淺談煤層氣大位移水平井軌跡控制方法

閆凱

摘? 要：沁水盆地3#煤層埋深淺，該區塊部署的水平井受工程、地質等條件的影響，設計水平段長度普遍在800-1200m。為降低開發成本、提高開采效率，增加單井水平段長度成為了新的突破口。在Z4-76-26L井組的3口井進行了煤層氣大位移水平井現場試驗，單支設計水平段長2000m。現場導向技術人員通過隨鉆建立地質模型、綜合多參數分析判斷、多次微調的軌跡控制思路，圓滿完成了試驗任務。其中鄭4-76-32L井取得了煤層進尺2001m、煤層鉆遇率91.75%的效果，創出國內煤層氣215.9毫米井眼L形水平井單支完鉆井深最深、水平段最長、純煤進尺最多、水平位移最大、水垂比最大、套管下深最深等多項紀錄。

關鍵詞：煤層氣 水平井 軌跡控制 方法研究

1 引言

Z4-76-26L井組位于沁水盆地南部晉城斜坡帶鄭莊區塊，該區塊3#煤層埋深淺，約600m左右，水平段長度超過1200m后，水垂比大于2.5，施工難度大，后期面臨井底磨阻增大、托壓嚴重、定向效果差以及后期套管不能下至井底的風險。如何合理優化井身軌跡、減少非煤層進尺是大位移水平井試驗能否成功的關鍵。試驗區域鄰井資料少、構造落實程度低、煤層厚度及內部特征變化大、使用低端隨鉆測量工具等問題，增加了導向軌跡控制難度[1]。地質導向充分發揮多年現場施工經驗，與鉆井和定向相結合，通過隨鉆建立地質模型、綜合多參數分析判斷、多次微調軌跡控制思路等導向方法，在特殊工藝、復雜地層條件下，進行導向軌跡優化，滿足煤層氣水平井快速鉆進及后期施工作業。

2 導向軌跡控制難點分析

2.1試驗區域鄰井資料少、井控程度低，地層產狀預測難

沁水盆地區域內普遍發育小型褶曲和微型斷層，地層傾向變化頻繁，井眼軌跡需要不斷進行大幅度調整；斷層發育區，受斷層傾向和斷距影響，煤層深度和計算傾角突變，不僅水平追蹤難度大，還易發生井下復雜情況。

2.2煤層厚度及層內特征變化大，低成本隨鉆儀器無法識別方向，不易精準判斷鉆頭位置

通過分析鄰井資料，該區塊煤層厚度變化較大，約3-6m。煤層內部特征也不穩定，不利于開展微觀層內特征對比判斷鉆頭位置。同時受限于煤層氣低成本開發，隨鉆儀器為常規MWD+GR測量工具，測量盲區長（測斜零長14.6m，伽馬零長13.3m），不具備方向性，3#煤層頂底圍巖均為灰黑色泥巖，巖性、電性上均無明顯差異，頂底出不易判斷。若判斷失誤，側鉆作業會影響軌跡質量，且為后期施工作業留下隱患。

2.3大位移水平井后期定向調整困難，軌跡控制難度大

大位移水平井設計水平段長2000m，由于該區塊3#煤層埋深較淺，水垂比大于3.5，施工后期井下磨阻大，造成定向托壓嚴重，軌跡調整困難，且效果往往達不到預期，一旦煤層發生傾向變化，增加出層風險。

3 技術措施

3.1建立施工區域地質模型，宏觀認識煤層整體走勢，對構造復雜井段進行軌跡優化

通過收集地震資料、鄰井錄井、測井資料，建立施工區域地質模型，對煤層整體走勢形成宏觀認識，再結合實鉆動態資料，識別局部微構造，依托地質模型，指導現場施工。針對構造復雜井段，出層后不能使用常規軌跡控制方法追蹤煤層，應根據煤層整體傾向趨勢，選取合理井斜穩斜鉆進（一般控制井斜與該井段平均地層傾角保持3°—4°的角差為宜），避免大幅度上下調整，造成軌跡質量差，規避施工中因地層突變而增加的工程風險。如圖1所示，地層為一向斜構造，軌跡沿煤層穿行過程中，地層傾角發生變化，于a點頂出，通過出層點伽馬形態分析，出層時角差較大，選擇大角差向下追層，當鉆至b點時回到煤層，因入層角差較大，很快又從c點出層，繼續調整井斜追層，最終于d點回層。從a點到d點的追層過程，經歷了兩次大幅度的調整，軌跡質量差，影響后期施工，且損失了較多的煤層進尺。在獲得了a、b、c、d幾個控制點后，現場可通過在e點側鉆，重新設計軌跡，既提高了煤層鉆遇率，又保證了較好的軌跡質量。

3.2優選導向區間，進行煤層軌跡精細控制

該區域3#煤層存在厚度及層內特征不穩定的情況，選取穩定的小層特征作為判斷位置的依據。通過多井層內特征對比分析，層內夾矸分布無規律，厚度及位置均存在較大變化，而好煤厚度穩定，特征明顯，容易識別（圖3），故選取好煤作為導向區間。水平段施工中應盡量將軌跡控制在好煤內鉆進，發生構造變化時，能夠利用角差和伽馬曲線形態及時做出判斷，提前對軌跡進行微調，保證軌跡平滑延伸，避免過多大幅度調整。

3.3綜合多參數分析判斷，把握軌跡最佳調整時機

因伽馬測量盲區長，工程、錄井參數響應時間均快于隨鉆伽馬數據，在水平井導向中，實時監控各項參數變化情況，起著非常重要的作用，可輔助判斷地層變化。當出層時，根據工程、錄井參數變化，第一時間發現，對軌跡進行及時調整，可減少非煤層進尺，降低追層軌跡變化幅度。一般情況下，出層后，鉆壓、扭矩和泵壓升高，鉆時變慢，氣測全烴值逐漸降為基值；進入煤層后，鉆壓、扭矩和泵壓降低，鉆時明顯變快，氣測全烴值快速變大。在定向鉆進時，需排除鉆具托壓對鉆壓造成的影響，避免造成誤判。

3.4針對大位移水平井后期工程施工難度大，總結鉆具組合復合井斜變化規律，優選鉆頭位置，保證后期軌跡平滑鉆進

大位移水平井施工后期水垂比大，施工后期軌跡控制困難。后期鉆進應以復合鉆進為主，減少定向次數。通過分析前期數據，總結不同鉆壓下復合井斜變化規律（一般復合時控制鉆壓1-2t，井斜基本不變；鉆壓5-6t，單根能增斜0.5°—0.8°）。因此將軌跡控制在煤層中下部，使用小鉆壓復合穩斜鉆進，在定向效果差、地層傾角變化的情況下便于軌跡調整。

（1）地層走勢平緩時，控制軌跡在煤層中下部，使用小鉆壓復合穩斜鉆進，避免定向調整；

（2）地層傾角變小時，軌跡上行，因位于煤層下部，距煤頂有一定厚度，可作為調整空間，采用多次分段的方法降斜；

（3）地層傾角變大時，有底部出層的風險，若底出后，可采用大鉆壓復合鉆進，達到增斜追層的效果。

4、應用實例

4.1、Z4-76-30L井：鉆遇局部微構造，合理選取井斜，穩斜平緩穿越

Z4-76-30L井鉆至井深1380m底部出層，井深1440m鉆遇3#煤層下部灰巖，距煤底約12m，實鉆資料證實該段為一局部向斜構造，地層傾角由下傾5°變為上傾12°（圖4、圖5）。

側鉆后若全力增斜至105°追層能減少非煤層進尺，但底部回層后降斜難度大，有頂部出層風險，且軌跡大幅度上下調整，造成井身軌跡差，不利于后期水平段延伸，綜合分析該井段平均地層傾角為上傾3°—4°，現場決定增斜至98°穩斜鉆進，犧牲部分煤層進尺，平緩穿越構造復雜井段，回層后逐步降斜，優化軌跡（圖6）。最終于井深1520m底部入層，井斜97.7°，出層段長140m。

4.2、Z4-76-32L井：末端煤層傾伏變化，控制軌跡位于煤層中下部復合鉆進

Z4-76-32L井地震測線顯示2300m后地層由上傾變為下傾（圖7），因后期磨阻變大，定向困難，且效果達不到預期。

若后期頂部出層后降斜追層難度大，故將軌跡控制在煤層中下部鉆進，底出后可通過復合自然增斜追層，盡量以復合為主，減少定向調整頻率，保證軌跡順利延伸，最終本井水平段達到2001m。

5、成果

煤層氣大位移水平井在Z4-76-30L、Z4-76-31L、Z4-76-32L等三口井進行了現場試驗，其中Z4-76-30L井、Z4-76-31L井施工后期鉆遇斷層破碎帶，發生井下漏失的情況，為井下安全考慮，均提前完鉆，未鉆達設計井深，但也積累了寶貴的現場經驗。最終Z4-76-32L井順利鉆達設計井深，取得了水平段長2001m、煤層進尺1836m、鉆遇率91.75%的技術指標（表1），圓滿完成大位移水平井試驗任務。

6、結論與認識

⑴煤層氣大位移水平井水垂比大于3，工程施工難度大，控制軌跡在煤層中鉆進能有效降低鉆具磨阻，但出層后需優化軌跡，避免大幅度調整，平滑的井眼軌跡是水平段順利延伸的關鍵；

⑵水平段施工中準確判斷鉆頭位置，減少側鉆次數，能縮短鉆井周期，規避后期下套管作業進入老井眼的風險；

⑶選取構造落實程度高、構造簡單的區域部署大位移水平井，能達到事半功倍的施工效果。

根據沁水盆地3#煤層煤層氣勘探的實際鉆孔資料及取得的部分成果，對煤層氣水平井軌跡控制方法進行分析研究，得到以上結論與認識，以期能對貴州煤層氣勘探有所借鑒。

參考文獻

黎鋮，姜維寨等。煤層氣L型水平井錄井綜合導向技術應用研究[J]。中國煤層氣，2016，4（2）：19-22。

（作者單位：貴州天然氣能源投資股份有限公司）