煤層氣水平井煤層判識技術的研究與應用

張紹雄 張 媛

1.中國石油山西煤層氣勘探開發分公司 （山西 晉城 048000）

2.中國石油華北油田分公司 第一采油廠 （河北 任丘 062552）

煤層氣水平井煤層判識技術的研究與應用

張紹雄1張 媛2

1.中國石油山西煤層氣勘探開發分公司 （山西 晉城 048000）

2.中國石油華北油田分公司 第一采油廠 （河北 任丘 062552）

通過幾十口井的鉆探實踐，總結出了一套通過各種技術手段對煤層進行判斷、識別的方法，可為今后利用多分支水平井鉆井技術開發煤層氣提供經驗。

煤層氣 煤層 多分支水平井 判識

應用多分支水平井鉆井技術開發煤層氣，是提高單井產氣量和采收率、降低綜合成本、縮短投資回收期的有效手段。在煤層氣多分支水平井鉆探過程中，如何對煤層進行正確識別與判斷，保證井眼軌跡沿煤層穿行，減少非煤層段的無效進尺，提高煤層鉆遇率是目前急需解決的問題。

1 煤層判識的意義

搞好煤層識別、判斷，具有如下重要意義：

（1）實現開發目的的需要。應用多分支水平井鉆井技術開發煤層氣，其目的就是要通過擴大煤層泄濾面積，增加出氣通道，從而提高單井產量。只有正確識別煤層，保證井眼沿煤層前進，才能達到這一目的。

（2）地質導向的需要。所謂地質導向，狹義講就是引導井眼沿目的地層延伸。而煤層氣水平井，對鉆達地層巖性的識別，是否煤層以及在煤層的上下位置是地質導向技術人員的主要任務。

（3）提高鉆井效率、防止復雜情況及事故的需要。山西沁水盆地煤層，可鉆性級別為2～3級，性軟易鉆，而其上下頂底板地層，可鉆性較差，其鉆進機械鉆速相差幾倍以上，保證井眼沿煤層鉆進，可大大提高鉆井速度，縮短施工周期。若鉆遇煤層與頂底板交界地層，不但降低鉆進速度，還會由于交界面地層的不穩定，井壁垮塌造成復雜狀況及事故。

（4）工程監督的職責。多分支水平井工程監督的一項重要內容與職責就是對井眼軌跡是否在煤層中穿行進行隨鉆監督，對完鉆煤層進尺進行確認。因而了解并掌握如何收集與此相關的技術參數與信息并作出分析判斷是至關重要的。

（5）工程結算的依據。一般承鉆煤層氣多分支水平井所簽訂工程承包合同，是以煤層進尺為考核依據的。鉆井工程完成后，要對煤層進尺進行確認，根據實際完成的煤層進尺判定合同是否完成，進行設計任務的評價并結算工程款。

2 煤層判識的難點

山西沁水盆地煤層氣開發的主要目的層是3#煤層，其埋深從450～850m，差距較大。由于煤層氣開發時間短、上鉆快，地震資料較粗 （一般二維地震），地質精細描述不夠，認識也不夠全面。在直井的鉆探中，對于厚度5～6m的煤層的識別，是比較簡單的問題，但是對于多分支水平井來說，對地層、尤其是煤層的識別并非易事，主要存在以下難點：

（1）樊莊、鄭莊2個區塊幾百口開發直井的鉆探實踐證實，地下煤層并非“一馬平川”，存在起伏、斷層、破碎帶甚至陷落柱，煤層變化趨勢不確定。

（2）地層傾角變化較大。有的相鄰2口直井距離不足300m，而煤層高差可達幾十米，傾角10°左右。而多分支水平井的鉆探中，在水平井段100～200m的范圍內，地層傾角可從0°增加到10°，這給識別煤層及軌跡控制帶來困難。

（3）多分支水平井靶區面積一般應達到0.4km2左右，主支及各分支方向不一。在這一較大區域范圍內，煤層變化也較大且無規律可循，各分支可參照性差。

（4）煤層相對較厚但不均質，一般煤層都有夾矸。煤層頂、底、中部其可鉆性、自然伽馬值等存在差異，特別是夾矸的自然伽馬值可能高于頂、底板泥砂巖。

（5）由于煤層氣多分支水平井施工工藝的特殊性，判斷煤層的各種直接、間接手段受其它因素的影響較大，難以僅憑某種方法判識是否煤層。

（6）為了引導水平井眼沿煤層鉆進，還需對鉆遇的上下煤層甚至頂、底板進行識別與判斷，這就更增加了識別難度。

3 常用煤層判識方法及評價

在鉆井過程中，通過“錄井”對地層、巖性進行分析判斷是地質技術人員的重要工作內容。對于煤層氣多分支水平井，常用幾種判層手段及局限性分析如下：

（1）在直井判層中巖屑錄井，巖屑錄井是最主要、直接、有效的方法。但對于多分支水平井，由于在長段煤層中鉆進加之煤層垮塌、煤屑堆積、鉆井工程措施、鉆速快、鉆屑返出滯后等影響，地面撈取的巖屑（煤屑）可能并不是某個井深處鉆頭鉆出的巖屑，因此其可靠性較差。

（2）鉆時錄井是判斷地層可鉆性、識別地層巖性的間接方法之一。但在水平鉆進時，由于鉆井工藝復雜，各項鉆井措施、鉆井參數不斷調整變化，水平長井段鉆進時易產生“托壓”現象等影響，所以鉆時反應地層軟硬的真實性下降。

（3）氣測錄井。由于煤層氣的主要成份是甲烷，隨鉆測量地層（煤層）中甲烷氣體的含量，對于判斷是否煤層具有獨特的優勢，且氣體隨鉆井液返出地面，較少受工程措施等影響，能夠比較真實地反應鉆頭所鉆達地層的含氣情況，從而間接地判斷是否是煤層。但由于煤層氣水平井一般采取在洞穴直井注氣的欠平衡鉆井方式，注入空氣從水平井井口返出就大大影響了氣測的準確性。另外，氣測錄井也要測算遲到時間，考慮低排量循環時氣體滑脫效應的影響。

（4）在水平井鉆進中隨鉆測量的自然伽馬、電阻率值。必須使用隨鉆測量儀器測取工程及地質參數，煤層氣水平井一般應測取地層自然伽馬及電阻率值（但多數只安放伽馬短節測取伽馬值）。由于煤層的自然伽馬及電阻率值與砂泥巖地層有較大差別，所以隨鉆測取的伽馬值、電阻率值是判識煤層的最有效方法之一。但應注意地是煤層中夾矸的伽馬值也較高，有些砂巖的伽馬值較低，判斷時必須有所甄別；若使用EM-MWD隨鉆測量儀器，在煤層中鉆進電磁信號時有“煤層屏蔽”現象，無數據信息傳至地面，造成“測量盲區”；伽馬測量短節離鉆頭有一定距離，測取數據滯后；使用普通伽馬難以區分煤層的頂底板等不足，都會給煤層識別及導向鉆進帶來較大困難。

4 煤層判識技術的綜合應用

在山西煤層氣多分支水平井鉆探中，經過多口井的分析研究，總結出一套煤層判識的方法，據此進行隨鉆煤層分析及完井煤層確認，實踐證明是行之有效的。

（1）多分支水平井開鉆前，廣泛收集相關資料，初步確定煤層判別標準（模板）。主要是：①所鉆井區的地震資料、地質構造資料、煤層厚度等值線圖、煤層底板等值線圖等，分析判斷煤層傾角、傾向，斷層性質、斷距、斷層走向及傾向等，結合鉆井設計多分支井底形狀，描繪出沿各主、分支軌跡的煤層剖面圖（見圖1）；②根據已完成的與多分支水平井配套的排采直井以及鄰井的測井資料，分析確定煤層厚度、夾矸位置與厚度以及煤層、夾矸、頂底板的自然伽馬值、電阻率或自然電位值、巖性特征等相關氣測、鉆井、錄井、隨鉆測井等參數在煤層的響應；③根據本區塊已鉆多分支水平井氣測全烴值及其變化情況、正常鉆進時鉆時（機械鉆速）、伽馬值、電阻率值以及鉆出煤層時相關參數變化、出煤井段等資料，初步分析推斷本井煤層鉆進時鉆時、自然伽馬、氣測全烴、電阻率等數值范圍。

（2）煤層井段鉆進時隨鉆監測，特別是地質錄井、工程技術、地質導向、隨鉆測井、軌跡控制等技術人員要密切配合，互通情況，及時匯總相關數據信息，及時跟蹤繪出相關曲線、圖表。一般需要錄取以下資料：①巖樣：按測算好的遲到時間，每2～5m撈取一包，洗凈順序擺放好；②鉆時：每米記錄一點，連續記錄；③伽馬值：連續記錄；④氣測全烴值：連續記錄；⑤井眼軌跡：跟蹤作圖；⑥作業工況：主要是鉆進時的側鉆、增、降斜、導向鉆進時滑動、旋轉鉆進、鉆頭、螺桿等工具使用、注氣等情況等隨鉆記錄。

以上參數、數據等最好繪制在同一深度比例的圖紙上，便于分析對比（見圖2）。

（3）綜合分析判層。從幾十口多分支水平井的鉆探實踐看，判斷煤層最直接、簡單、有效、常用的標準項目是鉆時、伽馬、氣測全烴值，而巖屑、井眼軌跡、鉆進工況等做為輔助項目，在標準值出現異常時考慮這些項目綜合判斷。

一般在煤層中鉆進時，鉆時、伽馬、氣測全烴值均在標準值范圍內；返出鉆屑為顏色一致的煤屑、井眼軌跡（重點是井斜、垂深）無起伏（順滑）并沿煤層傾向延伸、無特殊鉆井措施（旋轉或滑動鉆進）。

（4）單項標準值出現異常時的綜合判斷。在判煤時，只有伽馬值一項可進行獨立煤層判識，如在標準范圍內時（如小于40APi）即可直接判斷為煤層。除此之外其它單項或多項符合標準值要求時也不能直接判斷為煤層，可遵循以下原則進行判斷。①當伽馬值高于標準值一定幅度（如40～60APi），但鉆時、氣測全烴值均在標準值范圍內，井眼軌跡無調整（按預計的煤層走向前進）且井段長度小于30m時，應判斷為煤層;②當伽馬值高于標準值一定幅度 （如40～60 APi），但鉆時明顯高于在煤層中鉆進的正常值（一般高一倍以上），井段長度大于30m，可判斷為非煤層（一般為砂巖層）;③伽馬值明顯高于標準值（如60～100APi），但鉆時與在煤層中鉆進無異甚至還低，氣測全烴值無明顯變化，井眼軌跡未調整，井段長度小于30m且在一定長度范圍內，若軌跡垂深變化大于1m時伽馬值出現明顯變化（變小），應判斷為煤層（夾矸）；④伽馬值明顯高于標準值（60APi以上），鉆時明顯高于在煤層中鉆進的正常值（一般高一倍以上），井段長度大于30m，可判斷為非煤層（一般為泥巖層）;⑤伽馬值大于該井區泥、砂巖一般響應值（如100APi）時，可直接判斷為非煤層;⑥當確認巖性發生變化時，其界面應設在曲線半幅點處。

在實際判層工作中，出現的可能遠不止上述例舉的情況，所以搞好現場跟蹤，將各參數響應結合鉆井工況變化綜合分析判斷是至關重要的。

5 煤層判識實例

（1）實例1：F1井是某區塊施工狀況較好的一口多分支水平井，總進尺 4 750m，水平段進尺4 009m，施工方上報煤層鉆遇率為100%。我們按照上述方法，以排采直井實鉆資料、測井資料為依據，將隨鉆伽馬、鉆時（機械鉆速）曲線、巖屑錄井等資料結合井眼軌跡情況等進行綜合判斷，經過逐支逐段分析，判斷出煤層555m，煤層鉆遇率86.16%。減少鉆井支出100余萬元。

如本井主支M1鉆進井段741～1 600m，進尺859m，在鉆至井深1 326m時，隨鉆測井顯示伽馬值由33.52APi逐步上升到138.24APi，鉆時由2min/m增加到8min/m，機械鉆速明顯下降，且波動劇烈，復查巖屑，灰色成分明顯增多。對比定向資料、煤層構造圖分析認為，由于增斜過快，鉆頭頂出煤層所致，因此判斷井段1 326～1 417m，段長91m為非煤井段（見圖3）。

（2）實例2：F2井L5（M1）分支鉆進井段845～1 311m，進尺466m，當鉆至井深956m時，隨鉆伽馬值由60APi上升至107.74APi，最高達113.6APi，鉆時由1～2min/m升至4min/m，機械鉆速下降，且波動幅度大，電信號明顯突出，井斜增加，井眼軌跡上傾，因而判斷956～997m井段出煤（見圖4）。

（3）實例3：Z3井在主支M1鉆進時，從井深900～905m，隨鉆API伽馬值由40APi升至110APi，已遠遠超出排采直井煤層及夾矸伽馬值響應范圍；全烴基值由17.39%下降到1.62%；鉆時由2min/m升到8min/m以上；起出鉆頭損耗異常；巖屑由于細碎無法識別，但顏色由原來的黑色漸變為灰黑色，說明其它非煤成分所占比例在逐漸加大。施工方組織地質導向師、定向工程師、鉆井工程師等召開技術分析會，認為是鉆遇了煤層夾矸所致，但仍是在煤層中鉆進。我們綜合分析判斷已鉆出煤層，建議變更施工方案，但施工方未予采納，仍堅持原來措施并調來優質鉆頭繼續鉆進。在鉆進到968m時，由于鉆速太慢起鉆，起出鉆頭磨損更加嚴重。再次研究分析時認可了已出煤層的判斷。從而采取了重新調整井眼軌跡、重新認識各參數煤層響應、調用方向伽馬測量儀器等措施繼續鉆進。在鉆至978m時，隨鉆伽馬、全烴、巖屑等恢復到正常煤層響應值，伽馬值回落到38APi，全烴基值上升到 10%以上，鉆時下降到2min/m并保持平穩（見圖5）。

6 總 結

多分支水平井煤層判識是一項理論和實踐緊密聯接、地質與工程密切結合、各種錄井方法和工藝措施統籌分析的綜合應用技術。在煤層氣多分支水平井鉆井實踐中，只有搞好對地質構造、煤層特性的研究；加強鉆井過程中相關氣測、鉆井、錄井、隨鉆測井等參數在煤層的響應對比；密切跟蹤水平段 （煤層段）鉆進時各項施工參數的變化；才能使煤層判斷更加科學、合理。

Through the drilling practice of several decades of wells,a set of methods of judging and identifying coal beds by different kinds of technological means is summarized,which can provide some experiences for exploiting coal-bed gas by utilizing the drilling technology for multi-branched horizontal well.

coal-bed gas;coal seam/coal bed;multi-branched horizontal well;judging and identifying

張紹雄（1957-），男，工程師，多年從事鉆井工藝技術研究及管理工作。

尉立崗

2011-06-01