煤層氣水平井煤層判識(shí)技術(shù)的研究與應(yīng)用

張紹雄 張 媛

1.中國(guó)石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司 （山西 晉城 048000）

2.中國(guó)石油華北油田分公司 第一采油廠 （河北 任丘 062552）

煤層氣水平井煤層判識(shí)技術(shù)的研究與應(yīng)用

張紹雄1張 媛2

1.中國(guó)石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司 （山西 晉城 048000）

2.中國(guó)石油華北油田分公司 第一采油廠 （河北 任丘 062552）

通過(guò)幾十口井的鉆探實(shí)踐，總結(jié)出了一套通過(guò)各種技術(shù)手段對(duì)煤層進(jìn)行判斷、識(shí)別的方法，可為今后利用多分支水平井鉆井技術(shù)開(kāi)發(fā)煤層氣提供經(jīng)驗(yàn)。

煤層氣 煤層 多分支水平井 判識(shí)

應(yīng)用多分支水平井鉆井技術(shù)開(kāi)發(fā)煤層氣，是提高單井產(chǎn)氣量和采收率、降低綜合成本、縮短投資回收期的有效手段。在煤層氣多分支水平井鉆探過(guò)程中，如何對(duì)煤層進(jìn)行正確識(shí)別與判斷，保證井眼軌跡沿煤層穿行，減少非煤層段的無(wú)效進(jìn)尺，提高煤層鉆遇率是目前急需解決的問(wèn)題。

1 煤層判識(shí)的意義

搞好煤層識(shí)別、判斷，具有如下重要意義：

（1）實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)目的的需要。應(yīng)用多分支水平井鉆井技術(shù)開(kāi)發(fā)煤層氣，其目的就是要通過(guò)擴(kuò)大煤層泄濾面積，增加出氣通道，從而提高單井產(chǎn)量。只有正確識(shí)別煤層，保證井眼沿煤層前進(jìn)，才能達(dá)到這一目的。

（2）地質(zhì)導(dǎo)向的需要。所謂地質(zhì)導(dǎo)向，狹義講就是引導(dǎo)井眼沿目的地層延伸。而煤層氣水平井，對(duì)鉆達(dá)地層巖性的識(shí)別，是否煤層以及在煤層的上下位置是地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)人員的主要任務(wù)。

（3）提高鉆井效率、防止復(fù)雜情況及事故的需要。山西沁水盆地煤層，可鉆性級(jí)別為2～3級(jí)，性軟易鉆，而其上下頂?shù)装宓貙?，可鉆性較差，其鉆進(jìn)機(jī)械鉆速相差幾倍以上，保證井眼沿煤層鉆進(jìn)，可大大提高鉆井速度，縮短施工周期。若鉆遇煤層與頂?shù)装褰唤绲貙?，不但降低鉆進(jìn)速度，還會(huì)由于交界面地層的不穩(wěn)定，井壁垮塌造成復(fù)雜狀況及事故。

（4）工程監(jiān)督的職責(zé)。多分支水平井工程監(jiān)督的一項(xiàng)重要內(nèi)容與職責(zé)就是對(duì)井眼軌跡是否在煤層中穿行進(jìn)行隨鉆監(jiān)督，對(duì)完鉆煤層進(jìn)尺進(jìn)行確認(rèn)。因而了解并掌握如何收集與此相關(guān)的技術(shù)參數(shù)與信息并作出分析判斷是至關(guān)重要的。

（5）工程結(jié)算的依據(jù)。一般承鉆煤層氣多分支水平井所簽訂工程承包合同，是以煤層進(jìn)尺為考核依據(jù)的。鉆井工程完成后，要對(duì)煤層進(jìn)尺進(jìn)行確認(rèn)，根據(jù)實(shí)際完成的煤層進(jìn)尺判定合同是否完成，進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)的評(píng)價(jià)并結(jié)算工程款。

2 煤層判識(shí)的難點(diǎn)

山西沁水盆地煤層氣開(kāi)發(fā)的主要目的層是3#煤層，其埋深從450～850m，差距較大。由于煤層氣開(kāi)發(fā)時(shí)間短、上鉆快，地震資料較粗 （一般二維地震），地質(zhì)精細(xì)描述不夠，認(rèn)識(shí)也不夠全面。在直井的鉆探中，對(duì)于厚度5～6m的煤層的識(shí)別，是比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但是對(duì)于多分支水平井來(lái)說(shuō)，對(duì)地層、尤其是煤層的識(shí)別并非易事，主要存在以下難點(diǎn)：

（1）樊莊、鄭莊2個(gè)區(qū)塊幾百口開(kāi)發(fā)直井的鉆探實(shí)踐證實(shí)，地下煤層并非“一馬平川”，存在起伏、斷層、破碎帶甚至陷落柱，煤層變化趨勢(shì)不確定。

（2）地層傾角變化較大。有的相鄰2口直井距離不足300m，而煤層高差可達(dá)幾十米，傾角10°左右。而多分支水平井的鉆探中，在水平井段100～200m的范圍內(nèi)，地層傾角可從0°增加到10°，這給識(shí)別煤層及軌跡控制帶來(lái)困難。

（3）多分支水平井靶區(qū)面積一般應(yīng)達(dá)到0.4km2左右，主支及各分支方向不一。在這一較大區(qū)域范圍內(nèi)，煤層變化也較大且無(wú)規(guī)律可循，各分支可參照性差。

（4）煤層相對(duì)較厚但不均質(zhì)，一般煤層都有夾矸。煤層頂、底、中部其可鉆性、自然伽馬值等存在差異，特別是夾矸的自然伽馬值可能高于頂、底板泥砂巖。

（5）由于煤層氣多分支水平井施工工藝的特殊性，判斷煤層的各種直接、間接手段受其它因素的影響較大，難以僅憑某種方法判識(shí)是否煤層。

（6）為了引導(dǎo)水平井眼沿煤層鉆進(jìn)，還需對(duì)鉆遇的上下煤層甚至頂、底板進(jìn)行識(shí)別與判斷，這就更增加了識(shí)別難度。

3 常用煤層判識(shí)方法及評(píng)價(jià)

在鉆井過(guò)程中，通過(guò)“錄井”對(duì)地層、巖性進(jìn)行分析判斷是地質(zhì)技術(shù)人員的重要工作內(nèi)容。對(duì)于煤層氣多分支水平井，常用幾種判層手段及局限性分析如下：

（1）在直井判層中巖屑錄井，巖屑錄井是最主要、直接、有效的方法。但對(duì)于多分支水平井，由于在長(zhǎng)段煤層中鉆進(jìn)加之煤層垮塌、煤屑堆積、鉆井工程措施、鉆速快、鉆屑返出滯后等影響，地面撈取的巖屑（煤屑）可能并不是某個(gè)井深處鉆頭鉆出的巖屑，因此其可靠性較差。

（2）鉆時(shí)錄井是判斷地層可鉆性、識(shí)別地層巖性的間接方法之一。但在水平鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆井工藝復(fù)雜，各項(xiàng)鉆井措施、鉆井參數(shù)不斷調(diào)整變化，水平長(zhǎng)井段鉆進(jìn)時(shí)易產(chǎn)生“托壓”現(xiàn)象等影響，所以鉆時(shí)反應(yīng)地層軟硬的真實(shí)性下降。

（3）氣測(cè)錄井。由于煤層氣的主要成份是甲烷，隨鉆測(cè)量地層（煤層）中甲烷氣體的含量，對(duì)于判斷是否煤層具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，且氣體隨鉆井液返出地面，較少受工程措施等影響，能夠比較真實(shí)地反應(yīng)鉆頭所鉆達(dá)地層的含氣情況，從而間接地判斷是否是煤層。但由于煤層氣水平井一般采取在洞穴直井注氣的欠平衡鉆井方式，注入空氣從水平井井口返出就大大影響了氣測(cè)的準(zhǔn)確性。另外，氣測(cè)錄井也要測(cè)算遲到時(shí)間，考慮低排量循環(huán)時(shí)氣體滑脫效應(yīng)的影響。

（4）在水平井鉆進(jìn)中隨鉆測(cè)量的自然伽馬、電阻率值。必須使用隨鉆測(cè)量?jī)x器測(cè)取工程及地質(zhì)參數(shù)，煤層氣水平井一般應(yīng)測(cè)取地層自然伽馬及電阻率值（但多數(shù)只安放伽馬短節(jié)測(cè)取伽馬值）。由于煤層的自然伽馬及電阻率值與砂泥巖地層有較大差別，所以隨鉆測(cè)取的伽馬值、電阻率值是判識(shí)煤層的最有效方法之一。但應(yīng)注意地是煤層中夾矸的伽馬值也較高，有些砂巖的伽馬值較低，判斷時(shí)必須有所甄別；若使用EM-MWD隨鉆測(cè)量?jī)x器，在煤層中鉆進(jìn)電磁信號(hào)時(shí)有“煤層屏蔽”現(xiàn)象，無(wú)數(shù)據(jù)信息傳至地面，造成“測(cè)量盲區(qū)”；伽馬測(cè)量短節(jié)離鉆頭有一定距離，測(cè)取數(shù)據(jù)滯后；使用普通伽馬難以區(qū)分煤層的頂?shù)装宓炔蛔?，都?huì)給煤層識(shí)別及導(dǎo)向鉆進(jìn)帶來(lái)較大困難。

4 煤層判識(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用

在山西煤層氣多分支水平井鉆探中，經(jīng)過(guò)多口井的分析研究，總結(jié)出一套煤層判識(shí)的方法，據(jù)此進(jìn)行隨鉆煤層分析及完井煤層確認(rèn)，實(shí)踐證明是行之有效的。

（1）多分支水平井開(kāi)鉆前，廣泛收集相關(guān)資料，初步確定煤層判別標(biāo)準(zhǔn)（模板）。主要是：①所鉆井區(qū)的地震資料、地質(zhì)構(gòu)造資料、煤層厚度等值線圖、煤層底板等值線圖等，分析判斷煤層傾角、傾向，斷層性質(zhì)、斷距、斷層走向及傾向等，結(jié)合鉆井設(shè)計(jì)多分支井底形狀，描繪出沿各主、分支軌跡的煤層剖面圖（見(jiàn)圖1）；②根據(jù)已完成的與多分支水平井配套的排采直井以及鄰井的測(cè)井資料，分析確定煤層厚度、夾矸位置與厚度以及煤層、夾矸、頂?shù)装宓淖匀毁ゑR值、電阻率或自然電位值、巖性特征等相關(guān)氣測(cè)、鉆井、錄井、隨鉆測(cè)井等參數(shù)在煤層的響應(yīng)；③根據(jù)本區(qū)塊已鉆多分支水平井氣測(cè)全烴值及其變化情況、正常鉆進(jìn)時(shí)鉆時(shí)（機(jī)械鉆速）、伽馬值、電阻率值以及鉆出煤層時(shí)相關(guān)參數(shù)變化、出煤井段等資料，初步分析推斷本井煤層鉆進(jìn)時(shí)鉆時(shí)、自然伽馬、氣測(cè)全烴、電阻率等數(shù)值范圍。

（2）煤層井段鉆進(jìn)時(shí)隨鉆監(jiān)測(cè)，特別是地質(zhì)錄井、工程技術(shù)、地質(zhì)導(dǎo)向、隨鉆測(cè)井、軌跡控制等技術(shù)人員要密切配合，互通情況，及時(shí)匯總相關(guān)數(shù)據(jù)信息，及時(shí)跟蹤繪出相關(guān)曲線、圖表。一般需要錄取以下資料：①巖樣：按測(cè)算好的遲到時(shí)間，每2～5m撈取一包，洗凈順序擺放好；②鉆時(shí)：每米記錄一點(diǎn)，連續(xù)記錄；③伽馬值：連續(xù)記錄；④氣測(cè)全烴值：連續(xù)記錄；⑤井眼軌跡：跟蹤作圖；⑥作業(yè)工況：主要是鉆進(jìn)時(shí)的側(cè)鉆、增、降斜、導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、鉆頭、螺桿等工具使用、注氣等情況等隨鉆記錄。

以上參數(shù)、數(shù)據(jù)等最好繪制在同一深度比例的圖紙上，便于分析對(duì)比（見(jiàn)圖2）。

（3）綜合分析判層。從幾十口多分支水平井的鉆探實(shí)踐看，判斷煤層最直接、簡(jiǎn)單、有效、常用的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目是鉆時(shí)、伽馬、氣測(cè)全烴值，而巖屑、井眼軌跡、鉆進(jìn)工況等做為輔助項(xiàng)目，在標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)異常時(shí)考慮這些項(xiàng)目綜合判斷。

一般在煤層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆時(shí)、伽馬、氣測(cè)全烴值均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)；返出鉆屑為顏色一致的煤屑、井眼軌跡（重點(diǎn)是井斜、垂深）無(wú)起伏（順滑）并沿煤層傾向延伸、無(wú)特殊鉆井措施（旋轉(zhuǎn)或滑動(dòng)鉆進(jìn)）。

（4）單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)異常時(shí)的綜合判斷。在判煤時(shí)，只有伽馬值一項(xiàng)可進(jìn)行獨(dú)立煤層判識(shí)，如在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)（如小于40APi）即可直接判斷為煤層。除此之外其它單項(xiàng)或多項(xiàng)符合標(biāo)準(zhǔn)值要求時(shí)也不能直接判斷為煤層，可遵循以下原則進(jìn)行判斷。①當(dāng)伽馬值高于標(biāo)準(zhǔn)值一定幅度（如40～60APi），但鉆時(shí)、氣測(cè)全烴值均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，井眼軌跡無(wú)調(diào)整（按預(yù)計(jì)的煤層走向前進(jìn)）且井段長(zhǎng)度小于30m時(shí)，應(yīng)判斷為煤層;②當(dāng)伽馬值高于標(biāo)準(zhǔn)值一定幅度 （如40～60 APi），但鉆時(shí)明顯高于在煤層中鉆進(jìn)的正常值（一般高一倍以上），井段長(zhǎng)度大于30m，可判斷為非煤層（一般為砂巖層）;③伽馬值明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值（如60～100APi），但鉆時(shí)與在煤層中鉆進(jìn)無(wú)異甚至還低，氣測(cè)全烴值無(wú)明顯變化，井眼軌跡未調(diào)整，井段長(zhǎng)度小于30m且在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，若軌跡垂深變化大于1m時(shí)伽馬值出現(xiàn)明顯變化（變?。?，應(yīng)判斷為煤層（夾矸）；④伽馬值明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值（60APi以上），鉆時(shí)明顯高于在煤層中鉆進(jìn)的正常值（一般高一倍以上），井段長(zhǎng)度大于30m，可判斷為非煤層（一般為泥巖層）;⑤伽馬值大于該井區(qū)泥、砂巖一般響應(yīng)值（如100APi）時(shí)，可直接判斷為非煤層;⑥當(dāng)確認(rèn)巖性發(fā)生變化時(shí)，其界面應(yīng)設(shè)在曲線半幅點(diǎn)處。

在實(shí)際判層工作中，出現(xiàn)的可能遠(yuǎn)不止上述例舉的情況，所以搞好現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，將各參數(shù)響應(yīng)結(jié)合鉆井工況變化綜合分析判斷是至關(guān)重要的。

5 煤層判識(shí)實(shí)例

（1）實(shí)例1：F1井是某區(qū)塊施工狀況較好的一口多分支水平井，總進(jìn)尺 4 750m，水平段進(jìn)尺4 009m，施工方上報(bào)煤層鉆遇率為100%。我們按照上述方法，以排采直井實(shí)鉆資料、測(cè)井資料為依據(jù)，將隨鉆伽馬、鉆時(shí)（機(jī)械鉆速）曲線、巖屑錄井等資料結(jié)合井眼軌跡情況等進(jìn)行綜合判斷，經(jīng)過(guò)逐支逐段分析，判斷出煤層555m，煤層鉆遇率86.16%。減少鉆井支出100余萬(wàn)元。

如本井主支M1鉆進(jìn)井段741～1 600m，進(jìn)尺859m，在鉆至井深1 326m時(shí)，隨鉆測(cè)井顯示伽馬值由33.52APi逐步上升到138.24APi，鉆時(shí)由2min/m增加到8min/m，機(jī)械鉆速明顯下降，且波動(dòng)劇烈，復(fù)查巖屑，灰色成分明顯增多。對(duì)比定向資料、煤層構(gòu)造圖分析認(rèn)為，由于增斜過(guò)快，鉆頭頂出煤層所致，因此判斷井段1 326～1 417m，段長(zhǎng)91m為非煤井段（見(jiàn)圖3）。

（2）實(shí)例2：F2井L5（M1）分支鉆進(jìn)井段845～1 311m，進(jìn)尺466m，當(dāng)鉆至井深956m時(shí)，隨鉆伽馬值由60APi上升至107.74APi，最高達(dá)113.6APi，鉆時(shí)由1～2min/m升至4min/m，機(jī)械鉆速下降，且波動(dòng)幅度大，電信號(hào)明顯突出，井斜增加，井眼軌跡上傾，因而判斷956～997m井段出煤（見(jiàn)圖4）。

（3）實(shí)例3：Z3井在主支M1鉆進(jìn)時(shí)，從井深900～905m，隨鉆API伽馬值由40APi升至110APi，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出排采直井煤層及夾矸伽馬值響應(yīng)范圍；全烴基值由17.39%下降到1.62%；鉆時(shí)由2min/m升到8min/m以上；起出鉆頭損耗異常；巖屑由于細(xì)碎無(wú)法識(shí)別，但顏色由原來(lái)的黑色漸變?yōu)榛液谏?，說(shuō)明其它非煤成分所占比例在逐漸加大。施工方組織地質(zhì)導(dǎo)向師、定向工程師、鉆井工程師等召開(kāi)技術(shù)分析會(huì)，認(rèn)為是鉆遇了煤層夾矸所致，但仍是在煤層中鉆進(jìn)。我們綜合分析判斷已鉆出煤層，建議變更施工方案，但施工方未予采納，仍堅(jiān)持原來(lái)措施并調(diào)來(lái)優(yōu)質(zhì)鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)到968m時(shí)，由于鉆速太慢起鉆，起出鉆頭磨損更加嚴(yán)重。再次研究分析時(shí)認(rèn)可了已出煤層的判斷。從而采取了重新調(diào)整井眼軌跡、重新認(rèn)識(shí)各參數(shù)煤層響應(yīng)、調(diào)用方向伽馬測(cè)量?jī)x器等措施繼續(xù)鉆進(jìn)。在鉆至978m時(shí)，隨鉆伽馬、全烴、巖屑等恢復(fù)到正常煤層響應(yīng)值，伽馬值回落到38APi，全烴基值上升到 10%以上，鉆時(shí)下降到2min/m并保持平穩(wěn)（見(jiàn)圖5）。

6 總 結(jié)

多分支水平井煤層判識(shí)是一項(xiàng)理論和實(shí)踐緊密聯(lián)接、地質(zhì)與工程密切結(jié)合、各種錄井方法和工藝措施統(tǒng)籌分析的綜合應(yīng)用技術(shù)。在煤層氣多分支水平井鉆井實(shí)踐中，只有搞好對(duì)地質(zhì)構(gòu)造、煤層特性的研究；加強(qiáng)鉆井過(guò)程中相關(guān)氣測(cè)、鉆井、錄井、隨鉆測(cè)井等參數(shù)在煤層的響應(yīng)對(duì)比；密切跟蹤水平段 （煤層段）鉆進(jìn)時(shí)各項(xiàng)施工參數(shù)的變化；才能使煤層判斷更加科學(xué)、合理。

Through the drilling practice of several decades of wells,a set of methods of judging and identifying coal beds by different kinds of technological means is summarized,which can provide some experiences for exploiting coal-bed gas by utilizing the drilling technology for multi-branched horizontal well.

coal-bed gas;coal seam/coal bed;multi-branched horizontal well;judging and identifying

張紹雄（1957-），男，工程師，多年從事鉆井工藝技術(shù)研究及管理工作。

尉立崗

2011-06-01