烏魯木齊礦區(qū)大傾角地層煤層氣水平井技術(shù)研究

祁 斌， 劉蒙蒙

(1.中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院，廣東 廣州 510440； 2.新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引言

在準(zhǔn)南煤田以往的煤層氣勘探開發(fā)實踐中，主要以叢式井鉆井技術(shù)為主，產(chǎn)氣效果參差不齊。煤層氣水平井是一種成本不是很高但增產(chǎn)效果非常好的井型,已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于煤層氣開發(fā)，并初步形成了系列鉆井開發(fā)技術(shù)。為提高單井平均產(chǎn)氣量，在烏魯木齊煤層氣開發(fā)區(qū)塊開展針對大傾角、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜等地質(zhì)特點的水平井技術(shù)研究和實踐很有必要，也勢在必行。

準(zhǔn)噶爾盆地準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤層氣賦存，地層具有“大傾角、多煤層、大厚度”等特點，在沁水盆地南部及鄂爾多斯盆地東緣等礦區(qū)成功應(yīng)用的中高煤階煤層氣開發(fā)技術(shù)不能照搬移用于烏魯木齊礦區(qū)中低煤階煤層氣勘探開發(fā)[1-4]。因此，“十三五”國家科技重大專項項目“新疆準(zhǔn)噶爾、三塘湖盆地中低煤階煤層氣資源與開發(fā)技術(shù)”(項目編號：2016ZX05043)針對新疆煤層氣賦存特點，開展勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)，為該區(qū)煤層氣規(guī)模開發(fā)提供技術(shù)保障。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征[5]

1.1 礦區(qū)位置

烏魯木齊礦區(qū)煤層氣開發(fā)區(qū)塊范圍西起烏魯木齊河?xùn)|0勘探線，東至鐵廠溝東37勘探線，北以八道灣向斜北翼45號煤垂深600 m為界，南至八道灣向斜南翼45號煤垂深600 m為界，東西長約12.52 km，南北寬約1～3 km，面積27.15 km2。礦區(qū)位置見圖1。

圖1礦區(qū)位置示意圖
Fig.1Diagram of the mining area location

1.2 礦區(qū)地層

據(jù)以往鉆孔揭露，礦區(qū)地層主要有：三疊系上統(tǒng)小泉溝群、下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組，中侏羅統(tǒng)西山窯組、頭屯河組，上侏羅統(tǒng)齊古組及第四系。侏羅系八道灣組、西山窯組是本區(qū)主要含煤地層。其中，西山窯組是區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)的目標(biāo)層系，在礦區(qū)呈北東—南西向廣泛分布，巖性以細碎屑巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層為主，底部為厚層灰—灰白色中砂巖，為西山窯組與三工河組的地層界限標(biāo)志層。西山窯組平均厚度856 m，八道灣向斜南翼厚度917 m，八道灣向斜北翼厚度812 m，北單斜厚度838 m，含2-46號編號煤層。

1.3 礦區(qū)構(gòu)造(見圖2)

M6-七道灣背斜；W7-八道灣向斜；W5-南阜康向斜；M2-南阜康背斜；F2-碗窯溝(西山)逆斷層；F3-白楊北溝逆沖斷層；F4-紅山嘴—白楊北溝逆沖斷層；F6-池剛逆斷層；F8-魏家泉逆斷層；F9-五家泉逆斷層；F5-妖魔山逆斷層

圖2礦區(qū)構(gòu)造綱要圖
Fig.2Structural outline of the mining area

工作區(qū)位于北天山褶皺帶北緣，烏魯木齊山前坳陷的七道灣背斜和八道灣向斜中。主要構(gòu)造包括七道灣背斜(M6)、八道灣向斜(W7)、南阜康向斜(W5)、堿泉溝—魏家泉逆斷層(F8)、五家泉逆斷層(F9)、碗窯溝逆沖斷層(F2)、白楊北溝逆沖斷層(F3)。工作區(qū)總體構(gòu)造線方向為北東東向，構(gòu)造復(fù)雜程度中等。

七道灣背斜(M6)地層傾角75°～85°，局部受斷層影響有直立、倒轉(zhuǎn)。背斜南翼即八道灣向斜北翼，傾角30°～65°，背斜軸自西向東逐漸上翹。

八道灣向斜(W7)兩翼傾角不等，北翼緩30°～65°，南翼陡62°～85°。

1.4 含煤性

礦區(qū)含煤地層為侏羅系西山窯組(J2x)和侏羅系八道灣組(J1b)。煤層氣勘探開發(fā)的主力煤層為賦存于西山窯組底部的42-43和45號煤層。

西山窯組(J2x)地層平均厚度856 m，含煤28層，自上而下編為2-46號。煤層總平均厚度362 m。

42-43號煤層：全層厚42～94 m，平均59 m。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸(層)9-48層，巖性多為炭質(zhì)泥巖-粉砂巖，單層厚一般在0.1～3 m。可采厚2.4～45 m，平均27 m。

45號煤層：距42-43號煤層3.3～29.5 m，平均20 m。全層厚32.2～145 m，平均83.7 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。含夾矸(層)9-56層，巖性多為泥巖-粉砂巖，單層厚一般0.10～3.0 m，可采厚6.7～51.4 m，平均30 m。

底板巖性均為細碎屑巖，局部為粗碎屑巖，有利于煤層氣的保存。

烏魯木齊礦區(qū)煤層穩(wěn)定性較差，夾矸多，分叉多，對于水平井判層和儲層鉆遇率等均有較大影響。尤其是目標(biāo)煤層在以往施工過程中常常會出現(xiàn)煤層分叉、鉆遇透鏡狀夾矸、煤質(zhì)不均等情況。

2 水平井鉆井施工特點及難點

針對烏魯木齊礦區(qū)地層傾角大、煤層多、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜等地質(zhì)特點，結(jié)合以往施工實際情況分析，判定該區(qū)塊水平井施工面臨以下主要難點：

(1)地層傾角大，且砂巖和泥巖互層，軟硬交替，鉆井軌跡控制難。

煤層氣井完井經(jīng)儲層改造后，要下泵進行排水降壓采氣，泵和抽油桿對井身軌跡質(zhì)量要求較高。而礦區(qū)地層傾角大，且砂巖和泥巖互層，軟硬交替，常規(guī)鉆井工藝容易造成井斜超標(biāo)和方位漂移等問題。因為大傾角地層，由于非均等面切削作用，鉆頭處于不平衡的鉆進狀態(tài)，容易偏離原鉆進軸線，產(chǎn)生“小變向器”作用，且隨地層傾角的增大，這種“小變向器”作用也隨之增強，井斜超標(biāo)也越大[6-7]。此外，由于砂巖和泥巖互層，軟硬交替，鉆頭在不同軟硬程度地層鉆進時，也會產(chǎn)生“小變向器”作用，并在軟硬分界面形成“狗腿”，鉆井軌跡控制較難。因此，針對大傾角地層，需要開展技術(shù)攻關(guān)，提高鉆井效率，保證井身軌跡質(zhì)量。

(2)地層構(gòu)造較復(fù)雜，儲層夾矸多，儲層鉆遇率低。

礦區(qū)地質(zhì)特點是地層傾角大，前期地質(zhì)構(gòu)造強烈，出現(xiàn)儲層沿傾向傾角是變化的，沿走向方位是變化的，會導(dǎo)致水平井在沿儲層鉆進時易出頂?shù)装澹瑥亩鴮?dǎo)致鉆遇率低，重新入煤困難，頂?shù)装迮袛嗖磺濉Ｃ簩訆A矸多會影響目的煤層的判斷，無法判斷是否進入目的煤層，鉆遇夾矸對調(diào)整軌跡產(chǎn)生影響。因此水平井儲層鉆進技術(shù)、頂?shù)装迮袛嗉夹g(shù)、側(cè)鉆技術(shù)需進行適應(yīng)性研究。

(3)煤儲層控制精度不夠存在目標(biāo)儲層垂深、產(chǎn)狀的不確定性，造斜率的不確定性，對實施水平井來說難以把握，需進行分析控制。

(4)水平井完井方式可選擇裸眼完井、篩管完井、套管固井射孔完井，根據(jù)礦區(qū)大傾角低階煤煤巖力學(xué)特點，選擇清水鉆進易出現(xiàn)煤層坍塌等事故，泥漿鉆進會對儲層不同程度污染，需根據(jù)煤巖特點及增產(chǎn)改造效果進行完井方式適應(yīng)性研究及優(yōu)化。

3 井壁失穩(wěn)機理研究[8-10]

綜合分析礦區(qū)地層巖性、目的煤層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合以往鉆井施工實際與地層壓力數(shù)據(jù)，結(jié)果表明鉆遇巖層時井壁穩(wěn)定性較好，鉆遇主要目的煤層時井壁穩(wěn)定性差。

通過對煤巖的水化分散和膨脹性試驗發(fā)現(xiàn)，煤巖不易水化分散和膨脹。而對煤巖的XRD分析表明，煤巖中富含的高嶺石，容易形成微小顆粒并運移堵塞煤巖原有裂隙，損害儲層滲透率；另外煤巖中含有部分有機物，這些有機物可能溶解在鉆井液中，也容易造成煤巖不穩(wěn)定，導(dǎo)致煤巖垮塌。因此，井壁失穩(wěn)的主要原因是由于高嶺石的運移和有機物的溶解造成的。

通過對煤巖的理化性能及井壁失穩(wěn)機理分析可知：

(1)該區(qū)塊煤巖中的粘土礦物、二氧化硅，富含有機質(zhì)，對酸敏感，易于溶解運移，煤巖應(yīng)力敏感性較強。

(2)該區(qū)塊煤巖不易水化分散，但遇水會產(chǎn)生膨脹，造成井壁不穩(wěn)。

(3)安全鉆井液密度窗口為1.08～2.0 g/cm3。

根據(jù)煤層井壁失穩(wěn)機理分析，在實際鉆井施工中，應(yīng)選擇配伍性較好的高效低傷害鉆井液體系；可對水平井井身結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化，采用二開井身結(jié)構(gòu)，減少套管層次，舍去技術(shù)套管。

4 低傷害鉆井液體系研究和試驗

通過煤巖理化性能、井壁穩(wěn)定性研究以及煤儲層敏感性試驗研究，篩選了適合烏魯木齊礦區(qū)的低傷害鉆井液體系。由于該區(qū)塊構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育，應(yīng)控制鉆井液密度，使之始終處于安全窗口內(nèi)，以確保井壁穩(wěn)定和鉆井安全。此外，要嚴(yán)格控制鉆井液失水指標(biāo)，防止鉆井液滲入并污染儲層[11-12]。

按照室內(nèi)試驗得到的配方配置鉆井液。現(xiàn)場進行了3口井的對比試驗，煤層井徑擴大率及煤層垮塌掉塊情況得到明顯改觀。采用1.03～1.05 g/cm3的鉆井液體系時，在實際施工中，煤層垮塌現(xiàn)象多次出現(xiàn)，完井測井也多次受阻，測井結(jié)果表明煤層段井徑擴大率超標(biāo)。需對鉆井液性能進行調(diào)整，適當(dāng)提高其密度增加液柱壓力以平衡煤層坍塌壓力，從而增加其防塌效果。在研究的低傷害鉆井液基礎(chǔ)之上，合理增加鉆井液密度和粘度，降低失水的技術(shù)優(yōu)化方案。優(yōu)化后的鉆井液密度區(qū)間為1.10～1.15 g/cm3，粘度區(qū)間為40～50 s，并嚴(yán)格將失水控制在5 mL以下，可有效阻止煤層垮塌。

通過現(xiàn)場逐漸增加鉆井液密度，找出防塌的臨界密度。現(xiàn)場調(diào)整情況及效果如表1所示。

表1 鉆井液性能、配方現(xiàn)場數(shù)據(jù)Table 1 Drilling fluid performance and formula field data

通過對上述鉆井液的研究與現(xiàn)場試驗，得到以下結(jié)論：

(1)適合本礦區(qū)的低傷害鉆井液體系基本配方：1.5%～2%膨潤土(模擬現(xiàn)場土)+0.9%KYZ+2.3%SS-3。

(2)該鉆井液體系基本性能穩(wěn)定，溫度適應(yīng)范圍寬，在不同溫度條件下各項性能滿足現(xiàn)場要求。

(3)該鉆井液體系具有優(yōu)良的抗煤巖污染。

(4)該鉆井液體系對煤巖的穩(wěn)定指數(shù)較好，具有較強的防塌能力。

(5)該鉆井液體系對煤巖的滲透率降低影響較小，不會影響后期的采氣過程。

5 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

5.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計是鉆井設(shè)計工作的主要內(nèi)容之一，合理的井身結(jié)構(gòu)能有效地避免鉆井過程中漏失、坍塌、卡鉆等鉆井事故的發(fā)生,保證施工安全順利進行,降低鉆井成本[14-15]。

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)是確定套管的下入層次、下入深度。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計要依據(jù)對鉆井地質(zhì)特征(包括地層巖性、地層壓力、地層復(fù)雜情況、井壁圍巖特征、地層流體特征等)的認(rèn)識程度和鉆井裝備條件(套管、鉆頭、井口防噴裝置、鉆具等)以及鉆井工藝技術(shù)水平(鉆井液工藝、注水泥工藝、井眼軌跡控制技術(shù)、操作水平等)的掌握程度來進行。隨著鉆井裝備條件的日益改善和鉆井工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,以及對鉆井地質(zhì)客觀規(guī)律認(rèn)識的不斷加深,以往根據(jù)地層孔隙壓力剖面和破裂壓力剖面設(shè)計井身結(jié)構(gòu)的模式已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代鉆井技術(shù)的發(fā)展,需要優(yōu)化改進,使井身結(jié)構(gòu)更加合理。烏魯木齊礦區(qū)水平井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則主要有如下幾點：

(1)可以有效控制鉆井液密度,有效減小對儲層污染；

(2)保證鉆井作業(yè)特別是水平段安全鉆進，有效避免漏失、坍塌、卡鉆等事故情況；

(3)當(dāng)有溢流征兆時,具備壓井的能力,并不得將地層壓漏；

(4)保證各開次套管能按設(shè)計順利下入；

(5)有利于提高鉆井效率、降本增效。

(6)便于鉆井軌跡控制,確保精確中靶。

5.2 二開井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

水平井一般設(shè)計三開結(jié)構(gòu)，下入技術(shù)套管的主要目的是封隔及穩(wěn)固目的儲層以上井段，保證水平段安全鉆進。礦區(qū)以往鉆井資料顯示，儲層以上井段未出現(xiàn)因地質(zhì)因素而發(fā)生鉆井事故。煤層氣單分支水平井水平段較短，鉆井周期較短，工程難度與工序比SAGD、U型井、多分支水平井更簡單，可通過降低套管層次降低鉆井成本來提高單井綜合效益。

依據(jù)井壁穩(wěn)定性研究結(jié)果，烏魯木齊礦區(qū)地層壓力梯度見圖3。圖中所示100 m左右壓力突變處為第四系與基巖分界線，最后壓力梯度變化位置為儲層與上覆基巖段分界線。水平井一開套管鞋至目的煤層以上井段井壁穩(wěn)定性較好，屬于同一坍塌與漏失壓力梯度，可舍去技術(shù)套管，井身結(jié)構(gòu)可由三開結(jié)構(gòu)井改為二開結(jié)構(gòu)。

圖3 地層壓力曲線圖Fig.3 Formation pressure curve

從圖3曲線圖可知地層壓力特性突變點在50～100 m井深，此段為第四系，易漏易塌，鉆井液安全窗口較小，因此一開50～100 m需用套管隔離。進入穩(wěn)定基巖至完鉆井深鉆井液安全窗口幾乎重疊，目的煤層段略小，采用同一范圍鉆井液密度即可滿足安全鉆井需要。因此可不必下入技術(shù)套管，直接二開完鉆下入生產(chǎn)套管，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計見表2。

表2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)表Table 2 Well structure design data sheet

注：設(shè)計二開，若因地層復(fù)雜鉆井隊?wèi)?yīng)設(shè)計表層套管前下入大一級導(dǎo)管封隔第四系。

5.3 應(yīng)用效果

截止2019年6月，烏魯木齊礦區(qū)將原來三開結(jié)構(gòu)水平井優(yōu)化為二開結(jié)構(gòu)，如圖4所示。所施工的二開結(jié)構(gòu)水平井均獲得成功。單井成本節(jié)約約70萬元。單井節(jié)約成本詳見表3。

圖4 水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖Fig.4 Schematic diagram of horizontal well structure optimization

井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不僅節(jié)約直接成本，也縮短了鉆完井周期，同時二開水平井更利于三維井與儲層變化時需抽回側(cè)鉆井的軌跡調(diào)整，礦區(qū)共出現(xiàn)3井次抽回著陸點以上井段側(cè)鉆情況，若二開下入技術(shù)套管則需要套管開窗側(cè)鉆，成本將增加數(shù)十萬元。

表3 三開結(jié)構(gòu)與二開結(jié)構(gòu)工序與材料對比Table 3 Comparison of drilling processes and material between the three-section structure and the two-section structure

6 現(xiàn)場實施情況

為試驗研究成果應(yīng)用情況，在烏魯木齊礦區(qū)進行了現(xiàn)場試驗，取得了良好效果，水平井平均單井產(chǎn)氣得到提高，平均鉆井周期由20 d縮短至15 d，單井鉆井成本節(jié)約70萬元。

6.1 工程概況

(1)優(yōu)化后的水平井井身結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 水平井二開井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the two-section horizontal well structure

一開：?311.15 mm鉆頭+?244.5 mm表層套管；

二開:?215.9 mm鉆頭+?139.7 mm生產(chǎn)套管。

(2)井眼軌跡設(shè)計。

烏魯木齊礦區(qū)新施工水平井均采用了中半徑雙增軌跡，避免了2個不確定性因素(靶區(qū)垂深不確定和造斜率不確定)引起的儲層鉆遇率風(fēng)險。其中2口水平井采用了三維井眼軌跡。

(3)鉆頭和鉆具組合。

水平井一開使用牙輪鉆頭或PDC鉆頭，二開使用PDC鉆頭，二開鉆具組合以復(fù)合鉆具組合為主，全程使用無線MWD進行軌跡監(jiān)控，水平段采用LWD隨鉆導(dǎo)向技術(shù)，使用螺桿馬達控制井眼軌跡。

水平井鉆具組合根據(jù)實鉆情況，托壓嚴(yán)重，摩阻大，鉆壓較難傳遞到鉆頭，因此，采用常規(guī)鉆具組合與倒裝鉆具組合相結(jié)合方式。水平井鉆具組合如下：

常規(guī)鉆具組合：PDC鉆頭+1.5°/1.75°螺桿+加重鉆桿+常規(guī)鉆桿+主動鉆桿(上部加壓方式)；

倒裝鉆具組合：PDC鉆頭+1.5°/1.75°螺桿+加重鉆桿+常規(guī)鉆桿+加重鉆桿(直井段)+主動鉆桿(上部加壓方式)。

(4)鉆井液體系。

優(yōu)化后的鉆井液密度區(qū)間為1.10～1.15 g/cm3，粘度區(qū)間為40～50 s，并嚴(yán)格將失水控制在5 mL以下。低傷害鉆井液體系基本配方：1.5%～2%膨潤土+0.9%KYZ+2.3%SS-3。

6.2 試驗結(jié)論

現(xiàn)場實施效果表明：針對大傾角、多煤層地層，二開結(jié)構(gòu)水平井快優(yōu)鉆井技術(shù)可以很好地滿足礦區(qū)煤層氣開發(fā)需要。井壁穩(wěn)定性分析結(jié)果、井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、水平井定向與導(dǎo)向技術(shù)的研究成果大大縮短了鉆井周期，提高了儲層鉆遇率，提高了鉆井效率，降低鉆井成本。在施工過程中嚴(yán)格按井身質(zhì)量控制技術(shù)措施來施工，測井結(jié)果表明鉆井的井身質(zhì)量得到了很好的控制，滿足后期壓裂和排采要求。

7 結(jié)語

烏魯木齊礦區(qū)地層傾角大、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，針對水平井施工特點及難點，并結(jié)合礦區(qū)實際地質(zhì)條件，在研究查清井壁失穩(wěn)機理，優(yōu)化鉆井液配方后，將原來三開結(jié)構(gòu)水平井優(yōu)化為二開結(jié)構(gòu)，水平井鉆井施工均取得成功，且縮短了鉆井施工周期，節(jié)約了鉆井成本。優(yōu)化的鉆井液減少了煤層垮塌事故，提高了成井率。同時，研究的低傷害鉆井液體系經(jīng)現(xiàn)場驗證也能滿足該區(qū)塊鉆井要求，能保護井壁穩(wěn)定，減少煤層污染。在今后類似工程中可參考借鑒。