彬長礦區(qū)煤層氣水平井鉆井與完井技術

杜新鋒 田振林 趙永哲

(1．中煤科工集團西安研究院，陜西 710054;2．陜西彬長礦業(yè)集團有限公司，陜西 712000)

2011年3月，陜西彬長礦業(yè)集團有限公司開始在彬長礦區(qū)大佛寺井田實施煤層氣項目參數(shù)井勘察工程，主要包括垂直井、多分支水平井、遠端對接井、“V”型井共四組煤層氣勘察井的鉆井、完井及參數(shù)測試，其中后三口井 (組)為煤層氣水平井。在鉆井和完井過程中涉及到針對該礦區(qū)的防塌堵漏、隨鉆導向、遠端連通、變密度固井、煤層造穴、玻璃鋼套管入井方案等多項技術，本文以“V”型井 (組)為例對其中的一些鉆井和完井技術進行分析總結。

1 彬長礦區(qū)地質特征及水平井井身結構

1.1 地層特征及可鉆性分析

彬長礦區(qū)屬于華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)正寧－佳縣小區(qū)，區(qū)內(nèi)地表絕大部分被第四系黃土覆蓋。據(jù)地質填圖和鉆孔揭露，本區(qū)地層由老至新依次為三疊系胡家河組、侏羅系富縣組、延安組、直羅組、安定組、白堊系宜君組、洛河組、華池環(huán)河組、新近系、第四系。以大佛寺井田為例，鉆遇主要地層特征及可鉆性分析見表1。

表1 鉆遇主要地層特點及可鉆性分析

1.2 井身結構

水平井一般至少由一口斜井和一口排采直井組成?！癡”型井 (組)是由兩口斜井DFS－C04－H1、DFS－C04－H2和一口直井DFS－C04－V1形成的“V”型水平聯(lián)通井，井身結構見圖1，井身結構具體數(shù)據(jù)見表2。

2 鉆井和完井技術

2.1 防塌堵漏技術

針對不同的漏失狀況和地層特點有不同的堵漏方式，一般采用兩種:靜止堵漏和動態(tài)堵漏。靜止堵漏針對較小的漏失以及橫向裂隙狀況，而動態(tài)堵漏一般用于較大漏失以及縱斜向裂隙。

圖1 “V”型水平連通井井身結構

表2 “V”型水平連通井井身結構數(shù)據(jù)

彬長礦區(qū)鉆井中的防塌堵漏主要集中在洛河組砂巖和煤層水平段。洛河組富含古風化殼，巖石破碎嚴重，裂隙非常發(fā)育，易發(fā)生掉塊和漏失。在DFS－CO4－H2井二開鉆進至洛河組時，出現(xiàn)較大漏失，致使無法正常鉆進。通過現(xiàn)場分析，判斷裂隙較大，為縱斜向裂隙，分別采用了高粘防塌劑、瞬間堵漏劑、膨脹堵漏劑、鋸末、棉籽、紅色膠泥以及水泥等材料。在整個堵漏過程中，靜止堵漏效果均較好，但動態(tài)堵漏效果較差。另外，目標煤層裂隙比較發(fā)育，DFS－CO4－V2井注入/壓降試井時8小時的注入量達到9.22m3。從煤體結構來分析，煤層上段為原生結構的煤，而中下部有部分碎裂煤。防塌的措施一方面降低泥漿密度，調(diào)高鉆效，另一方面盡可能在煤層上部鉆進。

2.2 隨鉆導向

水平井眼造斜及水平段采用“導向馬達+隨鉆錄井 (LWD)”的常用定向鉆具組合，依據(jù)煤層上、下頂板泥巖或砂巖及煤層中所夾的薄層夾矸在自然伽瑪、上下伽瑪和電阻率參數(shù)上的不同特征，實時解釋評價所鉆地層是否在煤層中，從而指引鉆具在煤層中鉆進的方向。本次鉆井中砂巖的自然伽瑪值為5～30API，泥巖為130～185API，煤層為20～50API。DFS－C04－H1井、DFS－C04－H2與DFS－C04－V1井的對接軌跡處于祁家背斜與師家店向斜的轉折端，煤層起伏較大，采用這種隨鉆導向技術，DFS－C04－H1井鉆遇煤層段長852.73m，煤層鉆遇率達到了100%，DFS－C04－H2井鉆遇煤層段長 769.50m，非煤層段長23.00m，煤層鉆遇率97.1%。

2.3 遠端連通

在DFS－C04－H1和DFS－C04－H2井與DFS－C04－V1井連通的過程中，采用近鉆頭電磁測距法、隨鉆測量 (MWD)和馬達等配合使用的方法，鉆具組合為:鉆頭+旋轉強磁短節(jié)+馬達+無磁鉆挺+MWD+鉆桿。連通過程中以旋轉磁測距系統(tǒng)接收鉆進參數(shù)信號，根據(jù)傳送的信息判定鉆頭鉆進方向與直井連通點位置的偏差，通過連續(xù)滑動鉆進的方式增斜、降斜和復合鉆進的方式穩(wěn)斜，從而控制井眼軌跡，直至水平井與垂直井的造穴段連通。

2.4 變密度固井

為了盡可能減少固井對煤儲層的傷害，工藝上采用變密度水泥漿，即上部為低密度水泥漿，密度1.50～1.60g/cm3，下部為常規(guī)水泥漿。水泥漿配方采用G級油井水泥+減輕劑+降失水劑+早強劑+膨脹劑+調(diào)凝劑+消泡劑。水泥漿性能要求低失水、高早強、微膨脹、漿體穩(wěn)定性好、過渡時間短。另外稠化時間不小于注水泥時間+1小時，抗壓強度24小時不小于8MPa，48小時不小于14MPa。

2.5 玻璃鋼套管入井方案

DFS－C04－V1井采用套管完井，其中煤層段選用玻璃鋼套管。該井終孔深度576.00m，目標煤層厚度11.30m。頂板深度499.45m，以上7m為泥巖、粉砂巖和一層厚度0.45m的薄煤層;底板深度510.75m，為鋁質泥巖。根據(jù)設計要求，下入2根玻璃鋼套管，長度16.37m?？紤]到底板鋁質泥巖易縮徑、定向位置必須遠離鋼質套管3m以上等因素，該井玻璃鋼套管下深定在510.25m～493.88m處 (玻璃鋼套管下端在煤層底板以上0.50m)。

2.6 煤層造穴技術

采用國土資源部勘探技術研究所生產(chǎn)的專業(yè)煤層氣擴穴鉆頭，其操作原理是用液壓控制方式使造穴工具的刀桿在煤層中張開，并在鉆具的帶動下旋轉，切削煤層形成滿足實際需要的洞穴。鉆頭分為兩組，張開后直徑分別為300mm和500mm，前者主要切削玻璃鋼套管，后者切削煤層，形成洞穴。實際在切削煤層時，現(xiàn)場對鉆頭進行了改造，在兩端刀片上各鑲了兩顆合金片，洞穴直徑超過550mm。

3 結論及建議

彬長礦區(qū)采用“V”型水平井開采煤層氣的鉆井完井工藝可行，經(jīng)過技術研究和現(xiàn)場試驗，能夠解決井壁不穩(wěn)定與煤層不穩(wěn)定問題，可以實現(xiàn)隨鉆導向鉆進、遠距離水平井連通、保護儲層的變密度固井及完井工藝。

彬長礦區(qū)煤層氣水平井雖然在水平井鉆完井與儲層保護方面取得了一些經(jīng)驗，但在儲層保護方面還有很多值得思考的地方。煤層段孔隙壓力低且裂隙發(fā)育，極易受鉆井液和完井液中固相顆粒及濾液的污染，但在鉆井和完井過程中，為安全鉆穿煤層，防止井壁坍塌，又要適當提高鉆井液的密度，保持一定的過平衡，從而導致實施煤儲層保護更為困難。因此，建議在以后的鉆完井過程中嘗試采用空氣泡沫欠 (近)平衡鉆進技術?？諝馀菽芏鹊?，煤儲層地層壓力高于孔內(nèi)泥漿液柱壓力，鉆井過程中煤層處于負壓差欠 (近)平衡狀態(tài)，有利于防止高壓差液體對煤層造成“水鎖”破壞效應。采用這一技術，既能解決彬長礦區(qū)施工缺水、含煤地層坍塌掉塊和火燒巖段泥漿漏失等難題，又可以減少傳統(tǒng)泥漿對煤儲層的破壞。

［1］齊奉忠，申瑞臣.煤層氣井完井技術探討［J］.西部探礦工程，2005，116(12):7－9.

［2］張衛(wèi)東，魏韋.煤層氣水平井開發(fā)技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國煤層氣，2008，5(4):19－22.

［3］汪凱斌.隨鉆測量和旋轉磁導向技術及在對接井應用［J］.陜西煤炭，2010.4:80－82.