彬長礦區煤層氣水平井鉆井與完井技術

杜新鋒 田振林 趙永哲

(1．中煤科工集團西安研究院，陜西 710054;2．陜西彬長礦業集團有限公司，陜西 712000)

2011年3月，陜西彬長礦業集團有限公司開始在彬長礦區大佛寺井田實施煤層氣項目參數井勘察工程，主要包括垂直井、多分支水平井、遠端對接井、“V”型井共四組煤層氣勘察井的鉆井、完井及參數測試，其中后三口井 (組)為煤層氣水平井。在鉆井和完井過程中涉及到針對該礦區的防塌堵漏、隨鉆導向、遠端連通、變密度固井、煤層造穴、玻璃鋼套管入井方案等多項技術，本文以“V”型井 (組)為例對其中的一些鉆井和完井技術進行分析總結。

1 彬長礦區地質特征及水平井井身結構

1.1 地層特征及可鉆性分析

彬長礦區屬于華北地層區鄂爾多斯盆地分區正寧－佳縣小區，區內地表絕大部分被第四系黃土覆蓋。據地質填圖和鉆孔揭露，本區地層由老至新依次為三疊系胡家河組、侏羅系富縣組、延安組、直羅組、安定組、白堊系宜君組、洛河組、華池環河組、新近系、第四系。以大佛寺井田為例，鉆遇主要地層特征及可鉆性分析見表1。

表1 鉆遇主要地層特點及可鉆性分析

1.2 井身結構

水平井一般至少由一口斜井和一口排采直井組成。“V”型井 (組)是由兩口斜井DFS－C04－H1、DFS－C04－H2和一口直井DFS－C04－V1形成的“V”型水平聯通井，井身結構見圖1，井身結構具體數據見表2。

2 鉆井和完井技術

2.1 防塌堵漏技術

針對不同的漏失狀況和地層特點有不同的堵漏方式，一般采用兩種:靜止堵漏和動態堵漏。靜止堵漏針對較小的漏失以及橫向裂隙狀況，而動態堵漏一般用于較大漏失以及縱斜向裂隙。

圖1 “V”型水平連通井井身結構

表2 “V”型水平連通井井身結構數據

彬長礦區鉆井中的防塌堵漏主要集中在洛河組砂巖和煤層水平段。洛河組富含古風化殼，巖石破碎嚴重，裂隙非常發育，易發生掉塊和漏失。在DFS－CO4－H2井二開鉆進至洛河組時，出現較大漏失，致使無法正常鉆進。通過現場分析，判斷裂隙較大，為縱斜向裂隙，分別采用了高粘防塌劑、瞬間堵漏劑、膨脹堵漏劑、鋸末、棉籽、紅色膠泥以及水泥等材料。在整個堵漏過程中，靜止堵漏效果均較好，但動態堵漏效果較差。另外，目標煤層裂隙比較發育，DFS－CO4－V2井注入/壓降試井時8小時的注入量達到9.22m3。從煤體結構來分析，煤層上段為原生結構的煤，而中下部有部分碎裂煤。防塌的措施一方面降低泥漿密度，調高鉆效，另一方面盡可能在煤層上部鉆進。

2.2 隨鉆導向

水平井眼造斜及水平段采用“導向馬達+隨鉆錄井 (LWD)”的常用定向鉆具組合，依據煤層上、下頂板泥巖或砂巖及煤層中所夾的薄層夾矸在自然伽瑪、上下伽瑪和電阻率參數上的不同特征，實時解釋評價所鉆地層是否在煤層中，從而指引鉆具在煤層中鉆進的方向。本次鉆井中砂巖的自然伽瑪值為5～30API，泥巖為130～185API，煤層為20～50API。DFS－C04－H1井、DFS－C04－H2與DFS－C04－V1井的對接軌跡處于祁家背斜與師家店向斜的轉折端，煤層起伏較大，采用這種隨鉆導向技術，DFS－C04－H1井鉆遇煤層段長852.73m，煤層鉆遇率達到了100%，DFS－C04－H2井鉆遇煤層段長 769.50m，非煤層段長23.00m，煤層鉆遇率97.1%。

2.3 遠端連通

在DFS－C04－H1和DFS－C04－H2井與DFS－C04－V1井連通的過程中，采用近鉆頭電磁測距法、隨鉆測量 (MWD)和馬達等配合使用的方法，鉆具組合為:鉆頭+旋轉強磁短節+馬達+無磁鉆挺+MWD+鉆桿。連通過程中以旋轉磁測距系統接收鉆進參數信號，根據傳送的信息判定鉆頭鉆進方向與直井連通點位置的偏差，通過連續滑動鉆進的方式增斜、降斜和復合鉆進的方式穩斜，從而控制井眼軌跡，直至水平井與垂直井的造穴段連通。

2.4 變密度固井

為了盡可能減少固井對煤儲層的傷害，工藝上采用變密度水泥漿，即上部為低密度水泥漿，密度1.50～1.60g/cm3，下部為常規水泥漿。水泥漿配方采用G級油井水泥+減輕劑+降失水劑+早強劑+膨脹劑+調凝劑+消泡劑。水泥漿性能要求低失水、高早強、微膨脹、漿體穩定性好、過渡時間短。另外稠化時間不小于注水泥時間+1小時，抗壓強度24小時不小于8MPa，48小時不小于14MPa。

2.5 玻璃鋼套管入井方案

DFS－C04－V1井采用套管完井，其中煤層段選用玻璃鋼套管。該井終孔深度576.00m，目標煤層厚度11.30m。頂板深度499.45m，以上7m為泥巖、粉砂巖和一層厚度0.45m的薄煤層;底板深度510.75m，為鋁質泥巖。根據設計要求，下入2根玻璃鋼套管，長度16.37m。考慮到底板鋁質泥巖易縮徑、定向位置必須遠離鋼質套管3m以上等因素，該井玻璃鋼套管下深定在510.25m～493.88m處 (玻璃鋼套管下端在煤層底板以上0.50m)。

2.6 煤層造穴技術

采用國土資源部勘探技術研究所生產的專業煤層氣擴穴鉆頭，其操作原理是用液壓控制方式使造穴工具的刀桿在煤層中張開，并在鉆具的帶動下旋轉，切削煤層形成滿足實際需要的洞穴。鉆頭分為兩組，張開后直徑分別為300mm和500mm，前者主要切削玻璃鋼套管，后者切削煤層，形成洞穴。實際在切削煤層時，現場對鉆頭進行了改造，在兩端刀片上各鑲了兩顆合金片，洞穴直徑超過550mm。

3 結論及建議

彬長礦區采用“V”型水平井開采煤層氣的鉆井完井工藝可行，經過技術研究和現場試驗，能夠解決井壁不穩定與煤層不穩定問題，可以實現隨鉆導向鉆進、遠距離水平井連通、保護儲層的變密度固井及完井工藝。

彬長礦區煤層氣水平井雖然在水平井鉆完井與儲層保護方面取得了一些經驗，但在儲層保護方面還有很多值得思考的地方。煤層段孔隙壓力低且裂隙發育，極易受鉆井液和完井液中固相顆粒及濾液的污染，但在鉆井和完井過程中，為安全鉆穿煤層，防止井壁坍塌，又要適當提高鉆井液的密度，保持一定的過平衡，從而導致實施煤儲層保護更為困難。因此，建議在以后的鉆完井過程中嘗試采用空氣泡沫欠 (近)平衡鉆進技術。空氣泡沫密度低，煤儲層地層壓力高于孔內泥漿液柱壓力，鉆井過程中煤層處于負壓差欠 (近)平衡狀態，有利于防止高壓差液體對煤層造成“水鎖”破壞效應。采用這一技術，既能解決彬長礦區施工缺水、含煤地層坍塌掉塊和火燒巖段泥漿漏失等難題，又可以減少傳統泥漿對煤儲層的破壞。

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［2］張衛東，魏韋.煤層氣水平井開發技術現狀及發展趨勢［J］.中國煤層氣，2008，5(4):19－22.

［3］汪凱斌.隨鉆測量和旋轉磁導向技術及在對接井應用［J］.陜西煤炭，2010.4:80－82.