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1 连续出版物：作者.题名.刊名(外文刊名可缩写，缩写后的首字母应大写，并省略缩写点“.”)，出版年份，卷号(期号)：起止页码�
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2 专著：作者.书名.版本（第1版不标注）.出版地：出版者，出版年.(专著中析出文献应注明起止页码)
示例：
[3]竺可桢.物候学.北京：科学出版社，1973
[4]霍夫斯塔主编.禽病学：下册.第7版.胡祥壁译.北京：农业出版社，1981.798～799
3 论文集：作者.题名.见（英文用in）:主编.论文集名.出版地：出版者，出版年.起止页码
示例：
[5]张全福，王里青.“百家争鸣”与理工科学报编辑工作.见：郑福寿主编.学报编辑论丛：第2集.南京：河海大学出版社，1991.1～4
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例子： 吸烟对室内空气环境的污染
（目的：）为阐明吸烟对室内空气污染的程度，调查了城市住宅区地下室饮料厅和旅社。（方法：）用汞置换法、重量差值法、盐酸 乙二胺比色法分别测定空气中一氧化碳浓度、烟气总颗粒物质（TPM）和NOX。（结果：）结果饮料厅一氧化碳浓度超标，NOX未超过国家大气一次最高容许浓度，旅行社所有房间的一氧化碳浓度全超标。（结论：）说明吸烟对空气污染严重。指出，人们长期处于被动吸烟环境中，会受潜在的远期危害。
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★ 经济管理
张 义 鲍清英 孙粉锦 张继东
( 中国石油勘探开发研究院廊坊分院 河北廊坊 065007)
摘 要: 针对不同煤阶煤层气开发过程中存在的问题，结合 U 型井自身技术优势，开展了沿煤层钻井筛管完井、沿煤层充气欠平衡钻井、沿顶/底板钻井分段压裂等 U 型井钻完井新技术研究。研究结果表明: 水平井煤层段采用 PEC 筛管完井能有效保护井壁稳定性，减少井眼坍塌，即便排采过程中井眼发生局部垮塌，筛管仍能为煤层气、水提供良好的流动通道; 充气欠平衡钻井技术可有效减少煤储层的污染和损害，保护煤储层; 沿煤层顶/底板钻水平井可有效避免粉煤、构造煤等井壁稳定性问题，定向射孔分段压裂可有效沟通煤储层，释放储层应力，实现煤层气的开采。通过对井眼轨迹和钻井工艺参数进行优化设计，可增大煤层气降压解吸范围，加快煤层气解吸，并减少煤储层伤害。
关键词: U 型井 筛管完井 欠平衡钻井 分段压裂 优化设计
Study on Drilling and Completion Technologies for Coalbed Methane U-shaped Wells
ZHANG Yi BAO Qingying SUN Fenjin ZHANG Jidong
( Research Institute of Petroleum Exploration and Development-Langfang，PetroChina， Langfang 065007，China)
Abstract: In order to solve the problems in producing coal bed methane，some new drilling and completion technologies for coal bed methane U-shaped wells are studied in this paper. With the study on such technologies，it comes to conclude that the PEC sieve tubes used for horizontal wells not only can protect the stability of boreholes， but also can provide good channels for coal bed water and coal bed methane flowing. The coal seams can be protec- ted from pollution with the use of aerated under-balanced drilling technology. The borehole wall is easy to collapse while drilling in pulverized coal or tectonically deformed coal，for such coal seams，it should be better to drill wellbores in its roof or floor and then use the oriented perforating and staged fracturing technologies to intersect the coal seams and release the reservoir stress，as a result to produce the coal bed methane. After optimizing the well paths and drilling parameters such as annular gas injection rate，gas injection pressure，mud discharge rate，and so on，it can enlarge the desorption range of coal bed methane，accelerate the desorption rate of coal bed meth- ane，and also protect the coal seams from pollution.
Keywords: U-shaped wells; screen completion; under-balanced drilling; staged fracturing; optimal design
作者简介: 张义，1983 年生，工程师，硕士，主要从事煤层气多分支水平井、欠平衡钻井及钻完井新技术等方面的研究。电话: ( 。E mail: zhangyi15@ petrochina. com. cn
我国煤层气资源丰富。全国埋深2000m以浅的煤层气资源量大约为36.81×1012m3，其中，中、高煤阶煤层气资源量约为21.68×1012m3，占总资源量的58.9%，低煤阶煤层气资源量约为15.13×1012m3，占总资源量的41.1%［1，2］。中高煤阶煤层气开发目前采用的钻完井技术主要为直井水力压裂、定向井/丛式井、多分支水平井等，但由于中高煤阶煤层气富集地区(如沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘等)地形条件比较复杂，多以山地、沟壑为主，地表高差大，水力压裂施工难度大，且煤岩机械强度低，多分支水平井在排采过程中随着储层压力的降低，主支及分支井眼周围煤层易发生破碎、垮塌，部分直井、水平井单井产气效果差，有的产气量一直很低，有的前期产量高、后期递减严重且无法恢复;低煤阶煤层气的开发目前尚处于研究探索阶段［3～5］。因此，为了进一步丰富煤层气开发技术和推动高、中、低煤价煤层气的全面开发，开展U型井等煤层气钻完井新技术研究具有非常重要的意义。
1 U型井技术简介
U型井一般由洞穴直井和定向水平井两口井组成，由于水平井在水平段的靶点末端与洞穴直井相连通，两口井形成一个“U”字形的井筒结构，因此形象地称为U型井(如图1所示)。煤层气U型井中洞穴直井一般布置在煤储层构造低部位(见图1中A井)，水平井布置在煤储层构造高部位(见图中B井)。在钻井过程中，当水平井造斜进入目的层以后沿目的层倾向从高端向低端钻进，并与洞穴直井定向连通(参见图1中CD段)［6］。
图1 U型井示意图
整个U型井的有效排水采气井段为水平井，位于煤层/目的层中的斜直井段CD段。由于煤层气U型井这种独特的井身结构充分利用了倾斜煤层水的重力优势，在生产阶段煤层水很容易依靠重力作用排到生产井A井的井底，再经过排采设备抽排到地面，因此非常有利于排水降压采气和排除煤粉。
U型井技术由于能够有效疏导和沟通煤储层割理、裂缝，从而改善煤储层导流能力、提高煤层气井的单井产量，因此该技术目前在国外(尤其是澳大利亚)的煤层气开发中得到了广泛应用，并取得了良好的经济效益和社会效益。澳大利亚博恩盆地和苏拉特盆地等高渗煤层气富集区的U型水平井单井产量达到7000～50000m3/d。国内该技术目前山西晋城、寿阳地区及山西保德等地区煤层气开采中也开展大量的应用试验，取得了初步成功。
2 U型井钻完井新技术研究
2.1 沿煤层钻井筛管完井技术
图2 U型井沿煤层钻井筛管完井示意图
沿煤层钻井筛管完井技术即水平井在二开完钻以后，三开沿煤层进行定向钻进与洞穴直井相连通，并在煤层段下入Φ78mm的PEC筛管进行完井(图2)。由于PEC筛管具有良好的挠度和强度，下入水平井眼煤层段后对井壁具有一定的支撑作用，能有效保护井壁稳定性，减少井眼坍塌;即便在煤层气排采过程中，随着储层压力的降低，井壁失稳，水平井眼局部发生一定程度的垮塌，筛管仍能为煤层气、水提供良好的流动通道，从而避免出现目前部分多分支水平井存在的井眼垮塌、堵塞气、水流动通道，煤层气产量严重下降的现象。该技术对于构造相对稳定的中高煤阶煤层气开发具有良好的适用性。
2.2 沿煤层充气欠平衡钻井技术
沿煤层充气欠平衡钻井技术即水平井二开完钻后，通过二开技术套管在水平井造斜段下入特定的注气接头系统图3)。当水平井在煤层中沿煤层定向钻进时，通过注气接头系统进行环空注气，降低水平井环空液柱压力，从而可实现水平井在煤层中的欠平衡钻进［7］。
图3 注气接头系统示意图
由于煤层割理、裂缝发育，钻井过程中煤储层易受钻井液的污染，致使煤储层渗透率严重下降，且这种储层渗透率伤害具备不可逆性，因此采用充气欠平衡钻井技术可有效减少煤储层的污染和损害，可有效保护煤储层。该技术对于沿煤层钻水平井开发煤层气具有非常好的储层保护作用。
2.3 沿顶/底板钻井分段压裂技术
沿顶板/底板钻井分段压裂技术即U型井二开完钻后，三开沿煤层顶部/底板或煤层间隔层进行定向钻进与洞穴直井相连通，下套管固井，三开水平段采用定向分段射孔压裂完井(图4)。该技术根据水平段长度进行合理地分段，通过定向射孔大排量水力压裂可有效沟通煤储层，释放储层应力，从而实现煤层气的开采。该技术对于构造煤、粉煤发育的煤储层煤层气开发具有良好的应用可行性，在下一步低煤阶煤层气规模开发中也具有良好的应用前景。
图4 U型井沿顶/底板钻井分段压裂示意图
3 U型井欠平衡钻井优化设计
3.1 井眼轨迹优化设计
为了使水平井二开完钻后能顺利地进入煤层并沿煤层定向钻进，水平井井眼轨迹设计采取“双增双稳”五段式井眼轨迹设计方法，如图5所示。
在井眼轨迹设计过程中，第一个增斜段井斜角α1及第一个稳斜段长度L2的确定主要依据煤储层埋深而定;第二个增斜段的井斜角α2则主要根据煤储层地层倾角而定，其目的是为了二开完钻后，所钻井眼井斜角与煤储层地层倾角基本一致，三开水平井眼能平滑地进入煤储层并沿煤层进行钻进;第二个稳斜段则主要是为了连通洞穴直井，其长度L3即为整个U型井有效排水降压段的长度。
以沁水盆地某U型井(ZU09井)设计为例，该井预计煤层埋深560m左右，煤储层地层倾角平均4°～5°，但U型井设计方位73.9°，与煤层走向几乎垂直，通过采用五段式设计方法，U型井中水平井第一个增斜段井斜角设计为27.23°，第二段增斜段井斜角89.56°，直井段段长378m，第一个稳斜段段长2.3m，第二个稳斜段段长519.5m，具体设计参数如表1所示，井眼轨迹参加图6。
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
表1 ZU09-H井主水平井眼设计剖面数据
为了增大U型井单井控制面积，扩大煤层气降压解吸范围，U型井井眼轨迹设计采取了“双翼”U型井井眼轨迹结构(图7)。该井眼轨迹结构的优势在于通过左右侧钻分支井眼分别与洞穴直井相连通，既扩大了煤层气降压解吸范围，又可通过井眼间井间干扰作用加快煤层气的解吸。此外，U型井主水平井眼采用筛管完井，在排采过程中可有效保障U型井煤层气、水流动通道;两翼分支井眼采用裸眼完井，由于分支井眼两端分别与主井眼及洞穴直井相连通，因此即便排采过程中分支井眼发生了井眼垮塌、堵塞，仍能最大限度地保障分支井眼内煤层气、水的流动通道。
3.2 充气欠平衡钻井优化设计
由于在U型井充气欠平衡钻井过程中，注气接头系统是下入在水平井第二段增斜段中。以ZU09井为例，由表1中设计参数可以看出，两个增斜段造斜率相差不大(第一段为9.87°/30m，第二段为9.69°/30m)，且两者之间的稳斜段长度仅为2.3m，因此为了便于计算，将第一个增斜段、第一个稳斜段、第二个增斜段视为一段，即假定三者为造斜率相同的同一个增斜段。因此，U型井充气欠平衡钻井物理模型可以简化为两部分组成:直井段、造斜(增斜)段，如图8所示。
图6 ZU09-H井井眼轨迹示意图
图7 “双翼”U型井井眼轨迹示意图
在造斜段内选取任一微元段ds进行分析(如图8)。
通过对微元体内流体质点建立质量守恒方程、能量守恒方程、伯努利方程、沿程摩擦损失达西公式等，并进行推导计算，可得出增斜段及稳斜段井筒环空内压降计算模型如下［8～10］:
增斜段井筒环空压降计算模型:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
式中:p为混相流体压力，MPa;α为井斜角，(°);ρm为混相流体密度，g/cm3;g为重力加速度，m/s2;Rw为弯曲段曲率半径，m;vm为混相流体平均流速，m/s;λ为沿程阻力系数，无因次;Db为三开井眼直径，m;DP为三开钻杆柱外径，m。
图8 U型井欠平衡钻井简化物理模型
竖直井筒环空内压降计算公式:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
式中:p为混相流体压力，MPa;y为竖直方向基准坐标轴，m;θ为水平井眼倾角，(°);ρm为混相流体密度，g/cm3;g为重力加速度，m/s2;fm为摩阻系数，无因次;vm为混相流体平均流速，m/s;D为井眼环空当量直径，m。
以ZU09井为例，利用上述建立的数学计算模型，对注气接头系统不同注气压力、注气量以及不同钻井液排量条件下井底欠压值井下了计算，得出井底欠压值与环空注气量、钻井液排量关系曲线如图9、图10所示。
图9 井底欠压值随环空注气量变化曲线
图10 井底欠压值随钻井液排量变化曲线
图9反应的是不同注气压力(Pgas)条件下井底欠压值随环空注气量(Qg)变化曲线。由图可以看出，在同一注气压力下，井底欠压值随着环空注气量的增大呈单调递减变化规律;注气压力接近地层压力(Pe=0.82*560*9.8*0.001=4.5MPa)时，井底欠压值随注气量的增大变化较平稳;注气压力越大，井底欠压值随注气量的增大波动也较大。图10反应的是不同环空注气量条件下井底欠压值随钻井液排量变化规律。由图可以看出，当环空注气量选在某一合理范围内时，井底欠压值随钻井液排量的增大单调递增;当注气量超出该合理范围时，井底欠压值随钻井液排量的变化波动较大。为了满足现场欠平衡钻井工艺要求(井底欠压值控制在0.5～0.2MPa之间)，综合图9、图10关系曲线，可以优化得出环空注气量、注气压力、钻井液排量的合理取值区间为:环空注气压力控制在4.5～4.7MPa，环空注气量22～25m3/min，钻井液排量13～16L/s。
4 结论
(1)U型井能充分利用倾斜煤层水的重力优势进行排水采气，能有效疏导和沟通煤储层割理、裂缝，改善煤储层导流能力、提高煤层气井的单井产量，因而在煤层气开发中具有良好的应用前景。
(2)水平井煤层段采用PEC筛管完井能有效保护井壁稳定性，减少井眼坍塌;即便排采过程中井眼发生局部垮塌，筛管仍能为煤层气、水提供良好的流动通道，因此对于构造相对稳定的中高煤阶煤层气开发具有良好的适用性。
(3)充气欠平衡钻井技术可有效减少煤储层的污染和损害，保护煤储层，对于沿煤层钻水平井开发煤层气具有非常好的储层保护作用。
(4)沿煤层顶/底板钻水平井可有效避免粉煤、构造煤等井壁稳定性问题，通过进行定向射孔分段压裂可有效沟通煤储层，释放储层应力，实现煤层气的开采。该技术在下一步低煤阶煤层气规模开发中具有良好的应用前景。
(5)通过采用“五段式”+“双翼”井眼轨迹优化设计方法，既可扩大单井煤层气降压解吸范围，充分利用井间干扰作用加快煤层气的解吸，又能最大限度地保障分支井眼内煤层气、水的流动通道;通过合理优化环空注气量、注气压力、钻井液排量等工艺参数，可实现水平井沿煤层欠平衡钻进，从而减少钻井液对煤储层的污染，有效保护煤储层。
参考文献
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