謝　濤，和鵬飛，岳文凱

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津　300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津　300452；3.中國石油大學（北京），北京　102200）

“U”型井鉆井技術的研究與應用

謝濤1，和鵬飛2，岳文凱3

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津300452；3.中國石油大學（北京），北京102200）

“U”型水平井由于具有排采同時進行，占地面積小、可最大限度的溝通煤層裂縫等特點而成為煤層氣開發(fā)的主要類型井。本文在對“U”型水平井特點以及鉆井難點深入分析的基礎上，提出了精確地層對比、采用先進定向工具及導向技術、優(yōu)選儲層保護鉆井液以及利用先進的連通工具等技術措施，解決了煤層氣鉆井軌跡控制難度高、鉆井復雜情況高發(fā)、儲層保護要求高、水平井與直井連通精度高等問題，有效降低了鉆井成本，節(jié)省大量作業(yè)時間，為后續(xù)煤層氣的深入開發(fā)提供了技術參考。

煤層氣；“U”型水平井；鉆具優(yōu)選；儲層保護

隨著世界能源需求的不斷增長，以煤層氣為代表的非常規(guī)能源的開發(fā)、利用，可有效緩解石油、天然氣等的消耗壓力，具有深遠的國家戰(zhàn)略意義［1，2］。有數據顯示，到2030年我國煤層氣產量有望達到900億m3，其節(jié)能效果與1個大慶油田的原油當量旗鼓相當。煤層氣開發(fā)技術先后經歷了早期常規(guī)直井、常規(guī)定向井、“U”型水平井技術（下文簡稱“U”型井）以及羽狀分支井等階段。其中“U”型井技術由于其諸多優(yōu)點而逐步被廣泛應用于煤層氣開發(fā)。

1“U”型井的特點

（1）“U”型井用水平井與其遠端的直井在井下連通，建立煤層流體循環(huán)系統(tǒng)，可以實現水平井排水和直井采氣同時進行，直井利用重力排水采氣［3］。能夠充分發(fā)揮傾斜地層流體勢能和各井的優(yōu)勢，能夠提高排水和采氣效率。

（2）占地面積小，減少井場建設。在某些作業(yè)區(qū)域，地表溝壑縱橫、地形關系復雜，利用“U”型井開發(fā)可減少大量的鉆前工程，能夠節(jié)省地面井場占地費用，有利于提高工程的總體投資綜合效益。一口“U”型井可合并減少4個井場的占地面積［4］。

（3）最大限度的溝通煤層割理裂縫，單井產量高。煤層具有低滲透率、低含氣飽和度、低壓力的特性，常規(guī)直井開發(fā)單井一般日產氣2 000 m3［5］，而利用水平井可最大限度的溝通煤層裂縫系統(tǒng)，擴大降壓范圍，降低水排出的摩阻，大幅提高單井產量，利用“U”型水平井最高產量15 000 m3/d，約為直井的10倍［6］。

2“U”型井鉆井難點

（1）軌跡控制難度大，著陸成功率低。某些區(qū)域地質資料較少，或者地層非均質性強，煤層的地層傾角、厚度、深度變化很大，導致水平井鉆井作業(yè)時軌跡難度較大，著陸點不確定性強，軌跡的實時調整要求高［7］。

（2）煤層中鉆進坍塌、井漏等復雜情況頻發(fā)。由于割理、裂隙的存在，破壞了煤巖的完整性，使煤層具有易破碎垮塌、鉆井液易漏失的特點，另外煤巖中大多存在泥頁巖夾層，泥頁巖水化膨脹后強度降低，鉆井過程中易引起井下垮塌、卡鉆，甚至井眼報廢等復雜事故［8，9］。

（3）儲層保護要求高。一方面煤基質有很強的吸附特性，當煤基質的割理被堵塞或者被液體吸附時容易造成儲層傷害，另一方面鉆井液中的固相顆粒容易充填、堵塞煤中裂縫通道，煤層的儲層傷害幾乎不可逆，因此鉆井液必須要兼顧井壁穩(wěn)定與儲層保護［10］。

（4）水平井與直井遠端對接難度較高。井眼軌跡由于受儀器測量誤差、環(huán)境因素、軌跡計算等方面的影響存在一定的不確定性，在“U”型井作業(yè)時軌跡的不確定性對水平井與直井的遠距離連通有一定的影響［11］。

表1　CLU-02V井煤層劃分表

3　技術措施

針對上述情況，現場提出了一系列對應的技術措施，同時以這些措施在沁水盆地CLU-02和SN015-5井組應用為例進行技術闡述。

3.1精確地層對比

（1）深入了解直井地層情況，優(yōu)選連通層。如某CLU-02井組中水平井原定4#煤層為目的層，直井完鉆后經測井，4#煤層厚度僅1 m，與設計存在較大差異，而8#+9#煤層厚度達4.8 m，且煤層分布比較穩(wěn)定，適合鉆水平連通井，經研究決定以8#+9#煤層作為連通目的煤層（見表1）。根據鄰井資料推測，8#+9#煤層從直井到水平井逐漸變薄并且煤層有局部起伏，所以實鉆過程中要根據實際情況實時調整設計，保證煤層鉆遇率。

圖1　CLU-02V局部測井圖

（2）標志層對比：①區(qū)域標識層，自然伽馬測井曲線（見圖1），4#煤層含夾矸（黃色虛線）可作為區(qū)域標識；②大段對比，抓大不放小，一丁點變化趨勢都要死抓不放。

3.2采用先進定向工具及導向技術

水平井采用NOV EM-MWD+DRG、直井配置Vector連通儀器連通測量工具，EM-MWD工具通過低頻電磁波信號將地下測量的井斜、方位、高邊伽馬、底邊伽馬、360°伽馬、環(huán)空壓力、鉆頭電信號等數據傳輸到地面。EM-MWD鉆具組合：152.4 mm PDC鉆頭+ 120 mm（1.5°）螺桿+120 mm定向接頭+120 mm無磁鉆鋌+120 mm無磁短節(jié)+120 mm Gap Sub+120 mm短無磁鉆鋌4 m+89 mm鉆桿+89 mm加重鉆桿。鉆進參數：鉆壓30 kN～80 kN，排量12 L/s～15 L/s，復合轉速40 r/min。通過增、降井斜的方式調整軌跡的垂深位置，鉆時、巖屑、GR和EM儀器電壓信號等實時資料判斷軌跡在煤層中的位置，從而實時調整。如SN015-5H井水平段鉆進過程中根據實鉆計算平均傾角3.90°，分析隨鉆測井曲線，得出頂板灰黑色砂質泥巖、自然伽馬100 API，底板黑灰色泥巖質、自然伽馬大于140 API，井深1 292 m之前自然伽馬位于50 API左右、鉆速較快、氣全量20%～40%，為煤巖特征，鉆進至井深1 292 m，頂伽馬比底伽馬大，鉆速降低、氣全量10%以下，判斷出現砂巖。

3.3優(yōu)選儲層保護鉆井液

儲層段鉆井液選擇原則為儲層保護+保持井壁穩(wěn)定，優(yōu)選的無固相鉆井液類型，主要成分：水+鹽+聚合物。通過與知名院校聯合研究，首次使用NaCl作為加重劑，用黃原膠、CMC、141等調節(jié)流變性和攜巖能力，剛鉆進煤層時采用低密度，當鉆進出現掉塊時逐漸提高鉆井液密度。選取同一區(qū)域內的煤心進行清水和無固相鹽水儲層保護試驗，結果（見表2），可以看出無固相鹽水的儲層損害率遠低于清水。

鉆井液性能維護方面密度與地層壓力相匹配，盡量采用低密度鉆井液，由低密度逐漸嘗試，發(fā)現掉塊，及時分析原因并采取相應的處理措施；防止壓力激動，避免大排量沖刷煤層；保證固控設備運轉良好及時清除鉆井液中有害固相物質（見表3）。

表2　鉆井液儲層保護試驗結果

表3　無固相鹽水鉆井液性能維護

3.4利用先進的連通工具

一般水平井鉆頭位置距離直井100 m左右時起鉆下入磁短節(jié)，直接連接在鉆頭后面，在旋轉過程中擾動地球磁場，下入直井中的探管在一定距離內接收到這種磁場變化，分析儀器檢測出信號相對位置，進而引導鉆頭進入靶區(qū)。RMRS（Rotary Magnetic Ranging System）全稱為旋轉磁測距系統(tǒng)，具有近鉆頭設計，RMRS磁短節(jié)直接與鉆頭相接，可以直接探測鉆頭到目標井的距離，隨著井深的增加不會產生累積誤差，RMRS測量過程中無需停鉆，節(jié)省了綜合鉆井時間。

4　應用效果

通過上述技術措施的應用，目前已成功完成三組“U”型水平井的鉆井作業(yè)，獲得了較好的結果，水平井煤層鉆遇率均在90%以上（見表4）。

表4　已鉆井煤層鉆遇率統(tǒng)計

5　結論

（1）煤層的鉆時低，利用鉆時、巖屑和氣測數據判斷是否在煤層；上下伽馬，井斜、方位等井下參數，監(jiān)測鉆頭處于煤層的位置。

（2）遠端連通，且目標煤層較深，給連通帶來困難，加密測斜，可大大降低誤差。

（3）煤層氣水平井極易出現煤層垮塌事故，結合鄰井資料、區(qū)域地層坍塌壓力與破裂壓力選擇安全鉆井液密度，盡量采用低密度、儲層傷害低的鉆井液體系，實現鉆井安全與儲層保護的有機結合。

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TE243

A

1673-5285（2016）05-0024-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.006

2016－04-08

國家科技重大專項-大型油氣田及煤層氣開發(fā)，項目編號：2011ZX05057。

謝濤，男（1981-），學士，工程師，現任中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院鉆井工程師。