延川南煤層氣V型水平井組鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

龍志平 袁明進(jìn) 朱智超

(中國石化集團華東石油局工程技術(shù)設(shè)計研究院，江蘇 210000)

延川南煤層氣藏具有普遍低壓 (壓力系數(shù)小于0.8)、低飽和 (飽和度小于70%)、低滲透的特征，且非均質(zhì)性強。在開發(fā)中通常采取排水、降壓方式來獲得產(chǎn)量。因此，為了提高煤層氣單井的產(chǎn)量，獲得經(jīng)濟產(chǎn)量必須要采取一些新的增產(chǎn)措施。V型井指由兩組之間呈一定夾角并共用一口排采直井的U型井組成，地層流體通過兩個水平井眼分排流向同一排采直井井筒內(nèi)，增加了泄流面積，實現(xiàn)兩水平井共同排采降壓采氣，能夠獲得更大的氣產(chǎn)量。煤層氣V型井組鉆井工藝集成了隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、煤層造穴、三井對接、多井眼完井等多項先進(jìn)的鉆井技術(shù)。

1 鉆完井技術(shù)難點

(1)目的煤層薄，軌道控制難度大

主要目的層2#煤層煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部發(fā)育有夾矸，上部塊煤層段僅2.40m左右，為V型水平井設(shè)計鉆進(jìn)的有效水平層段。由于要求實現(xiàn)兩口水平井與一口直井的遠(yuǎn)端連通，其軌跡方位控制在鉆進(jìn)過程中極其嚴(yán)格。

(2)地層復(fù)雜，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大

延川南區(qū)塊地層巖性主要為砂礫巖、細(xì)砂巖、泥巖與細(xì)砂巖互層等，且地層存在較多不同程度的斷層，鉆井過程中時常發(fā)生漏失現(xiàn)象，其中第四系、劉家溝組、石盒子組在周邊已完鉆井施工中均出現(xiàn)不同程度的漏失，故在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中需重點考慮不同地層出現(xiàn)的復(fù)雜情況，給井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了更大的難度。

(3)煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤為主，水平段煤層垮塌風(fēng)險大

通過對煤層鉆井取芯分析，延川南區(qū)塊目的煤層煤巖以亮煤為主，呈碎塊狀、片狀，同時對煤巖的彈性力學(xué)參數(shù)分析反映其機械強度弱，容易壓性破裂和張性破損。因此，在鉆V型井組中長達(dá)500～700m水平段的過程中，煤層存在較大的垮塌風(fēng)險。

(4)遠(yuǎn)端連接，對接難度大

連通點位于直井目的煤層造穴段，直徑約為0.5m，保證兩口水平井與直井是否實現(xiàn)遠(yuǎn)端對接，對連通工具的選擇很關(guān)鍵，要求儀器的精確度高。

(5)多井眼連通，固井工藝難度大

V型井水平井如果采用套管完井方式，如何保證兩水平井的固井質(zhì)量，相比常規(guī)水平井和U型井難度都要大得多，而且采用的方式也有所不同。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計

延川南地層目的煤層埋深 (即水平段垂深)為800～1000m，水平段長500～650m，靶前位移250～350m，根據(jù)不同軌道設(shè)計計算結(jié)果分析，優(yōu)選采用“直-增-穩(wěn)-增-平”五段制軌道設(shè)計能很好的滿足施工要求，既能很好的滿足地質(zhì)中靶要求，同時簡化了井眼軌道復(fù)雜程度，減少進(jìn)尺便于施工(圖1)。

圖1 V型井軌道示意

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

延川南區(qū)塊地層壓力系數(shù)在0.4～0.8，地層壓力偏低，根據(jù)已鉆井資料顯示，該地區(qū)鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)溢流、井涌等情況，因此井身結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮封固漏失及井壁不穩(wěn)定地層段。

2.2.1 水平井井身結(jié)構(gòu) (圖2)

(1)一開:采用φ444.5mm鉆頭鉆穿第四系表土層，進(jìn)入穩(wěn)定地層;

圖2 煤層氣V型井組井身結(jié)構(gòu)示意圖

(2)二開:采用φ311.1mm鉆頭鉆進(jìn)至目的煤層上部，下φ244.5mm套管封固;

(3)三開:采用φ215.9mm鉆頭鉆進(jìn)水平段，與對接直井連通后完鉆，下入生產(chǎn)管串。

2.2.2 洞穴井井身結(jié)構(gòu)

(1)一開:采用φ311.1mm鉆頭鉆穿第四系表土層，進(jìn)入穩(wěn)定地層;

(2)二開:采用φ215.9mm鉆頭鉆穿目的煤層，在目的煤層段下入可鉆式玻璃鋼套管 (可供造穴)。

2.3 井眼軌跡控制技術(shù)

井眼軌跡控制技術(shù)是水平V型連通井組最后是否成功實現(xiàn)三口井對接的關(guān)鍵技術(shù)，V型井組中每一口水平井的軌跡走向都影響最后的對接，必須嚴(yán)格控制各水平井的的軌跡，保證精確中靶。

2.3.1 隨鉆測斜儀器的選擇

高精度的儀器和完善工藝技術(shù)是成功實施水平連通井的保障。設(shè)計采用EM－MWD無線隨鉆測量儀，EM－MWD是依靠電磁波傳輸方式進(jìn)行井眼軌跡測量的一種先進(jìn)儀器。具有信號傳輸速率高、不需要循環(huán)鉆井液便可傳送數(shù)據(jù)、測量時間短、測量數(shù)據(jù)精確等特點。

2.3.2 鉆具組合的優(yōu)化設(shè)計

對于水平井的鉆進(jìn)，需根據(jù)不同施工井段采用不同鉆具組合進(jìn)行施工作業(yè)。

直井段保證井眼打直，采用塔式鉆具組合，打好直井段;二開直井采用塔式、螺桿+鉆頭鉆具組合防斜、糾斜;造斜段采用螺桿+鉆頭鉆具組合;水平段采用的是“單彎螺桿鉆具+LWD”的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合，保證軌跡的精確控制;在最后連通對接時，在鉆具組合中需加入強磁接頭，主要是為了尋找信號，保證連通 (φ215.9mm鉆頭 +φ165mm強磁接頭 +φ172mm單彎螺桿 (1.25°)+φ127mm無磁承壓鉆桿×2根+φ127mm加重鉆桿+φ127mm斜坡鉆桿 +φ127mm加重鉆桿 +φ127mm鉆桿)。

2.3.3 控制技術(shù)

煤層氣V型水平井定向控制的主要參數(shù)包括井斜角、方位角和垂深，為了在煤層中很好地控制井眼軌跡，采用了采用EM－MWD無線隨鉆測量儀進(jìn)行井眼軌跡實時監(jiān)控。

通過連續(xù)滑動鉆進(jìn)的方式，實現(xiàn)增斜、降斜，通過復(fù)合鉆進(jìn)的方式穩(wěn)斜，既達(dá)到連續(xù)鉆進(jìn)的目的，又可隨時根據(jù)需要調(diào)整井眼狀態(tài)，有效地提高鉆井速度和軌跡控制精度。為了在煤層中很好地控制井眼軌跡，采用了地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)行井眼軌跡實時監(jiān)控。首先利用前期地震的資料結(jié)合從隨鉆測量儀監(jiān)測到的儲層伽馬數(shù)值、電阻率等參數(shù)，調(diào)整井眼軌跡。另外，可以根據(jù)綜合錄井儀實時監(jiān)測到的鉆時和泥漿返出的巖屑來判斷鉆頭是否鉆穿煤層，保證水平井在煤層中的穿遇率。

2.4 井壁穩(wěn)定與煤儲層保護(hù)技術(shù)

煤儲層的吸附能力強、應(yīng)力敏感性強、速敏性強以及水敏性、堿敏性強等的特點，決定了煤層容易受到傷害。煤層膠結(jié)疏松，施工水平井容易發(fā)生坍塌卡鉆事故。

絨囊鉆井液是一種密度可調(diào)適合于近、欠平衡鉆井外，還具有自匹配分度漏失通道、高效懸浮攜帶巖屑、控制儲層傷害、控制體系密度等特點的絨囊鉆井液體系。它不需要特殊設(shè)備，利用常規(guī)鉆井設(shè)備的攪拌、剪切等物理作用和處理劑的化學(xué)作用，便可形成內(nèi)部為囊泡、外部為絨毛的絨囊。絨囊粒徑15～150μm、壁厚3～10μm，均勻的分散在連續(xù)相中形成穩(wěn)定的氣液體系。通過前期的調(diào)研和試驗，絨囊鉆井液成功應(yīng)用于多口煤層氣鉆井中，對井壁起到了很好的穩(wěn)定作用。相比KCL溶液，后者對儲層傷害嚴(yán)重，漏入煤層后，對儲層深處也造成了傷害，儲層改造難度大;絨囊鉆井液儲層傷害程度小，能夠封堵煤層，避免對儲層深部污染，靠近井筒表層污染帶可通過射孔、壓裂等儲層改造措施消除其對儲層滲透率的影響。

2.5 煤層造穴技術(shù)

為了易于實現(xiàn)水平井與直井在煤層中成功對接及建立氣液通道，需要在直井的煤層部位造一個洞穴，通過前期調(diào)研及試驗，優(yōu)選采用機械工具進(jìn)行造穴。機械工具造穴是利用機械切削的原理，用鉆具把特殊設(shè)計的機械裝置送入造穴井段，然后通過液壓控制方式使造穴工具的刀桿張開，并在鉆具的帶動下旋轉(zhuǎn)并切削儲層，形成滿足實際需要的洞穴。

機械工具造穴擴孔器的鉆井相關(guān)參數(shù):鉆壓:0～10kN;轉(zhuǎn)數(shù):60rpm;排量:16L/s;泵壓:0.5 ～3.5MPa。

2.6 水平井與洞穴井連通技術(shù)

兩井連通時采用電磁波測量儀器。連通過程中首先在直井中下入探管，水平井施工時在鉆頭處連接一個永磁短節(jié)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的強磁短節(jié)通過洞穴井附近區(qū)域時，探管可采集強磁短節(jié)產(chǎn)生的磁場強度信號，最后通過采集軟件準(zhǔn)確地計算兩井間的距離和當(dāng)前鉆頭的位置 (圖3)。

圖3 兩井連通示意圖

鉆具組合通常為:鉆頭+強磁短節(jié)+馬達(dá)+無磁鉆挺+隨鉆測斜儀+鉆桿。

在連通過程中，在直井中下入探管，在鉆頭處連接一個強磁短節(jié)，有探管接收強磁信號，判斷直井洞穴位置。

2.7 V型水平井組固井工藝技術(shù)

對V型井組水平井采用下套管固完井的方式，國內(nèi)尚無先例。其固井施工過程中遇到的難點與常規(guī)水平井相比，主要體現(xiàn)在以下兩方面:

(1)煤層機械強度低，力學(xué)穩(wěn)定性差，水泥漿容易漏失，影響頂替效率;

(2)如何避免對其中一口水平井固井時水泥漿竄至排采井直井段以及另一口水平井，影響兩井固井質(zhì)量。

通過對各種技術(shù)方案的考慮和分析，最終確定通過采用對直井采取填砂作業(yè)協(xié)助水平井固井的方式來提高V型井組中水平井的固井質(zhì)量。這就要求V型井組中兩水平井不能同時與直井對接，應(yīng)有先后次序。具體工藝流程:

(1)完成直井的施工 (包括造穴);

(2)交替錯開兩水平井的施工進(jìn)度，確定先實施對接的水平井P1，并進(jìn)行連通對接;

(3)將光油管對直井通井、替漿、細(xì)粉砂填砂 (要求蓋住目的煤層頂100m)、沉砂、探砂面。砂面合格后，對井筒憋壓關(guān)井;對水平井P1進(jìn)行固井侯凝;

(4)對直井進(jìn)行淘砂，淘至上口水平井對接點以上位置，進(jìn)行水平井P2井與直井的連通;

(5)重復(fù) (3)的工作，對水平井P2進(jìn)行固井侯凝;

(6)最后進(jìn)行掃塞施工，再次使兩口水平井與洞穴直井的連通，完成V型水平井組。

3 應(yīng)用實例

2012年4月8日，中石化華東分公司在延川南煤層氣工區(qū)完鉆了第一個V型井組——延5V1井組，延5V1井組由一口排采直井延5V1井和兩口水平井延5V1－P1、延5V1－P2組成，在2#煤層實現(xiàn)3井連通，實際鉆井過程中首先進(jìn)行延5V1－P1與直井的對接連通，通過采取直井填砂特殊工藝對延5V1－P1井固完井，接著實施延5V1－P2井水平段段鉆進(jìn)、連通及完井作業(yè)，交替進(jìn)行。煤層段鉆井過程中采用絨囊鉆井液體系，兩水平井均未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)坍塌現(xiàn)象，連通距離分別為1030m和750m。該V型井組工藝復(fù)雜，施工難度大，通過掌握該類特殊結(jié)構(gòu)井的核心技術(shù)，為中石化延川南區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)提供了技術(shù)支撐，對下一步大規(guī)模建產(chǎn)起到積極作用。

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