歷彥福

(中煤地質集團有限公司，北京 100040)

0 引言

潘莊區(qū)塊15#煤層較薄，發(fā)育不均勻，且傾角變化較大，頂板為灰?guī)r，屏蔽信號嚴重；夾矸標志層存在中途湮滅情況；局部存在斷層。遇到傾角下傾急變帶時易進入頂板灰?guī)r，導致進尺變慢，影響鉆進速度，為避開頂板灰?guī)r，導向軌跡盡量靠中下部鉆進；在鉆遇傾角上傾急變帶時，易鉆遇底板泥巖，由于底板泥巖穩(wěn)定性差，易掉塊坍塌，對后期下篩管等作業(yè)造成很大難度。

煤層氣單分支水平井比其它類型水平井軌跡控制精度要求更高。一方面，單分支水平井一般垂深淺、曲率半徑小、設計水平段長達800～1 000m，鉆至水平段后期往往出現井下鉆具摩阻大、扭矩高、托壓嚴重等現象而無法定向鉆進的問題，造成井眼軌跡調整困難[1]；另一方面，15#煤煤層氣單分支水平井一般采取下鋼篩管的完井方式，與U型井下PE篩管、多分支井裸眼的完井方式相比，對井眼軌跡質量要求更高，導向軌跡調整與控制要求更嚴格。

1 鉆井導向儀器的優(yōu)選

目前在國內能夠進行三開煤層段導向使用的儀器分為三大類：泥漿脈沖類、旋轉導向類、電磁波類。泥漿脈沖類主要由泥漿脈沖儀器MWD+方向gamma組成，代表儀器是普利門生產的MWD儀器帶方位gamma；旋轉導向儀器代表儀器是斯倫貝謝生產的PD(power direction)旋轉導向系統等；電磁波類主要由電磁波儀器EM-MWD+方位gamma構成，代表儀器是美國NOV生產的電磁波EM-MWD。對15#煤層中鉆進導向儀器的優(yōu)選應遵循以下原則：①信號傳輸快，信號參數滿足15#煤層導向需求；②井下作業(yè)時間滿足鉆井需求；③安全可靠，可打撈；④經濟性好。

根據15#煤層的特點和導向儀器的優(yōu)缺點，優(yōu)選雙電池配置的EM-MWD 儀器作為導向儀器施工晉城潘莊區(qū)塊15#煤煤層氣單分支水平井。

2 鉆井著陸點控制工藝與優(yōu)化

2.1 著陸點控制工藝

著陸控制是指從直井段末端的造斜點(KOP)開始鉆至目的層這一過程。通過總結近年來所鉆單分支水平井的施工方法與步驟，并結合往年其它水平井導向施工的經驗，形成了針對山西潘莊區(qū)塊15#煤煤層氣單分支水平井的著陸點的控制工藝。

1)通過鄰井的地層對比分析，確定縱向上距離目的煤層較近、沉積穩(wěn)定、易于識別的標志層。潘莊區(qū)塊以15#煤層為目的煤層的水平井可以選擇3#煤層、太原組四套灰?guī)r作為標志層；

2)實鉆中依靠錄井、隨鉆測井等手段卡準標志層，不斷計算每一個標志層地層傾角，并以當前標志層傾角作為下伏標志層及目標煤層的傾角，計算預測下一標志層深度和著陸點深度；

3)根據實際鉆遇結果，判斷標志層和著陸點預測深度吻合程度。若吻合較好，則按設計軌跡施工；若吻合較差，結合剩余靶前距和工程施工工具軌跡控制能力，適時對著陸軌跡進行調整，直至15#煤層著陸。

2.2 近煤層鉆井導向工藝優(yōu)化

以晉城潘莊區(qū)塊15#煤煤層氣單分支水平井為例，二開定向鉆井使用普利門脈沖MWD儀器作為測量工具，在鉆頭進入目的層位(15#煤層)后二開中完。完成中完作業(yè)后(下套管固井)，進入三開煤層水平段作業(yè)，常規(guī)的作業(yè)是直接下入EM-MWD電磁波儀器，但因電磁波儀器屬于電信號傳播，在靠近套管的位置，儀器與套管形成短路狀態(tài)，造成地面不能接收到儀器信號，存在15m的儀器使用盲區(qū)，由于煤層呈連續(xù)起伏狀，且15#煤層較薄，如果對煤層進行15m的盲打鉆進，存在較大的風險。

二開施工進入煤層，一定是當前井斜小于地層傾角，才可以從煤層頂部進入煤層，三開如果不及時調整井斜，很有可能在十幾米的鉆進過程中鉆至底板；鉆頭進入煤層，由于距離短，不能夠確定煤層的傾角，盲打鉆進不能夠及時調整井斜以適應地層傾角的變化；煤層起伏多變，鉆頭軌跡也可能在復合鉆進施工過程中進入煤層頂板。15#煤層頂板為致密性灰?guī)r，可鉆性比較差，往往進入頂板灰?guī)r層位，只能后退側鉆，而在套管鞋附近位置側鉆又存在新的施工風險：①由于可側鉆的距離短，懸空側鉆成功率低，側鉆時間長造成套管鞋井段形成“大肚子”結構；②側鉆如果失敗，需要填井側鉆，造成費用增加，工期增加；③由于煤層與非煤層的地層巖性差異大，兩者的井徑擴大率不同，在頂底板交界面的巖屑運移存在流速差異，容易形成巖屑聚集，嚴重的會形成砂橋卡鉆。

根據上述的施工缺陷，在三開初期先下入MWD儀器。MWD隨鉆儀器屬于泥漿脈沖儀器，它可以不受套管的干擾來實現定向作業(yè)，實現對EM-MWD儀器的盲區(qū)實現覆蓋控制。使用MWD儀器鉆進盲區(qū)15m的方案，可以最大限度的利用該井段調整井斜。

2.3 應用效果

PZC52L-04井為開發(fā)15#煤層而布置的開發(fā)井。地理位置：山西省晉城市沁水縣馬莊鄉(xiāng)；構造位置：沁水盆地南部晉城斜坡帶劉家腰向斜西翼；完鉆層位：太原組；完井方法：下入4 1/2″鋼篩管至井底不大于50m，并將篩管頂部懸掛在7″套管鞋以上30m內。PZC46L-03井為開發(fā)15#煤層的已鉆相鄰參考井。

PZC52L-04井一開采用Ф311.5mm鉆頭鉆入基巖5～10m，下入Ф244.5mmJ55鋼級的表層套管。二開采用Ф215.9mm鉆頭，選擇3#煤層、太原組四套灰?guī)r作為標志層，通過與鄰井PZC46L-03不斷比對分析以預測地層傾角，預測結果見表1。二開最終以84°井斜順利著陸在目的煤層15#煤，下入Ф177.8mm生產套管。三開先下入MWD儀器定向鉆進15.00m,調整井斜至89°，與煤層傾角基本一致，起鉆更換EM-MWD導向鉆具組合，繼續(xù)在15#煤層中水平鉆進。

表1 地層傾角對比分析Table 1 Comparative analysis of strata dips

應用上述方法，不斷預測地層傾角，PZC52L-04井實現了以合適的井斜角著陸；同時通過在三開初期先下入MWD儀器調整井斜，避免出現EM-MWD儀器導向盲區(qū)，有效提高了15#煤層鉆遇率，降低了井下風險，減少了井下復雜情況，縮短了施工周期。

3 水平段軌跡控制模型

3.1 15#煤層巖性特點

15號煤層的特征單元一般可以劃分為頂板灰?guī)r、煤層、夾矸、煤層、底板泥巖。煤層厚度在1.5～3m，具有含氣量低，以及煤層相對不穩(wěn)定的特性。

15#煤層所具有的總體特征為HLLD、HLLS高，SP低，GR伽瑪低，夾矸的總體特征為HLLD、HLLS低，SP相對煤層要高, GR相對煤層也較高。在本區(qū)塊15#煤頂板為灰?guī)r，底板為碳質泥巖，頂板灰?guī)r特征為HLLD、HLLS較高，SP極低，GR低[3]，底板碳質泥巖特征為HLLD、HLLS低，SP高，GR高，15#煤層電測曲線如圖1所示。

因為煤層、夾矸、頂底板在電性上、物性上存在著明顯的差異，全烴和巖屑可作為是否在煤層中鉆進的主要衡量參數[4]，GR可作為鉆頭在煤層中位置判斷的依據，鉆時、鉆壓、扭矩可作為是否在煤層中鉆進的參考依據。

圖1 15#煤層電測曲線Figure 1 Coal No.15 well logging traces

3.2 15#煤層水平段軌跡控制模型

根據15#煤煤層及頂底板特征，以優(yōu)化井眼軌跡為原則，提高煤層鉆遇率為目的，建立了煤層內軌跡控制模型、出煤層頂板軌跡控制模型和出煤層底板軌跡控制模型。

1)煤層內軌跡控制模型。煤層內軌跡控制主要以夾矸為標志層，在夾矸上部時，控制井斜角略小于地層傾角(一般小于1°，充分考慮復合鉆進自然增降斜趨勢)，向夾矸下部緩慢靠近，軌跡到達夾矸下部時，控制井斜角略大于地層傾角(一般大于0.5°)，向夾矸上邊界緩慢靠近，鉆至夾矸上部時定向鉆進控制井斜角略小于地層傾角，如此反復，完成整個水平段鉆進。煤層內軌跡控制模型如圖2所示。

2)鉆遇煤層頂板軌跡控制模型。當煤層軌跡從頂板出煤后，在保證井下安全和井眼軌跡質量要求的前提下以最大造斜率降斜至井斜角小于地層傾角2°～4°，向下追蹤煤層，從頂板進煤之后按煤層內軌跡控制方法進行水平段鉆進(圖3)。

3)鉆遇煤層底板軌跡控制模型。當煤層軌跡從底板出煤后，在保證井下安全和井眼軌跡質量要求的前提下以最大造斜率增斜至井斜角大于地層傾角2°～3°，向上追蹤煤層，從底板進煤之后按煤層內軌跡控制方法進行水平段鉆進(圖4)。

3.3 應用效果

PZC52L-04井15#煤層頂板為灰?guī)r，底板為碳質泥巖，在15#煤層上部EM儀器信號較差，在15#煤層底板不穩(wěn)定，易發(fā)生煤層垮塌，導向軌跡盡量保持在15#煤層中下部。本井使用雙電池配制的EMWD導向儀器，信號快，精度高，通過煤層內軌跡控制模型、鉆遇煤層頂板軌跡控制模型和鉆遇煤層底板軌跡控制模型對15#煤層中導向進行指導，水平段有效煤層進尺1 135.90m，有效純煤層進尺1 055.60m，煤層鉆遇率92.9%，軌跡得到了明顯優(yōu)化，有效提高了鉆遇率。

圖2 煤層內軌跡控制模型Figure 2 Trajectory control model within coal seam

圖3 鉆遇煤層頂板軌跡控制模型Figure 3 Trajectory control model of intersected coal roof

圖4 鉆遇煤層底板軌跡控制模型Figure 4 Trajectory control model of intersected coal floor

4 結論

1)通過對比泥漿脈沖儀器MWD+方向gamma，電磁波儀器EM-MWD+方向gamma，旋轉導向儀器的優(yōu)缺點，優(yōu)選雙電池配置的EM-MWD 作為導向儀器施工晉城潘莊區(qū)塊15#煤煤層氣單分支水平井，并形成了15#煤煤層氣單分支水平井的著陸點控制工藝。

2)針對三開初期近套管位置鉆井過程中MWD儀器存在盲區(qū)的問題，提出了先下入MWD隨鉆儀器實現定向作業(yè)的方法，試驗表明該方法可以最大限度調整井斜，綜合考慮巖屑、氣測、頂驅扭矩的變化，能夠有效的分析鉆頭在煤層中的相對位置，及時調整煤層軌跡。

3)根據15#煤煤層及頂底板特征，以優(yōu)化井眼軌跡為原則，提高煤層鉆遇率為目的，建立了煤層內軌跡控制模型、鉆遇煤層頂板軌跡控制模型和煤層底板軌跡控制模型，指導煤層水平段鉆進，有效提高了煤層軌跡控制精度。