鄭毅

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部, 北京101149)

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煤層氣水平連通井鉆井技術(shù)

鄭毅

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部, 北京101149)

進(jìn)一步探索山西壽陽(yáng)地區(qū)水平井開采煤層氣效果，并且結(jié)合七元礦區(qū)，為今后開采煤礦解決瓦斯問(wèn)題。中聯(lián)公司在該區(qū)域作業(yè)了多口“U”型水平井，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，對(duì)軌跡設(shè)計(jì)、井身結(jié)構(gòu)、連通技術(shù)、水平段軌跡控制、鉆井液等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)合QYN1-02H-QYN1-02V井組的作業(yè)情況，應(yīng)用了鉆井液脈沖傳輸模式、無(wú)下扶正器馬達(dá)、新型可降解聚合物鉆井液等最新技術(shù)，并取得了成功。該鉆井技術(shù)結(jié)合了地質(zhì)導(dǎo)向模擬與預(yù)測(cè)技術(shù)，為今后在該區(qū)域開發(fā)煤層氣的水平井提高井眼軌跡控制質(zhì)量、保護(hù)煤儲(chǔ)層提供參考。

煤層氣；水平井；設(shè)計(jì)；地質(zhì)導(dǎo)向；連通技術(shù)

為了進(jìn)一步探索壽陽(yáng)地區(qū)水平井開采煤層氣的效果，中聯(lián)公司決定在七元礦區(qū)實(shí)施多口水平連通井。采用了兩井對(duì)接、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、長(zhǎng)水平段、隨鉆伽馬等多項(xiàng)世界先進(jìn)鉆井技術(shù)。以壽陽(yáng)地區(qū)的多口“U”型水平井井組為例，開發(fā)15號(hào)煤層，該煤層厚度平均3.77m，含氣量7.87～14.57m3/t，平均 11.94 m3/t，埋深大部分小于 800m，區(qū)域整體資源條件較為優(yōu)秀。因此實(shí)施煤層氣水平連通井的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究背景

1.1 地理位置

七元礦區(qū)地處山西黃土高原東部，介于太原東山和太行山脈北段之間的過(guò)渡地帶，地勢(shì)為南北高、東西低，最高點(diǎn)為北部方山主峰，海拔 1492.30m，最低點(diǎn)為南部桃河上游的曉莊附近，海拔 930m，最大高差 560m，但一般高差不大，均在百米之內(nèi)。區(qū)內(nèi)中南部多被新生界的黃土所覆蓋，全區(qū)為低山、丘陵地貌，風(fēng)化嚴(yán)重，黃土僅殘存山巔或山坡，植被稀少。黃土沖溝發(fā)育，多呈 U 字型或 V 字型，樹枝狀展布。

1.2 地層情況

七元礦區(qū)鉆遇的地層為新生界、古生界，地層分層數(shù)據(jù)見表1。

表1 地層分層數(shù)據(jù)表

鉆遇地層巖性描述(主要介紹含煤層)：

1)下二疊統(tǒng)山西組是該區(qū)主要含煤地層之一，連續(xù)沉積于太原組之上。地層厚度37.66～65.20m，平均 51.29m。主要由灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰白色中細(xì)粒砂巖及煤組成，偶見薄層迭錐狀灰?guī)r。該組發(fā)育 2～3層砂巖，底部灰白色細(xì)中粒巖屑石英砂巖，與太原組分界，以細(xì)中粒砂巖為主，有時(shí)與 6號(hào)煤頂板砂巖相連，形成厚的砂體。與太原組呈整合接觸。

2)上石炭統(tǒng)太原組是該區(qū)主要含煤地層之一，連續(xù)沉積于本溪組之上。地層厚度105～148m。主要由灰白色、灰色及灰黑色的中細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤和3層石灰?guī)r組成，石灰?guī)r層位穩(wěn)定，為全區(qū)良好標(biāo)志層。底部砂巖為太原組與本溪組地層分界線，為灰白色細(xì)粒砂巖或中粗粒砂巖，有時(shí)相變?yōu)榉凵皫r，成分以石英為主含巖屑，膠結(jié)物為鈣質(zhì)及菱鐵質(zhì)，平均厚度 7.43m。

1.3 構(gòu)造特征

七元煤田的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，該煤田緊靠北北東走向的沁水拗陷北端軸部，含煤巖系呈一近東西走向、向南傾斜的單斜構(gòu)造，傾角 5～12°，在此基礎(chǔ)上發(fā)育了次一級(jí)的波幅小而寬緩的波狀起伏，三維地震解釋出一些陷落柱和一些落差較小的斷層，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。

1.4 煤層物性特征

七元礦區(qū)煤田含煤地層有太原組，山西組及下石盒子組，下石盒子組煤層不可采，無(wú)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，太原組及山西組為主要含煤地層，其中15#煤為全區(qū)普遍發(fā)育的穩(wěn)定可采煤層，區(qū)域作業(yè)的井主要開發(fā)15#煤的煤層氣。

煤田15井煤層顏色為黑-灰黑色，金剛光澤-似金屬光澤，條痕黑-灰黑色。均一狀及條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，參差狀及階梯狀斷口。煤巖成分以亮煤為主，亮煤成分約占60%，可見細(xì)條狀鏡煤條帶。內(nèi)生裂隙較發(fā)育，煤層偶見黃鐵礦結(jié)核及薄膜。各煤層真密度在1.40～1.66t/m3之間，視密度在1.28～1.69t/m3之間，自上而下有逐漸增大的趨勢(shì)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 QYN1-02H井與QYN1-02V井井組井身結(jié)構(gòu)示意圖

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求先遵循鉆井設(shè)計(jì)的基本原則，依據(jù)已知的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料，設(shè)計(jì)套管的下入深度和層次，確定出井身結(jié)構(gòu)。

1)設(shè)計(jì)主要依據(jù)地層壓力以及地質(zhì)設(shè)計(jì)書，同時(shí)對(duì)鄰井鉆井資料進(jìn)行了分析。

2)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。在安全的前提下，保證同一井段地層壓力系統(tǒng)平衡，避免出現(xiàn)噴漏在同一裸眼中； 同時(shí)也為了保證安全鉆進(jìn)，用套管封住復(fù)雜井段地層，如易漏、易垮塌、易縮徑和易卡鉆地層；確保煤層井壁穩(wěn)定，完成煤層進(jìn)尺目標(biāo)。

3)保護(hù)煤層、取全取準(zhǔn)地質(zhì)資料。同時(shí)也有效地保護(hù)煤層，盡可能使目的層不受鉆井液污染損害。

4)考慮到與常規(guī)水平井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，“U”型水平連通井還需考慮直井與水平井的連通，并且還要考慮后期的排水采氣以及煤層水平段井壁穩(wěn)定和煤層水平井段下套管固井等因素[1]。

結(jié)合上述因素，確定七元礦區(qū)QYN1-02H井與QYN1-02V井井組水平連通井的井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 井眼軌跡設(shè)計(jì)與控制技術(shù)

1)井眼軌跡設(shè)計(jì) 井眼軌跡設(shè)計(jì)主要應(yīng)從3個(gè)方面入手：一是井眼軌跡控制，為了確保兩井準(zhǔn)確連通，考慮到煤層氣井埋藏較淺的因素，可供控制的井段較短，因此必須要以合理控制井眼軌跡為主；二是該區(qū)域井設(shè)計(jì)，主要采用中曲率半徑水平井，造斜井段需要高造斜率馬達(dá)，保證著陸井段可以順利進(jìn)入主力煤層氣層；三是水平井段加壓，為了更好地減小摩阻，確保井眼軌跡光滑，整個(gè)井眼可采用直-增-水三段制軌道。

2)井眼軌跡控制 中曲率半徑水平井主要控制點(diǎn)在于二開著落井段，同時(shí)考慮到自然造斜調(diào)整軌跡設(shè)計(jì)外，還要考慮到煤礦未來(lái)的開采，要將整個(gè)水平井段控制在煤層巷道里面，以防止后期開采煤的時(shí)候挖掘到套管，產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。水平井段還需要考慮煤層段的鉆遇率，這樣可以提高后期的煤層氣的產(chǎn)量。由于以上原因，結(jié)合以前油田開發(fā)防碰軌跡設(shè)計(jì)來(lái)考慮井的位置。這種防碰設(shè)計(jì)必須考慮到是否具備一定的測(cè)斜能力。

軌跡計(jì)算方法使用的是數(shù)據(jù)組，也稱測(cè)點(diǎn)，它是由井斜角、方位角和測(cè)深所組成。測(cè)斜采用MWD傳感器，井深測(cè)量則采用游車傳感器或鉆桿長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。目前有許多測(cè)斜模型，每種模型對(duì)測(cè)點(diǎn)之間的形狀進(jìn)行了不同的假定。除切線法外，多數(shù)模型獲得的結(jié)果基本一致。最常用的井斜計(jì)算方法是最小曲率法，這種方法是假定兩測(cè)點(diǎn)之間為連續(xù)曲線，各點(diǎn)的井眼曲線與實(shí)測(cè)井斜角相切[2]。

2.3 鉆井液體系設(shè)計(jì)

根據(jù)地層巖性、井底溫度和壓力確定各井段鉆井液體系，以達(dá)到防塌、防漏、防卡及安全、快速鉆進(jìn)和保護(hù)好煤層、保護(hù)好環(huán)境的要求，在滿足這些要求的前提下盡量降低鉆井液費(fèi)用。 各井段鉆井液體系以滿足安全、快速鉆進(jìn)為出發(fā)點(diǎn)；同時(shí)兼顧保護(hù)儲(chǔ)層等因素，打開儲(chǔ)層的鉆井液體系選擇以保護(hù)好儲(chǔ)層為主要出發(fā)點(diǎn)。各井段鉆井液體系： ?311.2mm 井段，鉆井水+膨潤(rùn)土漿鉆進(jìn)，適時(shí)替稠膨潤(rùn)土漿攜砂。?215.9mm 井段，采用鉆井水鉆水泥塞后，用聚合物鉆井液鉆進(jìn)至著陸。?152.4mm 井段，采用鉆井水鉆水泥塞后，進(jìn)入新地層前替入活性水鉆井液，三開水平段采取該體系鉆井液鉆進(jìn)至完鉆。

三開水平段若清水無(wú)法正常施工，則備選可降解聚合物鉆井液(DPD鉆井液)，采用特殊聚合物降低水相活度，阻止或延緩水相與煤巖相互作用達(dá)到穩(wěn)定煤層井壁作用，下篩管后采用活性自由基降解技術(shù)，解除聚合物對(duì)煤層污染。

3 鉆井技術(shù)實(shí)施

在該礦區(qū)進(jìn)行了多口水平連通井作業(yè)，從軌跡設(shè)計(jì)、鉆具組合、軌跡控制、連通技術(shù)、鉆井液實(shí)施等方面，結(jié)合了一些新工藝，初步形成了該區(qū)域煤層氣水平連通井設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。下面以QYN1-02H為例，詳細(xì)闡述鉆井施工技術(shù)。

3.1 軌跡設(shè)計(jì)

QYN1-02H井軌跡設(shè)計(jì)如表2所示，靶點(diǎn)A為著陸點(diǎn)，靶點(diǎn)B為QYN1-02V直井煤層位置點(diǎn)。

表2 QYN1-02H設(shè)計(jì)軌跡數(shù)據(jù)表

3.2 鉆具組合及軌跡控制

一開直井段(0～58.5m)鉆具組合：?311.2mm3A鉆頭×0.30m+?177.8mm×36.36m鉆鋌(DC)×4根+?127mm×36.98m加重鉆桿(HWDP)×4根。控制鉆壓,直井段防斜打直。

二開直井段(58.5～450m)鉆具組合：?215.9mmPDC鉆頭×0.28m+?172mm(1.25°)單彎雙扶螺桿+?172mm無(wú)磁鉆鋌(NMDC)×1根+?165mmDC×6根+?127.0mmHWDP×14根+?127.0mm鉆桿(DP)。同樣考慮直井段防斜打直，井斜角控制在1°以內(nèi)。鉆井參數(shù):鉆壓40～60kN，排量30L/s，泵壓6.0MPa。

二開造斜段(450～947.25m)鉆具組合：?215.9mm 牙輪鉆頭+?172mm Motor(1.5°) ×6.84m +?172mm定向接頭(UBHO)×0.89m+?177mmNMDC×9.07m+?127mm方鉆桿(HDP)+?127mmDP。

通過(guò)鄰井三維地震數(shù)據(jù)和直井實(shí)鉆15#煤層位置，推算出著陸點(diǎn)定在820m，垂深687m左右。實(shí)際作業(yè)中，鉆進(jìn)至820m，井斜角85°，垂深685.5m，沒(méi)有遇見煤層，繼續(xù)穩(wěn)斜找煤層鉆進(jìn)，直到鉆進(jìn)到垂深699m鉆遇煤層，繼續(xù)鉆進(jìn)2m完全確定是15#煤層后，斜深920m完鉆。地層傾角不規(guī)則，局部達(dá)到5°以上，通過(guò)實(shí)鉆數(shù)據(jù)完善了該區(qū)域15#煤的地質(zhì)資料，為水平段鉆井做好基礎(chǔ)。

三開水平段(920～1654m)鉆具組合：?152.4mmPDC鉆頭×0.25m+?120mmMotor×6.81m+?120mmUBHO×0.66m+?120mmNMDC×9.82m+?89mmDP×1200m+?89mmHDP+?89mmDP。水平段采用多項(xiàng)新技術(shù)：首先是無(wú)下扶正器馬達(dá)，以防止煤層水平段卡鉆；其次采用泥漿脈沖發(fā)射信號(hào)的MWD(隨鉆測(cè)量)與隨鉆伽馬，彌補(bǔ)了以往在煤層使用電磁波MWD信號(hào)差的缺陷，可以使軌跡始終控制在主力煤層；最后結(jié)合地質(zhì)導(dǎo)向，順利完鉆，完鉆井深1654m。

3.3 地質(zhì)導(dǎo)向

地質(zhì)導(dǎo)向在煤層氣水平井作業(yè)中至關(guān)重要，結(jié)合鉆時(shí)、巖屑、氣測(cè)、伽馬曲線等來(lái)確定軌跡的走向，達(dá)到主力煤層鉆遇率。該區(qū)域15#煤層較厚，約有4.2m左右，但中間夾矸較厚，要盡量少鉆夾矸。區(qū)域煤層傾角變化大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜， 根據(jù)已鉆井的情況，傾角變化很大，且煤層厚度也可能存在一定變化，給定向鉆進(jìn)、調(diào)整造成很大的困難。通過(guò)地質(zhì)導(dǎo)向的模擬與預(yù)測(cè)，使水平井段軌跡在主力煤層鉆遇率達(dá)到100%(圖2)。

圖2 QYN1-02H井在煤層實(shí)鉆軌跡

3.4 兩井連通技術(shù)

近鉆頭電磁測(cè)距法是兩井連通中常用的技術(shù)，并且已得到廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)的硬件構(gòu)成有：強(qiáng)磁短節(jié)和測(cè)量相對(duì)距離的碳管，并且該技術(shù)要與MWD和馬達(dá)等配合使用[3]。

在連通作業(yè)中，首先在QYN1-02V直井中下入探管，同時(shí)在水平段鉆具組合中，鉆頭與馬達(dá)的連接處加上強(qiáng)磁接頭，在鉆頭處連接一個(gè)永磁短節(jié)。為了便于水平井眼順利穿過(guò)，采氣的直井要先于水平井施工。要解決兩井連通中直井軌跡漂移的問(wèn)題，應(yīng)注意直井軌跡需要使用多點(diǎn)測(cè)量，這樣可以確定裸眼洞穴點(diǎn)的坐標(biāo)和井深位置。接近洞穴時(shí)，為達(dá)到連通目的，可利用軌跡計(jì)算軟件進(jìn)行柱面法掃描，并結(jié)合三維可視圖觀察接近洞穴的變化趨勢(shì)。

3.5 井壁穩(wěn)定控制技術(shù)及鉆井液應(yīng)用

1)井壁穩(wěn)定技術(shù) 在確保兩井順利連通的前提下，要做到2個(gè)方面：一是為減少起下鉆時(shí)與煤層井壁碰撞及掛拉，鉆具的選擇應(yīng)盡量以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的組合為主，并且還要盡量縮短煤層水平段鉆井時(shí)間以及鉆井液對(duì)煤層的浸泡時(shí)間；二是為了保持煤層井壁的穩(wěn)定，應(yīng)在造斜點(diǎn)以下及水平段部分使用了井下馬達(dá)的情況下，要結(jié)合地質(zhì)情況，盡可能使井眼軌跡處于相對(duì)穩(wěn)定的煤層中。

2)鉆井液的應(yīng)用 在實(shí)際作業(yè)中，一開、二開延續(xù)了設(shè)計(jì)的聚合物鉆井液。三開水平段鉆進(jìn)，首先使用活性水鉆井液(清水+3%～5%KCl)。鉆井液密度1.08g/cm3，漏斗黏度27s，鉆至井深960m時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)尺和巖屑返出量不成比例，分析判斷為井下垮塌嚴(yán)重，且有掉塊逐漸增加的趨勢(shì)，掉塊大小2～3cm；鉆井液密度的調(diào)整由1.08g/cm3提高至1.12g/cm3，黏度沒(méi)有變化，巖屑返出量基本趨于正常，但掉塊依然沒(méi)有減少，造成鉆具上提下放遇阻嚴(yán)重，當(dāng)鉆至井深1022m時(shí)上提鉆具遇阻，提至40t左右，活動(dòng)正常，鉆至井深1045m，因?yàn)榫碌魤K較多，準(zhǔn)備短起，短起過(guò)程中，遇阻卡鉆，開泵蹩泵，上提懸重至45t左右未能起出，最后啟動(dòng)頂驅(qū)上提下放倒劃眼解卡。活性水鉆進(jìn)了125m后決定使用備用方案，使用 DPD鉆井液(清水+0.1%純堿+0.5%～0.8%可降解稠化劑)，鉆井液密度1.02～1.07g/cm3，漏斗黏度40s左右，最終順利完鉆。

后期下PE管起鉆桿至井口，洗井，用2倍井筒體積的清水替出井內(nèi)鉆井液；然后替入破膠液，關(guān)井24h，蹩壓5MPa；最后用清水替出破膠液。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)證明了以往煤層氣“U”型水平井井深結(jié)構(gòu)在該區(qū)域的適用性；同時(shí)結(jié)合在礦區(qū)開發(fā)煤層氣的局限性，對(duì)鉆井軌跡進(jìn)行了優(yōu)化；并且在作業(yè)過(guò)程中對(duì)馬達(dá)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，降低了水平段井壁不穩(wěn)定帶來(lái)的卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

2)通過(guò)鉆前三維地質(zhì)建模，結(jié)合地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，綜合地質(zhì)錄井資料，采用泥漿脈沖傳輸信號(hào)的 MWD與伽馬儀器可以較好地控制軌跡在煤層水平段中的鉆進(jìn)。

3)成熟的“U”型井遠(yuǎn)端對(duì)接技術(shù)，以及各井段的軌跡控制，是水平井作業(yè)成功的關(guān)鍵。

4)使用活性鹽水鉆井液在該區(qū)鉆井井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大，鉆井液密度對(duì)該區(qū)井壁穩(wěn)定影響不明顯，可降解聚合物鉆井液成膜護(hù)壁作用明顯，穩(wěn)定井壁能力強(qiáng)，配套破膠液現(xiàn)象明顯，后期煤層氣產(chǎn)量，還需要繼續(xù)跟蹤。

5)該區(qū)域的構(gòu)造認(rèn)識(shí)還不夠清楚，希望可以通過(guò)更多的生產(chǎn)井來(lái)補(bǔ)充三維地質(zhì)模型，為今后煤層氣開發(fā)以及煤礦開采提供指導(dǎo)。

[1]時(shí)江濤,潘華峰,楊文斌,等.河南油田直井鉆機(jī)鉆淺層水平井鉆井技術(shù)[J].鉆采工藝,2014，32(2)：11～13.

[2]饒孟余,楊陸武,張遂安, 等.煤層氣多分支水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究[J].天然氣工業(yè),2013，27(7)：52～55.

[3]包貴全.煤層氣鉆井工程中幾個(gè)重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題的探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013，40(12) ：4～8.

[編輯] 帥群

2016-01-20

鄭毅(1981-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事常規(guī)及非常規(guī)油氣田鉆井工作；zhengyi4@cosl.com.cn。

TE243.1

A

1673-1409(2016)35-0070-05

[引著格式]鄭毅.煤層氣水平連通井鉆井技術(shù)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2016,13(35):70～74.