范偉順,劉元忠,馬登賢,鄭成光,張景遠(yuǎn),孫振興

(1.山東科技大學(xué),山東 青島 266590;2.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東省地礦局有色金屬礦找礦與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 日照 276826)

0 引言

煤層氣水平井技術(shù)是低滲透和超低滲透煤層氣經(jīng)濟(jì)高效開采的有效途徑之一,是利用特殊的井底動(dòng)力工具與隨鉆測(cè)量?jī)x器,鉆成井斜角大于86°,并保持這一角度鉆進(jìn)一定長(zhǎng)度井段的定向鉆井技術(shù)。水平井鉆井技術(shù)包括隨鉆測(cè)量技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)、井壁穩(wěn)定技術(shù)、鉆井完井液技術(shù)等。

煤層氣資源開發(fā)利用助力“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)。煤層氣資源是不可多得的低碳、清潔、過渡性氣體能源,與煤伴生、共生的氣體資源,俗稱“瓦斯”,熱值高于通用煤1～4倍[1],1m3純煤層氣的熱值相當(dāng)于1.13kg汽油、1.21kg標(biāo)準(zhǔn)煤,其熱值與天然氣相當(dāng),其高效利用可有效地減少高碳能源(煤炭)的利用,可有效地減少碳排放,有效利用可使甲烷的溫室效應(yīng)降低近二十倍,可有效地推動(dòng)“碳達(dá)峰”前的高碳能源的過渡性的清潔替代[2-3]。

沁水盆地位于華北地臺(tái)西部,是我國(guó)最大的構(gòu)造聚煤盆地,也是國(guó)家勘探開發(fā)煤層氣首選的重點(diǎn)地區(qū)之一[4]。山西鄭莊區(qū)塊,位于沁水盆地南部區(qū)內(nèi)地形為丘陵山地,溝谷發(fā)育,切割較深,地面海拔800～900m。本文以山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院利用TSJ-3000水源鉆機(jī)在該區(qū)塊施工的ZS6-15-3L型水平井為例論述。ZS6-15-3L型水平井,著陸點(diǎn)垂深990.01m,完鉆井深2033.94m,目的層位山西組3#煤,完鉆層位山西3#煤,完鉆原則鉆至靶點(diǎn),保證煤層進(jìn)尺850m左右。

沁水盆地為中生代末形成的構(gòu)造盆地[5]:元古界、太古界為盆地基底;古生界、中生界組成盆地的構(gòu)造層,包括震旦系,寒武系,奧陶系下、中統(tǒng),石炭系上統(tǒng),二疊系,三疊系及局部殘存的侏羅系;新生界不整合覆蓋于盆地之上。盆地最深處奧陶系頂面深約2500m。

1 地質(zhì)概況

主要層系以及礦產(chǎn)如下:本溪組:由海陸交替相泥巖、砂質(zhì)泥巖、黏土巖、石灰?guī)r、褐鐵礦層夾煤線組成,組厚10～50m。太原組由海陸交替相砂巖、泥巖、石灰?guī)r和煤層組成,組厚50～150m。一般含煤層7～10層,其中3～5層可采,可采煤層總厚度4～10m,北厚南薄。

山西組:由陸相及濱海相砂巖、泥巖夾煤層及薄層石灰?guī)r組成,組厚40～110m。含煤層3～6層,其中2～4層可采,可采煤層總厚度2～7m。下石盒子組:由陸相砂巖、泥巖,底部夾煤線1～2層緩成,組厚90～214m。鄭莊區(qū)塊地層按形成時(shí)間由老至新包括下古生界奧陶系中統(tǒng)峰峰組、上古生界石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組、中生界三疊系、新生界第三系、第四系。

依據(jù)山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院近年來在鄭莊區(qū)塊鉆資料,區(qū)內(nèi)大部被第四系黃土覆蓋,底界深度24m,厚度20.80m,頂部黃色砂質(zhì)黏土為主、中、下部含砂礫石層,與下伏地層呈不整合接觸。石千峰組,底界深度289m,厚度265m,由灰綠色泥巖,砂質(zhì)泥巖,灰綠色細(xì)砂巖,灰白色中砂巖組成,與下伏上石盒子組呈整合接觸。上石盒子組,底界深度810m,厚度521m,由灰綠色、淺灰色粉砂巖,灰色泥巖,砂質(zhì)泥巖,粉砂巖,淺灰色細(xì)砂巖,灰白色中砂巖組成,與下伏下石盒子組呈整合接觸。下石盒子組,底界深度970m,厚度160m,由深灰色泥、砂質(zhì)泥巖,淺灰色粉砂巖組成,與下伏山西組呈整合接觸。山西組,底界深度2016m(未穿),厚度1046m,主要由灰黑色、深灰色泥巖、粉砂巖,灰色、灰白色細(xì)砂巖,黑色煤組成。與下伏地層整合接觸。

鄭莊區(qū)塊主要開發(fā)產(chǎn)氣層為山西組3#煤層,該煤層位于地表下500～800m,厚4～5m,厚度穩(wěn)定,呈現(xiàn)出由南向北緩慢遞增的趨勢(shì),煤層氣儲(chǔ)量十分可觀,52口直井3#煤層排水試氣,日平均產(chǎn)氣2×104m3。山西組:為陸表海背景之上的三角洲沉積,一般有三角洲前緣河口砂壩、支流間灣逐漸過渡到三角洲平原相。地層由深灰色—灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾煤系地層組成,底部普遍發(fā)育灰色中細(xì)粒砂巖、含細(xì)礫粗砂巖,厚度34～72m,一般60m左右。與下伏太原組呈整合接觸。山西組存在有4層煤層,按照從上到下的順序進(jìn)行編號(hào),3#煤層厚度相對(duì)較厚,且分布廣泛、煤層穩(wěn)定,作為鄭莊區(qū)塊的主力煤層進(jìn)行開發(fā)。本組與下伏太原組K6頂-K7砂巖底構(gòu)成一個(gè)完整的進(jìn)積型三角洲旋回[6-7]。

電性特征:自然伽馬曲線顯示煤為塊齒狀低值;泥巖為齒狀、尖峰狀高值;砂巖為塊齒狀、尖谷狀低值。深淺雙側(cè)向曲線大多重合,局部小—中幅正差異,煤為塊齒狀高阻,泥巖為淺齒狀低阻,砂巖為尖峰狀中高阻[8]。

2 關(guān)鍵鉆井技術(shù)優(yōu)化

2.1 井身結(jié)構(gòu)

一開鉆進(jìn)選用套管尺寸D311.2mm牙輪鉆頭,鉆穿基巖風(fēng)化帶20m后,且井深不小于60m下D244.5mm表層套管,封固地表疏松層、礫石層。下入深度約59m,注水泥全封固。施工過程中因上部地層漏失,將表層套管深下,以封隔上部易漏層位,為二開安全施工提供保障,井身結(jié)構(gòu)示意圖1。

圖1 井身結(jié)構(gòu)示意圖

二開選用D215.9mm鉆頭,鉆至井深2033.94m,下入D139.7mm套管,水泥封固段為地面-1159m(封隔器位置)。封隔器應(yīng)放置于3#煤層頂板泥巖內(nèi),確保固井水泥漿不進(jìn)入煤層,井深結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表1。

表1 井深結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

2.2 井眼軌跡控制

水平井井眼軌跡控制是水平井鉆井中的關(guān)鍵,是將水平井鉆井理論、鉆井工具儀器和施工作業(yè)緊密結(jié)合在一起的綜合技術(shù)。水平井主井眼一般采用“單彎螺桿鉆具+近鉆頭隨鉆測(cè)井儀(LWD)”的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合鉆進(jìn)[9-10]。首先利用前期地震的資料建立區(qū)塊的地質(zhì)模型,然后利用隨鉆監(jiān)測(cè)到的儲(chǔ)層伽馬參數(shù)來修正地質(zhì)模型并調(diào)整井眼軌跡。另外,可以結(jié)合綜合錄井儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的鉆時(shí)和泥漿返出的巖屑,判斷鉆頭是否穿出煤層。鉆進(jìn)過程中建立工程和地質(zhì)相結(jié)合的的導(dǎo)向模式,堅(jiān)持少滑動(dòng)、多轉(zhuǎn)動(dòng)、微調(diào)和勤調(diào)的原則。

根據(jù)測(cè)井資料優(yōu)選儲(chǔ)層段,合理設(shè)計(jì)井斜角、井深剖面、曲率半徑、造斜點(diǎn)、著陸點(diǎn)、井眼方位等參數(shù)(圖2)。直井段測(cè)斜間距小于等于50m,造斜及扭方位段應(yīng)單根記錄一次,其余井段測(cè)斜間距小于30m。直井段井眼軌跡井斜小于等于2°,全角變化率小于等于1.2°/30m,位移小于等于10m,造斜段全角變化率不超過設(shè)計(jì)值3°/30m,穏斜段不超過設(shè)計(jì)井斜角5°。自二開開始采用LWD或MWD測(cè)井,項(xiàng)目包含自然伽馬,水平井段連續(xù)測(cè)量,著陸后,鉆井水平段853.94m。

圖2 井眼軌跡控制過程圖

2.3 鉆具組合

(1)二開鉆具組合力學(xué)分析

套管內(nèi)摩擦系數(shù)0.20,裸眼摩擦系數(shù)0.25,泥漿密度1.05g/cm3,設(shè)計(jì)滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆壓20～40kN,旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆具扭矩7.83kN·m,鉆壓40～60kN,鉆具組合力學(xué)分析結(jié)果見表2。井眼軌跡剖面、鉆具組合以設(shè)計(jì)為準(zhǔn)。分析工況:起鉆、下鉆、鉆柱旋轉(zhuǎn)(鉆頭有鉆壓與無鉆壓)、滑動(dòng)鉆進(jìn)。

表2 鉆具組合力學(xué)分析表

(2)下套管摩擦阻扭矩分析

套管內(nèi)摩阻系數(shù)0.20,裸眼摩阻系數(shù)0.25,鉆井液密度1.05g/cm3,在下套管過程中523～632m發(fā)生螺旋屈曲,摩阻最大134.5kN,套管有效重量為207.15kN,下套管前加足液體和固體潤(rùn)滑劑以降低摩阻[11-12],在發(fā)生遇阻時(shí),應(yīng)大幅度活動(dòng)套管,多方向活動(dòng)套管,輕壓慢放,保證順利下入,下套管摩擦阻扭矩分析見表3。

表3 鉆具組合摩擦阻扭矩分析表

(3)優(yōu)化鉆具組合

鉆具組合應(yīng)適當(dāng)減小第一穩(wěn)定器至鉆頭的距離,盡量不改變鉆鋌的長(zhǎng)度,即不使用特制的鉆鋌。鉆井參數(shù)的優(yōu)選應(yīng)遵循以下原則:適當(dāng)減小鉆壓,但不能低于破巖的正常鉆壓;適當(dāng)提高鉆頭轉(zhuǎn)速,增強(qiáng)鉆頭對(duì)井眼低邊的切削,ZS6-15-3L井鉆具組合表4。

表4 ZS6-15-3L鉆具組合

3 泥漿技術(shù)應(yīng)用

3.1 鉆井液施工工藝

(1)一開鉆進(jìn):使用膨潤(rùn)土漿,本井段所鉆地層為砂質(zhì)黏土、砂礫、膠結(jié)疏松,鉆井液體系為高粘度膨潤(rùn)土漿[13],ZS6-15-3L鉆井液配方見表5,密度1.02～1.04 g/cm3,失水FV 35～50s。

表5 ZS6-15-3L一開鉆井液配方

一開鉆井液配制:膨潤(rùn)土量1000kg、IND30量100kg配備膨潤(rùn)土漿80m3。經(jīng)充分預(yù)水化性能達(dá)到使用要求:密度1.02g/cm3、粘度40s開始一開鉆進(jìn)。

一開鉆進(jìn)正常沒有發(fā)生明顯漏失。

鉆完一開進(jìn)尺采用60s高粘IND30鉆井液充分循環(huán)洗井[14-16],確定井筒內(nèi)清洗干凈后起鉆。下表層套管作業(yè)順利,固井正常,水泥返出地面。

一開井身結(jié)構(gòu):Φ244.5 mm套管×59.00 m;Φ311.2 mm鉆頭×60.00 m。

(2)二開鉆井液性能:二開井段鉆頭尺寸:215.9mm,著陸點(diǎn)前(60.00～1180.00m)該井段采用聚合物鉆井液體系,適當(dāng)控制失水,加強(qiáng)抑制性,增強(qiáng)井壁穩(wěn)定,ZS6-15-3L鉆井液配方見表6。

表6 ZS6-15-3L二開鉆井液配方

二開鉆井液配制:在一開鉆井液基礎(chǔ)上,加入處理劑NPAN-21000 kg、IND30 200kg。調(diào)整鉆井液性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,進(jìn)行二開鉆進(jìn),ZS6-15-3L鉆井液性能見表7。

表7 ZS6-15-3L鉆井液性能

鉆井液性能密度1.03～1.06g/cm3、粘度35～40s。

本井上部井段地層較硬鉆速較慢,井深120m開始定向造斜,隨井斜增加,剝蝕、掉塊增加且掉快較大,定向造斜困難,進(jìn)尺緩慢,增加定向鉆進(jìn)卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。定向鉆進(jìn)中需要勤加活動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具,提高鉆井液粘度、增加循環(huán)時(shí)間防止卡鉆發(fā)生。

本井井深1180m著陸見煤,清理鉆井液罐更換可降解聚膜鉆井液體系[17-18]。

3.2 可降解聚膜鉆井液配制

配方:清水+0.3%可降解IND30[19]。

起鉆、放掉循環(huán)罐鉆井液清理鉆井液罐,加清水使用可降解IND30,200kg配可降解鉆井液80m3。充分循環(huán)溶解,調(diào)整鉆井液性能密度1.01 g/cm3、粘度42s,下鉆頂替出井內(nèi)鉆井液,及時(shí)補(bǔ)充清水,按比例、按循環(huán)周補(bǔ)加可降解IND30調(diào)整鉆井液性能密度1.01 g/cm3,粘度38s進(jìn)行煤層段鉆進(jìn)。

煤層段鉆進(jìn),隨井深增加按0.3%加量,補(bǔ)充可降解IND30維護(hù)鉆井液性能,保持井壁穩(wěn)定和鉆井液有效攜砂。

鉆井液性能:密度1.01～1.06g/cm3、粘度35～40s。

本井鉆進(jìn)過程中,由于定向困難粘卡嚴(yán)重鉆時(shí)慢,增加了數(shù)趟短起下鉆。增加了IND30使用量,使鉆井液性能滿足煤層鉆進(jìn)需要。

鉆進(jìn)至1180m著陸見煤,著陸點(diǎn)1180m,垂深990.01m,井斜78.58°,方位119.2°,閉合距322.45m。著陸后起出煤層段循環(huán),轉(zhuǎn)換可降解聚膜鉆井液[20],不適用任何其他添加劑,嚴(yán)格按工程設(shè)計(jì)執(zhí)行。

4 綜合鉆井技術(shù)分析應(yīng)用

(1)一開鉆進(jìn)

組合一開鉆具,鉆具結(jié)構(gòu)為:Φ311.2mmPDC鉆頭+Φ203mm螺桿+631/410接頭+411/4A10+Φ165mmDC×5根,鉆至60.00m,完成一開。一開完鉆后為順利下入套管充分循環(huán),并泵入高粘鉆井液清洗井底,高粘泥漿返出后起鉆。下入Φ244.5mm套管×鋼級(jí)J55×壁厚8.94mm×扣型LTC×長(zhǎng)度59.00m。下完套管固井注水泥漿5.5m3,水泥漿密度1.83g/cm3,替清水2.20m3,水泥漿返出地面。下鉆探塞鉆塞,塞面40.00m,塞厚20.00m。

(2)二開鉆進(jìn)

驗(yàn)收合格后二開,鉆具結(jié)構(gòu):Φ215.9mmPDC鉆頭+1.5°單彎螺桿+MWD接頭+Φ127mmHWDP×1根+Φ127mmDP。鉆至井深120m開始定向鉆進(jìn)。通過復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)相結(jié)合確保隨時(shí)校正井斜、方位,確保井眼軌跡達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

該井于120m開始定向造斜(圖3),鉆進(jìn)至1180m著陸見煤,著陸點(diǎn)1180m,垂深990.01m,井斜78.58°,方位119.2°,閉合距322.45m(圖4)。著陸后起出煤層段循環(huán),轉(zhuǎn)換可降解聚膜鉆井液,無任何其他添加劑,嚴(yán)格按工程設(shè)計(jì)執(zhí)行。

圖3 ZS6-15-3L實(shí)鉆水平垂剖面圖

圖4 ZS6-15-3L井實(shí)鉆水平投影圖

該井主眼進(jìn)2033.94mm,水平進(jìn)尺853.94m,其中純煤進(jìn)尺853.94m,鉆遇率100%(圖5)。

圖5 ZS6-15-3L井三維立體投影圖

(3)通井、下套管

完鉆后,更換常規(guī)鉆具通井至井底,打封閉漿起鉆。下入φ139.7mm套管,管串組合:浮鞋+139.7mm篩管+139.7mm套管串P110+封隔器+139.7mm套管串N80+聯(lián)入。套管下深:2032.50m,套管總長(zhǎng):2027.74m,封隔器位置:1154.20～1159.00m。

(4)固井、電測(cè)

下完套管打通、循環(huán)洗井后。隨后泵入前置液4m3,注入G級(jí)低密度水泥27.0m3,最大密度1.43 g/cm3,最小密度1.38 g/cm3,平均1.40 g/cm3,高密度水泥10.0m3,最大密度1.85g/cm3,最小1.80 g/cm3,平均1.84 g/cm3,水泥用量共計(jì)42.01t,替漿12.0m3,碰壓20MPa,穩(wěn)壓15 min,壓降零。測(cè)聲幅完井,測(cè)量井段0～997.30m,水泥返高地面,質(zhì)量合格。

(5)鉆井周期

鉆機(jī)臺(tái)月計(jì)算公式:鉆機(jī)臺(tái)月=鉆井總時(shí)間(h)/720。一臺(tái)鉆機(jī)的鉆井總時(shí)間(h)(不包括搬遷安裝時(shí)間)除以720 h(一個(gè)月的時(shí)間)后所得的數(shù)值,單位為臺(tái)月或鉆機(jī)臺(tái)月[21-22]。鉆機(jī)月速=有效鉆井進(jìn)尺(m)/鉆機(jī)臺(tái)月。TSJ-3000水源鉆機(jī)在ZS6-15-3L井施工中,以鉆井周期20.1d,完井井深2033.94m,鉆機(jī)月速2991.67m,創(chuàng)造了2022年度華北油田煤層氣該區(qū)塊同類型井鉆井周期和鉆機(jī)月速的雙記錄(圖6)。

圖6 鉆機(jī)月速對(duì)比圖

5 結(jié)論

(1)鄭莊區(qū)塊煤層氣鉆井遇到的復(fù)雜情況主要為井漏和坍塌,部分探井淺層有涌水及煤層段存在井徑擴(kuò)大現(xiàn)象,說明所在區(qū)塊煤層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,易破碎。鉆進(jìn)時(shí),應(yīng)注意預(yù)防卡鉆,控制好井眼軌跡,確保順利鉆進(jìn)煤層。

(2)山西組及以上地層適合PDC鉆頭鉆進(jìn)。根據(jù)地質(zhì)資料及鉆探成果,山西組煤層地層為略欠壓—正常地層壓力,壓力系數(shù)0.97～1.0。在鉆進(jìn)施工過程中應(yīng)做好地層壓力檢測(cè),及時(shí)調(diào)整鉆井液性能,做好井控工作,可有效防止井漏事故發(fā)生。

(3)綜合研究煤層氣水平井施工中一開鉆進(jìn)、二開鉆進(jìn)、固井工藝和鉆井液配比。正確應(yīng)用定導(dǎo)向技術(shù)完成測(cè)量井眼軌跡工程參數(shù)和實(shí)時(shí)測(cè)量地質(zhì)參數(shù),綜合自然伽馬、電阻率等曲線,解釋評(píng)價(jià)地層特性、煤層界面,控制鉆具有效穿過煤層最佳位置,能有效提高煤層鉆遇率、鉆井成功率和采收率。