煤層氣水平井無導眼地質導向鉆進技術

劉明軍，李 兵，黃 巍

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048204)

近年來，利用水平井開發煤層氣成為普遍趨勢和重要手段[1-3]，煤層氣水平井與直井和普通定向井相比，可有效導通煤儲層裂隙，增加氣、水導流能力，提高單井產量和煤層氣采收率[4-5]，縮短投資回收周期，降低煤層氣開采成本；有利于開發溝谷縱橫地形條件復雜地區的煤層氣；節約鉆前工程和井場占地費用等。但目前煤層氣水平井鉆進時存在一些問題：造斜段鉆進過程中為了確定目的煤層的頂底界面的深度，先施工200 m 左右的導眼[6]，以便于水平井造斜段的軌道設計，這屬于無效工程量；松軟煤層水平井井壁穩定性差，鉆完井過程中極易發生井壁坍塌，引起卡鉆、甚至埋鉆等事故，成孔困難；為了解決井壁穩定性和儲層污染問題，近年來，松軟煤層水平井鉆完井取得了豐碩的研究成果，但主要是針對鉆井液防塌性的研究[7-8]，很少以清水為鉆井液，對鉆井參數的選擇、鉆具組合等方面進行系統性研究；水平段煤層鉆遇率普遍比較低[9-11]，鉆進時容易發生穿層進入煤層頂板或底板，甚至找不到煤層位置等情況。

針對煤層氣水平井鉆進時存在的上述問題，筆者提出在晉城成莊煤礦利用鄰井鉆探、測井等資料進行地層對比分析，篩選標志層，預測標志層、目的煤層的位置，通過鉆井揭露情況驗證預測結果，從而判識鉆頭與標志層、煤層的空間位置，更新軌道設計，最終達到無導眼一次準確入靶；從優化井身結構、優選鉆進參數、防塌鉆進技術等入手，總結出一套松軟煤層成孔工藝技術；綜合利用鉆時錄井、地質導向技術，使水平段軌跡處于煤層最佳部位，保證煤層鉆遇率。該研究對沁水盆地南部提高煤層氣水平井產能，節約鉆井成本，降低投資風險具有重要借鑒作用。

1 地質特征

成莊礦區位于沁水盆地東南部晉城斜坡帶，總體呈東高西低的構造特征，地層傾角3o～5°，以褶皺為主，斷裂稀少，構造屬于簡單類型[12]。目的煤層3 號煤層分布穩定，煤厚3.75～ 7.30 m，平均6.31 m，夾矸0～5 層，煤層穩定，全井田可采，煤層底板等高線如圖1 所示；煤層頂板為泥巖，底板主要為泥巖、粉砂巖和砂質泥巖[13]；煤體結構以碎粒結構–碎裂結構為主，在其底部普遍發育0.5 m左右的糜棱煤；儲層壓力1.77～4.30 MPa，平均3.03 MPa，為低壓儲層[14]；3 號煤層主要直接充水含水層為相對較弱的頂板砂巖裂隙含水層，水文地質條件屬簡單類型。綜合以上分析，成莊煤礦煤層氣賦存地質條件、煤層特征對水平井開發煤層氣比較有利。

2 鉆完井關鍵技術

2.1 井身結構優化

合理的井身結構設計是保證鉆井安全的前提，同時也可降低鉆井成本?？碧匠潭燃般@井裝備能力的不斷提高及鉆井工藝技術的發展，為完善井身結構，保證鉆井施工安全和質量提供保障。一開主要封隔第四系上部易垮、易漏失地層，為二開的安全鉆進創造條件。二開主要封隔煤層上部泥巖層段，套管下深距目標煤層垂距不低于2 m[15]，為三開的安全鉆進創造條件，井身結構如圖2 所示。

圖1 成莊礦區3 號煤層底板等高線及井位部署Fig.1 Contours of No.3 coal seam floor and wellsite deployment

a.一開采用Φ311.15 mm 鉆頭鉆入基巖10 m 穩定地層，下入Φ244.5 mm 表層套管，固井水泥返至地面。

b.二開采用Φ215.9 mm 鉆頭鉆進至著陸點以上約20 m 處，下入Φ177.8 mm 技術套管，固井水泥返至地面。

c.三開采用Φ152.4 mm 鉆頭鉆進，進入3 號煤層后，沿煤層鉆進，最終與直井連通，連通后繼續延伸200～300 m，篩管完井。

圖2 井身結構示意Fig.2 Diagram of wellbore structure

2.2 水平井井眼軌道設計

井眼軌道設計一般由直井段、造斜段和水平段組成，軌道類型主要有直–增–平(單圓弧)、直–增–增–平(雙圓弧)、直–增–穩–增–平(五段制) 3 種類型。

為了避免鉆頭進入松軟煤層后狗腿度過大，造成井眼波動、對煤層擾動增大、井壁失穩，通過鄰井資料分析和軌道計算，以SH-U2-2 井為例，采用五段制軌道類型，造斜曲率半徑選擇200 m，設計軌道起伏盡可能小，有利于井眼軌跡控制，使井眼軌跡更光滑。從205 m 處開始造斜，造斜率采用28°/hm，在3 號煤層著陸，水平段軌跡控制在煤層頂板以下2.5 m，從而使整個U 型井組軌道滿足要求。SH-U2-2 井設計軌道數據見表1。

表1 SH-U2-2 井設計軌道數據Table 1 Designed trajectory data of well SH-U2-2

2.3 鉆具組合優化

根據不同井段設計要求，采取相應的定向鉆具組合，為保證煤層水平段成孔，采用柔性鉆具組合進行防斜及時糾斜。

a.一開直井段Φ311.15 mm 鉆頭+雙母接頭(擋板)+Φ165 mm 無磁鉆鋌×1 根＋Φ165 mm 鉆鋌×3 根+4A11×410 轉換接頭+Φ127 mm 鉆桿串。

b.二開直井段Φ215.9 鉆頭+雙母接頭(擋板)+Φ165 mm 無磁鉆鋌×1 根＋Φ165 mm 鉆鋌×3 根+Φ127 mm 鉆桿串。

c.二開定向段Φ215.9 mm 牙輪鉆頭/PDC 鉆頭＋Φ165 mm 1.5°單彎螺桿鉆具×1 根＋431×410 轉換接頭＋Φ127 mm 無磁承壓鉆桿×1 根＋MWD＋Φ127 mm 無磁承壓鉆桿×1 根＋411×4A10 轉換接頭＋Φ127 mm 鉆桿串＋Φ127 mm 加重鉆桿串＋Φ127 mm 鉆桿串。

d.三開水平段Φ152.4 mm PDC 鉆頭＋Φ89 mm(1°～1.5°)單彎螺桿鉆具×1 根＋331×310 轉換接頭＋Φ88.9 mm 無磁承壓鉆桿×1 根＋MWD＋Φ89 mm 鉆桿串＋Φ89 mm 加重鉆桿串。

2.4 鉆進參數優選

結合以往該區域鉆井經驗綜合分析，設計鉆壓、轉速等參數，根據實際情況進行優選。

一開直井段 采用防斜吊打方式，高轉速，小鉆壓，大排量。

二開直井段 高轉速，小鉆壓，中排量，提高噴嘴壓降，發揮水力破巖作用。

二開造斜段 低轉速，高鉆壓，適當加大排量，確保井下安全。

三開水平段 鉆遇煤層段時采用低鉆壓、低轉速、低排量、低射流沖擊力的“四低”參數鉆進。下鉆到底提前2 個單根開泵，小排量頂通后逐步增加至正常排量。

各開次鉆進參數如表2 所示。

表2 水平井鉆進參數Table 2 Drilling parameters of horizontal well

2.5 鉆井液優選

根據區內地層情況，結合水平井儲層保護要求，解決一開、二開施工面臨漏失、坍塌、縮徑等問題，進行鉆井液設計。

a.一開直井段鉆井液 為了防止黃土層、卵礫石層段發生坍塌、掉塊等事故，使用大密度、高黏度的膨潤土漿液，有利于維持井壁穩定、攜帶巖屑。

b.二開造斜段鉆井液 準確判斷煤層深度，二開不得揭露煤層，防止固井水泥漿污染儲層，壓裂煤層導致煤層坍塌。鉆遇的地層以泥巖、砂質泥巖居多，縮徑嚴重，要求鉆井液具有良好的抑制性和降失水性，以防止大段泥巖層井壁吸水膨脹而引起井壁失穩。

c.三開水平段清水 為了達到儲層保護和安全鉆進的目的，在揭露煤層后，排掉井內泥漿，換為清水鉆進。

現場采用四級固控，鉆進過程鉆井液性能穩定，確保性能參數維持在合理范圍，取得了較好的儲層保護和井壁穩定成效。

鉆井液性能見表3。

表3 鉆井液性能Table 3 Drilling fluid performance

2.6 水平段防塌鉆進技術

對于松軟煤層，兼顧井壁穩定與儲層保護，選擇清水為鉆井液時，必須從鉆具組合、鉆進參數等方面考慮成孔問題。

三開水平段，采用柔性鉆具組合，復合鉆進時，緩慢轉動頂驅鉆進，密切觀察扭矩表變化，若扭矩太大則不能繼續轉動轉盤，采用螺桿鉆具滑動鉆進。對井底數據準確預測，及時調整鉆進參數和井眼軌道，保證井眼軌跡光滑，井內摩阻小。每鉆進30～50 m 進行短起下一次，必要時起過復雜井段或起至套管鞋以上。

2.7 水平井篩管完井

為了解決松軟煤層水平井井壁坍塌、煤粉堵塞流道問題，篩管完井是一種較好的水平井完井方式，目前國內主要有玻璃鋼篩管、金屬篩管、PE 篩管3 種?？紤]后期機械化采煤作業的安全，煤層水平段一般不采用金屬材質的篩管。由于PE 篩管具有較高的耐壓強度、安全系數和環剛度以及良好的抗應力開裂能力，目前主要采用PE 篩管通過鉆具內孔泵送至目的煤層[16-18]。

研究區煤層松軟，以碎粒結構–碎裂結構煤為主，水平井完鉆、洗井后，下入Φ89 mm 內平鉆桿，借助篩管助推器，以泵送方式，在水平井段下入外徑50.8 mm、壁厚4.6 mm 的PE 連續篩管。3 口水平井煤層段總進尺1 604.72 m，煤層段下入PE 篩管總長度1 366 m，詳見表4，為后期煤層氣產量提供了有利保障。

表4 煤層段進尺和篩管下深Table 4 Coal seam footage and depth of inserted screen pipe

3 地質導向技術

3.1 標志層選取

標志層應該具有分布范圍廣、層位穩定、巖性特征明顯、易于鑒別的特點。

對鄰井測井、鉆探資料進行地層對比分析，發現二疊系上石盒子組下部有層石英砂巖K10，層厚約15 m，距3 號煤層大約224 m，淺灰色，性脆，含大量石英，嚴重破碎。二疊系下石盒子組中下部有層細粒砂巖K8，層厚為5 m，距3 號煤層大約84 m，為灰色細粒巖。2 號煤層層厚約0.3 m，上距K8約13 m，下距3 號煤層頂板約71 m。K10、K8作為主要標志層，2 號煤層作為輔助標志層，詳見圖3。

圖3 成莊煤礦標志層層位關系柱狀Fig.3 Horizon relationship of three marker beds in Chengzhuang coal mine

3.2 造斜段地質導向

根據鉆井揭露的地層信息驗證K10、K8、2 號煤層為標志層，利用鉆時錄井資料、鉆進參數、MWD參數及煤層底板等高線圖，及時判斷鉆頭位置距離目的煤層的空間位置，通過及時調整井眼軌跡，保證入窗井斜角與地層傾角適配，最后順利實現無導眼直接一次著陸入窗SH-U2-2A 點，也有利于水平段的井眼軌跡控制。

鉆頭進入K10石英砂巖，在井深218.29 m 處開始造斜，采用五段制軌道類型，造斜曲率半徑選擇200 m，于井深516 m 鉆入煤層，快速安全著陸。

3.3 水平段導向技術

利用水平井開發煤層氣主要目的是提高單井產量、煤層氣采收率，如何提高煤層鉆遇率，進一步降低投資風險，是煤層氣開發業界長期探索的問題。本次水平段施工采用地質導向與幾何導向相結合模式，降低鉆井風險、增加煤層鉆遇率。

幾何導向使實鉆軌跡盡量靠近設計軌道，以保證準確鉆入設計靶區。為保證井眼軌跡光滑度及煤層鉆遇率，設計合適的入窗井斜角。利用煤層底板等高線圖，加密等高線間距到1 m，甚至到0.5 m，沿著水平井軌道設計水平投影方向，切剖面，使軌道設計與實鉆軌跡位置在空間上一目了然。

地質導向是用近鉆頭地質、工程參數測量和隨鉆控制手段保證實際井眼穿過煤層并取得最佳位置。通過鉆時錄井、氣測錄井、鉆進參數錄井、EM-MWD 工具跟蹤實時監測。利用平均伽馬曲線(GR)初步判斷鉆頭進出煤層情況，根據高邊伽馬(HiGm)、低邊伽馬(LoGm)進一步判斷煤層的頂底板，實時監測曲線如圖4 所示。研究區內煤層的伽馬值一般在40 API 以下，鉆進在720 m 附近時，低邊伽馬值63 API 大于高邊伽馬值，隨后低邊伽馬值迅速降低，而高邊伽馬值升高至73 API，大于低邊伽馬值，隨井深增加高低邊伽馬值都恢復至煤層內正常值，結合平均伽馬值，說明軌跡從夾矸上部鉆穿薄層夾矸。

圖4 EM-MWD 實時監測伽馬曲線Fig.4 Gamma curves of EM-MWD real-time monitoring

4 加密U 型水平井應用

4.1 井位部署優化

根據成莊煤礦采掘生產計劃，結合現有煤層氣生產井的排采影響范圍、水平井排采可以覆蓋的面積以及井間防碰等情況，進行井位部署(圖1)。

本次U 型水平井是由1 口洞穴直井(SH-U2-4)和3口定向水平井(SH-U2-1、SH-U2-2、SH-U2-3)組成，累計進尺3 590.97 m，累計煤層進尺1 604.72 m，水平井過洞穴后延伸200～300 m(圖5)，以增加控制面積。為提高排采效果，選擇煤層下傾區域布置水平井組，即形成多個U 型井組。

圖5 加密U 型井組實鉆軌跡三維示意Fig.5 Three-dimensional diagram of drilling trajectory of U-shaped well

4.2 水平段井眼軌跡控制

以SH-U2-2 井為例，于井深516 m 入煤著陸，著陸點“SH-U2-2A”，進入水平段，于井深882.00 m處與排采直井SH-U2-4 連通，連通后，繼續延伸177.14 m。為了保證井眼軌跡平滑，對井眼軌跡進行精細化控制，在著陸點“SH-U2-2A”與連通點“SH-U2-2 洞穴”間，增加“SH-U2-2B”作為控制點，使井眼軌跡平滑，井眼軌跡和煤層的關系如圖6 所示。根據3 號煤層底板高線圖計算煤層傾角為2.29°，采用地質導向與幾何導向相結合井眼軌跡控制技術，最終使實鉆軌跡高度耦合設計軌道，井眼軌跡控制在靶區范圍內，煤層鉆遇率達到了100%。

5 結論

a.在晉城成莊煤礦充分利用鄰井資料和鉆時、巖屑錄井資料及隨鉆測量系統，選擇K10、K8、2 號煤層作為標志層，實現水平井無導眼安全、高效著陸入靶，縮短了單井建井周期，降低了煤層氣水平井施工成本。

圖6 實鉆軌跡與煤層關系Fig.6 The relationship between borehole trajectory and coal seam

b.采用柔性鉆具組合、選擇“四低”鉆進參數、短起下鉆、小排量逐漸到正常排量的鉆進方式，結合井眼軌跡精細化控制技術，實現松軟煤層清水鉆進防止井壁失穩坍塌。

c.采用地質導向與幾何導向相結合模式，可實現100%的煤層鉆遇率，提高單井產氣量和煤層氣采收率。

d.水平段采用PE 篩管完井，可有效防止煤層段井壁坍塌堵塞產氣通道。但下入工具有待進一步改進與完善，以便快速精準下入篩管，使其更具有推廣應用價值。