0 引 言
煤层气勘探开发目前以直井或定向井为主要井型，以水力加砂压裂改造为主，部分采用筛管完井或其他完井方式。由于排采制度不合理或频繁修井等因素造成部分煤层气井在前期高产后出现产量骤减，此过程中对煤储层造成不可逆的伤害，导致无法恢复单井产量。为了再次启动这些具备产气潜力的老井，国内外研究出超短半径水平井工艺技术，套管内开窗后进行煤储层定向水平钻进。美国的Bechtel和 Petrophsics两家公司在20世纪80年代联合研制出利用高压水射流钻头通过特制井下转向器进行径向水平钻进的钻井系统。我国自“九五”期间起也对该项技术进行了系统的研究，并先后在早期油气井、以及压裂效果不好的探井或近井筒地带污染严重的已开发井中开展了试验。该项工艺采用自旋转自进式射流钻头破岩形成水平井眼的新技术，不需要钻杆旋转也不需要通过钻杆给钻头施加用以破岩的“钻压”，在整个钻进过程中钻头可以自动旋转且自我提供动力推进，钻进井眼尺寸较小，工艺较复杂[1-4]。近几年随着柔性钻具研制成功，使用转盘提供动力旋转钻进的超短半径水平井工艺技术开始进行现场应用[5-7]，造斜井段曲率半径1.8 m左右，在煤层中水平钻进进尺最大可达到100 m以上[8-10]。该工艺需要设备及工具操作相对简单，常规管式泵即可排采，节约开发成本，同时，可进行低产井改造，具有创新性和经济性。目前，煤层气超短半径水平井采用裸眼完井，敞开式井底，为动力学完善井，前期产量较高，但是，近井筒附近煤层稳定性差，容易垮塌造成产气量降低，甚至停产，随着排水降压的进行，煤层水平井眼稳定性越来越差，会一直影响稳定产气。由于超短半径水平井煤层段裸眼完井，排采过程中煤粉进入井筒内，导致煤粉颗粒卡泵事故，造成频繁修井[11]。煤层气开发目前直井为主，其中存在很多地质条件较好，但是改造效果较差的老井。这些具有潜力的低产老井也可以通过超短半径水平井钻进实现侧钻、重复完井、提产，下入筛管维护井壁稳定，有效防砂，实现稳产。因此，笔者对煤层气超短半径水平井筛管完井工艺进行探讨，以期解决上述问题，发挥煤层气超短半径水平井工艺的优势。
1 HDPE筛管完井管柱优化
1.1 材料优选
根据煤层气超短半径水平井采用三开井身结构，三开钻具组合采用直径116 mm钻头+直径102 mm柔性钻具+直径73 mm钻杆[12-15]，井身轨迹设计造斜井段曲率半径最小达到1.8 m，常规油套管都无法通过，所以对连续油管或无接箍套管、高密度聚乙烯(HDPE)管进行对比分析，优选出适合超短半径水平井筛管完井工艺的筛管材质。
连续油管的无螺纹连接设计，相对常规小井眼油管能够通过更小的井眼曲率半径，在钻完井作业过程中具有效率高、承压能力强特点，见表1。
连续油管由于弯曲和压力会产生疲劳，连续油管弯曲一旦超过其屈服曲率半径Ry，材料就会超出弹性变形范围，发生塑性变形。曲率半径Ry公式如下[16]：
Ry=Er0/δy
式中：r0为连续油管外径，mm；E为弹性模量，MPa；δy为屈服应力，MPa。
在公称屈服应力为517 MPa条件下，不同尺寸连续油管挠性管外径为25.4、31.75、38.10、44.45、50.80、60.45 mm时屈服曲率半径分别为5 060、6 340、7 620、8 900、10 150、12 070 mm。
由表1可知，直径25.4 mm连续油管屈服曲率半径为5.06 m，煤层气超短半径水平井造斜井段段曲率半径为1.8 m，连续油管发生无法通过。
相比PVC、PE60、PE80管材，HDPE100管材具有更高的耐压强度、环刚度、抗开裂强度及安全系数，所以选择HDPE100作为筛管材质。参照CJJ63—2008《聚乙烯燃气管道技术规范》，要求HDPE管允许弯曲半径不应小于25倍的公称直径[17]。因为煤层气超短半径水平井造斜井段曲率半径为1.8 m，所以HDPE管外径不能超过72 mm。结合煤层气超短半径水平井井身结构及井眼轨迹特点，对连续油管、HDPE管进行对比分析，优选出HDPE管作为煤层气水平井筛管材料。
1.2 管柱受力分析与优化设计
1)HDPE100级管材性能参数，密度为0.96 g/cm3，泊松比为0.42，屈服强度为25 MPa，弹性模量为350 MPa。
2)管柱受力分析。以某超短半径水平井其中一个分支井身轨迹数据为例，见表2。
表2 超短半径水平井轨迹设计数据
Table 2 Ultra-short radius horizontal well trajectory design data
设计井深/m井斜角/(°)方位角/(°)垂深/m西北位移/m东西位移/m闭合距/m全角变化率/[(°)·(30m)-1]000000001 901.000189.931 901.0000001 903.7088.16189.931 902.79-1.65-0.291.68957.1161 903.8288.16189.931 902.80-1.77-0.311.8002 002.3788.16189.931 909.40-98.63-17.27100.130
该井造斜井段曲率半径1.8 m，造斜率957.12°/30 m，对HDPE管下入、起出2种工况下的管柱受力情况进行分析。管柱组合采用48.26 mm油管(1901.0 m)+推送装置+HDPE管+引鞋。分别采用直径50.8、40、30 mm的HDPE管，使用WellPlan软件进行管柱下入、起出2种工况下的管柱受力情况进行分析，见表3。
表3 超短半径水平井完井管柱受力分析
Table 3 Stress analysis of completion string for ultra-short radius horizontal well
HDPE直径/mm工况应力失效类型弯曲类型扭转圈数大钩载荷/kN伸长量/mPE管下入长度/m50起钻Y无0107.80.394.4下钻YL0-49.4-1.404.440起钻Y无0197.00.454.5下钻YL0-58.0-1.514.532起钻Y无0202.40.484.6下钻YL0-85.9-1.834.6
注：Y为超过屈服强度；L为过度弯曲导致管柱自锁。
HDPE管柱完井优化设计见表4，在现有井身轨迹条件下，3种规格HDPE管在下入、起出工况下受力均超过其屈服强度，并且在下入管柱通过造斜井段时管柱发生自锁现象，因此，3种规格HDPE管柱不能通过如此小的曲率半径。现对超短半径水平井HDPE管柱及井身轨迹进行优化设计，设计原则：①现有工艺条件下超短半径水平井层段进尺只有100 m，井身轨迹设计时尽可能增加煤层有效进尺，为后期产气提供有利条件；②有效延长HDPE管水平段下入长度；③尽量选用较大外径的HDPE管，以保证较大的井下流体通道。
表4 HDPE管柱完井优化设计
Table 4 HDPE column design and completion optimization
HDPE管规格/mm可通过最小曲率半径/m靶前距离/m煤层进尺/mHDPE管下深/m工况应力失效类型弯曲类型5064.57101.370101起钻无无下钻无H4012.1019.0082.37101起钻无无下钻无无329.5515.0086.37101起钻无无下钻无无
注：H为部分管柱发生螺旋屈曲。
对于直径50 mm的HDPE管，造斜井段的曲率半径增至64.57 m，管柱仍存在螺旋弯曲；直径40、30 mm的HDPE管可通过的最小曲率半径分别为12.10、9.55 m，煤层有效进尺分别为82.37、86.37 m。综合考虑超短半径水平井HDPE管柱及井身轨迹优化设计原则，建议使用直径40 mm的HDPE管。
2 超短半径水平HDPE筛管完井工艺
2.1 HDPE筛管割缝参数设计
煤岩微裂缝、割理发育，近井筒附近煤岩受到钻完井流体压力的影响，近井筒地带地层应力发生变化，整体呈现弱面体结构，易破碎产生煤块、煤粉[18]。在后期排采过程中由于地层压力降低，煤岩骨架承受上覆地层压力增加，煤岩发生弹性变形，煤岩承受应力超过煤岩基质强度，煤岩发生塑性破坏，会加剧煤粉脱落，脱落煤粉随裂缝中地层流体运移至井筒。不同粒径的煤粉大量进入井筒，极易造成管式泵卡泵，造成频繁修井。长期采出地层流体，造成地层压力降低，煤岩骨架应力过大会造成近井筒岩石垮塌，堵塞排采通道。为了解决上述问题，需要采用HDPE筛管完井，支撑井壁稳定，有效进行防砂，减少修井频率，保证连续稳定排采作业。
基于对煤层气井煤粉产出及运移原理分析，结合现场煤层井产出煤粉粒径对排采泵的影响，对HDPE筛管进行参数优化设计。HDPE筛管采用割缝设计，割缝采用内宽外窄的“T”型缝设计，有利于防止煤粉颗粒卡割缝空隙中，影响过流面积[19]。割缝设计原理采用架桥设计原则，在合理的排采制度下，地层流体速度稳定，排采初期允许一部分微小煤粉颗粒进入井筒，易造成抽油机卡泵的较大粒径煤粉颗粒阻挡在割缝孔眼附近，随着地层流体不断通过割缝筛孔进入井筒内，较大粒径煤粉颗粒不断在筛孔处堆积，地层流体能够通过的同时防止煤粉颗粒进入井筒，起到架桥防砂作用。综合考虑防砂效果及过流面积等因素对HDPE筛管规格参数进行优化，外径、壁厚、缝长、外缝宽、内缝宽分别为40、3.7、20、6、8 mm，相位角为60°，割缝密度24个/m(呈螺旋分布)，过流面积比为1.53%(筛管孔缝与表面积之比)。
2.2 HDPE筛管有限元分析
1)模型建立。HDPE筛管选用HDPE100材质，外径直径40.0 mm，壁厚3.7 mm，弹性模量350 MPa，屈服强度25 MPa，泊松比0.42，筛管长度0.36 m。缝长为20 mm，缝宽为8 mm，按照60°相位角螺旋分布，每米割缝24个，HDPE筛管计算模型如图1所示。
图1 HDPE筛管计算模型
Fig.1 HDPE screen calculation model
2)静力学有限元分析。采用SolidWorks建立模型，自主进行网格划分，然后对孔眼处的网格进行局部加密，以对孔眼周围进行更为详细的应力及变形分析。对管材两端节点施加固定位移约束，即在管材两端ux，uy，uz=0[20]。由于煤层气埋藏一般在1 000 m以内，给筛管施加外载荷3 MPa，内载荷2 MPa。采用4节点四边形结构壳体单元，划分单元时两倍孔眼直径范围内的单元尺寸为2 mm×2 mm，管体其他部位为10 mm×10 mm，节点数15 379个，单元数7 586个。
3)计算结果。计算得到，HDPE筛管Von-Misses应力云图、位移云图、设计洞察结果如图2—图4所示。
图2 HDPE筛管Von-Misses应力云图
Fig.2 Von-Misses stress distribution in HDPE sieve tube
割缝筛管的最大应力值发生在割缝过渡部位，出现了应力集中现象，最大应力值43.48 MPa。出最大位移发生在条缝中部，其值为2.96 mm。塑性变形的体积占筛管实体体积的14.58%。
图3 HDPE筛管位移云图
Fig.3 Displacement distribution of HDPE sieve tube
图4 HDPE筛管设计
Fig.4 HDPE screen design insight
2.3 管柱组合
完井管柱结构：直径50 mm引鞋+直径40 mm HDPE筛管+直径57 mm推送装置，如图5所示。HDPE管材密度0.90～0.97 g/cm3，接近完井液密度，在井筒中处于悬浮状态，减少井下摩擦阻力，避免由于井底煤粉堆积造成的遇阻问题。引鞋采用密度为1.02～1.04 g/cm3尼龙材质，为实心结构，接近完井液密度，尽量保持在井眼中部，长度不宜超过12 cm，保证能够顺利通过造斜井段。HDPE筛管通过推送装置送达设计位置。
图5 HDPE筛管完井管串组合
Fig.5 HDPE screen completion pipe string combination
2.4 推送装置
1)推送装置结构。根据超短半径水平井HDPE筛管完井工艺技术存在几个难点：①由于HDPE管密度略低于完井液密度，完井液的浮力及下入过程中的摩阻，导致筛管容易触碰水平井井筒上部位，增加摩阻，HDPE管下入难度增加；②同时超短半径水平井造斜井段曲率半径小，常规管柱无法通过。需要使用特殊的推送装置将HDPE筛管送至设计位置。推送装置主要包括打捞槽、可降解尼龙球、球座、收缩式刀翼、活口接头等，如图6所示。
图6 推送装置结构
Fig.6 Push feeding device structure
2)推送装置使用。煤层气超短半径水平井完钻后起出钻具，下入直径73 mm油管至开窗位置，使用HDPE管注入机从井口油管内部下入引鞋及HDPE筛管下放至设计位置，切断HDPE管，安装推送装置并下入油管内部，推送装置与油管间隙3～4 mm，通过转换接头连接油管与循环泵，开泵后，尼龙球坐封在球座，高压推动推送装置与HDPE管进入水平裸眼井段。当推送装置离开油管瞬间循环泵压力突然降低，井口完井液返出，推送装置刀翼张开，固定在造斜段位置。如果下入遇阻，可下入直径48.26 mm油管+推送接头，推送接头与推送装置上体配合可推动HDPE筛管下入水平段井眼。如果HDPE筛管下入过程中遇阻情况无法解除，可下入直径48.26 mm油管+打捞接头，打捞接头与推送装置上体配合后可以打捞。通洗井后继续进行下入HDPE筛管作业。
3 工程应用效果分析
3.1 工程概况
山西省某一探井于2015年完井，该井采用二开井身结构，一开使用直径311.1 mm钻头，下入直径244.5 mm表层套管，二开使用215.9 mm钻头，下入139.7 mm套管(壁厚7.72 mm)，套管下深1 968.1 m。现采用超短半径水平井工艺进行8、9号煤层钻井，套管开窗铣锥尺寸直径118 mm，造斜井段钻头尺寸直径116 mm，水平钻进钻头尺寸112 mm。该井8号、9号煤厚度分别为4.3、4.7 m，分别水平钻进3个分支，设计煤层段分支长度100 m左右，实际煤层段水平进尺见表5。
表5 超短半径水平井分支进尺
Table 5 Ultra-short radius horizontal well drilling branch statistics
分支进尺/m煤层备注T134.309号煤层坍塌遇阻,无法继续钻进T2100.239号—T3100.529号—T4100.508号—T541.508号煤层坍塌,处理完卡钻事故后未继续钻进T6100.508号—
3.2 HDPE筛管完井设计
按照HDPE管柱有限元分析及摩阻扭矩分析结果，现有1.8 m曲率半径情况下裸眼井筒无法下入HDPE筛管。需要对现有井身轨迹进行重新优化，造斜井段设计曲率半径不得小于12 m，直径40 mm的HDPE筛管才能通过造斜井段，筛管距离井底预留2 m左右口袋。起下管柱使用超短半径水平井钻井作业设备，HDPE筛管与引鞋提前电熔焊接，使用专用注入机进行注入。HDPE筛管下入作业设计2套方案。
1)方案一：先下入直径73 mm油管至开窗位置，使用注入机下入HDPE管至设计长度后截断，连接推送装置。连接油管与循环管线，打开循环泵，泵送HDPE筛管至井底，推送装置出油管后卡瓦张开，锚定于套管外部裸眼地层，循环泵压力表出现压力突降，稍后井口返出完井液，作业完成。
2)方案二：如果按照方案一操作流程无法把HDPE筛管泵送至设计位置，则下入直径48.26 mm油管+推送接头，推送接头与推送装置配合后使用油管推送HDPE筛管至设计位置。如下入过程中遇阻，则下入直径48.26 mm油管+打捞接头，打捞接头与推送装置配合后可以打捞。通洗井后继续进行下入HDPE筛管作业。
4 结 论
1)煤层气超短半径水平井能够在原井筒基础上进行侧钻、改造，提高产量，相比裸眼完井，下入直径40 mm的HDPE筛管能够维护井壁稳定，防止井眼坍塌堵塞水平井井眼，为排采流体提供稳定通道。
2)HDPE筛管完井工艺具有防砂功能，能够防止大颗粒煤粉进入井筒与排采泵，减少修井频率，节约修井成本，为煤层气井稳产提供保障。
3)HDPE筛管材质为非金属高密度聚乙烯，具有显著的防腐、耐磨性能，解决了煤矿后期开发的安全隐患，具有较高的安全效益。
4)煤层气超短半径水平井完井工艺适用于低产老井改造，为低产井改造及稳产开创了一项新方法，具有很高的经济效益。
5)煤层气超短半径水平井筛管完井工艺具有广阔的发展前景，为煤层气资源勘探开发具有推动作用。
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