李鑫淼， 張永勤， 尹 浩， 梁 健， 王漢寶， 李小洋， 王志剛

(中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

水平對接井鉆井技術(shù)在天然氣水合物試采中的應(yīng)用

李鑫淼， 張永勤， 尹 浩， 梁 健， 王漢寶， 李小洋， 王志剛

(中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

2016年，在祁連山凍土區(qū)完成了天然氣水合物試采水平對接井鉆井施工，針對不同井段分別制定了合理的鉆進參數(shù)及泥漿配方，采用MWD技術(shù)及慧磁中靶導向系統(tǒng)，實現(xiàn)了小曲率半徑下精準對接，將水平對接井鉆井技術(shù)成功應(yīng)用于水合物試采，取得了良好的效果。水合物試采對接井鉆井施工不同于可溶性礦藏，其對接精準度要求更高，施工難度更大，主要介紹了水合物水平對接井鉆井施工工藝的相關(guān)內(nèi)容。

凍土區(qū)；天然氣水合物；試采；水平對接井；鉆井技術(shù)；施工工藝

0 引言

水平對接井技術(shù)具有高效、經(jīng)濟、環(huán)保等特點，在水溶性礦藏、煤層氣、石油及天然氣等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。本次陸域凍土區(qū)天然氣水合物試采首次采用了水平對接井(以下簡稱對接井)方案，試采井由1口主井(SK0)及2口水平對接井(SK1、SK2)組成，水平段位于水合物主儲層，SK1、SK2井分別與SK0在井底擴穴處對接，實現(xiàn)2口水平對接井注熱、主井排水采氣的加熱降壓開采模式。與以往的單井開采相比，對接井穿過水合物主儲層，與礦體接觸面積更大，增加水合物分解釋放自由度，目的在于有效地增加水合物的開采量，提高水合物開采效率，達到增產(chǎn)的效果[5]。

1 地質(zhì)條件

對接井施工區(qū)域地層相對復雜，我單位已經(jīng)在此區(qū)域進行了多個孔位的鉆探取心，從取心情況來看，地層以砂巖和粉砂巖為主，夾頁巖、斷層泥和煤層，易出現(xiàn)縮徑、坍塌、掉塊等現(xiàn)象，地層的巖性及特征如表1所示。

表1 地層巖性及特征[6]

2 井身結(jié)構(gòu)

本次試采井SK0、SK1及SK2井均設(shè)計了3層套管，SK0井設(shè)計了?219.1 mm套管(?311 mm鉆頭)、?177.8 mm套管(?200 mm鉆頭)及?139.7 mm套管(?152 mm鉆頭)，SK1及SK2井套管設(shè)計包括?219.1 mm套管(?311 mm鉆頭)、?139.7 mm套管(?152 mm鉆頭)及?73 mm套管(?118 mm鉆頭)，試采對接井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。?219.1 mm表層套管主要用于隔離含水層，防止孔口坍塌，?139.7 mm套管作為技術(shù)套管使用，隔離中間井段易出現(xiàn)坍塌、掉塊、縮徑地層，保護井身，?73mm套管作為生產(chǎn)套管，主要用于對水合物分解氣進行開采。對接井水平段垂直深度345 m左右，根據(jù)以往木里地區(qū)水合物鉆探取心情況，水合物富集層主要分為三層，345 m層段為水合物的主要富集層，巖性以砂巖為主，巖性完整，出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的機率低[7]，鉆井施工難度較小，綜合分析對接井水平段設(shè)計深度345 m為最佳選擇，降低鉆井風險，提升水合物開采量。

圖1試采對接井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3 井身軌跡

水平對接井SK1及SK2井身軌跡均設(shè)計為三段式，即直井段、造斜段及水平段。SK1井造斜段包括一次增斜、降斜及二次增斜，井深95 m開始造斜，一次增斜鉆進曲率控制在10.5°/30 m左右，增斜鉆進至300 m左右井斜增至64°，開始降斜，降斜鉆進曲率控制在9°/30 m左右，一直降斜鉆進至孔深340 m，穿過第一層水合物，然后按增斜鉆進曲率9°/30 m左右開始二次增斜至下一水合物富集層，SK1井最大井斜83°，水平段設(shè)計很短，最終在主井SK0井底擴穴處實現(xiàn)對接。SK2井造斜段設(shè)計為持續(xù)增斜，井深80 m開始造斜，增斜鉆進曲率控制在10°/30 m左右，造斜結(jié)束后著陸點控制在水合物主采層頂板，SK2井最大井斜90°，對接井井身軌跡如圖2所示。

4 對接井鉆探施工

對接井施工主要包括主井井底擴穴、水平對接井施工、下生產(chǎn)套管、封閉井口、洗井等。

4.1 鉆探設(shè)備及器具

主要設(shè)備及器具包括：HXY-6BⅡ型立軸式鉆機、XY-5型立軸式鉆機、TBW-1200/7B型泥漿泵、BW-320型泥漿泵、YC6MK420L-D20型發(fā)電機、150GF發(fā)電機、慧磁中靶引導系統(tǒng)、測井絞車、旋流振動除砂器、單彎?120 mm螺桿鉆具、單彎?95 mm螺桿鉆具、?89 mm鉆桿、?73 mm鉆桿、?120 mm螺旋鉆鋌、?120 mm無磁鉆桿、?105 mm無磁鉆桿、定向短節(jié)、強磁接頭、磁測探管、測井絞車等。

4.2 鉆具組合

本次水平對接井SK1、SK2三級鉆孔口徑設(shè)計相同，一開直井段鉆具組合：?311 mm牙輪鉆頭+?120 mm螺旋鉆鋌+?89 mm石油鉆桿；二開直井段鉆具組合：?200 mm牙輪鉆頭+?120 mm螺旋鉆鋌+?89 mm石油鉆桿；二開造斜段鉆具組合：?200 mm PDC鉆頭+5LZ127×7.0 L(1.75°、1.50°)單彎螺桿+定向短節(jié)+?120 mm無磁鉆桿+?89 mm石油鉆桿；三開水平段鉆具組合：?118mmPDC鉆頭+強磁接頭+5LZ95×7.0 L(1.50°)單彎螺桿+定向短節(jié)+?105 mm無磁鉆桿+?73 mm鉆桿。

圖2對接井井身軌跡

4.3 鉆進參數(shù)

一開直井段采用?311 mm牙輪鉆頭復合鉆進，鉆壓2～5 kN，泥漿泵排量1000～1200 L/min，轉(zhuǎn)速采用96～170 r/min低轉(zhuǎn)速。適當調(diào)整鉆壓，控制進尺速度，采用大排量攜帶巖屑，保持孔底清潔，利用鉆鋌孔底加壓，保證鉆孔垂直度，使井徑規(guī)則有序，提高鉆孔質(zhì)量。

二開直井段及造斜段采用?200 mm牙輪鉆頭及PDC鉆頭鉆進，直井段采用?200 mm牙輪鉆頭復合鉆進，造斜段及水平段均采用螺桿鉆具及PDC鉆頭完成，進入造斜段鉆進后，鉆孔沒有設(shè)計復合鉆進，采用滑動鉆進方式，鉆壓10～15 kN，排量800～1000 L/min，泵壓2～6 MPa。隨時關(guān)注泵壓的變化，了解孔內(nèi)實時情況。進入造斜段以后，由于采用滑動鉆進方式，每次加鉆桿前要進行2～3次劃眼，保證孔內(nèi)干凈井眼暢通，同時增加泥漿護壁的效果，提高井壁穩(wěn)定性。

三開水平段采用?118 mm PDC鉆頭，鉆壓15～20 kN，排量600～800 L/min，泵壓3～8 MPa，進入水平段以后，及時調(diào)整螺桿工具面，沿水平對接井設(shè)計軌跡鉆進，直到與主井對接成功。水平段上井壁穩(wěn)定性下降，由于地層易出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，每次加接鉆桿前都要進行劃眼操作，專人負責看護泥漿泵，泵壓過高或過低表明孔內(nèi)鉆具或者地層發(fā)生了變化，現(xiàn)場技術(shù)人員應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)泵壓的變化，判斷孔內(nèi)情況，采取應(yīng)對措施。

4.4 主井擴穴

水合物地層的對接連通不像可溶性礦施工容易，可溶性礦在對接之前可以事先通過水溶的方式建立一個小溶腔，通常直徑可到1～2 m左右，而水合物地層的對接只能通過設(shè)計基巖擴孔鉆頭在孔底進行擴穴，進而實現(xiàn)對接。

主井擴穴主要應(yīng)用我所自行研制的PDC雙翼式擴穴鉆頭完成，擴穴直徑達到500 mm，擴穴的位置在主井SK0下部342～345 m處，配合高密度泥漿將擴穴產(chǎn)生的巖粉上返，主井380～400 m用于沉淀無法上返的大顆粒巖屑，345～380 m用于下放潛水泵以及沉淀后續(xù)洗井時產(chǎn)生的小顆粒巖粉。擴穴鉆頭在下井前要進行試壓，確定合適的泵壓及排量，確保擴穴鉆頭的雙翼可以順利地張開及回收，方可下入井內(nèi)進行擴穴施工。擴穴時先將擴穴鉆頭下到342 m處，先回轉(zhuǎn)再開泵，回轉(zhuǎn)擴穴一段時間后，待雙翼全部打開再施加鉆壓向下擴穴鉆進，合理控制鉆壓，防止鉆壓過大損壞鉆頭雙翼，控制擴穴進尺速度，給巖屑上返留有足夠的時間。

4.5 水平井與主井對接

水平對接井鉆井主要采用MWD(Measuring While Drilling)技術(shù)對井眼軌跡進行控制，造斜段及水平段鉆井利用單彎螺桿鉆具及PDC全面鉆頭等完成，水平段鉆孔直徑小，磁信號接收距離短，確定鉆孔偏離距離后可用來調(diào)整的空間很窄，因此，中靶精度要求高，必須控制誤差<15 cm。鉆進時對井下的井斜、方位、工具面等數(shù)據(jù)信號進行采集，數(shù)據(jù)上傳到電腦中進行解析，確定鉆頭的走向，調(diào)整工具面使鉆頭按照預(yù)定的軌跡鉆進。鉆進至距離主井SK0(靶井)50 m時，采用慧磁中靶導向系統(tǒng)，在主井SK0內(nèi)下入磁測探管，用于捕捉強磁接頭產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁信號，逐步縮小測量間距，進行精準測量與計算，近20 m后一米一測，以測量的結(jié)果來引導下一步鉆進方向。鉆頭與靶點的距離在50 m時，測得的距離值即可精確到分米級，在靶井中的探管可捕獲到有效信號，可解析出偏離的方向偏差和鉆頭與靶點之間的距離。實施精準對接時要提前檢修泥漿泵，保證泥漿泵工作正常，排量穩(wěn)定，防止排量不穩(wěn)造成螺桿轉(zhuǎn)速不均，影響旋轉(zhuǎn)磁信號的準確度[8]。隨著鉆頭逐漸趨近于靶點，信號質(zhì)量越來越高，測量的精度也不斷地提高，直至鉆頭進入靶區(qū)，實現(xiàn)精準對接。本次水平井SK1、SK2采用慧磁中靶導向系統(tǒng)均實現(xiàn)了一次性對接成功，主要現(xiàn)象為主井SK0井口返漿，如圖3所示。

圖3 主井SK0井井口返漿

4.6 下套管、封閉井口及洗井

考慮到地層不穩(wěn)定性，采用先下套管后洗井的方式，套管為實管和篩管的組合形式，其中水合物層為篩管，目的在于使水合物分解產(chǎn)生的氣體快速、順利地上升至井口。主井SK0 ?139.7 mm套管初次下放位置為340 m，距離擴穴上部2 m，目的在于減輕鐵磁性物質(zhì)對井內(nèi)磁測探管接收數(shù)據(jù)的影響，保證數(shù)據(jù)傳輸與解析的精準度，待2口水平井完成對接后，再將SK0井?139.7 mm套管一直下到井底。考慮到水平井斜度大，設(shè)計了聚乙烯錐形導向頭，用于減輕套管下放時的阻力，?73 mm生產(chǎn)套管下部連接有2 m長無磁套管，用于減輕套管磁場對主井內(nèi)磁測探管接收信號的影響，保證下一口水平井對接時測量數(shù)據(jù)的準確度。SK0、SK1及SK2井各級套管的規(guī)格及長度數(shù)據(jù)見表2，累計下放套管2613 m，均一次性下放成功。表層?219.1 mm套管水泥固井，將井口多層套管之間焊接密封，主要以?73 mm生產(chǎn)套管進行氣體采集。試采之前洗井，采用清水洗井方式，將套管內(nèi)泥漿、泥皮沖洗干凈，使篩管通氣孔裸露，為水合物分解氣運移提供良好的通道。

表2 套管的規(guī)格及長度

5 泥漿的配方及性能

本次試采井施工區(qū)域地層復雜，易出現(xiàn)坍塌、掉塊、縮徑、水化剝落等現(xiàn)象，這對泥漿的性能提出了較高的要求，泥漿應(yīng)具有良好的防塌及護壁性能，失水量要小，能夠抑制水敏性地層的水化現(xiàn)象，具有較好的攜粉及潤滑性能，保證井眼清潔，防止出現(xiàn)沉砂及巖屑床[9]。另外，螺桿鉆具內(nèi)部結(jié)構(gòu)極易磨損，泥漿在滿足攜粉護壁要求的前提下，含砂量要小，現(xiàn)場配備了旋流振動除砂器，對上返泥漿進行除砂，降低螺桿內(nèi)部軸承及橡膠套的磨損，減少孔內(nèi)巖屑床的形成機率。

不同深度、不同地層、不同口徑所選擇的泥漿配制方法不盡相同，針對不同的地層情況分別制定了泥漿配制方法，由于本次對接井施工采用滑動鉆進的方式配合孔底動力鉆具完成，鉆壓傳遞效率低，要求泥漿的潤滑性能要好，降低起下鉆時卡鉆的可能性。隨著鉆孔深度的加深，合理控制泥漿密度，平衡地層壓力，防止壓力釋放造成塌孔等孔內(nèi)事故。對2015年SK2井造斜段施工泥漿應(yīng)用情況進行了總結(jié)，針對鉆探施工中地層易出現(xiàn)的問題，對泥漿配方中處理劑的選擇及用量進行了有針對性的考量，在原來基礎(chǔ)上新增了磺化酚醛樹脂及石墨粉2種處理劑，目的在于提高泥漿的降失水及潤滑性能，減少鉆桿與井壁之間的摩擦阻力，防止粘鉆、卡鉆等現(xiàn)象的出現(xiàn)，改進后的泥漿配方應(yīng)用效果良好，為水平井成功對接打下了堅實的基礎(chǔ)，水平對接井泥漿配制方法見表3，泥漿性能參數(shù)見表4所示。

表3 泥漿配制方法

表4 泥漿性能參數(shù)

6 水合物對接井試采

2016年10月份開展了水合物對接井試采工作，試采共計進行23 d，產(chǎn)氣總量達到1078.4 m3。2011年，我單位在此區(qū)域已經(jīng)完成了水合物單直井試開采，累計采氣101 h，收集水合物分解氣95 m3。與2011年單直井開采相比，本次對接井試開采產(chǎn)氣量提高了10倍，產(chǎn)氣效率提高了1倍，從以往數(shù)據(jù)對比情況來看，采用對接井的方式進行水合物試開采切實有效地達到了增產(chǎn)的效果，產(chǎn)氣效率也得到了明顯提高。

7 結(jié)論

(1)水平對接井鉆井技術(shù)在水合物試采中得到了成功應(yīng)用，與2011年水合物單直井開采相比，產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣效率均得到了明顯提高，達到了增產(chǎn)的目的。

(2)本次水平井對接中靶精度要求高，鉆進時通過對井斜、方位、工具面等數(shù)據(jù)采集與解析，指引鉆頭按照預(yù)定的軌跡鉆進，采用慧磁中靶引導系統(tǒng)，最終實現(xiàn)水平對接井與主井的精準對接。

(3)針對不同地層分別制定了泥漿配制方法，提高了泥漿的護壁及潤滑性能，合理控制泥漿含砂量，減輕了螺桿鉆具及鉆桿與井壁之間的磨損，降低了孔內(nèi)巖屑床的形成機率，對孔內(nèi)事故起到了有效的預(yù)防作用。

(4)水平對接井鉆井時，注意觀察泥漿泵泵壓的變化，通過泵壓值分析孔內(nèi)情況，指導下一步鉆井施工。

[1] 周鐵芳，趙建亞，向軍文.采鹵對接井鉆井技術(shù)的研究[J].探礦工程，1995，(1):6-10，17.

[2] 任美洲.大佛寺井田煤層氣水平對接井鉆井技術(shù)研究[D].陜西西安：西安科技大學，2012.

[3] 郝世俊，石智軍，葉根飛，等.對接井鉆進工藝研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2000，28(3)：62-64.

[4] 張明，何滿潮，王慶曉.河南桐柏采堿對接井施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，(5):52-54.

[5] 張永勤，李鑫淼，李小洋，等.凍土天然氣水合物開采技術(shù)進展及海洋水合物開采技術(shù)方案研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016，43(10)：154-159.

[6] 李鑫淼，張永勤，梁健，等.凍土區(qū)天然氣水合物試采對接井沖洗液技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016，43(12):28-32.

[7] 蔡記華，岳也，曹偉建，等.鉆井液潤濕性影響頁巖井壁穩(wěn)定性的實驗研究[J].煤炭學報，2016，41(1):228-233.

[8] 陳劍垚，胡漢月.SmartMag定向鉆進高精度中靶系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(4):10-12.

[9] 張永勤，孫建華，趙海濤，等.高原凍土水合物鉆探?jīng)_洗液的研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(9)：16-19.

ApplicationofDrillingTechnologyofHorizontallyButtedWellforGasHydrateTrial-producing/

LIXin-miao,ZHANGYong-qin,YINHao,LIANGJian,WANGHan-bao,LIXiao-yang,WANGZhi-gang

(The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China)

In 2016, trial-producing horizontally butted well of gas hydrate was carried out in permafrost area, Qilian Mountain. Reasonable drilling parameters and mud formula have been made according to the different well sections. Precise docking has been realized under small curvature radius by using the MWD technology and SmartMag target-hitting guide system. Drilling technology of horizontally butted well has been successfully applied to gas hydrate trial-producing and good results has been achieved. The drilling construction of horizontally butted well for gas hydrate trial-producing is different from that for dissolvable minerals, which requires a higher accuracy on connection and is also more difficult to be put into effect. This paper mainly introduces the drilling construction technology of horizontally butted well for gas hydrate trial-producing.

permafrost area; gas hydrate; trial-producing; horizontally butted well; drilling technology; construction technology

P634.7；TE243

：A

：1672-7428(2017)08-0013-05

2017-01-12；

：2017-07-19

中國地質(zhì)調(diào)查局國家海洋地質(zhì)專項子項目“陸域天然氣水合物試采技術(shù)與工程”(編號：GZH201400307)

李鑫淼，男，漢族，1985年生，碩士，主要從事與鉆探工程有關(guān)的科研工作，河北省廊坊市金光道77號，lixinmiaosmile@163.com。