沁水盆地煤層氣水平井對(duì)接技術(shù)研究

樊文靜，董 浩，閆昭圣，劉秀婷，韋樂(lè)樂(lè)

（西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069)

沁水盆地煤層氣水平井對(duì)接技術(shù)研究

樊文靜*，董 浩，閆昭圣，劉秀婷，韋樂(lè)樂(lè)

（西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069)

首先對(duì)沁水盆地的地理位置、構(gòu)造特征、煤層研究、沁水盆地鉆井現(xiàn)狀等作了闡述；對(duì)該區(qū)域煤層段井眼失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究，從該區(qū)域的井身優(yōu)化、鉆井液的控制、相關(guān)的工程技術(shù)措施等方面進(jìn)行了分析，為該區(qū)域煤層段井眼失穩(wěn)做了必要準(zhǔn)備。其次，對(duì)該區(qū)域的對(duì)接水平井的井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)、井眼軌道類(lèi)型進(jìn)行劃分，對(duì)軌跡控制技術(shù)進(jìn)行了分析，優(yōu)選了鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)，為今后沁水盆地煤層氣水平對(duì)接井的鉆井技術(shù)提供了一定的借鑒。提出了在沁水盆地進(jìn)行水平對(duì)接井鉆井技術(shù)，為該技術(shù)在沁水盆地的應(yīng)用提供了鉆井技術(shù)方面的參考和支持。

煤層氣鉆井；水平對(duì)接井；軌跡控制

1 煤層氣開(kāi)采方式對(duì)比

1.1 開(kāi)采方式

目前，國(guó)內(nèi)外主要的煤層氣開(kāi)發(fā)方式有地面垂直井、羽狀水平井、對(duì)接井。

近年來(lái)，水平對(duì)接井技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，并且已經(jīng)取得了很大的成效。

1.2 適應(yīng)條件

不同的煤層氣開(kāi)發(fā)方式對(duì)地形、地質(zhì)和投資等條件的適應(yīng)性不一樣。

合理的煤層氣開(kāi)發(fā)方式會(huì)影響到項(xiàng)目的收益。煤層氣開(kāi)發(fā)方式的合理選擇是煤層氣開(kāi)發(fā)需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，也是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵。所以，在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)結(jié)合研究區(qū)的試驗(yàn)條件選擇適合研究區(qū)的煤層氣開(kāi)發(fā)方式。

2 沁水盆地煤層氣開(kāi)采方式選擇

2.1 開(kāi)采方式選擇

煤層厚度5～6m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬較穩(wěn)定煤層。垂直井開(kāi)采方式不適合研究區(qū)單一煤層的煤層氣開(kāi)采；與水平井對(duì)接比較，水平對(duì)接井的技術(shù)工藝較簡(jiǎn)單，投資成本也較低，氣井產(chǎn)量高，氣井服務(wù)年限短，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的保障性強(qiáng)。

根據(jù)晉平x井的地質(zhì)條件及煤儲(chǔ)層條件，結(jié)合煤層氣水平對(duì)接井技術(shù)在山西晉城潘莊實(shí)施所取得的成功經(jīng)驗(yàn)，在晉平x井展開(kāi)了煤層氣地面水平對(duì)接井試驗(yàn)研究。

2.2 水平對(duì)接井技術(shù)的難點(diǎn)

沁水盆地煤層氣水平對(duì)接井技術(shù)集成了垂直井、水平井、連通對(duì)接、欠平衡鉆井、地質(zhì)導(dǎo)向和儲(chǔ)層保護(hù)等技術(shù)。在沁水盆地的地質(zhì)環(huán)境和煤儲(chǔ)層條件下，實(shí)現(xiàn)兩井遠(yuǎn)距離對(duì)接的難點(diǎn)主要包括以下3個(gè)方面。

（1）井眼軌跡控制。沁水盆地煤儲(chǔ)層埋深較淺，施工水平對(duì)接井的特點(diǎn)是井垂深較淺，而水平段在煤層中穿越一般較長(zhǎng)，所以水平井段軌跡控制精度要求高，否則不能實(shí)現(xiàn)與洞穴井的對(duì)接。

（2）井壁穩(wěn)定。煤比巖石容易壓碎，在水平井段鉆進(jìn)時(shí)煤層被壓碎以后，不能承受上覆地層的壓力，容易造成井壁坍塌，從而造成埋鉆、卡鉆等井下復(fù)雜情況的出現(xiàn)，不利于安全、快速鉆進(jìn)，這樣井壁會(huì)因?yàn)槭艿姐@井液長(zhǎng)時(shí)間浸泡而更易坍塌。

（3）儲(chǔ)層保護(hù)。對(duì)煤儲(chǔ)層損害機(jī)理進(jìn)行了研究，煤儲(chǔ)層的特點(diǎn)，決定了煤層比常規(guī)油氣儲(chǔ)層更容易受到傷害；另外，由于煤儲(chǔ)層的壓力低，鉆井液中的固相顆粒在液柱壓差作用下容易進(jìn)入煤層孔隙和裂縫，破壞儲(chǔ)層。

3 水平井對(duì)接井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化的原則

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鉆井工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。水平對(duì)接井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循以下原則。

（1）要滿(mǎn)足直井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，既要滿(mǎn)足地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)的要求、有效保護(hù)儲(chǔ)層，又要滿(mǎn)足鉆井工程的各種條件、保障井下安全，為安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)鉆井創(chuàng)造條件；

（2）要滿(mǎn)足水平井的特殊要求，應(yīng)有利于井眼軌跡控制、精確中靶，滿(mǎn)足完井、儲(chǔ)層保護(hù)、井眼清潔的需要，并且保證套管柱能順利地下至設(shè)計(jì)井深。

3.2 優(yōu)化的關(guān)鍵問(wèn)題

水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于確定套管的下入層次和各層次套管的下入深度（特別是技術(shù)套管的下深）及鉆頭尺寸。

套管層次的確定主要受所鉆井工區(qū)的地層巖性、地層孔隙壓力、地層破裂壓力、井深、造斜點(diǎn)位置、鉆井成本和鉆井周期等多種因素影響。技術(shù)套管的下深是水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。技術(shù)套管的下深有4種方案：直井段、小井斜角井段、較大井斜角井段和接近靶窗。

3.3 晉平x井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

晉平x井進(jìn)行水平井對(duì)接，需要綜合考慮水平井與洞穴井的連通性、煤層段的井壁穩(wěn)定性以及后期排水采氣等因素，設(shè)計(jì)選用兩層套管結(jié)構(gòu)：一開(kāi)下入D244.5mm×150m表層套管；二開(kāi)下入D177.8mm× 500m技術(shù)套管；采用裸眼完井方式完井。

一開(kāi)用?311.15mm牙輪鉆頭鉆穿第四系表土層，進(jìn)入穩(wěn)定基巖10m后下入?244.5mm×150m表層套管并注水泥固井，水泥漿返至地面，封固地表松散層，防止鉆進(jìn)過(guò)程中掉塊、漏失等復(fù)雜情況出現(xiàn)。

二開(kāi)用?215.9mm三牙輪鉆頭鉆至造斜點(diǎn)后，更換螺桿鉆具造斜，鉆進(jìn)至煤系地層后，下入?177.8mm× 500m技術(shù)套管，套管下在3號(hào)煤煤層下部較穩(wěn)定地層，并注水泥固井，水泥漿返至地面，封固煤層段以上地層，避免套管下入煤層中，以防固井時(shí)將煤層壓裂，導(dǎo)致后續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中的井壁坍塌。

三開(kāi)用?152.4mm三牙輪鉆頭（或PDC鉆頭）和螺桿鉆具造斜，鉆至3號(hào)煤層后及時(shí)調(diào)整井斜角與煤層傾角一致，繼續(xù)鉆進(jìn)直至與排采洞穴井對(duì)接，采用裸眼完井方法。值得注意的是，考慮到煤層的井壁穩(wěn)定性差，水平段在煤層中鉆進(jìn)時(shí)，井眼須處于煤層的下部位，以利于安全鉆進(jìn)。

4 井眼軌道設(shè)計(jì)方法

4.1 軌道設(shè)計(jì)方法

井眼軌道的基本設(shè)計(jì)參數(shù)是造斜點(diǎn)的位置、增斜段（或降斜段）的井眼曲率，以及穩(wěn)斜段的最大井斜角。

目前，應(yīng)用較為普遍的水平井井眼軌道設(shè)計(jì)計(jì)算方法有固定參數(shù)法和調(diào)整參數(shù)法兩種。井眼軌道設(shè)計(jì)的前提是靶窗上目標(biāo)點(diǎn)的垂深Ht、井斜角αH、水平段長(zhǎng)度L及方位已經(jīng)確定。

（1）固定參數(shù)法設(shè)計(jì)單增軌道。如圖1所示，用固定參數(shù)法設(shè)計(jì)單增軌道，就是要確定造斜點(diǎn)位置和曲率半徑，或者說(shuō)要確定靶前位移SA、造斜點(diǎn)垂深HK和曲率半徑R。固定參數(shù)法的設(shè)計(jì)自由度為l，即使在3個(gè)參數(shù)的組合中任意確定1個(gè)，其他2個(gè)參數(shù)值即可由計(jì)算確定。

圖1 固定參數(shù)法設(shè)計(jì)單增軌道

①當(dāng)曲率半徑R選定時(shí)，有造斜點(diǎn)垂深：

給定參數(shù)要在實(shí)際問(wèn)題允許的范圍內(nèi)選取，否則可能得不到符合工程要求的設(shè)計(jì)。變化給定參數(shù)，就可以得到不同的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)井眼軌道應(yīng)在多種方案中優(yōu)選。

（2）調(diào)整參數(shù)法設(shè)計(jì)雙增軌道。如圖2所示，用調(diào)整參數(shù)法設(shè)計(jì)雙增軌道，就是在工具造斜率有一定誤差的條件下，用中間的穩(wěn)斜段進(jìn)行調(diào)整。

圖2 用調(diào)整參數(shù)法設(shè)計(jì)雙增軌道

聯(lián)系造斜點(diǎn)垂深HK、靶前位移SA、曲率半徑R1和R2，以及穩(wěn)斜段的長(zhǎng)度Lw和穩(wěn)斜角αw等6個(gè)參數(shù)的是如下方程組：

式中：HK——造斜點(diǎn)垂深；

Ht——靶點(diǎn)垂深；

SA——靶前位移；

R1、R2——分別為第一、第二增斜段曲率半徑；

Lw——穩(wěn)斜段長(zhǎng)度；

αw——穩(wěn)斜角；

αH——水平段井斜角。

因此該設(shè)計(jì)問(wèn)題有4個(gè)自由度，必須先確定其中任意4個(gè)參數(shù)值，才能夠確定另2個(gè)待求的參數(shù)，即得到確定的設(shè)計(jì)方案。例如，在給定造斜點(diǎn)垂深HK、第一、二造斜段曲率半徑R1、R2時(shí)，由上述方程組即可解出穩(wěn)斜井段井斜角αw和穩(wěn)斜井段長(zhǎng)度Lw為：

式中：

第一、二造斜段的造斜率K1和K2與曲率半徑R1和R2的關(guān)系為：

顯然，當(dāng)K1、K2存在偏差時(shí)，會(huì)引起Lw和αw的相應(yīng)變化。所以，在實(shí)際的鉆井過(guò)程中，就要通過(guò)及時(shí)調(diào)整Lw和αw值以適應(yīng)K1、K2的偏差，確保準(zhǔn)確中靶。

4.2 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

沁水盆地井晉平x井的特點(diǎn)是目的煤層淺、水平段在煤層鉆進(jìn)距離長(zhǎng)。因此，在進(jìn)行井眼軌道設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮常規(guī)水平井須考慮的因素外，還要重點(diǎn)考慮井眼軌跡控制和水平井段加壓2個(gè)因素。

4.3 沁水盆地鉆井井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）井眼軌道類(lèi)型選擇。由前面分析可知，設(shè)計(jì)的水平井井眼軌道應(yīng)盡可能光滑，以最大限度減少摩阻。為了有效防止和及時(shí)調(diào)整由于工具造斜率的誤差造成的軌道偏離，沁水盆地井的設(shè)計(jì)軌道是由直井段、第一增斜段、穩(wěn)斜段、第二增斜段和水平段組成的“直—增—穩(wěn)—增—水平”的5段制雙增軌道。

（2）造斜點(diǎn)選擇。造斜點(diǎn)的具體位置應(yīng)選在巖性均勻且穩(wěn)固的地層部位，以便于定向造斜。在預(yù)計(jì)有易漏、易塌等復(fù)雜地層的井內(nèi)，造斜點(diǎn)應(yīng)選在復(fù)雜地層以下部位，以便可在下套管封隔上部復(fù)雜地層后再定向造斜。

（3）井眼軌道參數(shù)計(jì)算。該井水平段井斜角αH= 90°，造斜點(diǎn)垂深HK=209m，第一增斜段曲率半徑R1= 229m，第二造斜段曲率半徑R2=229m，水平段長(zhǎng)L= 1200m，靶前位移SA=250m，靶點(diǎn)垂深Ht=459m，把這些數(shù)據(jù)帶入式（9）、（10）可得到穩(wěn)斜段長(zhǎng)度Lw=29.7m，穩(wěn)斜角αw=45°，第一、二造斜段曲率K1=K2=7.5°/30m。

表1為沁水盆地晉平x井設(shè)計(jì)軌道參數(shù)。

5 鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)研究

鉆具組合的鉆進(jìn)參數(shù)需要進(jìn)合理的計(jì)算，下面以晉平x井為例，闡述鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)選過(guò)程。

5.1 沁水盆地晉平x井組鉆具組合設(shè)計(jì)

本文對(duì)煤層氣水平對(duì)接井技術(shù)的軌跡控制技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了不同井段軌跡控制的依據(jù)。根據(jù)研究情況，對(duì)晉平x井各井段鉆具組合進(jìn)行了優(yōu)選,具體優(yōu)選結(jié)果為：

（1）一開(kāi)直井段（0～159.49m）采用塔式鉆具組合：?311.2mm三牙輪鉆頭+?203mm無(wú)磁鉆鋌+?203mm鉆鋌+?127mm鉆桿。本段最大井斜0.81°。

表1 沁水盆地晉平x井井設(shè)計(jì)軌道參數(shù)

（2)二開(kāi)直井段（159.49～209m）采用塔式鉆具組合：?215.9mm三牙輪鉆頭+?159mm無(wú)磁鉆鋌+?159mm鉆鋌+?127mm鉆桿。本段最大井斜0.39°。二開(kāi)造斜段（209～537m）采用“導(dǎo)向馬達(dá)+MWD”常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合：?215.9mm三牙輪鉆頭/PDC鉆頭+ ?165mm單彎螺桿鉆具（1.5°）+?127mm無(wú)磁承壓鉆桿+MWD+?127mm無(wú)磁承壓鉆桿+?127mm加重鉆桿+?114mm鉆桿。

（3)三開(kāi)水平段（537～1412.73m）采用“單彎螺桿鉆具+LWD”地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合：?155.6mm牙輪鉆頭/PDC鉆頭+?121mm單彎螺桿鉆具（1.5°）+ ?96mm無(wú)磁承壓鉆桿+LWD+?88.9mm無(wú)磁承壓鉆桿+?73mm加重鉆桿+?73mm鉆桿。

兩井對(duì)接時(shí)采用帶RMRS的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合：?149.2mm牙輪鉆頭+?120mmRMRS+ ?120mm單彎螺桿鉆具（1.5°）+?88.9mm無(wú)磁承壓鉆桿+LWD+?88.9mm無(wú)磁承壓鉆桿+?73mm加重鉆桿+?73mm鉆桿。

5.2 沁水盆地晉平x井組鉆進(jìn)參數(shù)

由于晉平x井采用裸眼完井，在鉆進(jìn)中根據(jù)不同鉆具采用了相應(yīng)的鉆進(jìn)參數(shù)。

在直井段為防斜，采用了小鉆壓吊打的方法；在鉆入煤層后，為使螺桿鉆具正常工作，泥漿泵排量控制在較小范圍內(nèi)；進(jìn)入水平段，由于井壁沒(méi)有泥皮，摩阻大，井壁托壓嚴(yán)重，故采用大鉆壓、低轉(zhuǎn)速，復(fù)合鉆進(jìn)和滑動(dòng)鉆進(jìn)相結(jié)合的鉆進(jìn)方式，保證了煤層的穩(wěn)定。在調(diào)整工具面及循環(huán)的過(guò)程中，不斷活動(dòng)鉆具，防止定點(diǎn)循環(huán)。晉平x井各井段鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 晉平x井各井井段鉆進(jìn)參數(shù)表

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TE243

A

1004-5716（2015)03-0057-04

2014-03-24

2014-03-27

樊文靜（1987-），女（漢族），新疆昌吉人，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系在讀碩士研究生，研究方向：儲(chǔ)層地質(zhì)和油氣田開(kāi)發(fā)。