满足快速侧钻、井眼轨迹控制以及主井眼钻具或完井管柱下入时摩阻力适中的要求：

①根据轨迹数据和钻井参数，优化设计合理的倒装钻具组合，使钻具不产生自锁和弯曲

②通过钻具组合与完井管柱的刚性分析对比，保持导向钻具的刚性大于完井管柱的刚性，以保证完井管柱顺利下入主井眼。