沁水盆地煤層氣水平井對接技術研究

樊文靜，董 浩，閆昭圣，劉秀婷，韋樂樂

（西北大學大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系，陜西西安710069)

沁水盆地煤層氣水平井對接技術研究

樊文靜*，董 浩，閆昭圣，劉秀婷，韋樂樂

（西北大學大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系，陜西西安710069)

首先對沁水盆地的地理位置、構造特征、煤層研究、沁水盆地鉆井現狀等作了闡述；對該區域煤層段井眼失穩機理進行了研究，從該區域的井身優化、鉆井液的控制、相關的工程技術措施等方面進行了分析，為該區域煤層段井眼失穩做了必要準備。其次，對該區域的對接水平井的井身結構進行了優化設計、井眼軌道類型進行劃分，對軌跡控制技術進行了分析，優選了鉆具組合和鉆進參數，為今后沁水盆地煤層氣水平對接井的鉆井技術提供了一定的借鑒。提出了在沁水盆地進行水平對接井鉆井技術，為該技術在沁水盆地的應用提供了鉆井技術方面的參考和支持。

煤層氣鉆井；水平對接井；軌跡控制

1 煤層氣開采方式對比

1.1 開采方式

目前，國內外主要的煤層氣開發方式有地面垂直井、羽狀水平井、對接井。

近年來，水平對接井技術越來越多地應用在煤層氣開發領域，并且已經取得了很大的成效。

1.2 適應條件

不同的煤層氣開發方式對地形、地質和投資等條件的適應性不一樣。

合理的煤層氣開發方式會影響到項目的收益。煤層氣開發方式的合理選擇是煤層氣開發需要重點考慮的內容，也是煤層氣勘探開發成功的關鍵。所以，在生產時應結合研究區的試驗條件選擇適合研究區的煤層氣開發方式。

2 沁水盆地煤層氣開采方式選擇

2.1 開采方式選擇

煤層厚度5～6m，煤層結構簡單，屬較穩定煤層。垂直井開采方式不適合研究區單一煤層的煤層氣開采；與水平井對接比較，水平對接井的技術工藝較簡單，投資成本也較低，氣井產量高，氣井服務年限短，對煤礦安全生產的保障性強。

根據晉平x井的地質條件及煤儲層條件，結合煤層氣水平對接井技術在山西晉城潘莊實施所取得的成功經驗，在晉平x井展開了煤層氣地面水平對接井試驗研究。

2.2 水平對接井技術的難點

沁水盆地煤層氣水平對接井技術集成了垂直井、水平井、連通對接、欠平衡鉆井、地質導向和儲層保護等技術。在沁水盆地的地質環境和煤儲層條件下，實現兩井遠距離對接的難點主要包括以下3個方面。

（1）井眼軌跡控制。沁水盆地煤儲層埋深較淺，施工水平對接井的特點是井垂深較淺，而水平段在煤層中穿越一般較長，所以水平井段軌跡控制精度要求高，否則不能實現與洞穴井的對接。

（2）井壁穩定。煤比巖石容易壓碎，在水平井段鉆進時煤層被壓碎以后，不能承受上覆地層的壓力，容易造成井壁坍塌，從而造成埋鉆、卡鉆等井下復雜情況的出現，不利于安全、快速鉆進，這樣井壁會因為受到鉆井液長時間浸泡而更易坍塌。

（3）儲層保護。對煤儲層損害機理進行了研究，煤儲層的特點，決定了煤層比常規油氣儲層更容易受到傷害；另外，由于煤儲層的壓力低，鉆井液中的固相顆粒在液柱壓差作用下容易進入煤層孔隙和裂縫，破壞儲層。

3 水平井對接井身結構優化研究

3.1 優化的原則

井身結構設計是鉆井工程基礎設計。水平對接井井身結構設計遵循以下原則。

（1）要滿足直井井身結構設計的基本原則，既要滿足地質勘探開發的要求、有效保護儲層，又要滿足鉆井工程的各種條件、保障井下安全，為安全、優質和經濟鉆井創造條件；

（2）要滿足水平井的特殊要求，應有利于井眼軌跡控制、精確中靶，滿足完井、儲層保護、井眼清潔的需要，并且保證套管柱能順利地下至設計井深。

3.2 優化的關鍵問題

水平井井身結構優化設計的關鍵在于確定套管的下入層次和各層次套管的下入深度（特別是技術套管的下深）及鉆頭尺寸。

套管層次的確定主要受所鉆井工區的地層巖性、地層孔隙壓力、地層破裂壓力、井深、造斜點位置、鉆井成本和鉆井周期等多種因素影響。技術套管的下深是水平井井身結構優化設計的關鍵。技術套管的下深有4種方案：直井段、小井斜角井段、較大井斜角井段和接近靶窗。

3.3 晉平x井井身結構優化設計

晉平x井進行水平井對接，需要綜合考慮水平井與洞穴井的連通性、煤層段的井壁穩定性以及后期排水采氣等因素，設計選用兩層套管結構：一開下入D244.5mm×150m表層套管；二開下入D177.8mm× 500m技術套管；采用裸眼完井方式完井。

一開用?311.15mm牙輪鉆頭鉆穿第四系表土層，進入穩定基巖10m后下入?244.5mm×150m表層套管并注水泥固井，水泥漿返至地面，封固地表松散層，防止鉆進過程中掉塊、漏失等復雜情況出現。

二開用?215.9mm三牙輪鉆頭鉆至造斜點后，更換螺桿鉆具造斜，鉆進至煤系地層后，下入?177.8mm× 500m技術套管，套管下在3號煤煤層下部較穩定地層，并注水泥固井，水泥漿返至地面，封固煤層段以上地層，避免套管下入煤層中，以防固井時將煤層壓裂，導致后續鉆進過程中的井壁坍塌。

三開用?152.4mm三牙輪鉆頭（或PDC鉆頭）和螺桿鉆具造斜，鉆至3號煤層后及時調整井斜角與煤層傾角一致，繼續鉆進直至與排采洞穴井對接，采用裸眼完井方法。值得注意的是，考慮到煤層的井壁穩定性差，水平段在煤層中鉆進時，井眼須處于煤層的下部位，以利于安全鉆進。

4 井眼軌道設計方法

4.1 軌道設計方法

井眼軌道的基本設計參數是造斜點的位置、增斜段（或降斜段）的井眼曲率，以及穩斜段的最大井斜角。

目前，應用較為普遍的水平井井眼軌道設計計算方法有固定參數法和調整參數法兩種。井眼軌道設計的前提是靶窗上目標點的垂深Ht、井斜角αH、水平段長度L及方位已經確定。

（1）固定參數法設計單增軌道。如圖1所示，用固定參數法設計單增軌道，就是要確定造斜點位置和曲率半徑，或者說要確定靶前位移SA、造斜點垂深HK和曲率半徑R。固定參數法的設計自由度為l，即使在3個參數的組合中任意確定1個，其他2個參數值即可由計算確定。

圖1 固定參數法設計單增軌道

①當曲率半徑R選定時，有造斜點垂深：

給定參數要在實際問題允許的范圍內選取，否則可能得不到符合工程要求的設計。變化給定參數，就可以得到不同的設計方案，設計井眼軌道應在多種方案中優選。

（2）調整參數法設計雙增軌道。如圖2所示，用調整參數法設計雙增軌道，就是在工具造斜率有一定誤差的條件下，用中間的穩斜段進行調整。

圖2 用調整參數法設計雙增軌道

聯系造斜點垂深HK、靶前位移SA、曲率半徑R1和R2，以及穩斜段的長度Lw和穩斜角αw等6個參數的是如下方程組：

式中：HK——造斜點垂深；

Ht——靶點垂深；

SA——靶前位移；

R1、R2——分別為第一、第二增斜段曲率半徑；

Lw——穩斜段長度；

αw——穩斜角；

αH——水平段井斜角。

因此該設計問題有4個自由度，必須先確定其中任意4個參數值，才能夠確定另2個待求的參數，即得到確定的設計方案。例如，在給定造斜點垂深HK、第一、二造斜段曲率半徑R1、R2時，由上述方程組即可解出穩斜井段井斜角αw和穩斜井段長度Lw為：

式中：

第一、二造斜段的造斜率K1和K2與曲率半徑R1和R2的關系為：

顯然，當K1、K2存在偏差時，會引起Lw和αw的相應變化。所以，在實際的鉆井過程中，就要通過及時調整Lw和αw值以適應K1、K2的偏差，確保準確中靶。

4.2 井眼軌道優化設計的關鍵問題

沁水盆地井晉平x井的特點是目的煤層淺、水平段在煤層鉆進距離長。因此，在進行井眼軌道設計時，除了要考慮常規水平井須考慮的因素外，還要重點考慮井眼軌跡控制和水平井段加壓2個因素。

4.3 沁水盆地鉆井井眼軌道優化設計

（1）井眼軌道類型選擇。由前面分析可知，設計的水平井井眼軌道應盡可能光滑，以最大限度減少摩阻。為了有效防止和及時調整由于工具造斜率的誤差造成的軌道偏離，沁水盆地井的設計軌道是由直井段、第一增斜段、穩斜段、第二增斜段和水平段組成的“直—增—穩—增—水平”的5段制雙增軌道。

（2）造斜點選擇。造斜點的具體位置應選在巖性均勻且穩固的地層部位，以便于定向造斜。在預計有易漏、易塌等復雜地層的井內，造斜點應選在復雜地層以下部位，以便可在下套管封隔上部復雜地層后再定向造斜。

（3）井眼軌道參數計算。該井水平段井斜角αH= 90°，造斜點垂深HK=209m，第一增斜段曲率半徑R1= 229m，第二造斜段曲率半徑R2=229m，水平段長L= 1200m，靶前位移SA=250m，靶點垂深Ht=459m，把這些數據帶入式（9）、（10）可得到穩斜段長度Lw=29.7m，穩斜角αw=45°，第一、二造斜段曲率K1=K2=7.5°/30m。

表1為沁水盆地晉平x井設計軌道參數。

5 鉆具組合及鉆進參數研究

鉆具組合的鉆進參數需要進合理的計算，下面以晉平x井為例，闡述鉆進參數的優選過程。

5.1 沁水盆地晉平x井組鉆具組合設計

本文對煤層氣水平對接井技術的軌跡控制技術進行了研究，提出了不同井段軌跡控制的依據。根據研究情況，對晉平x井各井段鉆具組合進行了優選,具體優選結果為：

（1）一開直井段（0～159.49m）采用塔式鉆具組合：?311.2mm三牙輪鉆頭+?203mm無磁鉆鋌+?203mm鉆鋌+?127mm鉆桿。本段最大井斜0.81°。

表1 沁水盆地晉平x井井設計軌道參數

（2)二開直井段（159.49～209m）采用塔式鉆具組合：?215.9mm三牙輪鉆頭+?159mm無磁鉆鋌+?159mm鉆鋌+?127mm鉆桿。本段最大井斜0.39°。二開造斜段（209～537m）采用“導向馬達+MWD”常規導向鉆具組合：?215.9mm三牙輪鉆頭/PDC鉆頭+ ?165mm單彎螺桿鉆具（1.5°）+?127mm無磁承壓鉆桿+MWD+?127mm無磁承壓鉆桿+?127mm加重鉆桿+?114mm鉆桿。

（3)三開水平段（537～1412.73m）采用“單彎螺桿鉆具+LWD”地質導向鉆具組合：?155.6mm牙輪鉆頭/PDC鉆頭+?121mm單彎螺桿鉆具（1.5°）+ ?96mm無磁承壓鉆桿+LWD+?88.9mm無磁承壓鉆桿+?73mm加重鉆桿+?73mm鉆桿。

兩井對接時采用帶RMRS的地質導向鉆具組合：?149.2mm牙輪鉆頭+?120mmRMRS+ ?120mm單彎螺桿鉆具（1.5°）+?88.9mm無磁承壓鉆桿+LWD+?88.9mm無磁承壓鉆桿+?73mm加重鉆桿+?73mm鉆桿。

5.2 沁水盆地晉平x井組鉆進參數

由于晉平x井采用裸眼完井，在鉆進中根據不同鉆具采用了相應的鉆進參數。

在直井段為防斜，采用了小鉆壓吊打的方法；在鉆入煤層后，為使螺桿鉆具正常工作，泥漿泵排量控制在較小范圍內；進入水平段，由于井壁沒有泥皮，摩阻大，井壁托壓嚴重，故采用大鉆壓、低轉速，復合鉆進和滑動鉆進相結合的鉆進方式，保證了煤層的穩定。在調整工具面及循環的過程中，不斷活動鉆具，防止定點循環。晉平x井各井段鉆進參數見表2。

表2 晉平x井各井井段鉆進參數表

[1]SY/T5955-2004定向井井身軌跡質量[S].國家發展和改革委員會,2004.

[2]劉偉,李麗.川西深層水平井井身結構探討[J].石油地質與工程,2009,23（5）:90-92.

[3]王洪英.大慶深層水平井井眼軌跡設計與控制技術研究[D].東北石油大學,2010.

[4]蘇義腦.水平井井眼軌道控制[M].石油工業出版社，2000.

[5]郝世俊.近水平孔軌跡受控方法及受控機理研究[D].煤炭科學研究總院西安研究院,2001.

[6]黃國耀.韓城地區煤層氣水平井鉆井工藝技術研究[D].科技大學,2009.

[7]王彥祺.煤層氣水平連通井鉆井技術[J].中國煤層氣,2010, 7（3）:29-31.

TE243

A

1004-5716（2015)03-0057-04

2014-03-24

2014-03-27

樊文靜（1987-），女（漢族），新疆昌吉人，西北大學地質學系在讀碩士研究生，研究方向：儲層地質和油氣田開發。