臨興區(qū)塊煤層定向井鉆井技術(shù)研究

孫寶陽

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450）

煤層氣是自生積聚于煤巖中，在煤巖的孔隙和喉道中廣泛存在的伴生烴類氣體。我國煤層氣資源量豐富（約為3.0×1013m3），作為一種清潔的接替性非常規(guī)能源，其工業(yè)化開采既能填補(bǔ)天然氣能源消耗的空白，又能減少“溫室氣體”的排放，具有巨大的開發(fā)潛力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此愈發(fā)受到人們的重視。

我國主要含煤盆地，如鄂爾多斯盆地、沁水盆地、滇東黔西盆地等的煤層性質(zhì)都具有“小而薄”“零散分布”的特點(diǎn)，煤層氣難以整體開發(fā)，無法形成具有工業(yè)價(jià)值的煤層氣流。積極迎接煤層氣開發(fā)的挑戰(zhàn)需要依賴石油科技的進(jìn)步，其中鉆井是煤層氣勘探與開采的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，定向井技術(shù)又是煤層氣精確抽排的核心技術(shù)。煤層定向井技術(shù)的研究與應(yīng)用能夠有效降低開采成本、提高土地利用率及減少管線鋪設(shè)，后期對(duì)煤層氣井進(jìn)行壓裂增產(chǎn)改造時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)多煤層、多段統(tǒng)一壓裂，大大提高了煤層氣井整體開發(fā)效果[1]。

目前，在將定向井技術(shù)應(yīng)用于煤層氣的開發(fā)過程中，還存在定向井軌跡控制困難、煤層氣井井壁穩(wěn)定性差、定向井鉆井風(fēng)險(xiǎn)高等問題。針對(duì)上述問題，本文廣泛調(diào)研了鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造，分析了影響煤層氣井井眼軌跡及井壁穩(wěn)定性的因素，結(jié)合煤層特性進(jìn)行井眼軌跡設(shè)計(jì)及鉆井液體系優(yōu)選，提出了一套具有針對(duì)性的定向井軌跡控制技術(shù)[2-3]。

1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

鄂爾多斯盆地東部的臨興區(qū)塊東高西低，處在陜北斜坡帶上，屬于向西傾斜的單斜構(gòu)造。陜北斜坡西部緊鄰黃河，行政區(qū)隸屬于山西省呂梁市，占地692.64 km2。經(jīng)評(píng)估，2021 年呂梁臨興區(qū)塊煤層氣資源量為1 612.68×108m3。

1.1 地層特征

臨興區(qū)塊地層由老至新包括下古生界奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）、上古生界石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上石炭統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、中統(tǒng)上石盒子組（P2s）、石千峰組（P2sh）、中生界三疊系（T）、新生界第三系（N）、第四系（Q）。其中主要含煤層系本溪組、山西組在本地區(qū)廣泛分布，保存完整，是煤層氣勘探主要目的層。

1.1.1 本溪組

為一套海陸交互相沉積，形成于陸表海碳酸鹽巖臺(tái)地沉積和堡島沉積的復(fù)合沉積體系。地層厚80～105 m，一般90 m 左右。主要由深灰色-灰色石灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，灰白-灰色砂巖及煤層組成。含煤7～16 層，下部煤層發(fā)育較好?；?guī)r3～11 層，以K2、K3、K5三層灰?guī)r較穩(wěn)定。泥巖及粉砂巖中富含黃鐵礦、菱鐵礦結(jié)核。動(dòng)植物化石極為豐富[4]。

1.1.2 山西組

山西組由砂泥巖夾煤系地層組成，煤層底部為細(xì)粒砂巖、砂礫巖，頂部為砂質(zhì)泥巖、深灰色泥巖。山西組地層厚度41～83 m，一般60 m 左右，與下伏太原組呈整合接觸。

1.2 構(gòu)造特征

鄂爾多斯盆地整體構(gòu)造形態(tài)為一個(gè)東北向大型向斜，但盆地不同部位具有不同的構(gòu)造特點(diǎn)。在盆地西部、西北部，斷層為正斷層，走向以東北為主，褶皺發(fā)育情況較差。在盆地東北部、東部，南北走向的次生褶皺較為發(fā)育，斷層發(fā)育不明顯。在盆地中部主要以東北走向的褶皺為主，但也有一組東西走向斷層發(fā)育[5]。

臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東部，地層寬緩，地層傾角平均為2.5°～5.62°，低緩、平行褶皺普遍發(fā)育，軸向呈近南北和北北東向，褶皺的幅度相對(duì)較小，背斜幅度一般小于50 m，延伸長度在5～10 km，呈典型的長軸線性褶皺；斷層相對(duì)不發(fā)育，斷距大于20 m 的斷層僅在東南部分布，主要有寺頭斷層、后城腰斷層以及與之伴生的斷層，呈一組北東向-東西向正斷層組成的弧形斷裂帶（見圖1），區(qū)內(nèi)無巖漿活動(dòng)，但發(fā)育有一定數(shù)量的陷落柱。

圖1 臨興區(qū)塊構(gòu)造綱要圖

2 煤層定向井鉆井系列技術(shù)

2.1 井眼軌跡優(yōu)化技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)煤層定向井安全高效的鉆進(jìn)，首先需要確定井眼軌跡的類型，并根據(jù)巖石物性、地層沉積情況、鉆具組合、鉆井參數(shù)、軌跡規(guī)則程度等因素，綜合考慮對(duì)井眼軌跡的影響。

2.1.1 井眼軌跡影響因素分析

（1）地層因素：巖石各向異性，由于巖石組成成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的差異造成巖石不同方向上強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性質(zhì)存在差異的性質(zhì)稱之為巖石的各向異性。一般用巖石各向異性系數(shù)Ka 值來衡量其各向異性程度，Ka 值越大，鉆頭越易沿著巖石強(qiáng)度小的方向傾斜，且形成的井眼會(huì)趨于橢圓形，同步加大井眼軌跡偏移程度；軟硬互層，鉆頭在軟地層中鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速高，在硬地層中鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速低，當(dāng)遇到軟硬互層的地層時(shí)，兩側(cè)形成的速度差，就會(huì)導(dǎo)致鉆頭被強(qiáng)行扭轉(zhuǎn)，鉆孔沿地層上傾方向偏移[6]。

（2）技術(shù)因素：鉆具組合，如合適的鉆鋌尺寸能夠減少粘滑值，合理的鉆頭性能（鉆頭尺寸、結(jié)構(gòu)、切削能力）能夠減少鉆頭的漂移，具有推靠能力的近鉆頭井下動(dòng)力鉆具能夠降低鉆頭受到的側(cè)向力；鉆進(jìn)參數(shù)，為了提高鉆井效率，通常會(huì)以大鉆參鉆井，如高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、高排量，但結(jié)合煤層獨(dú)特的地質(zhì)特征，適當(dāng)降低鉆井參數(shù)能夠減少下部鉆具組合受到的沖擊，進(jìn)而降低鉆頭的漂移程度，從安全高效的角度提高了鉆井效率；井眼軌跡設(shè)計(jì)的合理性，過大的井斜角將會(huì)導(dǎo)致下部鉆具受到的徑向、軸向力大大增加，提高了井眼軌跡偏移的風(fēng)險(xiǎn)，彎曲的管柱也會(huì)導(dǎo)致井徑擴(kuò)大，減少鉆鋌、扶正器等下部鉆具對(duì)鉆頭的約束，進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭漂移[7]。

2.1.2 井眼軌跡設(shè)計(jì)及優(yōu)化

定向井井眼軌跡類型有兩種，一種是鉆進(jìn)方位已知的二維定向井，另一種是鉆井方位未知，鉆井過程中井眼軌跡隨時(shí)變化的三維定向井。目前，斯倫貝謝新型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具及配套軟件能夠根據(jù)地層及巖石具體情況，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的實(shí)時(shí)模擬、優(yōu)化并按預(yù)定軌跡鉆進(jìn)（見圖2），突破了三維定向井的技術(shù)屏障。

圖2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖

但由于煤層氣勘探開發(fā)效益較低，在煤層鉆井過程中一般采用最有效的傳統(tǒng)定向井井型，如“直增穩(wěn)”的三段式、“直增穩(wěn)降直”的五段式或“直增穩(wěn)增穩(wěn)”的二次增斜式井型，這種井型具有簡易、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。

2.2 井眼軌跡控制技術(shù)

井眼軌跡的控制主要從兩個(gè)方面入手，一方面是造斜工具（馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等），另一方面是測(cè)量工具（隨鉆測(cè)斜工具、隨鉆測(cè)井工具）。針對(duì)馬達(dá)，現(xiàn)較為先進(jìn)的工具有PowerPak 等（見圖3）。

圖3 井下動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)圖

該工具的特點(diǎn)為：（1）使用壽命長，有高質(zhì)量轉(zhuǎn)子和定子，且軸承設(shè)計(jì)緊密，提高了馬達(dá)壽命；（2）功能日益強(qiáng)大，馬達(dá)工具可在井下調(diào)節(jié)彎角，井眼軌跡控制更加靈活；（3）應(yīng)用廣度大，21/2”～26”井眼都能使用，低速/高扭矩和高速/低扭矩情景都能應(yīng)用。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向有PowerDrive 等工具，具有如下特點(diǎn)：（1）可在狗腿度＞8deg/30 m 的情形下使用，降低了軌跡控制難度；（2）在旋轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)向，減少鉆具在煤層中長時(shí)間靜止導(dǎo)致卡鉆；（3）耐溫耐壓能力極強(qiáng)，保障了持續(xù)可靠的井眼軌跡控制能力。

針對(duì)測(cè)量工具有SlimPulse 等MWD 工具，具有如下特點(diǎn)：（1）該測(cè)量工具可取回和可替換，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率；（2）可在旋轉(zhuǎn)時(shí)連續(xù)井斜方位測(cè)量，提供了瞬時(shí)井眼軌跡變化的指示；（3）信號(hào)抗干擾度強(qiáng)，最高工作壓力、溫度高，保障了持續(xù)可靠的井眼軌跡控制能力。

2.3 鉆井液體系優(yōu)化

維持井壁穩(wěn)定是鉆井液最重要的性能之一，可以通過優(yōu)化鉆井液密度、鉆井液抗黏土膨脹、鉆井液泥餅質(zhì)量及鉆井液粘度，進(jìn)而改善煤層氣井井壁穩(wěn)定性[8]。

（1）鉆井液密度：提高鉆井液比重，如向鉆井液中加入重晶石，能大大提高井筒內(nèi)液注壓力，液注壓力平衡地層孔隙壓力，能夠有效防止地層坍塌、掉塊等事故的發(fā)生。（2）鉆井液抗黏土膨脹：臨興區(qū)塊煤巖有機(jī)組分在75%～89%，其中以鏡質(zhì)組為主（占58%～82%），半鏡質(zhì)組較少（4～11%），絲質(zhì)組較高（10%～35%），穩(wěn)定組分極微；無機(jī)組分以黏土礦物為主（12%），次為石英（1%～20%）及硫化物（0～3.6%）。故向鉆井液中加入K+鹽能有效降低煤巖中黏土礦物水化膨脹、分散，一方面降低水基鉆井液濾失量，另一方面大大提高井壁穩(wěn)定性。（3）泥餅質(zhì)量：鉆井液在井壁循環(huán)擾動(dòng)過程中，固相顆粒會(huì)附著在井壁上，形成一層膠質(zhì)的泥餅，有效防止鉆井液向地層中漏失，一方面保護(hù)了地層不受鉆井液的污染，另一方面也抑制了煤巖水化失穩(wěn)，提高了井壁穩(wěn)定性。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，泥餅性能也不是越大越好，太厚的泥餅不利于儲(chǔ)層保護(hù)，會(huì)降低后期煤層氣開采過程中甲烷的滲流能力；（4）鉆井液粘度：動(dòng)切力值是鉆井液是否向地層中滲漏的關(guān)鍵因素，為了減少滲漏，需要提高鉆井液動(dòng)切力值，但動(dòng)切力過大會(huì)導(dǎo)致泵壓升高且攜巖能力增加，無法形成封堵性能好的泥餅，故只需將鉆井液的粘度控制在滲漏臨界值即可。

3 結(jié)論

（1）煤層氣作為一種清潔能源，具有長遠(yuǎn)的發(fā)展前景，且鄂爾多斯盆地煤系地層發(fā)育較厚，褶皺的幅度相對(duì)較小，背斜幅度一般小于50 m，延伸長度在5～10 km，斷層相對(duì)不發(fā)育，整體來看具有較好的圈閉氣藏能力，且儲(chǔ)量較大。探尋一種高效的手段開發(fā)煤層氣能夠緩解我國能源壓力，具有很重要的意義。（2）通過綜合分析鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)、井眼軌跡設(shè)計(jì)的合理性，可以判斷井眼軌跡的偏移程度，再根據(jù)實(shí)際地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)適用條件判斷井眼軌跡類型，實(shí)現(xiàn)煤層定向井井眼軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)。（3）軌跡的控制從造斜工具（馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等）和測(cè)量工具（隨鉆測(cè)斜工具、隨鉆測(cè)井工具）兩方面入手，通過提高工具壽命、工具適用條件、工具可操作性及其他工具性能，來提高煤層定向井井眼軌跡控制能力。（4）針對(duì)井壁失穩(wěn)導(dǎo)致的井眼軌跡偏移，甚至其他更嚴(yán)重的后果，從鉆井液密度、鉆井液抗黏土膨脹、鉆井液泥餅質(zhì)量及鉆井液粘度四個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，改善了煤層氣井井壁穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了煤層定向井鉆井安全。