黔北礦區煤層頂板水平井鉆井關鍵技術

胡焮彭，趙永哲，徐堪社，王林杰，李 鵬，段會軍

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

西南地區(指貴州省、云南省、四川省和重慶市)煤炭資源豐富，煤炭資源總量約占全國儲量的10%，是我國南方片區主要的產煤區域。該區域受地質構造運動影響，導致地質構造復雜，煤與瓦斯突出礦井居多，是我國煤礦瓦斯災害的重災區[1]。黔北礦區地處貴州高原西北部，煤層具有“層數多、厚度薄、成群分布”的特點[2]，瓦斯含量豐富。自2009 年初在該區塊摸索煤層氣勘探開發工程模式以來，分析了各類煤層氣開發技術對該地區煤層氣地質條件的適應性，試驗鉆進了較多不同的地面煤層氣開發井型[3-4]，同時改進鉆完井技術、壓裂排采工藝等，但并未取得顯著突破[5]。多數煤層氣井因地層條件復雜、松軟低滲煤層發育且塑性較強，依然存在井眼穩定性較低、鉆孔效率和質量有待提高、壓裂排采效果差等問題，工程有效性和地質適應性難以適配，煤層氣資源“可見難取、有氣難出”[6]。針對此問題，圍繞如何高效抽采區域煤層瓦斯，實現先抽后采目的，馬耕等[7]提出“虛擬儲層”的概念，即利用臨近煤層的巖層(頂底板)部署水平長鉆孔進行井下瓦斯抽采，并在煤礦井下成功應用實施；劉貽軍等[8]針對貴州省煤儲層條件，提出了煤層氣儲層增產改造技術和排采工藝技術；張群等[9]通過科研攻關，提出頂板水平井分段壓裂高效抽采模式，取得了良好的工程試驗效果，為碎軟低滲煤層地面瓦斯治理指明了方向。借鑒淮北礦區蘆嶺煤礦頂板巖層水平井煤層氣開發技術[10]，以對江南煤礦為研究對象，本土化改進工藝措施，施工一組U 型水平對接井，該井組由水平井H2 和排采直井V2 組成。通過將水平井H2 的水平段布置并控制在煤層頂板中，開展適用于同地區的煤層頂板水平井鉆進關鍵技術研究，利于后期實施定向射孔和分段水力壓裂抽采煤層氣，為同地區煤層氣地面開發提供思路。

1 地層特征及技術難點

對江南煤礦主體處于大方背斜與落腳河向斜之間，地層傾角8°～15°。目的層位M78 煤層位于二疊系龍潭組下部，煤層氣資源量11.80～16.79 m3/t，占總資源量的28.14%。礦區內地層切割嚴重、斷層縱橫交錯。據地質填圖和鉆孔揭露，主要鉆遇第四系(Q)、三疊系下統夜郎組(T1y)、二疊系上統長興組(P3c)、二疊系上統龍潭組(P3l)及二疊系上統峨眉山玄武巖組(P3β)等。地層主要特點：第四系為松軟黃土層，主要為殘積、坡積物、黏土等，易垮塌；煤系上覆地層石灰巖和泥灰巖段巖溶、溶蝕、裂隙現象發育；煤層頂板主要為泥巖、粉砂巖互層，底板為粉砂巖、炭質泥巖、黏土巖等，夾大量團狀黃鐵礦；M78 煤層厚度1.70～2.10 m，平均厚度1.90 m，煤層起伏變化大，煤質結構松散，易垮塌。

基于上述地層特征，H2 水平井主要存在以下技術難點：

a.裂隙、巖溶發育，地層漏失問題，制約著鉆井施工周期及定向井眼軌跡控制。

b.缺乏詳盡的地質資料，復雜的地層條件及多煤層干擾，嚴重制約著精準著陸。

c.目標煤層起伏變化大，為了保證后期壓裂，設計要求精準控制水平段軌跡在 M78 煤層頂板0.5～2.0 m 內鉆進，水平段井眼軌跡控制難度大。

d.水平段固井，水泥漿易通過連通通道壓入直井，或與直井井筒內液體發生置換進入直井，為后期壓裂排采作業增加了難度。

2 井眼軌道與井身結構優化設計

2.1 井眼軌道設計

綜合地質資料和煤層氣水平井施工經驗，H2 水平井由于垂深限制，采用“直–增–水平”單增形軌道剖面[11-12](圖1)。造斜段設計垂深352～607 m，盡量避開裂隙、巖溶漏失地層。

圖1 固定參數法設計單增軌道Fig.1 Fixed parameter method for designing single-increasing track

如圖1 所示，當造斜點垂深Hk選定時，根據軌道設計固定參數法計算：

式中R為曲率半徑，m；SA為靶前位移，m；K為造斜率，(°)/30 m；Ht為目標點垂深，m；αH為井斜角，(°)；Hk為造斜點垂深，m；

H2 井設計井深1 672.09 m，當造斜點位于井深352 m 處時，由此可計算出，造斜率半徑為260 m，靶前位移為261.61 m，著陸點位于井深766.47 m 處，全井最大狗腿度為6.26°/30 m，井眼軌跡的水平投影走向291.97°。

2.2 井身結構優化設計

根據對江南煤礦地層條件與構造特征，結合鄰井資料，H2 井采用三開井身結構，如圖2 所示。

一開采用Φ444.5 mm 鉆頭鉆入基巖以下20 m，下入Φ339.7 mm 表層套管封固地表易漏地層。

由于水平井布置區域鄰井資料較少，勘查精度相對較低，煤系存在多套煤層，且受區域構造影響較大，為確保三開水平井段目標靶區地層段的鉆遇率，二開需采用Φ215.9 mm 鉆先導孔的方式提前揭露著陸點，掌握目標層段巖性及埋深相應特征，為造斜段井眼軌跡精確著陸提供條件。隨后以Φ311.15 mm 鉆頭擴孔完鉆，下入Φ244.5 mm 技術套管。

三開采用Φ215.9 mm 鉆頭沿煤層頂板水平鉆進至設計井深與V2 井進行精準偏心對接連通[11]，下入Φ139.7 mm 生產套管固井。

圖2 井身結構示意Fig.2 Wellbore structure diagram

3 關鍵技術

井組施工過程中問題難點相互關聯，通過單一技術手段或常規水平井技術方案難以取得良好的鉆進效果。因此，必須依靠多種技術互相配合，才能提高H2水平井鉆進速度與質量，確保安全高效施工。

3.1 上部地層裂隙和巖溶漏失防漏堵漏

對江南煤礦上部巖層裂隙發育，多為連通性溶洞或嚴重漏失層，且與地下水系連通。采用常規鉆井液鉆進，往往是“有進無出”[14]，會出現機械鉆速低、漏失嚴重或井口失返、污染水源等問題。考慮各方面因素，一開采用空氣潛孔錘鉆進，可有效避免井漏失返等復雜情況。

一開空氣潛孔錘鉆具組合：Φ444.5 mm 潛孔錘+Φ178 mm 無磁鉆鋌+Φ178 mm 鉆鋌+Φ165 mm 鉆鋌+Φ127 mm 加重鉆桿。

鉆井工藝參數：轉盤轉速30 r/min，風壓2.5 MPa，風量120 m3/min。

原表層設計進入基巖20 m 完鉆，表層設計深度約50 m。由于井場地處山谷河道區域，空氣鉆鉆進過程中地層裂隙發育，出水嚴重，鉆進至52 m 完鉆下套管，固井過程中水泥漿全部漏入裂隙。為探明下部地層裂縫發育情況，決定采用表層套管護壁，更換Φ311.1 mm 空氣潛孔錘繼續鉆進。若下部地層無裂隙、巖溶發育，則采用井口回灌水泥漿封固表層；若下部裂隙、巖溶發育，則加深表層。鉆進至198 m 處遇放空型溶洞，繼續鉆進至243 m，起出護壁套管，擴孔至243 m，再次下入表層套管，采用“穿鞋蓋帽”法固井，表層完鉆。

3.2 空氣潛孔錘鉆進防斜打直技術

上部地層傾角大，軟硬地層互層，灰巖巖溶裂隙發育，鉆遇溶洞幾率較大，空氣潛孔錘鉆進普遍存在井斜不易控制的問題，需綜合考慮地層傾角、地層各向異性、巖屑在井壁形成墊層、鉆具組合及鉆壓等因素的影響[15]。采用塔式鉆具組合，輕壓吊打，最大限度地降低鉆具彎曲，減小鉆頭側向力。當潛孔錘接觸溶洞底部新地層時，需降低鉆壓，上提下放反復劃眼，保證井眼軌跡中心線垂直，以求達到預期的井斜控制目的。

3.3 造斜段精準著陸控制

為了精準控制井眼軌跡，提高鉆具造斜能力，造斜段采用兩級施工，第一級采用Φ215.9 mm 動力鉆具施工先導孔并控制精準著陸，第二級采用Φ215.9 mm 鉆頭控制軌跡精準著陸。

二開定向鉆具組合：Φ215.9 mm PDC 鉆頭+Φ172 mm 螺桿(1.5°)+Φ127 mm 無磁承壓鉆桿+Φ165 mm EMWD短節+Φ127 mm加重鉆桿+Φ127 mm鉆桿。

鉆井工藝參數：轉盤轉速30 r/min，鉆壓40 kN，排量30 L/s。

二開采用EMWD(Electric Measure While Drilling)定向鉆進至井斜65°后進行先導孔施工，穩斜鉆穿煤系以下20 m。若電測不到底，則采用鉆桿傳輸測井，通過電測數據反推確定M78 煤層頂底板位置，根據現場巖屑錄井、氣測錄井數據進行核實，為精準著陸提供第一手數據，降低著陸誤差，并對M78煤層及頂底板進行伽馬數據錄取，為水平段井眼軌跡控制提供參考。

根據先導孔掌握M78 煤層準確垂深后，優化造斜段井眼軌道，確定回填井段長度，采用EMWD加密測量，利用已掌握的地層自然造斜規律和定向鉆具造斜能力，實現井眼軌道軟著陸[16]。

同時，由于EMWD 信號傳輸存在時間差導致實鉆過程中信息滯后，應根據參數值預測當前鉆頭信息及前進方向趨勢[17]。通過調整工具面并注意反扭角的影響，將造斜井段方位嚴格控制在設計方位的(±2.0°)范圍內，閉合方位偏差0.2°以內。

軟著陸后起鉆，采用Φ311.15 mm 鉆頭進行擴孔作業后，下入Φ244.5 mm 技術套管封固。

3.4 水平段軌跡精細控制

三開鉆具組合：Φ215.9 mm PDC+Φ172 mm 螺桿(1.25°)+Φ210 mm 球形扶正器+Φ172 mm 定向接頭+Φ165 mm 無磁鉆鋌+Φ165 mm 短無磁+Φ127 mm鉆桿+Φ127 mm 加重鉆桿+Φ127 mm 鉆桿。

鉆井工藝參數：轉盤轉速30 r/min，鉆壓60 kN，排量23 L/s。

采用電磁波傳輸信號的隨鉆測量儀器(EMWD)，利用環空壓力監測第一時間判斷井下異常情況，利用實測方位伽馬與二開M78 煤層及上下頂底板伽馬值對比，實時監測井眼軌跡偏離情況，確保井眼位于煤層以上0.5～2.0 m 范圍內鉆進。

水平段采用柔性鉆具組合，以復合鉆進為主，滑動鉆進為輔。鉆進過程中使用“倒裝”鉆具組合以減小井壁摩阻與扭矩，確保鉆壓的有效傳遞。

井底螺桿鉆具組合對水平井導向鉆進至關重要。為了實現軌跡精細控制，應充分考慮鉆具組合類型、井眼幾何參數、鉆井工藝參數、地層特性及鉆頭類型等影響單彎螺桿造斜趨勢的眾多因素[18]；需確保下部鉆具實際造斜率比設計造斜率至少高20%[19]。

由于下部鉆具組合的幾何參數影響造斜能力，根據“三點定圓”原理，采用幾何造斜率的計算方法計算下部螺桿鉆具的造斜率[20]。運用上述原理可預測現場不同螺桿鉆具的造斜率，選擇合適的螺桿馬達鉆具組合入井導向鉆進。

同時采用間斷性探煤頂的方法，精細控制水平段井眼軌跡，通過設計探煤頂軌道，調整穩斜角鉆進直至發現目的煤層，以確保實鉆軌跡與煤層的距離處于掌控范圍內[10]；并根據伽馬數據、巖屑錄井、鉆時錄井等資料，及時微調方位和井斜，控制狗腿度在(3°～5°)/30 m 范圍內。

3.5 精準偏心連通技術

H2 與V2 井為了實現精準偏心連通，采用電磁測距法(Rotary Magnetic Ranging System，簡稱RMRS)[21]。當水平井定向鉆進距V2 井100 m 左右時起鉆，下入Φ215.9 mm PDC+Φ165 mm 強磁短節 +1.5°螺桿+MWD(Measure While Drilling)組合進行連通作業，實時進行測量數據的誤差分析，從MWD 數據和多點軌跡數據比較實鉆軌跡的偏移量，并根據ESS(Electronic Survey System)數據，校正至連通點的剖面，以確認洞穴(目標點)在待鉆軌跡線偏差范圍內。

鉆進至距連通點70 m 后實時精確控制，根據每個測點方位變化，計算當前測點閉合方位和預測鉆頭處方位變化，及時將井眼方向糾正至連通點位置。

每3～5 m 測斜一次，快速確定井底動力鉆具的增降斜、增降方位的趨勢，監測井眼方向。接近洞穴時，根據防碰原理，專用的軌跡計算軟件進行柱面法掃描，判斷水平井與洞穴中心的距離，從3D視圖上分析軌跡每接近洞穴一步時的變化趨勢。利用Vector 信號，判斷洞穴的位置和偏離情況，及時調整軌跡，以達到偏心連通的目的。

3.6 固完井技術

煤層氣頂板水平井為了實現分段壓裂，下完套管后水平段需全井段水泥封固，套管能否下至預定位置、水平段封固質量及水泥漿易壓入直井問題有待進一步研究。

套管下深距洞穴越短越好，預留裸眼段越長，后期排采過程中裸眼坍塌易堵塞連通通道，套管若下入洞穴，將會給直井后期修井和撈煤粉作業制造困難，因此，精準丈量套管尤為重要，套管下深距洞穴距離1 m 范圍為宜。

為了保證套管下入預定位置和固井質量，H2 井優選彈性整體式扶正器[22]，如圖3 所示，套管串每兩根加入一只扶正器，同時，在水平段打入玻璃微珠，降低套管下入摩阻。

圖3 彈性整體性扶正器Fig.3 Elastic integral centralizer

為了防止水平井固井水泥漿進入直井，對直井井口進行關井處理，同時加工一根5 m 左右短套管，提前灌滿水泥漿，待完全凝固后放置在入井套管串下部第一和第二根中間，并提前在地面將下部第二根套管加工開孔使之形成水泥漿上返通道，通道距洞穴15 m 左右，能有效防止水泥漿進入直井。

4 現場應用

通過關鍵技術攻關研究，保證了H2 水平井順利施工，該井一開鉆深243 m，表層套管下深236.38 m；二開鉆著陸井深778 m，技術套管下入井深776.38 m；三開鉆至井深1 671.5 m，生產套管下深1 671.02 m，水平段長893.5 m，全井平均機械鉆速8.76 m/h。

在水平段鉆進過程中，現場經核算1.25°單彎雙穩螺桿在不考慮地層因素、鉆進參數的情況下，造斜率為8.87°/30 m，故選擇1.25°螺桿鉆具完全能滿足于水平段鉆進。

同時，以導眼孔M78 煤層(伽馬值20～50 API)、頂板(粉砂巖伽馬值70～108 API)、底板(泥巖伽馬值120～200 API)伽馬測井數據為依據，三開根據方位伽馬值、電阻率參數、巖屑、氣測等監測手段，使水平段軌跡精細控制在距煤層頂板0.5～2.0 m 范圍內。通過精細化施工防止井眼坍塌、卡鉆等井下事故，在井深1 661 m 處成功實現精準偏心連通。

5 結論

a.針對對江南煤礦煤儲層條件，提出在巖性較為穩定的煤層頂板中布置水平井，通過優化井眼軌道設計、合理調整井身結構、防漏堵漏技術、井眼軌跡精準控制、偏心連通技術、固完井技術，攻關形成煤層氣頂板水平井優快鉆進關鍵技術。基本解決了對江南煤礦井壁與煤層不穩定等水平井鉆進技術困難，可為煤礦區煤層氣排采利用提供技術支撐，也為對江南煤礦今后煤層氣水平井鉆井施工提供借鑒意義。

b.利用地質導向技術綜合錄井信息分析，保證水平井在距煤層頂板最優范圍內延伸并順利完井，使水平井段鉆遇率為89%，為后期水平井定向射孔和分段壓裂儲層改造打下基礎。通過研究優化水平井鉆完井工藝技術，提高了井眼軌跡控制精度，有效避免了鉆進過程中復雜事故的發生，大幅降低了鉆井成本，全井機械鉆速提高了約70%，鉆井周期整體縮短了40%。采用磁性導向鉆井技術精確連通水平井與垂直井，使排采單井產氣量明顯增加，經濟效益顯著，為井下巷道掘進及采煤工作提供了安全保障。