保德煤層氣田黃河壓覆區(qū)長(zhǎng)水平段水平井鉆井完井技術(shù)

鄧鈞耀，劉奕杉，喬 磊，王開龍，胡 凱

（1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，北京100028；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京102206；3.中國(guó)石油華北油田分公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西長(zhǎng)治046000）

保德煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東緣，8+9號(hào)主力煤層滲透率最高達(dá)8.0mD，直井平均單井產(chǎn)氣量達(dá)2 500 m3/d以上，是國(guó)內(nèi)中低階煤層氣效益開發(fā)示范區(qū)。保德煤層氣田北部?jī)?yōu)質(zhì)煤層氣藏位于府谷縣城和黃河下方，受復(fù)雜地表環(huán)境的制約，一直未能進(jìn)行商業(yè)開發(fā)。由于煤層地質(zhì)構(gòu)造特征的影響，煤層氣水平井與常規(guī)油氣水平井相比，存在煤層易坍塌卡鉆的鉆井風(fēng)險(xiǎn)，因此需要盡量縮短水平段的鉆井時(shí)間，從而縮短鉆井液浸泡煤層的時(shí)間，保持井壁穩(wěn)定，同時(shí)降低鉆井液濾液對(duì)煤層的損害。長(zhǎng)水平段煤層氣井鉆井面臨著煤層埋深淺、水垂比大導(dǎo)致托壓和水平段難以達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度等技術(shù)難點(diǎn)，同時(shí)存在儲(chǔ)層保護(hù)和快速鉆進(jìn)方面的鉆井難題，需要研究形成長(zhǎng)水平段煤層氣井特色技術(shù)，滿足煤層氣開發(fā)需求[1–3]。

針對(duì)黃河壓覆區(qū)煤層氣水平井鉆井完井技術(shù)難點(diǎn)，分析了極限水平段長(zhǎng)度與煤層垂深、地層傾角等參數(shù)的關(guān)系，開展了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌跡測(cè)控和玻璃鋼篩管完井新工藝等方面的技術(shù)研究，形成了集約化大平臺(tái)煤層氣長(zhǎng)水平段水平井鉆井完井技術(shù)，并在保德煤層氣田BP15平臺(tái)的水平井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，鉆井過程未發(fā)生井下故障，順利完井，實(shí)現(xiàn)了黃河壓覆區(qū)煤層氣儲(chǔ)量的有效動(dòng)用。

1 黃河壓覆區(qū)煤層氣水平井鉆井完井技術(shù)難點(diǎn)

保德煤層氣田總體表現(xiàn)為西傾的單斜構(gòu)造，南北走向，斷層和褶皺不發(fā)育，同時(shí)煤層構(gòu)造形態(tài)簡(jiǎn)單，東高西低，地層平緩，傾角一般在1°～5°。氣田主力可采煤層為二疊系下統(tǒng)太原組的8+9號(hào)煤層，埋深500.00～1 000.00m，滲透率較高，地層壓力系數(shù)低，屬于欠壓—常壓儲(chǔ)層。保德煤層氣田北部的煤層氣藏位于黃河底部，黃河北部為府谷縣城，人口稠密，地面無法部署井位進(jìn)行規(guī)模開發(fā)。

綜合考慮地面及地質(zhì)情況，提出采用水平井開發(fā)壓覆區(qū)煤層氣，在黃河南岸部署長(zhǎng)水平段水平井井場(chǎng)，利用水平段1 000.00～2 000.00m長(zhǎng)的水平井開發(fā)黃河和城市壓覆區(qū)的優(yōu)質(zhì)煤層氣藏。但黃河壓覆區(qū)煤層氣水平井鉆井完井面臨以下技術(shù)難點(diǎn)：1）黃河邊井臺(tái)可選位置少，需要采用大平臺(tái)，部署長(zhǎng)水平段水平井；2）大部分儲(chǔ)層壓力系數(shù)為0.70～0.99，處于欠壓狀態(tài)，鉆進(jìn)時(shí)垮塌和漏失風(fēng)險(xiǎn)高；3）煤層構(gòu)造復(fù)雜，煤層跟蹤與控制難度大，鉆遇率偏低；4）前期完鉆水平井均采用裸眼完井方式，排采期間經(jīng)常發(fā)生煤層垮塌、煤粉堵塞井眼等復(fù)雜情況，造成煤層氣水平井單井產(chǎn)量低、井筒壽命短，需探索滿足采煤采氣一體化的非金屬篩管完井新技術(shù)。

2 煤層氣水平井鉆井完井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 集約化大平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

保德煤層氣田北部的煤層氣藏受黃河邊地形條件的限制，需采用集約化大平臺(tái)布井，利用大平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)、一體化管理和一體化運(yùn)行的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)降低鉆井完井及后續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行成本。因此，保德煤層氣田北部采用一個(gè)平臺(tái)部署7～10口水平井的開發(fā)方式和工廠化作業(yè)模式，充分發(fā)揮集約化大平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。由于平臺(tái)井場(chǎng)受限，井口布局難度較大，井眼軌跡在空間上存在交叉，井眼防碰風(fēng)險(xiǎn)突出。為此，優(yōu)選造斜點(diǎn)位置，采用雙增剖面等井眼軌道設(shè)計(jì)方法，增大防碰安全距離，同平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)4+5號(hào)和8+9號(hào)2套煤層立體開發(fā)[4–5]。

水平段越長(zhǎng)，單井控制面積越大，產(chǎn)量越高，但水平井的極限鉆進(jìn)能力是部署長(zhǎng)水平段水平井的基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)度時(shí)需綜合考慮鉆機(jī)載荷、極限鉆進(jìn)進(jìn)尺等因素。保德煤層氣田極限水平段長(zhǎng)度與煤層垂深、井斜角的關(guān)系曲線如圖1所示。從圖1可以看出，水平井上傾角度和煤層垂深對(duì)水平段極限長(zhǎng)度影響非常大，主要是由于井斜角大于90°條件下上傾井段鉆柱重力抵消了直井段加重鉆桿施加的有效鉆壓，導(dǎo)致水平段極限長(zhǎng)度大幅減少。保德北部黃河壓覆區(qū)垂深800.00～1 000.00m，水平井軌跡方向煤層上傾角度2°～5°，因此水平段煤層極限長(zhǎng)度為1 700.00～2 000.00m[6–9]。

圖1 極限水平段長(zhǎng)與煤層垂深、井斜角的關(guān)系曲線Fig.1 Relation of ultimate horizontal section length w ith vertical depth of coal seam sand well inclination

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為有利于煤層段安全快速鉆進(jìn)，采用了三開井身結(jié)構(gòu)。一開，采用?311.1mm三牙輪鉆頭，進(jìn)入基巖10.00m后完鉆，下入?244.5mm套管，水泥返至地面，封固第四系疏松黃土層；二開，采用?215.9mm牙輪鉆頭鉆入煤層，下入?177.8mm套管，水泥返至地面，重點(diǎn)封固劉家溝組和石千峰組易漏失地層；三開采用?152.4mm PDC鉆頭鉆進(jìn)煤層水平段，水平段主要部分位于煤層頂部以下1.00～4.00m，下入?88.9mm玻璃鋼篩管完井，篩管懸掛器位于二開套管浮箍以上2.00～5.00m處。保德煤層氣田北部黃河壓覆區(qū)水平井的井身結(jié)構(gòu)如圖2所示[10–13]。

圖2 保德煤層氣田黃河壓覆區(qū)水平井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Casing program of horizontal well in the Yellow River overlay area of Baode coalbedmethane field

2.3 鉆井液優(yōu)選

與常規(guī)儲(chǔ)層相比，黃河北部煤層具有低滲透、低壓和高吸附的特點(diǎn)，膠結(jié)疏松，容易發(fā)生垮塌等井下復(fù)雜情況；另外，長(zhǎng)水平段容易形成巖屑床，造成起下鉆阻卡，因此鉆井液的選擇和性能維護(hù)是煤層氣長(zhǎng)水平段水平井成功的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)篩選及前期的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，選擇使用低密度低固相鉆井液，其配方為清水+0.1%～0.2%PAC-HV（高黏聚陰離子纖維素）+3.0%～5.0%氯化鉀。PAC-HV可以提高鉆井液的黏度和切力，降低濾失量，防止井壁坍塌和發(fā)生漏失；氯化鉀用于調(diào)整密度和提高鉆井液體系的抑制性。該鉆井液的主要性能參數(shù)：密度1.05～1.10 kg/L，漏斗黏度28～35 s，塑性黏度小于35mPa·s，濾失量小于10 m L，固相含量小于6%。該鉆井液配制簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，既能保證井壁穩(wěn)定，也能最大程度地降低固相顆粒含量，降低對(duì)煤層的傷害[14–15]。

2.4 井眼軌跡控制技術(shù)

為了提高鉆井速度，縮短鉆井周期，全井采用“PDC鉆頭+螺桿”鉆具組合。其中，二開的鉆具組合為?215.9mm PDC鉆頭+?172.0mm×1.50°單彎螺桿+?158.7mm無磁鉆鋌+?158.7mm鉆鋌+?127.0mm鉆桿。三開水平段采用“隨鉆伽馬測(cè)量+螺桿”組合鉆具，具體鉆具組合為?152.4 mm PDC鉆頭+?127.0 mm×1.25°單彎螺桿+定向接頭+?88.9 mm無磁鉆鋌+?88.9mm加重鉆桿×400m以上+?88.9mm鉆桿。利用隨鉆伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)和識(shí)別鉆頭在煤層中的相對(duì)位置、地層走向和地層傾角，根據(jù)需要調(diào)整井眼軌跡，引導(dǎo)鉆頭在煤層中鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中每根立柱測(cè)斜一次，并密切監(jiān)測(cè)泵壓、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)變化，根據(jù)觀測(cè)的振動(dòng)篩返砂情況，分析判斷井下情況[16]。

近鉆頭測(cè)量技術(shù)解決了常規(guī)地質(zhì)導(dǎo)向反應(yīng)慢、判斷準(zhǔn)確性差和易鉆出煤層的問題，提高了地質(zhì)導(dǎo)向的準(zhǔn)確性和鉆井效率。測(cè)量?jī)x器距鉆頭僅0.58 m，可及時(shí)判識(shí)鉆頭在地層中的位置，提高煤層鉆遇率。根據(jù)自然伽馬值在不同方位的變化情況，可準(zhǔn)確判斷煤層的上、下邊界，掌握鉆頭的實(shí)際工作狀況，優(yōu)化鉆井參數(shù)。

2.5 玻璃鋼篩管完井工藝

裸眼完井的煤層氣水平井在排采期間經(jīng)常發(fā)生煤層垮塌、井眼滅失，導(dǎo)致井筒氣液產(chǎn)量急劇下降，甚至停止產(chǎn)出。前期應(yīng)用的PE篩管存在抗壓強(qiáng)度低、尺寸小等問題，不能進(jìn)行通井洗井作業(yè)[17]。玻璃鋼篩管較PE篩管對(duì)煤層井壁的支撐能力更強(qiáng)，并能滿足井筒重入的要求，實(shí)現(xiàn)“可重入、可作業(yè)、可維護(hù)”的完井要求，在一定程度上達(dá)到了金屬篩管完井的功能，同時(shí)解決了煤炭后期開采的安全問題。

玻璃鋼篩管完井工藝包括井眼準(zhǔn)備、下篩管、下沖管、坐掛和洗井等流程。下篩管作業(yè)前要進(jìn)行通井洗井作業(yè)，保證井底干凈無沉砂和煤粉，井眼光滑穩(wěn)定。玻璃鋼篩管完井管串結(jié)構(gòu)為：引鞋+玻璃鋼盲管+密封筒+玻璃鋼篩管+保護(hù)短接+懸掛器+變扣接頭+鉆桿。沖管末端與懸掛器內(nèi)管連接，篩管與懸掛器外管連接，建立井眼整體循環(huán)通道，如圖3所示。篩管下至設(shè)計(jì)井深后，投球加壓，將玻璃鋼篩管懸掛并固定于套管內(nèi)壁，完成鉆具與篩管本體的分離。成功丟手后，打開內(nèi)部通道，配合沖管及專用噴頭可實(shí)現(xiàn)水力噴射洗井，降低鉆井液對(duì)煤層的傷害。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖3 玻璃鋼篩管完井管柱結(jié)構(gòu)Fig.3 Structureof comp letion string w ith FRP screen pipe

針對(duì)保德煤層氣田黃河壓覆區(qū)的鉆井完井技術(shù)難點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)合理井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化井眼軌道、優(yōu)選鉆井液和研究玻璃鋼篩管完井工藝，2018年完成了黃河壓覆區(qū)BP15平臺(tái)部署的7口長(zhǎng)水平段煤層氣水平井（見圖4）。這7口長(zhǎng)水平段水平井的水平段平均長(zhǎng)度為1 067.00m，鉆井過程中未發(fā)生井下復(fù)雜情況，順利完井，目前該平臺(tái)平均單井日產(chǎn)氣量達(dá)4 000m3。

圖4 黃河壓覆區(qū)BP15井臺(tái)地面部署示意Fig.4 Surface dep loyment of Wellbay BP15 in the Yellow River overlay area

BP15井是該平臺(tái)完鉆的第一口水平井井，井深1 784.00m，垂深816.00m，水平段長(zhǎng)968.00m。該井施工過程中，進(jìn)行了三壓力剖面預(yù)測(cè)、井眼軌道優(yōu)化、鉆井液優(yōu)選和玻璃鋼篩管完井工藝等鉆井完井技術(shù)研究與應(yīng)用，優(yōu)化了長(zhǎng)水平段水平井鉆井參數(shù)，全井平均機(jī)械鉆速11.69m/h，鉆井周期37.88 d，為長(zhǎng)水平段煤層氣水平井的開發(fā)提供了依據(jù)。完井階段共下入103根DN 80-14MPa篩管和1根盲管，完井管串長(zhǎng)度943.00 m，懸掛器順利坐掛。

目前BP15井已進(jìn)入采氣階段，生產(chǎn)時(shí)間超過700 d，產(chǎn)氣效果良好，日產(chǎn)氣量超過5 000m3，累計(jì)產(chǎn)氣量295×104m3，驗(yàn)證了長(zhǎng)水平段水平井鉆井完井技術(shù)的可行性、適用性、有效性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論與建議

1）針對(duì)保德煤層氣田長(zhǎng)水平段水平井鉆井完井技術(shù)難點(diǎn)，研究了煤層氣水平井極限水平段長(zhǎng)、玻璃鋼篩管完井等新技術(shù)，形成了煤層氣長(zhǎng)水平段水平井鉆井完井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了城市、黃河壓覆區(qū)煤層氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量的有效動(dòng)用。

2）針對(duì)煤層氣藏井壁穩(wěn)定性問題，優(yōu)化了井身結(jié)構(gòu)和鉆井液體系，并采用玻璃鋼篩管完井工藝，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)水平段井筒的穩(wěn)定和長(zhǎng)期穩(wěn)定排采。

3）由于水平段極限長(zhǎng)度與煤層上傾角度、深度等因素密切聯(lián)系，同時(shí)煤層氣排采具有特殊性，因此僅對(duì)水平段的極限長(zhǎng)度進(jìn)行理論計(jì)算，并不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水平段的延伸能力，需結(jié)合實(shí)際煤層條件，進(jìn)一步研究煤層氣水平井水平段長(zhǎng)度與經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系。

4）建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步完善煤層氣長(zhǎng)水平段水平井鉆井完井技術(shù)，持續(xù)跟蹤和評(píng)價(jià)長(zhǎng)水平段煤層氣水平井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果，以準(zhǔn)確評(píng)估地表復(fù)雜地區(qū)優(yōu)質(zhì)煤層氣藏的開發(fā)效益。