臨興區塊煤層定向井鉆井技術研究

孫寶陽

（中海油田服務股份有限公司，天津 300450）

煤層氣是自生積聚于煤巖中，在煤巖的孔隙和喉道中廣泛存在的伴生烴類氣體。我國煤層氣資源量豐富（約為3.0×1013m3），作為一種清潔的接替性非常規能源，其工業化開采既能填補天然氣能源消耗的空白，又能減少“溫室氣體”的排放，具有巨大的開發潛力和經濟價值，因此愈發受到人們的重視。

我國主要含煤盆地，如鄂爾多斯盆地、沁水盆地、滇東黔西盆地等的煤層性質都具有“小而薄”“零散分布”的特點，煤層氣難以整體開發，無法形成具有工業價值的煤層氣流。積極迎接煤層氣開發的挑戰需要依賴石油科技的進步，其中鉆井是煤層氣勘探與開采的最關鍵環節，定向井技術又是煤層氣精確抽排的核心技術。煤層定向井技術的研究與應用能夠有效降低開采成本、提高土地利用率及減少管線鋪設，后期對煤層氣井進行壓裂增產改造時，也可以實現多煤層、多段統一壓裂，大大提高了煤層氣井整體開發效果[1]。

目前，在將定向井技術應用于煤層氣的開發過程中，還存在定向井軌跡控制困難、煤層氣井井壁穩定性差、定向井鉆井風險高等問題。針對上述問題，本文廣泛調研了鄂爾多斯盆地臨興區塊地質構造，分析了影響煤層氣井井眼軌跡及井壁穩定性的因素，結合煤層特性進行井眼軌跡設計及鉆井液體系優選，提出了一套具有針對性的定向井軌跡控制技術[2-3]。

1 研究區地質構造

鄂爾多斯盆地東部的臨興區塊東高西低，處在陜北斜坡帶上，屬于向西傾斜的單斜構造。陜北斜坡西部緊鄰黃河，行政區隸屬于山西省呂梁市，占地692.64 km2。經評估，2021 年呂梁臨興區塊煤層氣資源量為1 612.68×108m3。

1.1 地層特征

臨興區塊地層由老至新包括下古生界奧陶系中統峰峰組（O2f）、上古生界石炭系中統本溪組（C2b）、上石炭統太原組（C3t）、二疊系下統山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、中統上石盒子組（P2s）、石千峰組（P2sh）、中生界三疊系（T）、新生界第三系（N）、第四系（Q）。其中主要含煤層系本溪組、山西組在本地區廣泛分布，保存完整，是煤層氣勘探主要目的層。

1.1.1 本溪組

為一套海陸交互相沉積，形成于陸表海碳酸鹽巖臺地沉積和堡島沉積的復合沉積體系。地層厚80～105 m，一般90 m 左右。主要由深灰色-灰色石灰巖、泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，灰白-灰色砂巖及煤層組成。含煤7～16 層，下部煤層發育較好。灰巖3～11 層，以K2、K3、K5三層灰巖較穩定。泥巖及粉砂巖中富含黃鐵礦、菱鐵礦結核。動植物化石極為豐富[4]。

1.1.2 山西組

山西組由砂泥巖夾煤系地層組成，煤層底部為細粒砂巖、砂礫巖，頂部為砂質泥巖、深灰色泥巖。山西組地層厚度41～83 m，一般60 m 左右，與下伏太原組呈整合接觸。

1.2 構造特征

鄂爾多斯盆地整體構造形態為一個東北向大型向斜，但盆地不同部位具有不同的構造特點。在盆地西部、西北部，斷層為正斷層，走向以東北為主，褶皺發育情況較差。在盆地東北部、東部，南北走向的次生褶皺較為發育，斷層發育不明顯。在盆地中部主要以東北走向的褶皺為主，但也有一組東西走向斷層發育[5]。

臨興區塊位于鄂爾多斯盆地東部，地層寬緩，地層傾角平均為2.5°～5.62°，低緩、平行褶皺普遍發育，軸向呈近南北和北北東向，褶皺的幅度相對較小，背斜幅度一般小于50 m，延伸長度在5～10 km，呈典型的長軸線性褶皺；斷層相對不發育，斷距大于20 m 的斷層僅在東南部分布，主要有寺頭斷層、后城腰斷層以及與之伴生的斷層，呈一組北東向-東西向正斷層組成的弧形斷裂帶（見圖1），區內無巖漿活動，但發育有一定數量的陷落柱。

圖1 臨興區塊構造綱要圖

2 煤層定向井鉆井系列技術

2.1 井眼軌跡優化技術

為實現煤層定向井安全高效的鉆進，首先需要確定井眼軌跡的類型，并根據巖石物性、地層沉積情況、鉆具組合、鉆井參數、軌跡規則程度等因素，綜合考慮對井眼軌跡的影響。

2.1.1 井眼軌跡影響因素分析

（1）地層因素：巖石各向異性，由于巖石組成成分、結構特點的差異造成巖石不同方向上強度、硬度等力學性質存在差異的性質稱之為巖石的各向異性。一般用巖石各向異性系數Ka 值來衡量其各向異性程度，Ka 值越大，鉆頭越易沿著巖石強度小的方向傾斜，且形成的井眼會趨于橢圓形，同步加大井眼軌跡偏移程度；軟硬互層，鉆頭在軟地層中鉆進時機械鉆速高，在硬地層中鉆進時機械鉆速低，當遇到軟硬互層的地層時，兩側形成的速度差，就會導致鉆頭被強行扭轉，鉆孔沿地層上傾方向偏移[6]。

（2）技術因素：鉆具組合，如合適的鉆鋌尺寸能夠減少粘滑值，合理的鉆頭性能（鉆頭尺寸、結構、切削能力）能夠減少鉆頭的漂移，具有推靠能力的近鉆頭井下動力鉆具能夠降低鉆頭受到的側向力；鉆進參數，為了提高鉆井效率，通常會以大鉆參鉆井，如高鉆壓、高轉速、高排量，但結合煤層獨特的地質特征，適當降低鉆井參數能夠減少下部鉆具組合受到的沖擊，進而降低鉆頭的漂移程度，從安全高效的角度提高了鉆井效率；井眼軌跡設計的合理性，過大的井斜角將會導致下部鉆具受到的徑向、軸向力大大增加，提高了井眼軌跡偏移的風險，彎曲的管柱也會導致井徑擴大，減少鉆鋌、扶正器等下部鉆具對鉆頭的約束，進而導致鉆頭漂移[7]。

2.1.2 井眼軌跡設計及優化

定向井井眼軌跡類型有兩種，一種是鉆進方位已知的二維定向井，另一種是鉆井方位未知，鉆井過程中井眼軌跡隨時變化的三維定向井。目前，斯倫貝謝新型旋轉導向工具及配套軟件能夠根據地層及巖石具體情況，實現井眼軌跡的實時模擬、優化并按預定軌跡鉆進（見圖2），突破了三維定向井的技術屏障。

圖2 旋轉導向結構示意圖

但由于煤層氣勘探開發效益較低，在煤層鉆井過程中一般采用最有效的傳統定向井井型，如“直增穩”的三段式、“直增穩降直”的五段式或“直增穩增穩”的二次增斜式井型，這種井型具有簡易、經濟的特點。

2.2 井眼軌跡控制技術

井眼軌跡的控制主要從兩個方面入手，一方面是造斜工具（馬達、旋轉導向等），另一方面是測量工具（隨鉆測斜工具、隨鉆測井工具）。針對馬達，現較為先進的工具有PowerPak 等（見圖3）。

圖3 井下動力裝置結構圖

該工具的特點為：（1）使用壽命長，有高質量轉子和定子，且軸承設計緊密，提高了馬達壽命；（2）功能日益強大，馬達工具可在井下調節彎角，井眼軌跡控制更加靈活；（3）應用廣度大，21/2”～26”井眼都能使用，低速/高扭矩和高速/低扭矩情景都能應用。

針對旋轉導向有PowerDrive 等工具，具有如下特點：（1）可在狗腿度＞8deg/30 m 的情形下使用，降低了軌跡控制難度；（2）在旋轉同時進行導向，減少鉆具在煤層中長時間靜止導致卡鉆；（3）耐溫耐壓能力極強，保障了持續可靠的井眼軌跡控制能力。

針對測量工具有SlimPulse 等MWD 工具，具有如下特點：（1）該測量工具可取回和可替換，降低風險，提高作業效率；（2）可在旋轉時連續井斜方位測量，提供了瞬時井眼軌跡變化的指示；（3）信號抗干擾度強，最高工作壓力、溫度高，保障了持續可靠的井眼軌跡控制能力。

2.3 鉆井液體系優化

維持井壁穩定是鉆井液最重要的性能之一，可以通過優化鉆井液密度、鉆井液抗黏土膨脹、鉆井液泥餅質量及鉆井液粘度，進而改善煤層氣井井壁穩定性[8]。

（1）鉆井液密度：提高鉆井液比重，如向鉆井液中加入重晶石，能大大提高井筒內液注壓力，液注壓力平衡地層孔隙壓力，能夠有效防止地層坍塌、掉塊等事故的發生。（2）鉆井液抗黏土膨脹：臨興區塊煤巖有機組分在75%～89%，其中以鏡質組為主（占58%～82%），半鏡質組較少（4～11%），絲質組較高（10%～35%），穩定組分極微；無機組分以黏土礦物為主（12%），次為石英（1%～20%）及硫化物（0～3.6%）。故向鉆井液中加入K+鹽能有效降低煤巖中黏土礦物水化膨脹、分散，一方面降低水基鉆井液濾失量，另一方面大大提高井壁穩定性。（3）泥餅質量：鉆井液在井壁循環擾動過程中，固相顆粒會附著在井壁上，形成一層膠質的泥餅，有效防止鉆井液向地層中漏失，一方面保護了地層不受鉆井液的污染，另一方面也抑制了煤巖水化失穩，提高了井壁穩定性。但在實際應用中發現，泥餅性能也不是越大越好，太厚的泥餅不利于儲層保護，會降低后期煤層氣開采過程中甲烷的滲流能力；（4）鉆井液粘度：動切力值是鉆井液是否向地層中滲漏的關鍵因素，為了減少滲漏，需要提高鉆井液動切力值，但動切力過大會導致泵壓升高且攜巖能力增加，無法形成封堵性能好的泥餅，故只需將鉆井液的粘度控制在滲漏臨界值即可。

3 結論

（1）煤層氣作為一種清潔能源，具有長遠的發展前景，且鄂爾多斯盆地煤系地層發育較厚，褶皺的幅度相對較小，背斜幅度一般小于50 m，延伸長度在5～10 km，斷層相對不發育，整體來看具有較好的圈閉氣藏能力，且儲量較大。探尋一種高效的手段開發煤層氣能夠緩解我國能源壓力，具有很重要的意義。（2）通過綜合分析鉆具組合、鉆進參數、井眼軌跡設計的合理性，可以判斷井眼軌跡的偏移程度，再根據實際地質、經濟適用條件判斷井眼軌跡類型，實現煤層定向井井眼軌跡的優化設計。（3）軌跡的控制從造斜工具（馬達、旋轉導向等）和測量工具（隨鉆測斜工具、隨鉆測井工具）兩方面入手，通過提高工具壽命、工具適用條件、工具可操作性及其他工具性能，來提高煤層定向井井眼軌跡控制能力。（4）針對井壁失穩導致的井眼軌跡偏移，甚至其他更嚴重的后果，從鉆井液密度、鉆井液抗黏土膨脹、鉆井液泥餅質量及鉆井液粘度四個方面進行優化，改善了煤層氣井井壁穩定性，進而提高了煤層定向井鉆井安全。