“U”型井鉆井技術的研究與應用

謝　濤，和鵬飛，岳文凱

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津　300452；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津　300452；3.中國石油大學（北京），北京　102200）

“U”型井鉆井技術的研究與應用

謝濤1，和鵬飛2，岳文凱3

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452；3.中國石油大學（北京），北京102200）

“U”型水平井由于具有排采同時進行，占地面積小、可最大限度的溝通煤層裂縫等特點而成為煤層氣開發的主要類型井。本文在對“U”型水平井特點以及鉆井難點深入分析的基礎上，提出了精確地層對比、采用先進定向工具及導向技術、優選儲層保護鉆井液以及利用先進的連通工具等技術措施，解決了煤層氣鉆井軌跡控制難度高、鉆井復雜情況高發、儲層保護要求高、水平井與直井連通精度高等問題，有效降低了鉆井成本，節省大量作業時間，為后續煤層氣的深入開發提供了技術參考。

煤層氣；“U”型水平井；鉆具優選；儲層保護

隨著世界能源需求的不斷增長，以煤層氣為代表的非常規能源的開發、利用，可有效緩解石油、天然氣等的消耗壓力，具有深遠的國家戰略意義［1，2］。有數據顯示，到2030年我國煤層氣產量有望達到900億m3，其節能效果與1個大慶油田的原油當量旗鼓相當。煤層氣開發技術先后經歷了早期常規直井、常規定向井、“U”型水平井技術（下文簡稱“U”型井）以及羽狀分支井等階段。其中“U”型井技術由于其諸多優點而逐步被廣泛應用于煤層氣開發。

1“U”型井的特點

（1）“U”型井用水平井與其遠端的直井在井下連通，建立煤層流體循環系統，可以實現水平井排水和直井采氣同時進行，直井利用重力排水采氣［3］。能夠充分發揮傾斜地層流體勢能和各井的優勢，能夠提高排水和采氣效率。

（2）占地面積小，減少井場建設。在某些作業區域，地表溝壑縱橫、地形關系復雜，利用“U”型井開發可減少大量的鉆前工程，能夠節省地面井場占地費用，有利于提高工程的總體投資綜合效益。一口“U”型井可合并減少4個井場的占地面積［4］。

（3）最大限度的溝通煤層割理裂縫，單井產量高。煤層具有低滲透率、低含氣飽和度、低壓力的特性，常規直井開發單井一般日產氣2 000 m3［5］，而利用水平井可最大限度的溝通煤層裂縫系統，擴大降壓范圍，降低水排出的摩阻，大幅提高單井產量，利用“U”型水平井最高產量15 000 m3/d，約為直井的10倍［6］。

2“U”型井鉆井難點

（1）軌跡控制難度大，著陸成功率低。某些區域地質資料較少，或者地層非均質性強，煤層的地層傾角、厚度、深度變化很大，導致水平井鉆井作業時軌跡難度較大，著陸點不確定性強，軌跡的實時調整要求高［7］。

（2）煤層中鉆進坍塌、井漏等復雜情況頻發。由于割理、裂隙的存在，破壞了煤巖的完整性，使煤層具有易破碎垮塌、鉆井液易漏失的特點，另外煤巖中大多存在泥頁巖夾層，泥頁巖水化膨脹后強度降低，鉆井過程中易引起井下垮塌、卡鉆，甚至井眼報廢等復雜事故［8，9］。

（3）儲層保護要求高。一方面煤基質有很強的吸附特性，當煤基質的割理被堵塞或者被液體吸附時容易造成儲層傷害，另一方面鉆井液中的固相顆粒容易充填、堵塞煤中裂縫通道，煤層的儲層傷害幾乎不可逆，因此鉆井液必須要兼顧井壁穩定與儲層保護［10］。

（4）水平井與直井遠端對接難度較高。井眼軌跡由于受儀器測量誤差、環境因素、軌跡計算等方面的影響存在一定的不確定性，在“U”型井作業時軌跡的不確定性對水平井與直井的遠距離連通有一定的影響［11］。

表1　CLU-02V井煤層劃分表

3　技術措施

針對上述情況，現場提出了一系列對應的技術措施，同時以這些措施在沁水盆地CLU-02和SN015-5井組應用為例進行技術闡述。

3.1精確地層對比

（1）深入了解直井地層情況，優選連通層。如某CLU-02井組中水平井原定4#煤層為目的層，直井完鉆后經測井，4#煤層厚度僅1 m，與設計存在較大差異，而8#+9#煤層厚度達4.8 m，且煤層分布比較穩定，適合鉆水平連通井，經研究決定以8#+9#煤層作為連通目的煤層（見表1）。根據鄰井資料推測，8#+9#煤層從直井到水平井逐漸變薄并且煤層有局部起伏，所以實鉆過程中要根據實際情況實時調整設計，保證煤層鉆遇率。

圖1　CLU-02V局部測井圖

（2）標志層對比：①區域標識層，自然伽馬測井曲線（見圖1），4#煤層含夾矸（黃色虛線）可作為區域標識；②大段對比，抓大不放小，一丁點變化趨勢都要死抓不放。

3.2采用先進定向工具及導向技術

水平井采用NOV EM-MWD+DRG、直井配置Vector連通儀器連通測量工具，EM-MWD工具通過低頻電磁波信號將地下測量的井斜、方位、高邊伽馬、底邊伽馬、360°伽馬、環空壓力、鉆頭電信號等數據傳輸到地面。EM-MWD鉆具組合：152.4 mm PDC鉆頭+ 120 mm（1.5°）螺桿+120 mm定向接頭+120 mm無磁鉆鋌+120 mm無磁短節+120 mm Gap Sub+120 mm短無磁鉆鋌4 m+89 mm鉆桿+89 mm加重鉆桿。鉆進參數：鉆壓30 kN～80 kN，排量12 L/s～15 L/s，復合轉速40 r/min。通過增、降井斜的方式調整軌跡的垂深位置，鉆時、巖屑、GR和EM儀器電壓信號等實時資料判斷軌跡在煤層中的位置，從而實時調整。如SN015-5H井水平段鉆進過程中根據實鉆計算平均傾角3.90°，分析隨鉆測井曲線，得出頂板灰黑色砂質泥巖、自然伽馬100 API，底板黑灰色泥巖質、自然伽馬大于140 API，井深1 292 m之前自然伽馬位于50 API左右、鉆速較快、氣全量20%～40%，為煤巖特征，鉆進至井深1 292 m，頂伽馬比底伽馬大，鉆速降低、氣全量10%以下，判斷出現砂巖。

3.3優選儲層保護鉆井液

儲層段鉆井液選擇原則為儲層保護+保持井壁穩定，優選的無固相鉆井液類型，主要成分：水+鹽+聚合物。通過與知名院校聯合研究，首次使用NaCl作為加重劑，用黃原膠、CMC、141等調節流變性和攜巖能力，剛鉆進煤層時采用低密度，當鉆進出現掉塊時逐漸提高鉆井液密度。選取同一區域內的煤心進行清水和無固相鹽水儲層保護試驗，結果（見表2），可以看出無固相鹽水的儲層損害率遠低于清水。

鉆井液性能維護方面密度與地層壓力相匹配，盡量采用低密度鉆井液，由低密度逐漸嘗試，發現掉塊，及時分析原因并采取相應的處理措施；防止壓力激動，避免大排量沖刷煤層；保證固控設備運轉良好及時清除鉆井液中有害固相物質（見表3）。

表2　鉆井液儲層保護試驗結果

表3　無固相鹽水鉆井液性能維護

3.4利用先進的連通工具

一般水平井鉆頭位置距離直井100 m左右時起鉆下入磁短節，直接連接在鉆頭后面，在旋轉過程中擾動地球磁場，下入直井中的探管在一定距離內接收到這種磁場變化，分析儀器檢測出信號相對位置，進而引導鉆頭進入靶區。RMRS（Rotary Magnetic Ranging System）全稱為旋轉磁測距系統，具有近鉆頭設計，RMRS磁短節直接與鉆頭相接，可以直接探測鉆頭到目標井的距離，隨著井深的增加不會產生累積誤差，RMRS測量過程中無需停鉆，節省了綜合鉆井時間。

4　應用效果

通過上述技術措施的應用，目前已成功完成三組“U”型水平井的鉆井作業，獲得了較好的結果，水平井煤層鉆遇率均在90%以上（見表4）。

表4　已鉆井煤層鉆遇率統計

5　結論

（1）煤層的鉆時低，利用鉆時、巖屑和氣測數據判斷是否在煤層；上下伽馬，井斜、方位等井下參數，監測鉆頭處于煤層的位置。

（2）遠端連通，且目標煤層較深，給連通帶來困難，加密測斜，可大大降低誤差。

（3）煤層氣水平井極易出現煤層垮塌事故，結合鄰井資料、區域地層坍塌壓力與破裂壓力選擇安全鉆井液密度，盡量采用低密度、儲層傷害低的鉆井液體系，實現鉆井安全與儲層保護的有機結合。

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TE243

A

1673-5285（2016）05-0024-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.006

2016－04-08

國家科技重大專項-大型油氣田及煤層氣開發，項目編號：2011ZX05057。

謝濤，男（1981-），學士，工程師，現任中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院鉆井工程師。