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全国石油工程设计大赛井底排水分支井组设计技术创新类作品团队编号：14146001团队名称：燕大创新7队团队成员：宋广明指导教师：李子丰教授2014.4.291作品说明作品简介：根据本届大赛题目提供的沁端区块地质数据资料以及我国煤层气储层的构造特点，在对所收集文献资料的整理的基础之上，利用经

验类比法对煤层气井井型、井身结构进行设计和优化，提出一种新井型——井底排水分支井组。然后针对该区块煤层气储层特点，选择井口位置，进行钻完井设计。作品名称：井底排水分支井组设计2目录第1章绪论第2章设计概况第3章钻井工程设计第4章完井工程设计第5章进度计划

及成本预算3第1章绪论1.1背景我国煤层气资源十分丰富，是世界上第三大煤层气储藏国。受多热源叠加变质和多期构造改造的影响。我国的煤储层大多表现为“低孔”、“低渗”和“低压”，这种“三低”的储层条件使得垂直井压裂排采技术在我国无法获得预期成效。其主要原因在于储层的“三低”一方面限制了压降传递速度和距

离，另一方面制约了“导流改善”的良性循环。因而煤层气井表现为“低产”。而且“不稳定”，这也决定了常规直井开采技术永远无法摆脱“点”的局限性，通常以有限的井筒影响范围来设计钻井和完井方案以及储层改造措施。4第1章绪论1.2国内外研究发展概况1.2.1直井现今国内外煤层气开采多用直井、水平分支

井和水平连通井等技术。直井钻井技术最成熟，应用也最普遍。但是，该技术仍没有完全克服储集层低渗、低压带来的不利影响。截至2007年底，我国煤层气累计钻井2446口，其中，水平井(主要为多分支水平井)29口，直井2417口。澳大利亚采用增产措施的直井5第1章绪论1.2.2水平分支井美国CDX国

际公司先后为美国钢铁公司在西弗吉尼亚州的煤层气开发项目钻了近69口定向羽状分支水平井，这些井在低渗透煤层气开发中取得显著成效。我国在借鉴国外研究成果的基础上，通过攻关已基本掌握了分支井钻井技术，并先后在辽河油田和

胜利油田完成了4口分支井，取得了较好的效益。我国第一口煤层气羽状分支水平井是中国石油天然气股份有限公司引进CDX国际公司的钻井专利技术在樊庄高煤阶区取得的试验成功。煤层气羽状分支水平井示意图6第1章绪论煤层气水平对

接井示意图1.2.3水平对接井水平对接井（又称U型连通井）技术在油田增产、食盐开发等方面已经得到了广泛应用，取得了比较明显的经济效益和社会效益。在国外，澳大利亚钻井公司使用美国的地面定向钻进设备和导向钻进系

统在澳大利亚成功施工的300多口煤层气开发井均已取得显著成效。我国首先在山西的保德地区进行勘探试验，施工了4对U型水平对接井组。2010年10月至12月，山西晋城潘庄区块进行的U型水平对接井技术的现场工业性试验取得成功

，气井最高日产气量达2×104m3。7第1章绪论1.2.4V型井V型井指由两组之间呈一定夹角并共用一口排采直井的U型井组成，地层流体通过两个水平井眼分排流向同一排采直井井筒内，增加了泄流面积，实现两水平井共同排采降压采气，能够获得更大的气产量，煤层气V型井组钻井工艺集成了随钻地质导

向、煤层造穴三井对接、多井眼完井等多项先进的钻井技术。2012年4月8日，中石化华东分公司在延川南煤层气工区完钻了第一个V型井组。煤层气V型井组井身结构示意图8第1章绪论超短半径水平井分布图超短半径钻井方案示意图1.2.5超短半径径向水平井澳大利亚已成功应用高压水射流在煤层中钻水平孔长度达到4

28m，破岩钻进速度达到了30m/min。2008年，国内天津波特耐尔石油工程有限公司利用该技术在东北地区完成了8个分支的煤层径向水力喷射钻井施工，每个分支均可达150~200m。9第1章绪论1.3基本思路10第1章绪论1.4创新点本设计结合煤层气单翼多分支井水平井和水平连通井的技

术，在其现有基础上针对煤层气储层特点提出井底排水水平多分支井组。该井型综合了多分支井水平井和水平连通井的优点，水平段沿煤层倾角，能有效防止打穿煤层，提高了单井产量和采收率,适宜煤矿待采区的煤层气开采。11第2章设计概况2.1基本数据井名：Z4井底排水分支井组，其中Z

4-H为直井，Z4-S为水平多分支井；井型：直井、水平井；井别：直井为生产井，水平井为工程井；地理位置：沁端区块,位于沁水盆地南部，隶属于山西省沁水县；构造位置：如图；Z4-HZ4-S12第2章设计概况2.1基本数据井位坐标：直井：纵坐

标（X）：19649400，横坐标（Y）：3966267.8，H：1000m；水平井：纵坐标（X）：19648454.5，横坐标（Y）：3965053.5，H：1000m；目的煤层：3#煤层；设计井深：直井：804.2m（垂深），测深见工程设计；水平井：743.84m（垂

深），测深见工程设计；完钻层位：石炭系上统太原组（C3t）；完钻原则：原则上钻3#层留足测井口袋（60m）完钻；完井方法：直井洞穴完井，多分支水平井裸眼完井。13第2章设计概况2.2设计依据2.2.1执行标准及规范所执行的主要标准及规范，但不限于以下标准及规范；（1）《钻井工程设计格

式》（SY/T5333-1012）；（2）《煤层气钻井钻井作业规程》（Q/CUCBM0301-2002）；（3）《井场布置原则和技术要求》（SY/T5958）；（4）《钻井作业安全规程》（SY5974-94）；（5）《井身结构设计方法》SY/T5431；（6

）《钻井井控技术规程》SY/T6426；（7）《油气探井工程录井规范》（SY/T6243-1996）；（8）《油气探井气测录井规范》（SY/T5788.2-2008）；（9）《油气探井录井资料质量控制规范》（SY/T6438-2000）；14第2章设计概况（10）《油气井钻井地质设计规范》（Q/

SH0075-2007）；（11）《石油天然气勘探开发地质录井规范》（Q/SH0076-2007）；（12）《油气井地质录井规范》（SY/T5788.3-2008）；（13）《录井分析样品现场采样规范》（SY

/T6294-2008）；（14）《探井化验项目取样及成果要求》（SY/T6028-94）；（15）《录井资料质量评定规范》（Q/SH1093-2008）；（16）《油气井录井资料录取项目及归档要求》（Q/SH1094-2008）；（17）《裸眼井

、套管井测井作业技术规程》（SY/T5600-2002）。2.2.2资料依据（1）W1-W6六口参数井和W7-W16十口生产试验井实钻及测试资料；（2）本地区地质静态资料、实验室资料、生产动态资料及相关研究成果。15第2章设计概况2.3钻遇主要煤层（设计）与临井钻遇主要煤层对比井号井型井

别X坐标Y坐标3#煤层顶板埋深m地面海拔m补心高mW7直井生产试验井196488203964877609.809161.20W9直井生产试验井196489103964621600.819051.35W11直井生产试验井196491903964725667.829441.05W10直井生产

试验井196490933964376585.828881.20Z4井底排水分支井组工程井19648454.53965053.5735.14（水平段终点）10001.0516第2章设计概况2.4钻遇主要地层及故障提

示地层代号故障提示系统组第四系Q防漏、防斜、防塌二叠系上统上石盒子组P2s防斜、防漏下统下石盒子组P1x山西组P1s石炭系上统太原组C3t中统本溪组C2b奥陶系中统峰峰组O2f防漏、防涌17第2章设计概况2.5靶点设计参数坐标A靶点B靶点C靶点D靶点E

靶点F靶点G靶点横坐标（X）196494001964940019649400.196494001964940019649400.19649400纵坐标（Y）3966267.83966267.83966267.83966267.83966267.83966267.83966267

.8地面高程（m）1000100010001000100010001000距井口方位(゜)0000000海拔（m）945700600500353263195.8垂深(m)55300400500647737804.2距砂体上部高度

（m）897761011距砂体下部高度（m）3233.52.523靶区描述圆形靶区圆形靶区圆形靶区圆形靶区圆形靶区圆形靶区圆形靶区18第2章设计概况坐标K1靶点主井眼A靶区主井眼B靶区M1侧钻靶点M2侧钻靶点M3侧钻靶点M4侧钻靶点M5侧钻靶点M

6侧钻靶点M7侧钻靶点M8侧钻靶点C靶点(洞穴靶点）纵坐标（X）19648454.519648454.519648502319648772419648865.519648984.519649110.519649287.519649301.519649320.6196

49388.719649400横坐标（Y）3965053.53965053.53965153.53965235.53965289.53965347.83965383.53965484.53965650.43965784.53965985

.53966267.8地面高程（m）100010009709509579669729819879909931000距井口方位（°）353535353535353535353535距井口距离（m）55360822102

4.161124.161274.161374.161524.161624.161774.161874.162043.24海拔945640353.74312.61299.77302.5298.05291.18286.93274.76

266.82256.16垂深（m）55360616.26637.39657.23663.5673.95689.62700.07715.74726.18743.84距砂体上部（m）8977661010881112.5距砂体下部（m）3322223.53.52.52.54.54

靶区描述圆形靶区圆形靶区圆形靶区圆形靶区圆形靶区圆形靶区圆形靶区矩形靶区矩形靶区矩形靶区矩形靶区矩形靶区19第3章钻井工程设计3.1井身结构3.1.1井身结构优化研究（1）井身结构优化的原则：a、要满足直井井身结构设计的基本原

则，既要满足地质勘探开发的要求、有效保护储层，又要满足钻井工程的各种条件、保障井下安全，为安全、优质和经济钻井创造条件；b、要满足水平井的特殊要求，应有利于井眼轨迹控制、精确中靶，满足完井、储层保护、井眼清洁的需要，并且保证套管柱能顺利地下至设计井深。（2）井身结构优化的

关键问题：水平井井身结构优化设计的关键在于确定套管的下入层次和各层次套管的下入深度（特别是技术套管的下深）及钻头尺寸。套管层次的确定主要受所钻井工区的地层岩性、地层孔隙压力、地层破裂压力、井深、造斜点位置、钻井成本和钻井周期等多种因素影响。一般情况下水平井井身结构设计为三层套管，即表层套管

、技术套管和生产套管。其中，技术套管的下深是水平井井身结构优化设计的关键。技术套管的下深有四种方案：直井段、小井斜角井段、较大井斜角井段和接近靶窗。20第3章钻井工程设计3.1.2井身结构设计图21第3章钻井工程设

计3.1.3井身结构设计数据开钻次序测深(m)钻头尺寸(mm)套管尺寸(mm)套管下深(m)完井方式备注155311.1244.555水泥固井水泥浆反至地面2804.2215.9139.7804水泥固井煤层段下入玻璃钢套管进行造穴

Z4-H井身结构设计数据表22第3章钻井工程设计Z4-S井身结构设计数据表开钻次序测深(m)钻头尺寸(mm)套管尺寸(mm)套管下深(m)完井方式备注155311.1244.555水泥固井水泥反至地面2822215.9177.8821水泥固井水泥反至地面32043

.24155.6裸眼完井各分支井眼M11024.16-1724.16155.6裸眼完井1024.16侧钻M21124.16-1724.161124.16侧钻M31274.16-1774.161274.16侧钻M41374.16-1774.161374.16侧钻M51524.16-192

4.161524.16侧钻M61624.16-2124.161624.16侧钻M71774.16-2374.161774.16侧钻M81874.16-2574.161874.16侧钻23第3章钻井工程设计3.2井眼轨道设计井段井深（m）井斜角（°）方位

角（°）垂深（m）造斜率(º)/30m水平位移靶点0000000井口0-5555005500A55-3003000030000B300-4004000040000C400-5005000050000D500-6476470064700E647-7377370073

700F737-804.278500804.200GZ4-H井眼轨道设计简表24第3章钻井工程设计Z4-S井眼轨道设计简表井段井深（m）井斜角（°）方位角（°）垂深（m）造斜率(º)/30m水平位移靶点0000000井口直井段3600036000K1造斜段69079.23

5594.497.2193.85W1稳斜段75079.235605.770252.78W2造斜段8228435616.262323.95A稳斜段2043.248435743.8401538.5B25第3章钻井工程设计Z4-S井眼轨道垂

直投影图Z4-S井眼轨道水平投影图26第3章钻井工程设计3.3钻具组合开钻次序钻进井段m钻具组合（包括钻头、减震器、稳定器、震击器、钻铤和钻杆等外径，长度及安装位置）备注一开0～55φ311.1mm钻头×0.5m+φ309.6mm稳定

器×1.73m+φ203.2mm短钻铤×3m+φ203.2mmMWD×1.8m+φ309.6mm稳定器×1.73m+φ203.2mm无磁钻铤×9.14m+φ309.6mm稳定器×1.73m+φ203.2mm钻铤×9.14m+φ168mm钻

杆一开满眼钻具二开直井段55～360Φ215.9mm钻头+Φ214.3mm稳定器×1.58m+Φ203mm减震器×3.1m+Φ178mm短钻铤×3m+Φ203.2mmMWD×1.8m+Φ214.3m稳定器×1.58m+Φ178mm无磁钻铤×9.

14m+Φ214.3mm稳定器×1.58m+Φ178mm×130m钻铤+Φ127mm钻杆满眼钻具二开造斜段360～690Φ215.9mm钻头+1.25º单弯动力钻具×7m+Φ203mm减震器×3.1m+531

×630定向接头+Φ178mm无磁钻铤×9.14m+650MWD短节×1.8m+Φ178mm钻铤×57m+Φ139mm加重钻杆×200m+Φ127mm钻杆单弯动力钻具组合二开调整段690～822Φ215.9mm钻头+1º单弯动力钻具×7m+Φ203mm减震器×3.1m

+Φ178mm稳定器×0.6m+431×4A10定向接头+Φ178mm无磁钻铤×9.14m+650MWD短节×1.8m+Φ178mm×83m钻铤+Φ139mm加重钻杆×200m+Φ127mm钻杆单弯动力钻具组合三开水平段822～1993.

24Φ155.6mm钻头+1.25º单弯动力钻具×7m+Φ127mm减震器×2m+Φ127mm无磁钻铤×9.m+650MWD短节1.8m+Φ96mm加重钻杆×200m+Φ127mm钻铤×213m+Φ88.9mm钻杆倒装钻具各分支井段Φ155.6m

m钻头+1.75º单弯动力钻具×7m+Φ127mm减震器×2m+Φ127mm无磁钻铤×9.m+650MWD短节1.8m+Φ96mm加重钻杆×200m+Φ127mm钻铤×213m+Φ88.9mm钻杆倒装钻具组合

连通段1993.24～2043.24Φ155.6mm钻头+Φ121mm强磁旋转短节+Φ121mm中速可调泥浆马达(1.83°)+Φ121mm回压凡尔+650MWD短节1.8m+Φ121mm无磁钻铤×325m+Φ121mm空

隙短节+Φ121mm电池短节+Φ96mm无磁加重钻杆×230m+Φ88.9mm钻杆。连通段钻具组合27第3章钻井工程设计3.4钻井液钻井液性能表开钻次序垂深m常规性能流变参数密度ρg/cm3马氏漏斗粘度T(S)API滤失

量ml泥饼KmmPH值含沙量л%塑性粘度mPa·s动切力Pa静切力（Pa）一开0~551.1-1.270~1205-100.5-18-8.5-0.1-0.515-202.5-90.5-4二开直井55～

3601.07~1.1745~85＜3.01.08.5~10≤0.510~153~51-3二开造斜及调整段360～8221.07~1.1745~85＜3.01.08.5~10≤0.510~153~52

-4三开及各分支井段822～2043.241.00～1.05清水钻井（粘度15～17）28第3章钻井工程设计3.5钻头设计推荐钻头的参数表开次钻头类型尺寸(mm)推荐型号钻压(kN)转速(r/min)适用地层一开牙轮钻头311.

1HA53750-10540-110低抗压强度、高可钻性的软地层，如页岩、粘土、砂岩、砾岩等二开PDC215.9R51620-5069-190适用于硬至致密地层，高抗压强度无研磨性的地层，如粉砂、砂岩、灰岩、白云岩等三开PDC155.6R51620-5069-190

29第4章完井工程设计4.1井口装置各次开钻井口装置及试压要求开钻次序名称型号试压要求井口试压MPa试压时间min允许压降MPa二开单闸板防喷器FZ35-1414≥10≤0.7环型防喷器FHZ54-149.8钻井四通FS35-14---压井防喷节流管汇YG-14.JG-14

与防喷器联试套管头TG133/8×51/2-14悬挂套管30第4章完井工程设计二开、三开钻井口装置防喷节流管汇示意图压井管汇示意图31第4章完井工程设计4.2固井设计4.2.1套管柱设计套管柱设计数据表井段套管尺寸(mm)段长(m)钢级壁厚(mm)重量(kg/m)

抗拉(kN)抗挤(MPa)抗内压(MPa)扣型实际抗拉系数实际抗挤系数实际抗内压系数1244.50~55J558.9453.7250913.924.3STC7.61.73.522177.855-822C759.1729.76165541.6474.5LTC1.642.314.2732第4

章完井工程设计4.2.3注水泥设计（1）水平井和洞穴直井的表层套管固井，水泥浆返至地面（采用内管注水泥法）（2）洞穴直井的二开固井封固煤层段钻穿煤层底界以下60m，下入生产套管，在煤层段下入玻璃钢套管隔离煤层，固井，水泥浆返至至地面，侯凝后用钻头通井循

环后，用套管段铣工具将玻璃钢套管磨铣掉,然后在煤层造洞穴。（3）洞穴直井水泥设计参数与第一章中的Z1直井设计相近，这里不在重复。（4）水平井二开下入套管至煤层顶部，注水泥反至地面，采用管外注水泥法。33第4章完井工程设计4.

2.4水泥浆性能开次井段（m）密度(g/cm3)水灰比流动度(cm)失水量(ml)自由含水量(ml)稠化时间(h)抗压强度环空返速一开0-551.870.45≥22<30ml/6.9MPa，30min0注水泥总时间+1h24hr>17.2MPa<0.5m/s二开0

-1501.55-≥22<19ml/6.9MPa，30min0注水泥总时间+1h24hr>9.5MPa<0.5m/s150-8221.870.45≥22<30ml/6.9MPa，30min0注水泥总时间+1h24hr>17.2

MPa<0.5m/s34第4章完井工程设计4.2.5水泥浆配方类型配方低密度嘉华G级水泥+6%微硅+13%漂珠+2.5%TG降失水剂+2%早强剂+0.3%消泡剂+现场水常规密度嘉华G级水泥+2%TG降失水剂+0.3%消泡剂+现场水注水泥设计表35第4章完井工程设计水泥浆配方表井眼尺

寸(mm)套管外径(mm)井段(m)钻井液密度(g/cm3)水泥浆上返深度(m)水泥浆密度(g/cm3)水泥型号注水泥量(m3)固井方式311.1244.50~551.101.87G级1.5内管法215.9177.80-1501.0301.55G级12150-8221.001.87G级15.2

管外注水泥36第4章完井工程设计4.3Z3-H完井设计4.3.1完井方法Z3-H直井采用洞穴完井方法，二开在煤层段下入Ф139.7mm玻璃钢套管，注水泥封固至地面。完井时下如专用套管锻铣工具在煤层段锻铣玻璃钢套管，然后在煤层扩孔造穴。造穴结束，向直井投入压裂

砂，投入量高于洞穴顶面，之后在砂面上注入水泥塞，高度在砂面上50m，水平井与洞穴井连通并分段压裂后，钻开直井内水泥塞住进行投产。4.3.2造穴采用的钻具组合喷射式扩孔造穴器(500m)+88.9mm钻杆+方钻杆；钻压为0KN，转速为

43r/min，排量16L/S.37第4章完井工程设计4.4Z3-S完井设计4.4.21完井方式选择煤层气多分支水平井完井多采用裸眼完井，裸眼完井有利于增加煤层气的产量，本井也采用裸眼完井。在多分支井完井后，要在多分支井直井段打入水泥塞，防止煤层气泄露。4.4.

2完井等级根据分支井TAML分级体系，本设计采用的是一级完井，即主井眼和多分支井眼都是裸眼，分支处无支撑侧向穿越长度变量控制是受限的，完井作业不对各产层分隔，也不能对层间进行任何处理。4.4.3施工过程实际施工过程中分支井眼钻井顺序是由主水平井眼

尾端往回方向按设计逐个钻成。主要工艺步骤包括:①钻完主水平井眼后,调整钻井液性能,充分循环,确保水平井段井眼清洁;②起钻,下入带“LWD+泥浆马达+PDC钻头”的导向钻具组合,侧钻出一个水平分支井眼;③钻完第一个分支井眼后,充分循环,上提

钻头至下一个侧钻点,钻第二分支井眼;④用相同的方法依次钻完各分支井眼。38第4章完井工程设计4.5完井结构示意图Z-4H完井结构Z-4S完井结构39第5章进度计划及成本预算5.1钻完井进度计划序号施工作业项目计划天数(d)累计天数(

d)1一开Φ311.1mm钻头钻进0-55、下套管、固井、侯凝、装井口、试压0.50.52二开Φ215.9mm钻头钻进55-360m1011.5二开Φ215.9mm钻头钻进360-822m回填至造斜点20213测井、下套管，固井、侯凝；装井口、试压75

0.54三开Φ155.6mm钻头钻进822-2043.24m25265完钻测井2106下尾管完井管柱完井12307洞穴井钻井898完钻测井2310修井51040第5章进度计划及成本预算5.2钻完井成本预算项目计量单位预算金额项目计量

单位预算金额一、探区临时工程元80万四、测井工程元20万二、钻前准备工程元60万1、气测住井元/d4.5万三、钻井工程元1000万2、中途测井元/井次1.5万(一)材料元800万3、完井电测元/口井30万1、钻头元28万4、井壁取心元/口井7万2、钻井液元300万五、固井工

程元150万3、钻具元10万1、套管元80万4、柴油元250万2、水泥元20万5、机油元10万3、固井费元40万6、其他材料元60万4、埋砂元3万(二)工资及附加工资元54万六、施工管理费元20万(三)折旧元30万1、大队管理费元6万(四

)其他直接费元30万2、钻井公司管理费元6万1、运输费元10万3、上级管理费元8万2、水电费元1万七、试气工程元15万3、保温费元1万4、设备维修费元20万总成本元3474万5、钻具管理费元15万单位综合成本元/

m58456、风险费元10万7、其他费用元7万41参考文献[1]唐海,周开吉,陈冀嵋编.石油工程设计[M].北京：石油工业出版社，2011[2]周全兴.钻采工具手册(上)[M].北京:科学出版社,2000.[3]周全兴.钻采工具手册(下)[M].北

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水平连通井在河东煤田柳林地区煤层气开发的适应性分析[J].中国煤炭地质（增刊1）,2009,21:32~36[36].请各位老师批评指正