織金煤層氣淺層大位移水平井鉆完井技術

李伯堯 王洪亮 印中華 龍志平 朱智超

中石化華東油氣分公司石油工程技術研究院

織金區塊位于貴州省西部，區塊面積7 302.056 km2，含煤面積4 648.55 km2，含煤地層主要為上二疊統龍潭組，埋深較淺，一般為400～600 m。根據前期勘探效果，相比于定向井，水平井日產氣量增加2 000 m3，能更好地滿足織金區塊后期大規模經濟開發的需要，但同時，水平井面臨目的層垂深淺、水垂比大、鉆頭加壓困難、套管難以下到位等難題［1］，工程實施難度更大。為此，對表層堵漏、井眼軌道、井身結構、鉆井液體系、完井管串等方面進行了優化，形成了織金煤層氣淺層大位移水平井鉆完井技術，并在ZP-4 井進行了成功應用，為織金區塊后續低成本、高效開發提供了技術支持。

1 鉆井技術難點

(1)表層溶洞發育，漏失嚴重?？椊饏^塊為高原山地地貌，其上部三疊系飛仙關組灰巖地層為裂隙溶洞含水地層，容易發生溶洞型失返性漏失。前期統計資料顯示，表層堵漏用時占鉆井周期的32%，堵漏材料消耗量大且成功率低，平均每口井消耗清水563 m3，鋸末 1.2 t，秸稈 0.5 t，復合堵漏劑 5.1 t，聚丙烯酸鉀0.3 t，HV-CMC0.4 t.。同時由于漏點淺、地下暗河密布，常規的堵漏水泥難以在短時間內固結，而其他堵漏材料又極易通過地下暗河污染附近村莊水源，造成環境污染。

(2)目的層埋深淺，鉆井軌道水垂比大，鉆進、下套管摩阻大。由于目的煤層垂深淺，造斜點一般小于100 m，且水平段較長(700～800 m)，同時為了滿足煤層氣排水降壓的需要，水平段井斜一般超過90°，這就導致在鉆進過程中，尤其是在大斜度段及水平段滑動鉆進過程中，大段鉆具平躺在井壁上受到來自井壁對井下管柱的反扭矩和軸向阻力，造成鉆壓加不上、轉盤倒轉和下套管困難等難題［2-3］。

(3)煤層易受到傷害，儲層保護難度大。相比于常規油氣層，煤層吸附能力強(內表面積一般為10～40 m2/g)，特別容易受到鉆井液中固相顆粒的傷害，在正壓差3.5 MPa、50 ℃和2 h 的實驗條件下，經過3%的膨潤土漿傷害后，煤樣氣測滲透率降低68.03%，而且煤層脆性大、易破碎，一旦受到損害，不僅容易堵塞氣體的滲流通道，而且還會影響煤層的解吸過程［4-5］。

2 優快鉆井關鍵技術

2.1 表層堵漏工藝

織金區塊表層主要為三疊系下統飛仙關組，以灰色石灰巖為主，該段出露地表，受地表水影響，巖溶、溶蝕發育，一開發生失返性漏失的可能性較大。受低成本控制和環境污染影響，以往采取的空氣鉆進工藝實施可能性較?。煌瑫r由于地下暗河密布，常規堵漏材料極易通過暗河污染附近村莊水源且堵漏材料消耗量大，成本高。針對織金表層漏失淺(一般井深不超過40 m)和地下暗河密布的特點，提出如圖1 所示的“導管跟鉆”低成本堵漏技術，即發生漏失后在鉆桿外套入套管，套管上用3 層棉紗纏繞兩處(上部灰巖地層穩定，不易垮塌，套管包裹棉紗處不易受卡)用以封隔漏層，同時井口用吊卡坐住套管，并用棉紗、防滲布等密封井口套管外環空，從而建立套管內循環，保證鉆進順利進行。

圖1 表層堵漏示意圖Fig.1 Plugging diagram of surface hole

2.2 井眼軌道設計

2.2.1 軌道剖面選擇

為了提高煤層鉆遇率，滿足經濟開發的需要，與前期水平井采用LWD(伽馬零長12～13 m)導向不同，目前三開采用近鉆頭(伽馬零長0.6 m)地質導向，這就對入靶前的軌跡控制提出了更高要求。根據前期實鉆情況，由于采用單增(“直-增-平”)軌道剖面，控制余量小，且入靶精度要求高，軌跡調整頻繁，導致在增斜段中出現局部降斜段，形成“S”形井眼，使得摩阻大幅度增加。為此，將之前的單增軌道剖面優化為雙增(“直-增-穩-增-平”)軌道剖面，在穩斜段(井斜30°左右)探出6 號煤標志層，并利用之后的穩斜段進行軌跡調整，若目的煤層垂深上調，則提前造斜，若目的煤層垂深加深，則適當延長穩斜段，進而保證井眼軌跡平滑，降低摩阻。

2.2.2 井眼曲率選擇

摩阻問題是淺層大位移水平井施工過程中的難點，也是井眼軌道設計中需要重視的問題［6-7］，為此研究了在相同軌道剖面(直-增-穩-增-平)、相同井身結構(套管內摩擦系數0.2，裸眼段摩擦系數0.3)、相同鉆具組合和相同鉆井參數條件下，起鉆和滑動鉆進過程中不同井眼曲率與摩阻的關系，結果如圖2、圖3 所示，從圖2、圖3 中可以看出井眼曲率在 4.5～6 (°)/30 m 時，摩阻較小且平滑，同時考慮靶前距和后期排采對井眼曲率的要求，建議井眼曲率應在 5～6 (°)/30 m 之間選擇。

圖2 起鉆時井眼曲率與摩阻的關系Fig.2 Borehole curvature vs.friction while POOH

圖3 滑動鉆進時井眼曲率與摩阻的關系Fig.3 Borehole curvature vs.friction while sliding

2.3 井身結構選擇

根據織金區塊地質特征、前期實鉆情況和后期下泵排采對完井管柱的要求，采用三級井身結構設計。一開采用?444.5 mm(或?406.4 mm)鉆頭開孔，進入飛仙關組穩定地層后下入?339.7 mm 表層套管，固井水泥返至地面，封固上部易漏地層；二開為了降低淺層大位移水平井三開鉆進和下套管的摩阻，同時為了保證三開精確中靶，采用?311.2 mm 鉆頭鉆穿龍潭組21 號煤層(預計距23 號煤層頂2～5 m處)完鉆，下入?244.5 mm 技術套管，固井水泥返至地面。利用軟件模擬，從圖4 可以看出，若不下技術套管，套管下入過程中最小大鉤載荷為-33.8 kN，這就意味著套管串已經不能依靠自身重力下入，需要至少附加33.8 kN 的壓力才能到位，并且相比于技術套管下至A 靶點垂深以上2 m 的情況，摩阻增加了近2 倍，所以二開技術套管不能省去，同時比較了技術套管下至一增段結束和二增段前的情況，發現這兩種情況都需要額外施加壓力才能保證套管下入到位，所以二開技術套管下入位置應盡可能靠近A 靶點，但為了防止固井時水泥漿壓裂煤層，技術套管下入位置應距目的煤層垂深以上2～5 m 為宜；三開采用?215.9 mm 鉆頭配合近鉆頭地質導向(若上部地層變化較大，錄井巖屑難以卡準標志層，近鉆頭可在二開下部提前介入，保證入靶精度)，繼續增斜至著陸點，并在目的煤層中穿行，完鉆后下入?139.7 mm套管進行固井作業，固井水泥返至技術套管鞋以上200 m。

圖4 套管下入摩阻分析圖Fig.4 Analysis of casing running friction

2.4 鉆井液體系優選

為最大限度保護煤儲層，同時保持井壁穩定，采用氯鹽(無機鹽)控制鉆井液密度并選用對煤層低傷害的處理劑。直井段以防斜、防掉塊為主，一開選用預水化膨潤土鉆井液攜帶巖屑；斜井段以防坍塌、防掉塊、防埋鉆為主，二開采用低固相聚合物鉆井液，配方為：生產水+4%～5%膨潤土+0.15%PHPA+0.2%～0.6%CMC-LV+1%～2.5%FT-2+1.5%OSAMK+5%～10%潤滑劑；三開主要在煤層段水平鉆進，建議采用KCl 聚合物屏蔽暫堵鉆井液體系，利用暫堵劑在煤層近井地帶形成一層保護膜，防止遠端煤層受傷害，保證了壓裂后的增產效果，配方為：生產水+0.1%～0.2%NaOH+0.4%～0.6%PAC-141+1%～2%SMP+0.1%～0.2%CMC+0.6%～0.8%NH4HPAN+1%～2%FT-342 防塌潤滑劑+2%QS-2+2%QS-4+5%～8%KCl。各開次鉆井液基本性能如表1 所示。

2.5 完井套管串優化

織金煤層氣淺層大位移水平井由于垂深淺、水垂比大，容易出現完井套管難以下到位的情況，基于降低摩阻的設計原則，通過軟件模擬，最終確定完井套管串自下而上為：浮鞋+短套管×2 根+浮箍+套管×1 根+浮箍+套管串+聯頂節。水平段使用整體式彈性扶正器代替前期使用的滾珠扶正器，防止目的層煤粉卡死滾珠增加摩阻，安放間距為1～2 根套管，并在套管串頂端兩根短套管之間安放整體式彈性扶正器，使套管串“抬頭”；上部與技術套管重疊段采用整體式彈性扶正器和滾輪扶正器交替安裝的方式，充分發揮滾輪扶正器降摩減阻的作用，其中每2 根套管安放一只整體式彈性扶正器，每5 根套管安放一只滾輪扶正器。另外，井場配備一套井口加壓裝置(可加壓4～5 t)，防止出現套管下入不到位的情況。

表1 鉆井液基本性能參數Table 1 Basic properties of drilling fluids

3 現場實踐

織金煤層氣淺層大位移水平井鉆完井技術在ZP-4 井進行了成功應用。ZP-4 井設計軌道數據如表2 所示，本井完鉆井深1 518 m，水平段長763.98 m，水平位移1 143.46 m，最大井斜角97.3°，井身結構如圖5 所示。

表2 ZP-4 井井眼軌道設計結果Table 2 ZP-4 borehole trajectory design

圖5 ZP-4 井井身結構圖Fig.5 ZP-4 wellbore diagram

ZP-4 井一開過程中在井深24.12～24.43 m 處放空0.31 m，后強鉆至29.38 m 井口失返，期間先后兩次采用水泥堵漏失敗，共計漏失鉆井液121 m3，清水616 m3，累計處理時間6.3 d。后采用“導管跟鉆”堵漏技術，成功建立套管內循環，鉆穿漏層15 m后于井深50.89 m 一開中完，期間漏失鉆井液13 m3，累計作業時間0.8 d，保證了一開順利鉆進。

ZP-4 井采用雙增 (“直-增-穩-增-平”)軌道剖面設計，設計軌道與實鉆軌跡垂直投影圖如圖6 所示，從圖6 中可以看出，ZP-4 井在入靶前實鉆軌跡與設計軌道重合度高，探出標志層后利用穩斜段對軌道進行微調，避免出現“S”型大狗腿度井段，降低摩阻的同時保證了入靶精度，體現出雙增軌道在近鉆頭地質導向中的優越性。另外，受限于后期下泵排采對完井管柱的要求，使得小井眼鉆井技術難以應用，而雙增軌道可以避免在?311.2 mm 井段長時間、大井段定向，一定程度上降低了施工難度。

圖6 ZP-4 井設計井眼軌道和實鉆井眼軌跡Fig.6 ZP-4 designed borehole trajectory vs.actual trajectory

為保證生產套管順利下入指定位置，根據設計軌道計算了下套管過程中的大鉤載荷(套管內摩擦系數0.2，裸眼段摩擦系數0.3)，結果如圖7 所示，當套管下深超過上層套管鞋位置后，大鉤載荷開始明顯降低，整體來看可以通過套管串自重順利下入，不需要井口加壓，但實鉆過程中為了提高鉆遇率，水平段軌跡調整頻繁，增加了摩阻，導致套管下至1 332 m時無法依靠管串自重下放，最終采用加壓裝置下壓2～3 t 的方式下入到位。后通過實際情況對摩擦系數進行校正，建議以后設計過程中充分考慮水平段地質導向軌跡頻繁調整對下套管的影響，將裸眼段摩擦系數調整為0.45，留有工程余量，保證套管順利下入到位。

圖7 大鉤載荷圖Fig.7 Hook load diagram

4 結論

(1)“導管跟鉆”堵漏技術成本低、易操作，能有效解決織金工區表層漏失淺，常規堵漏成本高、易污染水源的難題，建議在工區內推廣。

(2)井眼軌道設計優化后，采用雙增(“直-增-穩-增-平”)軌道剖面，保證了井眼軌跡平滑，避免出現“S”型井段，同時井眼曲率控制在5～6(°)/30 m，降低了摩阻，對于入靶精度要求高的地質導向有很強的適應性。

(3)二開技術套管不能省去，下深以距目的煤層垂深以上2～5 m 為宜。

(4)完井管串優化后，水平段使用整體式彈性扶正器，重疊段采用滾輪扶正器和整體式彈性扶正器交替安裝的方式，進一步降低了下套管摩阻。同時建議今后在工程設計中充分考慮水平段軌跡頻繁調整對下套管摩阻的影響，調高裸眼段摩擦系數，留有工程余量。