1、煤层气羽状煤层气羽状水平井技术水平井技术 宋生印宋生印2 0 0 6 年年 5月月突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展 1. 概述概述 2. 煤层气羽状水平井钻井工艺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羽状水平井井眼轨迹控制技术 5. 沁水沁水CBM井井身结构优化设计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煤层气羽状水平井技术突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述1. 基本概念基本概念羽状水平井
2、，又叫鱼刺分支井或鱼骨分支井，是在一个主水羽状水平井，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。鱼刺（鱼骨），因而得名。Z-PINNATEFISHBONE突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述1. 基本概念基本概念突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述2.CBM羽状水平井基本要求羽状水平井基本要求v 由于煤层气的吸附特性，决定了煤层气的开发与常规天然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
3、须要考虑排水降压。气井不同，必须要考虑排水降压。v 羽状水平井的主水平井井斜大，排水采气设备难以下入，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；因此仅利用一口井满足不了煤层气开发的技术要求；v 这也就决定了，煤层气羽状水平井一般包括一口多分支水这也就决定了，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。平井实际上是一个两口井的井组。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述3.涉及的几个基本概念涉
4、及的几个基本概念 羽状水平井羽状水平井 抽排直井抽排直井 主水平井：上直段、造斜段、水平段主水平井：上直段、造斜段、水平段 分支井分支井 洞穴完井洞穴完井 布井方式：羽前、羽后布井方式：羽前、羽后 井间距离：井间距离：250300m突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展羽羽前前布布井井方方式式一、概述一、概述突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展羽后布井方式羽后布井方式一、概述一、概述4.CBM羽状水平井技术优势羽状水平井技术优势
5、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；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；能够在地下形成井网；突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述4.CBM羽状水平井技术优势羽状水平井技术优势 充分增大井眼泄流面积；充分增大井眼泄流面积； 单井控制面积高达数平方公里（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单井产量比常规压裂井高1015倍。倍。 美国西弗吉尼亚，利用该技术单井日产美国西弗吉尼亚，利用该技术单井日产5.6104m3。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一
6、、概述4.羽状水平井技术优势羽状水平井技术优势 羽状水平井羽状水平井58年控制面积内的采收率高达年控制面积内的采收率高达7080；而常；而常规规CBM压裂直井，采收率最高能达到压裂直井，采收率最高能达到50左右。左右。 经济效益好，是常规经济效益好，是常规CBM井的井的35倍；倍； 投资回收期短，一般投资回收期短，一般2年左右即可收回全部成本；而常规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压裂直井投资回收率一般接近10年。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
7、面积，羽状水左右。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。平井可能只有十数分之一。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述5.国外研究现状国外研究现状 美国美国CDX GAS LC公司（简称公司（简称CDX）于上世纪末发明并采用）于上世纪末发明并采用羽状水平井体系羽状水平井体系(Pinnate System)新技术进行完井和生产。新技术进行完井和生产。2002年、年、2003年获得美国专利。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。一定
8、的强度，以便成孔。 目前，该技术领域已申请了多项技术专利，包括：目前，该技术领域已申请了多项技术专利，包括：羽状水平羽状水平井井位布置井井位布置、井身结构优化设计井身结构优化设计、欠平衡钻井欠平衡钻井、井眼轨迹控井眼轨迹控制制及及洞穴完井技术洞穴完井技术。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述5.国外研究现状国外研究现状 CDX公司公司1999年开始进行羽状水平井技术研究和试验应用，年开始进行羽状水平井技术研究和试验应用，截至截至2004年底已钻年底已钻200多口羽状水平井，形成了煤层气羽状多口羽状水平井，形成了煤层气羽状水平井水平井钻井、造洞穴、井眼轨迹控制、开
9、发设计与施工钻井、造洞穴、井眼轨迹控制、开发设计与施工的一的一系列专有的工程技术。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。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，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述6.国内研究现状国内研究现状 国内煤层气勘探开发经历了国内煤层气勘探开发经历了10多年的艰难探索，施工了数百多年的艰难探索，施工了数百口井，口井，钻井方式从平衡钻井到欠平衡钻井，完井方式从射孔钻井方式从平衡钻井到欠平衡钻井，完
10、井方式从射孔到裸眼洞穴再到动力洞穴，增产措施从水力压裂到注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助排或高能气体压裂，等等，应该说投入了大量的人力、物，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，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，至今没有真正形成一定规模的产业化基地，突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述6.国内研究现状国内研究现状石油天然气方面：石油天然气方面： 普通水平井各个油田得到了广泛的应用，分支水平井随之引普通水平井各个
11、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。入，对多分支井钻井、完井工程技术研究较少。据我所知，据我所知，目前石油行业仅进行了目前石油行业仅进行了6口多分支井工程施工口多分支井工程施工：胜利油田庄：胜利油田庄1支平支平1井、梁井、梁46支平支平1井，辽河油田静井，辽河油田静3159FP水平分水平分支井，中海油海支井，中海油海1420井、西江井、西江B22井，江苏小桥盐矿井，江苏小桥盐矿T96井。井。 羽状水平井作为一种更加特殊的钻井技术，目前国内油田只羽状
12、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有大港于2004年底施工的年底施工的JH2井，仅此一口。井，仅此一口。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述6.国内研究现状国内研究现状在煤层气方面：在煤层气方面： 美国奥瑞安公司于美国奥瑞安公司于2004年和年和2005年分别在沁水盆地施工了两年分别在沁水盆地施工了两口多分支口多分支CBM井，第一口井由中原油田钻井集团承钻，第二井，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
13、靠国外公司。因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。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。多分支水平井没有成功。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述7.主要技术难点分析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；羽状水平井采用裸眼完井，因此完井方面不存在技术难题；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，先
14、进的技术，再加上在煤层中钻进保持井眼稳定难度很大，使得使得CBM羽状水平井井眼轨迹控制面临下列技术难题：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。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
15、对分支井眼的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。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，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展一、概述一、概述7.主要技术难点分析主要技术难点分析(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施工：中进行侧钻施工：摩阻、扭矩、钻具疲劳失效摩阻、扭矩、钻具疲劳失效等等(4)井眼重入问题仍未得到实质性解决；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始终保证主水平井和分支
16、井在煤层中钻进仍有许多未解决的技术难题；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。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。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，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展二、二、 煤层气羽状水平井钻井工艺煤层气羽状水平井钻井工艺1.整体施工顺序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。抽排直井相交，最后在主水平井两侧依次钻各个分支井
17、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工难度远低于水平井，但实践表明，直井井眼控制难度比水平井眼轨迹控制大。平井眼轨迹控制大。另外，为了保护储层另外，为了保护储层CBM井最好采用欠平衡钻井技术，这样在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。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，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发
18、展二、二、 煤层气羽状水平井钻井工艺煤层气羽状水平井钻井工艺2.抽排直井施工工艺抽排直井施工工艺在距设计的羽状水平井井口在距设计的羽状水平井井口250300m的位置钻抽排直井：的位置钻抽排直井：(1)钻表层，下入表层套管并注水泥固井；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；管，则直接钻进至煤层顶板；(3)下入生产套管，注水泥固井；下入生产套管，注水泥固井；(4)钻
19、穿煤层；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的洞的洞穴。该洞穴的作用：一是将来进行煤层气生产时用作储集水、穴。该洞穴的作用：一是将来进行煤层气生产时用作储集水、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。交。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展二、二、 煤层气羽状水平井钻井工艺煤层气羽状水平井钻井工艺3.特制的扩孔工具特制的扩孔工具突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展二、二、 煤层气羽状水平井钻井工艺煤层气羽状水平井钻井工艺
20、4.主水平井施工工艺主水平井施工工艺(1)钻主水平井上直段；钻主水平井上直段；(2)钻主水平井造斜段，当井斜角达到钻主水平井造斜段，当井斜角达到86左右后，下入技术套左右后，下入技术套管并注水泥固井；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；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。穿越裸眼洞穴继续钻水平井眼，至设计井深。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展二、二、 煤层气羽状水平井钻井工艺煤层气羽状水平井钻井工艺5.分支井施工工艺分支井施工工
21、艺两种施工工艺方法两种施工工艺方法: 倒退法：倒退法：由主水平井眼尾端侧翼先钻一分支井，然后沿往回由主水平井眼尾端侧翼先钻一分支井，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。分支井。 前进法：前进法：与前种方法相反，从主水平井起始位置向前逐个钻与前种方法相反，从主水平井起始位置向前逐个钻成分支井的方法。成分支井的方法。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展二、二、 煤层气羽状水平井钻井工艺煤层气羽状水平井钻井工艺5.1 倒退法施工工艺倒退法施工工艺(1)利用常规导向钻具组合现将主水平井眼全部钻完，调整
22、钻井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；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，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；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；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。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，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展二、二、 煤层气羽状水平井钻井工艺
23、煤层气羽状水平井钻井工艺5. 2前进法施工工艺前进法施工工艺(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；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；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；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，钻至第二个分支侧采用常规导向钻具组合继续钻主水平井，
24、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；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；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。井。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展三、三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术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煤岩特性使得井壁稳定性差突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展三、三、煤层气羽状水平井
25、井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术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、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；失水及造壁等特性来实现井壁稳定； 对对CBM井，单纯依靠控制钻井液性能难以实现井壁稳定。因：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
26、防止井眼坍塌的最小钻井液密度值为：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）（密度窗口） 。 但根据煤层坍塌的机理，结合沁水盆地但根据煤层坍塌的机理，结合沁水盆地CBM井钻井实践，单井钻井实践，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井漏，沁水钻井实践表明，钻井液密度控制在密度高会导致井漏，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
27、。以下，仍然出现井漏现象。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展三、三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术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地煤层段钻井液可采用如下4种方案：种方案：(1)钾铵聚合物防塌体系；钾铵聚合物防塌体系；(2)清水注空气钻井液体系；清水注空气钻井液体系；(3)油包水钻井液体系；油包水钻井液体系；(4)气体钻井气体钻井(空气、煤层气空气、煤层气)突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发
28、展三、三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术井壁稳定钻井液技术(1)钾铵聚合物防塌体系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，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，特别是对煤层造成的伤害仍然不可忽视。特别是对煤层造成的伤害仍然不可忽视。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展三、三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术井壁稳定钻井液技术 (2)
29、清水注空气钻井液体系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，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。的目的。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展三、三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术井壁稳定钻井液技术 (2)清水注空气钻井液体系清水注空气钻井液体系 采用清水注空气体系，只需
30、在地面配备一台空压机，工作压采用清水注空气体系，只需在地面配备一台空压机，工作压力达到力达到6MPa以上。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。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。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，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展三、三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术井壁稳定钻井液技术 (3
31、)油包水钻井液体系油包水钻井液体系油包水钻井液属于无粘土油包水钻井液属于无粘土(无固相无固相)钻井液体系，采用抽排水作为钻井液体系，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，配浆水，对煤层污染非常小，且该体系维护简单，更重要的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是该体系摩阻小，能满足大位移水平井的技术要求，因此，因此，具有很强的实用性。具有很强的实用性。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展三、三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术井壁稳定钻井液技术 (3)油包水钻井液体系油包水钻井液体系典型的油包水钻井
32、液体系：典型的油包水钻井液体系： 柴油柴油:水水=6:4 密度密度0.9 原油原油:水水=7:3 密度密度0.9 柴油柴油:水水=7:3 密度密度0.89突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展三、三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术井壁稳定钻井液技术 (3)油包水钻井液体系油包水钻井液体系可用于沁水盆地的基本配方：油水比可用于沁水盆地的基本配方：油水比67:34；主乳化剂；主乳化剂35%；辅助乳化剂辅助乳化剂13%；增稠剂；增稠剂0.30.6%；降失水剂；降失水剂35%。性能指标如下表：性能指标如下表：突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶
33、颈技术，实现快速发展密度表观粘度塑性粘度动切力API失水120CHTHP电导率g/cm2mPa.SPa.SPamlml-1.cm-10.89-0.9825-5020-427-155180.2-0.410-2三、三、煤层气羽状水平井井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术井壁稳定钻井液技术 (3)油包水钻井液体系主要特点：油包水钻井液体系主要特点： 具有较强的抑制性。由于该体系中加入了足量的强抑制性具有较强的抑制性。由于该体系中加入了足量的强抑制性聚合物处理剂作为提粘降失水剂，故能很好的抑制粘土、聚合物处理剂作为提粘降失水剂，故能很好的抑制粘土、泥页岩的水化、膨胀、分散和造
34、浆。实验表明膨胀率仅为泥页岩的水化、膨胀、分散和造浆。实验表明膨胀率仅为清水的清水的7.55%，为聚合物钻井液的，为聚合物钻井液的34%。利于煤层井壁稳。利于煤层井壁稳定。定。 良好的润滑性能，含有乳化剂，摩擦系数小于良好的润滑性能，含有乳化剂，摩擦系数小于0.065。 该体系为无固相钻井液，不存在堵塞煤岩割理等裂隙，利该体系为无固相钻井液，不存在堵塞煤岩割理等裂隙，利于储层保护；于储层保护； 可采用煤层抽排水配浆，与煤层的配伍性好，不会对储层可采用煤层抽排水配浆，与煤层的配伍性好，不会对储层造成外来流体伤害。造成外来流体伤害。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展三、三、煤层气
35、羽状水平井井壁稳定技术煤层气羽状水平井井壁稳定技术2.井壁稳定钻井液技术井壁稳定钻井液技术 (4)气体钻井气体钻井(空气、煤层气空气、煤层气)从保护储层和稳定井壁角度来考虑，采用气体钻井无疑是最优从保护储层和稳定井壁角度来考虑，采用气体钻井无疑是最优方案，但需要对气体钻井相应的工艺和配套设备进行完善。方案，但需要对气体钻井相应的工艺和配套设备进行完善。特别是随钻测量仪器，特别是随钻测量仪器，MWD没法用。必须要采用更先进、价没法用。必须要采用更先进、价格更贵的格更贵的EMWD或闭环旋转导向、闭环地质导向钻井系统。或闭环旋转导向、闭环地质导向钻井系统。若采用空气，还存在爆炸的危险。若采用空气，还
36、存在爆炸的危险。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术1.主水平井剖面设计主水平井剖面设计 1.1水平井类型水平井类型v 长半径水平井：造斜率长半径水平井：造斜率286.5m。优点：优点：狗腿严重度小，井眼及工具尺寸不受限制，测井、取心方便。狗腿严重度小，井眼及工具尺寸不受限制，测井、取心方便。缺点：缺点：井眼轨迹控制段长，钻井费用增加，且不适用于薄层、浅层。井眼轨迹控制段长，钻井费用增加，且不适用于薄层、浅层。v 中半径水平井：造斜率中半径水平井：造斜率20 67 /100m，曲率半径，曲率半径286.586m。优点：
37、优点：进入储层前无效井段较短，井眼轨迹控制段较短，井下扭矩及摩进入储层前无效井段较短，井眼轨迹控制段较短，井下扭矩及摩阻较小。阻较小。缺点：缺点：要求使用要求使用MWD和加重钻杆。和加重钻杆。v 短半径水平井：造斜率短半径水平井：造斜率3 10 /m，曲率半径，曲率半径19.15.73m。优点：优点：井眼曲线段最短，中靶准确度高，全井斜深最小。井眼曲线段最短，中靶准确度高，全井斜深最小。缺点：缺点：必须使用专用工具，施工难度大。必须使用专用工具，施工难度大。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术1.2剖面类型剖面类型v
38、单弧剖面：单弧剖面：又称又称“直直增增水水平平”剖面，使用一种造斜率使剖面，使用一种造斜率使井斜由井斜由0增至增至90。这种剖这种剖面设计适用于目的层顶界和工面设计适用于目的层顶界和工具造斜率都非常确定的水平井具造斜率都非常确定的水平井剖面设计。通常用于钻短半径剖面设计。通常用于钻短半径水平井。水平井。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展1.主水平井剖面设计主水平井剖面设计四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术1.主水平井剖面设计主水平井剖面设计 1.2剖面类型剖面类型v 双弧剖面：双弧剖面：又称又称“直直增增稳稳增增水平水平”剖面，它由直剖面，它由直井段
39、、第一增斜段、稳斜段、井段、第一增斜段、稳斜段、第二增斜段和水平段组成。其第二增斜段和水平段组成。其突出的特点是在两段增斜段之突出的特点是在两段增斜段之间设计了一段用于调整的稳斜间设计了一段用于调整的稳斜段。段。适用于目的层顶界确定而适用于目的层顶界确定而工具造斜率尚不清楚的情况。工具造斜率尚不清楚的情况。最近常用微增段代替稳斜段，最近常用微增段代替稳斜段，以使井眼轨迹光滑。以使井眼轨迹光滑。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术1.主水平井剖面设计主水平井剖面设计 1.2剖面类型剖面类型v 多弧剖面：多弧剖面：两个或两
40、个以两个或两个以上用于调整的稳斜段，上用于调整的稳斜段，适适用于目的层顶界和工具造用于目的层顶界和工具造斜率都不确定的情况。斜率都不确定的情况。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术1.3剖面设计方法剖面设计方法现有剖面设计方法很多，涉及到二维方法和三维方法，如现有剖面设计方法很多，涉及到二维方法和三维方法，如曲率曲率半径法半径法、长曲率法长曲率法、悬连线法悬连线法、斜面法斜面法、柱面法柱面法、螺旋线法螺旋线法、模拟法模拟法等。等。目前应用较为普遍的方法是：固定参数法和调整参数法两种。目前应用较为普遍的方法是：固定参数法
41、和调整参数法两种。下面分别以单弧剖面、双弧剖面和三弧剖面进行设计计算。下面分别以单弧剖面、双弧剖面和三弧剖面进行设计计算。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展1.主水平井剖面设计主水平井剖面设计四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术1.4单弧剖面设计计算单弧剖面设计计算已知条件：水平段起始点、井斜角已知条件：水平段起始点、井斜角 、水平段长度、水平段长度L、方位、目标点垂深方位、目标点垂深Ht。用固定参数法进行剖面设计，。用固定参数法进行剖面设计，确定造斜点和造斜率确定造斜点和造斜率当造斜率确定后，井斜角当造斜率确定后，井斜角 和曲率半径和曲率半径R成为已
42、知，造成为已知，造斜点垂深由下式确定：斜点垂深由下式确定：Hk = Ht - R sin 靶前位移为：靶前位移为：SA = R (1-sin )突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展cos1sinAtkSHH当靶前位移选定时：当靶前位移选定时：当造斜点垂深确定后：当造斜点垂深确定后：)cos1 (sinktAHHS1.主水平井剖面设计主水平井剖面设计四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术1.5双弧剖面设计计算双弧剖面设计计算用调整参数法进行剖面设计。设稳斜段长用调整参数法进行剖面设计。设稳斜段长Lw,稳斜角为稳斜角为 w、造斜点垂深、造斜点垂深Hk。靶前位移
43、靶前位移SA，曲率半径分别为，曲率半径分别为R1、R2。则。则：R1sin w + Lwcos w + R2(sin sin w) = Ht Hk R1(1-cos w) + Lwcos w + R2(cos w cos ) = SA确定其中任意确定其中任意4个参数，就能确定另外两个待求参数。个参数，就能确定另外两个待求参数。稳斜角可由下式求得：稳斜角可由下式求得：突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展1.主水平井剖面设计主水平井剖面设计2221221212)sin()cos()sincos(RHHRRSRRRHHRRSarctgwktAktA四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽
44、状水平井井眼轨迹控制技术1.5三弧剖面设计计算三弧剖面设计计算设三弧剖面第一、第二、第三造斜段的曲率半径分设三弧剖面第一、第二、第三造斜段的曲率半径分别为别为R1、R2、R3，第一、第二造斜段的井斜角，第一、第二造斜段的井斜角和段长分别为和段长分别为 w1、Lw1和和 w2、Lw2，造斜点垂深，造斜点垂深Hk，着陆点垂深和井斜角分别为，着陆点垂深和井斜角分别为Hk和和 ，靶前位，靶前位移移SA，煤层顶提前量，煤层顶提前量 H，传感器距钻头距离为，传感器距钻头距离为L ，辨识煤层顶垂深范围，辨识煤层顶垂深范围 h，煤层中部距顶界，煤层中部距顶界为为d。则这些参数满足下列方程：则这些参数满足下列方
45、程：突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展1.主水平井剖面设计主水平井剖面设计四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术1.5三弧剖面设计计算三弧剖面设计计算则这些参数满足下列方程：则这些参数满足下列方程：Ht = Hk + R1sin w1 + Lw1sin w1 + R2(sin w2 sin w1) + Lw2sin w2 + R3(sin - sin w2)SA = R1(1- cos w1) + Lw1cos w1 + R2(cos w1 cos w2) + Lw2cos w2 + R3(cos w2 - cos )突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技
46、术，实现快速发展1.主水平井剖面设计主水平井剖面设计232323232sinarcsinarccosRLdRRLRctctw2coswcthLLctwwLHL22cos上述参数中，上述参数中， Hk、 、 Ht 、SA、 H、L 、 h、d一般为已知或可以确定。其一般为已知或可以确定。其余的余的8个参数需先确定个参数需先确定3个，然后用上述方程求解其余个，然后用上述方程求解其余5个参数。个参数。四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术v 煤层气分支井一般都有多个靶点，既有井斜的变化，又有方位的变化，其煤层气分支井一般都有多个靶点，既有井斜的变化，又有方位的变化，其剖面设计是
47、一个三维剖面设计问题。比上述二维方法要复杂得多。剖面设计是一个三维剖面设计问题。比上述二维方法要复杂得多。v 在此，介绍一种比较简单得计算模型在此，介绍一种比较简单得计算模型自然曲线模型。自然曲线模型。 对井眼轨迹上某一井段，设井斜变化率为对井眼轨迹上某一井段，设井斜变化率为k ，方位变化率，方位变化率k ，二者在该，二者在该井段上保持常数，设该段起始井斜角井段上保持常数，设该段起始井斜角 s、方位角、方位角 s 、井深、井深Ls，该段最终井，该段最终井斜斜角斜斜角 、方位角、方位角 。 则在垂直剖面投影图上，当则在垂直剖面投影图上，当k 0时，井眼轨迹为一段圆弧，当时，井眼轨迹为一段圆弧，当
48、k 0时，时，井眼轨迹为一段直线；而在水平剖面投影图上，当井眼轨迹为一段直线；而在水平剖面投影图上，当k 0时，井眼轨迹要么时，井眼轨迹要么为圆弧为圆弧(k 0)，要么为直线，要么为直线(k 0)。突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展2.分支井剖面设计分支井剖面设计四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术井斜角和方位角都是井深得函数，井段内各坐标增量的计算模型如下：井斜角和方位角都是井深得函数，井段内各坐标增量的计算模型如下：突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展2.分支井剖面设计分支井剖面设计四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨
49、迹控制技术井斜角和方位角都是井深得函数，井段内各坐标增量的计算模型如下：井斜角和方位角都是井深得函数，井段内各坐标增量的计算模型如下：突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展2.分支井剖面设计分支井剖面设计四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术井斜角和方位角都是井深得函数，井段内各坐标增量的计算模型如下：井斜角和方位角都是井深得函数，井段内各坐标增量的计算模型如下：突破瓶颈技术，实现快速发展突破瓶颈技术，实现快速发展2.分支井剖面设计分支井剖面设计四、四、羽状水平井井眼轨迹控制技术羽状水平井井眼轨迹控制技术3.1主要技术难点分析主要技术难点分析(1)水平井中靶
50、与定向井不同：定向井只要求击中目标，而水平井既要击水平井中靶与定向井不同：定向井只要求击中目标，而水平井既要击中目标又要限定井眼方向。中目标又要限定井眼方向。(2)煤层深度变化给轨迹控制带来困难：实际煤层深度往往与预想深度有煤层深度变化给轨迹控制带来困难：实际煤层深度往往与预想深度有出入。出入。(3)随钻信息滞后：由于随钻信息滞后：由于MWD传感器距钻头有一定的距离传感器距钻头有一定的距离(1015m)，并，并且且MWD数据传输速度只有数据传输速度只有35bits/S，井深较大时信息滞后达几分钟，井深较大时信息滞后达几分钟，不能及时准确反映所钻地层特性，给着陆带来困难，甚至造成脱靶。不能及时准
