地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)在L型煤層氣水平井T-P05井中的應(yīng)用

郭寶林， 李 琪， 張興龍， 聶 濤， 于建克， 李盟國

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆 烏魯木齊 830026)

1 T-P05井基本情況

T-P05井位于山西省臨汾市吉縣屯里鎮(zhèn)陽坡村，構(gòu)造位置在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部晉西撓褶構(gòu)造帶南段，是部署在山西大寧-吉縣區(qū)塊桃園試采區(qū)的一口L型煤層氣水平井。井口西南距J6井2.35 km，東北距J2-25井1.97 km，B點南距J1-01向1井8號煤層靶點0.25 km，東南距J1-02井0.54 km；水平段距T-P07井垂直距離0.46 km。主要鉆探目的一是獲取5號煤層的各項特性參數(shù)，評價該區(qū)域煤層的產(chǎn)氣能力；二是擴大已有井的壓降范圍，提高產(chǎn)氣量；三是為大寧-吉縣區(qū)塊桃園試采區(qū)下一步規(guī)模開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

T-P05井于2017年2月17日22：00一開，2017年2月18日09：20一開完鉆，完鉆井深162 m ；2017年2月22日14：00二開鉆進(jìn)，2017年3月4日14：30鉆至井深976 m開始造斜，于2017年3月15日06：00鉆至井深1426 m二開中完；2017年3月24日1：00三開鉆進(jìn)，2017年4月3日19：30鉆至井深2326 m三開完鉆。該井設(shè)計鉆井周期38 d，實際鉆井周期44.9 d。T-P05井設(shè)計軌跡剖面數(shù)據(jù)參見表1，表2、表3分別為T-P05井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)和地質(zhì)分層數(shù)據(jù)。

2 L型煤層氣水平井技術(shù)難點

(1)L型煤層氣水平井不同于多分支井、U型井及山字型等井，無法依靠井組近端或遠(yuǎn)端的洞穴井資料結(jié)合實鉆井資料重新對施工軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與調(diào)整，且無導(dǎo)眼，T-P05井地處晉西撓褶構(gòu)造帶，地層傾角變化大，對于造斜段精確著陸和水平段導(dǎo)向控制均帶來不利影響，實現(xiàn)一次性“軟著陸”難度增大[1,8]。

表2 T-P05井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)

表3 地質(zhì)分層數(shù)據(jù)

(2)L型煤層氣水平井比其他類型水平井軌跡控制精度要高，設(shè)計水平段長900 m，鉆至水平段后期往往會出現(xiàn)井下鉆具摩阻大、扭矩高、托壓嚴(yán)重，軌跡調(diào)整難度加大；另外，該井型由于采用下套管的完井方式，因此對井身軌跡控制與導(dǎo)向調(diào)整也提出了更高要求[1]。

(3)煤層結(jié)構(gòu)膠結(jié)能力弱，因此PDC鉆頭煤層中破巖能力較強、機械鉆速很高，這一問題對于鉆井液攜巖能力提出了更高的要求。若鉆井液懸浮攜砂能力差，將導(dǎo)致井底巖屑無法及時循環(huán)出井，易在煤層水平段形成巖屑床，使井下安全難以保證。為降低卡鉆事故發(fā)生幾率、提高鉆壓傳遞效率，建議水平段鉆具組合中采用加重鉆桿進(jìn)行鉆具倒裝，但不建議配置鉆具穩(wěn)定器實施穩(wěn)斜[9]。

(4)受常規(guī)煤層氣水平井開發(fā)成本的約束，隨鉆地質(zhì)參數(shù)僅有方位伽馬，且伽馬測點相距鉆頭約15 m，隨鉆工程參數(shù)滯后距約14 m,滯后距長導(dǎo)致井底數(shù)據(jù)的預(yù)測精度差，對水平井井眼軌跡調(diào)控工作帶來了不小的挑戰(zhàn)。

(5)遲到時間的存在使巖屑、氣測錄井應(yīng)用局限，現(xiàn)場地質(zhì)判斷結(jié)果相對滯后，地質(zhì)導(dǎo)向工作的預(yù)見性較差。

(6)煤層是同時具有大量微孔和裂隙的雙重孔隙介質(zhì),其機械物理性質(zhì)不同于常規(guī)砂巖儲層,通常情況下煤層埋藏深度較淺、地層壓力低、煤層膠結(jié)疏松且易被壓縮、連接微孔的節(jié)理和裂隙相對發(fā)育，具體表現(xiàn)在當(dāng)機械強度低、膠結(jié)能力弱的煤層被鉆開后，極易發(fā)生剪切破碎，因此煤層不足以支撐上覆地層的壓力，在鉆井過程中表現(xiàn)為易發(fā)生井壁坍塌、卡鉆等工程復(fù)雜事故[2]。

3 T-P05井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

地質(zhì)導(dǎo)向(Geo-Steering Drilling)技術(shù)自20世紀(jì)90年代發(fā)展以來，目前仍是鉆井領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一。與幾何導(dǎo)向不同，地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)不僅僅是依照預(yù)設(shè)的井眼軌道實施鉆井，而是以探查目的層和提高鉆遇率為目的。所謂地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，就是將隨鉆測量和隨鉆評價進(jìn)行有效結(jié)合，建立一個地質(zhì)模型，利用獲取的各種井下參數(shù)和鄰井地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析判斷，實時修正該導(dǎo)向模型，供現(xiàn)場技術(shù)人員做出準(zhǔn)確的決策，從而有效指導(dǎo)鉆井施工，使井眼軌跡最大限度地依照地質(zhì)目的穿行，提高儲層鉆遇率，以獲取更大的經(jīng)濟效益[5]。

3.1 主要標(biāo)志層劃分

T-P05井垂向上先后鉆遇了第四系的粘土和礫石層，紙坊組的灰綠色泥質(zhì)砂巖和砂礫巖，和尚溝組的棕紅、紫紅色泥巖及粒徑成正韻律的同色砂巖，劉家溝組的灰色砂巖夾棕紅色砂質(zhì)泥巖、泥巖，二疊系石千峰組的棕紅色泥巖和砂質(zhì)泥巖，石盒子組灰色泥巖和灰白灰綠色砂巖，山西組砂層及煤層煤線?，F(xiàn)場通過與鄰井地層的分析和比對，認(rèn)為石盒子組上部各地層的厚度吻合性較好，地質(zhì)變化主要來自于下部地層。同時結(jié)合T-P06、T-P08井已鉆井資料，本井劃分了石盒子底部、山西組中部砂巖、4號煤頂?shù)滓约?號煤頂?shù)葞讉€主要標(biāo)志層[2]，標(biāo)志層預(yù)測數(shù)據(jù)詳見表4。

從表5和圖1的觀察發(fā)現(xiàn)，橫向上石盒子組底部砂巖、山西組中部砂巖、4號煤層厚度相似性均較好，如圖1，J1-02井石盒子組底部砂層相對較厚，但與5號煤層距離相比差別不大，2號砂層是一套低伽馬砂巖，從圖1中看的出，對比性較好，卡取2號砂層是關(guān)鍵點。

表4 T-P05井標(biāo)志層預(yù)測

表5 T-P05井鄰井地層對比

圖1 T-P05井與鄰井地層對比圖

3.2 地層傾角與著陸靶點計算

L型水平井由于其鄰井少，構(gòu)造落實程度有限，通過多種方法預(yù)測并應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，實鉆井計算預(yù)測的地層傾角對軌跡著陸具有較大的指導(dǎo)意義[1]，該區(qū)塊已鉆水平井?dāng)?shù)據(jù)表明T-P05井確為上傾的地層模型，該地層模型如圖2所示，實鉆計算預(yù)測地層傾角[3，8]和著陸靶點的方法如下：

α=arctan|(H2-H1-h1)/(L2-L1)|

(1)

H=H2+h2-tanα×(L-L2)

(2)

式中：α——地層傾角，(°)；H1、H2——鉆遇標(biāo)志層一和標(biāo)志層二時的垂深，m；h1——標(biāo)志層一到標(biāo)志層二的地層厚度，m；L2、L1——標(biāo)志層一和標(biāo)志層二的位移，m；H——預(yù)測著陸點的垂深，m；h2——標(biāo)志層二到目的層的地層厚度，m；L——設(shè)計靶前距，m。

圖2 上傾型地層模型

實鉆地層傾角詳見表6。

表6 T-P05井實測地層傾角

3.3 地質(zhì)建模

T-P05井依據(jù)實時鉆時、地層巖性、隨鉆伽馬、氣測數(shù)據(jù)以及地層傾角等實鉆數(shù)據(jù)實施地質(zhì)建模，建模結(jié)果如圖3所示。

圖3 T-P05井地質(zhì)導(dǎo)向模型

3.4 實鉆軌跡控制

3.4.1 造斜段軌跡控制技術(shù)

3.4.1.1 著陸控制思路

(1)細(xì)化區(qū)域地質(zhì)資料研究，通過與區(qū)域鄰井地層的對比和分析，對著陸點垂深進(jìn)行初步預(yù)判；加強現(xiàn)場監(jiān)測手段,將巖屑錄井獲取的巖屑沖洗干凈、烘焙干燥之后按照井深順序排列，導(dǎo)向時應(yīng)善于觀察并發(fā)現(xiàn)巖性的變化趨勢是否符合預(yù)判，對于明顯的標(biāo)志層要進(jìn)行地層傾角的返演推算，實施地質(zhì)建模并進(jìn)行模型修正；此外，還應(yīng)結(jié)合氣測和鉆時的數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合評判，從而提高煤層頂界位置預(yù)測精度,確保順利著陸。

(2)針對煤層著陸垂深的不確定性，應(yīng)把握好鉆具組合的造斜能力,在地質(zhì)目標(biāo)不確定的條件下對水平井井身軌跡實施優(yōu)化,入層角控制在比設(shè)計的最大井斜角低于2°～4°為宜，以保證在探得煤頂準(zhǔn)確位置后順利中靶[8]。

3.4.1.2 造斜段軌跡控制要點

(1)針對T-P06和08井實鉆造斜率過低的不利局面，本井直接選用1.75°單彎螺桿實施造斜，并且上提造斜點37 m，從而確保實鉆造斜率滿足軌跡調(diào)控需求、井身質(zhì)量符合設(shè)計要求。

(2)針對石盒子、山西組易坍塌和掉塊的現(xiàn)象，鉆進(jìn)至該段前宜適當(dāng)提高泥漿密度，對井壁形成有效的物理性支撐，維護(hù)井壁穩(wěn)定。

(3)及時進(jìn)行短拉作業(yè)，清除巖屑床、修整井壁，保證井眼光滑；起下鉆應(yīng)控制下鉆速度，避免壓力“激動”引起井壁失穩(wěn)。

(4)錄入實測數(shù)據(jù)及時修正軌跡，以低曲率入靶著陸，既保證軌跡調(diào)整的靈活性，又能兼顧入靶軌跡的圓滑性。

(5)泥漿中應(yīng)添加足量的固液混合型潤滑劑，來降低井下摩阻、緩解托壓，提高造斜效率。

3.4.2 水平段軌跡控制技術(shù)

3.4.2.1 水平段控制思路

本井設(shè)計水平段長達(dá)900 m，考慮到地層傾角變化和井底軌跡參數(shù)預(yù)測的不確定性等因素,因此在現(xiàn)場施工中地質(zhì)導(dǎo)向師應(yīng)充分結(jié)合巖性、氣測、方位伽瑪、鉆時以及井眼軌跡參數(shù)，對地質(zhì)模型進(jìn)行實時修正，綜合分析后對后續(xù)井段的煤層頂?shù)捉缂皧A矸位置做出精確預(yù)判，從而有效指導(dǎo)水平段施工，使鉆頭最大限度地在煤層中穿行，以提高煤層鉆遇率，切不可完全按照原理想設(shè)計執(zhí)行[8]。

3.4.2.2 水平段軌跡控制要點

(1)采用“兩短一長”短起下方式，及時清除水平段巖屑，要求鉆至水平段中部長拉至套管腳。

(2)提高懸浮攜帶性，控時鉆進(jìn)，不要一味追求速度而喪失井下安全，防止因攜帶巖屑不及時引發(fā)阻卡現(xiàn)象。

(3)煤層中鉆進(jìn)，一是細(xì)化鉆具結(jié)構(gòu)選擇和組配分析，既要在復(fù)合鉆中具備良好的穩(wěn)斜性能，又要不失軌跡調(diào)整的能動性，“多轉(zhuǎn)少定”，提高機械鉆速，縮短鉆井液對煤層的浸泡時間，控制工期在煤層坍塌周期以內(nèi)，降低井壁垮塌機率。二是隨鉆方位伽瑪要結(jié)合地質(zhì)錄井做好煤層走向、地層傾角的預(yù)判，對后期軌跡控制提供有針對性的預(yù)測，確保軌跡在煤層中有效穿行，從而提高煤層鉆遇率。

(4)提高M(jìn)WD測量效率，減少開關(guān)泵對井壁沖蝕。

(5)為水平段保證所鉆煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不坍塌，建議復(fù)合鉆進(jìn)中采取小鉆壓、低轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)參數(shù)[9]。

T-P05井應(yīng)用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)[4-7]結(jié)合軌跡控制技術(shù)[8]，平均機械鉆速達(dá)10.5 m/h，煤層鉆遇率高達(dá)98%，圓滿完成了本井的鉆探任務(wù)。T-P05井詳細(xì)鉆井參數(shù)見表7，所用鉆具組合見表8，關(guān)鍵節(jié)點軌跡參數(shù)詳見表9；本井軌跡走勢分別見圖4、圖5。

表7 T-P05井鉆井參數(shù)

表8 T-P05井鉆具組合

圖4 T-P05井造斜段斜深與垂深關(guān)系圖

4 結(jié)語

(1)由于L型煤層氣水平井可參考鄰井資料的局限性和地層沉積方向上的不確定性，導(dǎo)致該井型煤層氣水平井的地質(zhì)導(dǎo)向工作比較困難，特別在探煤頂并尋求著陸的環(huán)節(jié)上，技術(shù)控制要求高，因此需要現(xiàn)場導(dǎo)向人員做好充足的技術(shù)準(zhǔn)備。

圖5 T-P05井水平段斜深與垂深關(guān)系圖

(2)應(yīng)用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，能夠大幅度提高在煤層氣水平井中的煤層鉆遇率，有利于提高煤層氣產(chǎn)量。

(3)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)根據(jù)鉆時、地層巖性、隨鉆伽馬、氣錄測資料及地層參數(shù)，結(jié)合軌跡控制技術(shù)，實時更新、修正地質(zhì)導(dǎo)向模型，以便更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

(4)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)在T-P05井的應(yīng)用成功，證明了該技術(shù)在煤層氣水平井中具有良好的發(fā)展前景。

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