煤層氣水平井無導(dǎo)眼地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)

劉明軍，李 兵，黃 巍

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204)

近年來，利用水平井開發(fā)煤層氣成為普遍趨勢(shì)和重要手段[1-3]，煤層氣水平井與直井和普通定向井相比，可有效導(dǎo)通煤儲(chǔ)層裂隙，增加氣、水導(dǎo)流能力，提高單井產(chǎn)量和煤層氣采收率[4-5]，縮短投資回收周期，降低煤層氣開采成本；有利于開發(fā)溝谷縱橫地形條件復(fù)雜地區(qū)的煤層氣；節(jié)約鉆前工程和井場(chǎng)占地費(fèi)用等。但目前煤層氣水平井鉆進(jìn)時(shí)存在一些問題：造斜段鉆進(jìn)過程中為了確定目的煤層的頂?shù)捉缑娴纳疃龋仁┕?00 m 左右的導(dǎo)眼[6]，以便于水平井造斜段的軌道設(shè)計(jì)，這屬于無效工程量；松軟煤層水平井井壁穩(wěn)定性差，鉆完井過程中極易發(fā)生井壁坍塌，引起卡鉆、甚至埋鉆等事故，成孔困難；為了解決井壁穩(wěn)定性和儲(chǔ)層污染問題，近年來，松軟煤層水平井鉆完井取得了豐碩的研究成果，但主要是針對(duì)鉆井液防塌性的研究[7-8]，很少以清水為鉆井液，對(duì)鉆井參數(shù)的選擇、鉆具組合等方面進(jìn)行系統(tǒng)性研究；水平段煤層鉆遇率普遍比較低[9-11]，鉆進(jìn)時(shí)容易發(fā)生穿層進(jìn)入煤層頂板或底板，甚至找不到煤層位置等情況。

針對(duì)煤層氣水平井鉆進(jìn)時(shí)存在的上述問題，筆者提出在晉城成莊煤礦利用鄰井鉆探、測(cè)井等資料進(jìn)行地層對(duì)比分析，篩選標(biāo)志層，預(yù)測(cè)標(biāo)志層、目的煤層的位置，通過鉆井揭露情況驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，從而判識(shí)鉆頭與標(biāo)志層、煤層的空間位置，更新軌道設(shè)計(jì)，最終達(dá)到無導(dǎo)眼一次準(zhǔn)確入靶；從優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)、防塌鉆進(jìn)技術(shù)等入手，總結(jié)出一套松軟煤層成孔工藝技術(shù)；綜合利用鉆時(shí)錄井、地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，使水平段軌跡處于煤層最佳部位，保證煤層鉆遇率。該研究對(duì)沁水盆地南部提高煤層氣水平井產(chǎn)能，節(jié)約鉆井成本，降低投資風(fēng)險(xiǎn)具有重要借鑒作用。

1 地質(zhì)特征

成莊礦區(qū)位于沁水盆地東南部晉城斜坡帶，總體呈東高西低的構(gòu)造特征，地層傾角3o～5°，以褶皺為主，斷裂稀少，構(gòu)造屬于簡(jiǎn)單類型[12]。目的煤層3 號(hào)煤層分布穩(wěn)定，煤厚3.75～ 7.30 m，平均6.31 m，夾矸0～5 層，煤層穩(wěn)定，全井田可采，煤層底板等高線如圖1 所示；煤層頂板為泥巖，底板主要為泥巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖[13]；煤體結(jié)構(gòu)以碎粒結(jié)構(gòu)–碎裂結(jié)構(gòu)為主，在其底部普遍發(fā)育0.5 m左右的糜棱煤；儲(chǔ)層壓力1.77～4.30 MPa，平均3.03 MPa，為低壓儲(chǔ)層[14]；3 號(hào)煤層主要直接充水含水層為相對(duì)較弱的頂板砂巖裂隙含水層，水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型。綜合以上分析，成莊煤礦煤層氣賦存地質(zhì)條件、煤層特征對(duì)水平井開發(fā)煤層氣比較有利。

2 鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證鉆井安全的前提，同時(shí)也可降低鉆井成本。勘探程度及鉆井裝備能力的不斷提高及鉆井工藝技術(shù)的發(fā)展，為完善井身結(jié)構(gòu)，保證鉆井施工安全和質(zhì)量提供保障。一開主要封隔第四系上部易垮、易漏失地層，為二開的安全鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。二開主要封隔煤層上部泥巖層段，套管下深距目標(biāo)煤層垂距不低于2 m[15]，為三開的安全鉆進(jìn)創(chuàng)造條件，井身結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 成莊礦區(qū)3 號(hào)煤層底板等高線及井位部署Fig.1 Contours of No.3 coal seam floor and wellsite deployment

a.一開采用Φ311.15 mm 鉆頭鉆入基巖10 m 穩(wěn)定地層，下入Φ244.5 mm 表層套管，固井水泥返至地面。

b.二開采用Φ215.9 mm 鉆頭鉆進(jìn)至著陸點(diǎn)以上約20 m 處，下入Φ177.8 mm 技術(shù)套管，固井水泥返至地面。

c.三開采用Φ152.4 mm 鉆頭鉆進(jìn)，進(jìn)入3 號(hào)煤層后，沿煤層鉆進(jìn)，最終與直井連通，連通后繼續(xù)延伸200～300 m，篩管完井。

圖2 井身結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of wellbore structure

2.2 水平井井眼軌道設(shè)計(jì)

井眼軌道設(shè)計(jì)一般由直井段、造斜段和水平段組成，軌道類型主要有直–增–平(單圓弧)、直–增–增–平(雙圓弧)、直–增–穩(wěn)–增–平(五段制) 3 種類型。

為了避免鉆頭進(jìn)入松軟煤層后狗腿度過大，造成井眼波動(dòng)、對(duì)煤層擾動(dòng)增大、井壁失穩(wěn)，通過鄰井資料分析和軌道計(jì)算，以SH-U2-2 井為例，采用五段制軌道類型，造斜曲率半徑選擇200 m，設(shè)計(jì)軌道起伏盡可能小，有利于井眼軌跡控制，使井眼軌跡更光滑。從205 m 處開始造斜，造斜率采用28°/hm，在3 號(hào)煤層著陸，水平段軌跡控制在煤層頂板以下2.5 m，從而使整個(gè)U 型井組軌道滿足要求。SH-U2-2 井設(shè)計(jì)軌道數(shù)據(jù)見表1。

表1 SH-U2-2 井設(shè)計(jì)軌道數(shù)據(jù)Table 1 Designed trajectory data of well SH-U2-2

2.3 鉆具組合優(yōu)化

根據(jù)不同井段設(shè)計(jì)要求，采取相應(yīng)的定向鉆具組合，為保證煤層水平段成孔，采用柔性鉆具組合進(jìn)行防斜及時(shí)糾斜。

a.一開直井段Φ311.15 mm 鉆頭+雙母接頭(擋板)+Φ165 mm 無磁鉆鋌×1 根＋Φ165 mm 鉆鋌×3 根+4A11×410 轉(zhuǎn)換接頭+Φ127 mm 鉆桿串。

b.二開直井段Φ215.9 鉆頭+雙母接頭(擋板)+Φ165 mm 無磁鉆鋌×1 根＋Φ165 mm 鉆鋌×3 根+Φ127 mm 鉆桿串。

c.二開定向段Φ215.9 mm 牙輪鉆頭/PDC 鉆頭＋Φ165 mm 1.5°單彎螺桿鉆具×1 根＋431×410 轉(zhuǎn)換接頭＋Φ127 mm 無磁承壓鉆桿×1 根＋MWD＋Φ127 mm 無磁承壓鉆桿×1 根＋411×4A10 轉(zhuǎn)換接頭＋Φ127 mm 鉆桿串＋Φ127 mm 加重鉆桿串＋Φ127 mm 鉆桿串。

d.三開水平段Φ152.4 mm PDC 鉆頭＋Φ89 mm(1°～1.5°)單彎螺桿鉆具×1 根＋331×310 轉(zhuǎn)換接頭＋Φ88.9 mm 無磁承壓鉆桿×1 根＋MWD＋Φ89 mm 鉆桿串＋Φ89 mm 加重鉆桿串。

2.4 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選

結(jié)合以往該區(qū)域鉆井經(jīng)驗(yàn)綜合分析，設(shè)計(jì)鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)選。

一開直井段 采用防斜吊打方式，高轉(zhuǎn)速，小鉆壓，大排量。

二開直井段 高轉(zhuǎn)速，小鉆壓，中排量，提高噴嘴壓降，發(fā)揮水力破巖作用。

二開造斜段 低轉(zhuǎn)速，高鉆壓，適當(dāng)加大排量，確保井下安全。

三開水平段 鉆遇煤層段時(shí)采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、低排量、低射流沖擊力的“四低”參數(shù)鉆進(jìn)。下鉆到底提前2 個(gè)單根開泵，小排量頂通后逐步增加至正常排量。

各開次鉆進(jìn)參數(shù)如表2 所示。

表2 水平井鉆進(jìn)參數(shù)Table 2 Drilling parameters of horizontal well

2.5 鉆井液優(yōu)選

根據(jù)區(qū)內(nèi)地層情況，結(jié)合水平井儲(chǔ)層保護(hù)要求，解決一開、二開施工面臨漏失、坍塌、縮徑等問題，進(jìn)行鉆井液設(shè)計(jì)。

a.一開直井段鉆井液 為了防止黃土層、卵礫石層段發(fā)生坍塌、掉塊等事故，使用大密度、高黏度的膨潤(rùn)土漿液，有利于維持井壁穩(wěn)定、攜帶巖屑。

b.二開造斜段鉆井液 準(zhǔn)確判斷煤層深度，二開不得揭露煤層，防止固井水泥漿污染儲(chǔ)層，壓裂煤層導(dǎo)致煤層坍塌。鉆遇的地層以泥巖、砂質(zhì)泥巖居多，縮徑嚴(yán)重，要求鉆井液具有良好的抑制性和降失水性，以防止大段泥巖層井壁吸水膨脹而引起井壁失穩(wěn)。

c.三開水平段清水 為了達(dá)到儲(chǔ)層保護(hù)和安全鉆進(jìn)的目的，在揭露煤層后，排掉井內(nèi)泥漿，換為清水鉆進(jìn)。

現(xiàn)場(chǎng)采用四級(jí)固控，鉆進(jìn)過程鉆井液性能穩(wěn)定，確保性能參數(shù)維持在合理范圍，取得了較好的儲(chǔ)層保護(hù)和井壁穩(wěn)定成效。

鉆井液性能見表3。

表3 鉆井液性能Table 3 Drilling fluid performance

2.6 水平段防塌鉆進(jìn)技術(shù)

對(duì)于松軟煤層，兼顧井壁穩(wěn)定與儲(chǔ)層保護(hù)，選擇清水為鉆井液時(shí)，必須從鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)等方面考慮成孔問題。

三開水平段，采用柔性鉆具組合，復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)頂驅(qū)鉆進(jìn)，密切觀察扭矩表變化，若扭矩太大則不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，采用螺桿鉆具滑動(dòng)鉆進(jìn)。對(duì)井底數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)和井眼軌道，保證井眼軌跡光滑，井內(nèi)摩阻小。每鉆進(jìn)30～50 m 進(jìn)行短起下一次，必要時(shí)起過復(fù)雜井段或起至套管鞋以上。

2.7 水平井篩管完井

為了解決松軟煤層水平井井壁坍塌、煤粉堵塞流道問題，篩管完井是一種較好的水平井完井方式，目前國(guó)內(nèi)主要有玻璃鋼篩管、金屬篩管、PE 篩管3 種。考慮后期機(jī)械化采煤作業(yè)的安全，煤層水平段一般不采用金屬材質(zhì)的篩管。由于PE 篩管具有較高的耐壓強(qiáng)度、安全系數(shù)和環(huán)剛度以及良好的抗應(yīng)力開裂能力，目前主要采用PE 篩管通過鉆具內(nèi)孔泵送至目的煤層[16-18]。

研究區(qū)煤層松軟，以碎粒結(jié)構(gòu)–碎裂結(jié)構(gòu)煤為主，水平井完鉆、洗井后，下入Φ89 mm 內(nèi)平鉆桿，借助篩管助推器，以泵送方式，在水平井段下入外徑50.8 mm、壁厚4.6 mm 的PE 連續(xù)篩管。3 口水平井煤層段總進(jìn)尺1 604.72 m，煤層段下入PE 篩管總長(zhǎng)度1 366 m，詳見表4，為后期煤層氣產(chǎn)量提供了有利保障。

表4 煤層段進(jìn)尺和篩管下深Table 4 Coal seam footage and depth of inserted screen pipe

3 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

3.1 標(biāo)志層選取

標(biāo)志層應(yīng)該具有分布范圍廣、層位穩(wěn)定、巖性特征明顯、易于鑒別的特點(diǎn)。

對(duì)鄰井測(cè)井、鉆探資料進(jìn)行地層對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二疊系上石盒子組下部有層石英砂巖K10，層厚約15 m，距3 號(hào)煤層大約224 m，淺灰色，性脆，含大量石英，嚴(yán)重破碎。二疊系下石盒子組中下部有層細(xì)粒砂巖K8，層厚為5 m，距3 號(hào)煤層大約84 m，為灰色細(xì)粒巖。2 號(hào)煤層層厚約0.3 m，上距K8約13 m，下距3 號(hào)煤層頂板約71 m。K10、K8作為主要標(biāo)志層，2 號(hào)煤層作為輔助標(biāo)志層，詳見圖3。

圖3 成莊煤礦標(biāo)志層層位關(guān)系柱狀Fig.3 Horizon relationship of three marker beds in Chengzhuang coal mine

3.2 造斜段地質(zhì)導(dǎo)向

根據(jù)鉆井揭露的地層信息驗(yàn)證K10、K8、2 號(hào)煤層為標(biāo)志層，利用鉆時(shí)錄井資料、鉆進(jìn)參數(shù)、MWD參數(shù)及煤層底板等高線圖，及時(shí)判斷鉆頭位置距離目的煤層的空間位置，通過及時(shí)調(diào)整井眼軌跡，保證入窗井斜角與地層傾角適配，最后順利實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)眼直接一次著陸入窗SH-U2-2A 點(diǎn)，也有利于水平段的井眼軌跡控制。

鉆頭進(jìn)入K10石英砂巖，在井深218.29 m 處開始造斜，采用五段制軌道類型，造斜曲率半徑選擇200 m，于井深516 m 鉆入煤層，快速安全著陸。

3.3 水平段導(dǎo)向技術(shù)

利用水平井開發(fā)煤層氣主要目的是提高單井產(chǎn)量、煤層氣采收率，如何提高煤層鉆遇率，進(jìn)一步降低投資風(fēng)險(xiǎn)，是煤層氣開發(fā)業(yè)界長(zhǎng)期探索的問題。本次水平段施工采用地質(zhì)導(dǎo)向與幾何導(dǎo)向相結(jié)合模式，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)、增加煤層鉆遇率。

幾何導(dǎo)向使實(shí)鉆軌跡盡量靠近設(shè)計(jì)軌道，以保證準(zhǔn)確鉆入設(shè)計(jì)靶區(qū)。為保證井眼軌跡光滑度及煤層鉆遇率，設(shè)計(jì)合適的入窗井斜角。利用煤層底板等高線圖，加密等高線間距到1 m，甚至到0.5 m，沿著水平井軌道設(shè)計(jì)水平投影方向，切剖面，使軌道設(shè)計(jì)與實(shí)鉆軌跡位置在空間上一目了然。

地質(zhì)導(dǎo)向是用近鉆頭地質(zhì)、工程參數(shù)測(cè)量和隨鉆控制手段保證實(shí)際井眼穿過煤層并取得最佳位置。通過鉆時(shí)錄井、氣測(cè)錄井、鉆進(jìn)參數(shù)錄井、EM-MWD 工具跟蹤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用平均伽馬曲線(GR)初步判斷鉆頭進(jìn)出煤層情況，根據(jù)高邊伽馬(HiGm)、低邊伽馬(LoGm)進(jìn)一步判斷煤層的頂?shù)装澹瑢?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線如圖4 所示。研究區(qū)內(nèi)煤層的伽馬值一般在40 API 以下，鉆進(jìn)在720 m 附近時(shí)，低邊伽馬值63 API 大于高邊伽馬值，隨后低邊伽馬值迅速降低，而高邊伽馬值升高至73 API，大于低邊伽馬值，隨井深增加高低邊伽馬值都恢復(fù)至煤層內(nèi)正常值，結(jié)合平均伽馬值，說明軌跡從夾矸上部鉆穿薄層夾矸。

圖4 EM-MWD 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伽馬曲線Fig.4 Gamma curves of EM-MWD real-time monitoring

4 加密U 型水平井應(yīng)用

4.1 井位部署優(yōu)化

根據(jù)成莊煤礦采掘生產(chǎn)計(jì)劃，結(jié)合現(xiàn)有煤層氣生產(chǎn)井的排采影響范圍、水平井排采可以覆蓋的面積以及井間防碰等情況，進(jìn)行井位部署(圖1)。

本次U 型水平井是由1 口洞穴直井(SH-U2-4)和3口定向水平井(SH-U2-1、SH-U2-2、SH-U2-3)組成，累計(jì)進(jìn)尺3 590.97 m，累計(jì)煤層進(jìn)尺1 604.72 m，水平井過洞穴后延伸200～300 m(圖5)，以增加控制面積。為提高排采效果，選擇煤層下傾區(qū)域布置水平井組，即形成多個(gè)U 型井組。

圖5 加密U 型井組實(shí)鉆軌跡三維示意Fig.5 Three-dimensional diagram of drilling trajectory of U-shaped well

4.2 水平段井眼軌跡控制

以SH-U2-2 井為例，于井深516 m 入煤著陸，著陸點(diǎn)“SH-U2-2A”，進(jìn)入水平段，于井深882.00 m處與排采直井SH-U2-4 連通，連通后，繼續(xù)延伸177.14 m。為了保證井眼軌跡平滑，對(duì)井眼軌跡進(jìn)行精細(xì)化控制，在著陸點(diǎn)“SH-U2-2A”與連通點(diǎn)“SH-U2-2 洞穴”間，增加“SH-U2-2B”作為控制點(diǎn)，使井眼軌跡平滑，井眼軌跡和煤層的關(guān)系如圖6 所示。根據(jù)3 號(hào)煤層底板高線圖計(jì)算煤層傾角為2.29°，采用地質(zhì)導(dǎo)向與幾何導(dǎo)向相結(jié)合井眼軌跡控制技術(shù)，最終使實(shí)鉆軌跡高度耦合設(shè)計(jì)軌道，井眼軌跡控制在靶區(qū)范圍內(nèi)，煤層鉆遇率達(dá)到了100%。

5 結(jié)論

a.在晉城成莊煤礦充分利用鄰井資料和鉆時(shí)、巖屑錄井資料及隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，選擇K10、K8、2 號(hào)煤層作為標(biāo)志層，實(shí)現(xiàn)水平井無導(dǎo)眼安全、高效著陸入靶，縮短了單井建井周期，降低了煤層氣水平井施工成本。

圖6 實(shí)鉆軌跡與煤層關(guān)系Fig.6 The relationship between borehole trajectory and coal seam

b.采用柔性鉆具組合、選擇“四低”鉆進(jìn)參數(shù)、短起下鉆、小排量逐漸到正常排量的鉆進(jìn)方式，結(jié)合井眼軌跡精細(xì)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)松軟煤層清水鉆進(jìn)防止井壁失穩(wěn)坍塌。

c.采用地質(zhì)導(dǎo)向與幾何導(dǎo)向相結(jié)合模式，可實(shí)現(xiàn)100%的煤層鉆遇率，提高單井產(chǎn)氣量和煤層氣采收率。

d.水平段采用PE 篩管完井，可有效防止煤層段井壁坍塌堵塞產(chǎn)氣通道。但下入工具有待進(jìn)一步改進(jìn)與完善，以便快速精準(zhǔn)下入篩管，使其更具有推廣應(yīng)用價(jià)值。