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)

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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，對軌跡設(shè)計、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)煤儲層提供參考。

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

為了進(jìn)一步探索壽陽地區(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。采用了兩井對接、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、長水平段、隨鉆伽馬等多項(xiàng)世界先進(jìn)鉆井技術(shù)。以壽陽地區(qū)的多口“U”型水平井井組為例，開發(fā)15號煤層，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渡地帶，地勢為南北高、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，有時與 6號煤頂板砂巖相連，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，無經(jīng)濟(jì)價值，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。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

1)設(shè)計主要依據(jù)地層壓力以及地質(zhì)設(shè)計書，同時對鄰井鉆井資料進(jìn)行了分析。

2)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計原則。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)計與控制技術(shù)

1)井眼軌跡設(shè)計 井眼軌跡設(shè)計主要應(yīng)從3個方面入手：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，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，同時考慮到自然造斜調(diào)整軌跡設(shè)計外，還要考慮到煤礦未來的開采，要將整個水平井段控制在煤層巷道里面，以防止后期開采煤的時候挖掘到套管，產(chǎn)生安全風(fēng)險。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)計來考慮井的位置。這種防碰設(shè)計必須考慮到是否具備一定的測斜能力。

軌跡計算方法使用的是數(shù)據(jù)組，也稱測點(diǎn)，它是由井斜角、方位角和測深所組成。測斜采用MWD傳感器，井深測量則采用游車傳感器或鉆桿長度數(shù)據(jù)。目前有許多測斜模型，每種模型對測點(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。最常用的井斜計算方法是最小曲率法，這種方法是假定兩測點(diǎn)之間為連續(xù)曲線，各點(diǎn)的井眼曲線與實(shí)測井斜角相切[2]。

2.3 鉆井液體系設(shè)計

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)；同時兼顧保護(hù)儲層等因素，打開儲層的鉆井液體系選擇以保護(hù)好儲層為主要出發(fā)點(diǎn)。各井段鉆井液體系： ?311.2mm 井段，鉆井水+膨潤土漿鉆進(jìn)，適時替稠膨潤土漿攜砂。?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、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

QYN1-02H井軌跡設(shè)計如表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?？刂沏@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)射信號的MWD(隨鉆測量)與隨鉆伽馬，彌補(bǔ)了以往在煤層使用電磁波MWD信號差的缺陷，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、巖屑、氣測、伽馬曲線等來確定軌跡的走向，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。通過地質(zhì)導(dǎo)向的模擬與預(yù)測，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)和測量相對距離的碳管，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，在鉆頭處連接一個永磁短節(jié)。為了便于水平井眼順利穿過，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題，應(yīng)注意直井軌跡需要使用多點(diǎn)測量，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，為達(dá)到連通目的，可利用軌跡計算軟件進(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。

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個方面：一是為減少起下鉆時與煤層井壁碰撞及掛拉，鉆具的選擇應(yīng)盡量以結(jié)構(gòu)簡單的組合為主，并且還要盡量縮短煤層水平段鉆井時間以及鉆井液對煤層的浸泡時間；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，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，黏度沒有變化，巖屑返出量基本趨于正常，但掉塊依然沒有減少，造成鉆具上提下放遇阻嚴(yán)重，當(dāng)鉆至井深1022m時上提鉆具遇阻，提至40t左右，活動正常，鉆至井深1045m，因?yàn)榫碌魤K較多，準(zhǔn)備短起，短起過程中，遇阻卡鉆，開泵蹩泵，上提懸重至45t左右未能起出，最后啟動頂驅(qū)上提下放倒劃眼解卡?；钚运@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

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；同時結(jié)合在礦區(qū)開發(fā)煤層氣的局限性，對鉆井軌跡進(jìn)行了優(yōu)化；并且在作業(yè)過程中對馬達(dá)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，降低了水平段井壁不穩(wěn)定帶來的卡鉆風(fēng)險。

2)通過鉆前三維地質(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)險大，鉆井液密度對該區(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)識還不夠清楚，希望可以通過更多的生產(chǎn)井來補(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重點(diǎn)技術(shù)問題的探討[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].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2016,13(35):70～74.