“U”型井鉆井技術(shù)的研究與應(yīng)用

謝　濤，和鵬飛，岳文凱

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津　300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津　300452；3.中國石油大學(xué)（北京），北京　102200）

“U”型井鉆井技術(shù)的研究與應(yīng)用

謝濤1，和鵬飛2，岳文凱3

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452；3.中國石油大學(xué)（北京），北京102200）

“U”型水平井由于具有排采同時(shí)進(jìn)行，占地面積小、可最大限度的溝通煤層裂縫等特點(diǎn)而成為煤層氣開發(fā)的主要類型井。本文在對(duì)“U”型水平井特點(diǎn)以及鉆井難點(diǎn)深入分析的基礎(chǔ)上，提出了精確地層對(duì)比、采用先進(jìn)定向工具及導(dǎo)向技術(shù)、優(yōu)選儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液以及利用先進(jìn)的連通工具等技術(shù)措施，解決了煤層氣鉆井軌跡控制難度高、鉆井復(fù)雜情況高發(fā)、儲(chǔ)層保護(hù)要求高、水平井與直井連通精度高等問題，有效降低了鉆井成本，節(jié)省大量作業(yè)時(shí)間，為后續(xù)煤層氣的深入開發(fā)提供了技術(shù)參考。

煤層氣；“U”型水平井；鉆具優(yōu)選；儲(chǔ)層保護(hù)

隨著世界能源需求的不斷增長，以煤層氣為代表的非常規(guī)能源的開發(fā)、利用，可有效緩解石油、天然氣等的消耗壓力，具有深遠(yuǎn)的國家戰(zhàn)略意義［1，2］。有數(shù)據(jù)顯示，到2030年我國煤層氣產(chǎn)量有望達(dá)到900億m3，其節(jié)能效果與1個(gè)大慶油田的原油當(dāng)量旗鼓相當(dāng)。煤層氣開發(fā)技術(shù)先后經(jīng)歷了早期常規(guī)直井、常規(guī)定向井、“U”型水平井技術(shù)（下文簡稱“U”型井）以及羽狀分支井等階段。其中“U”型井技術(shù)由于其諸多優(yōu)點(diǎn)而逐步被廣泛應(yīng)用于煤層氣開發(fā)。

1“U”型井的特點(diǎn)

（1）“U”型井用水平井與其遠(yuǎn)端的直井在井下連通，建立煤層流體循環(huán)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)水平井排水和直井采氣同時(shí)進(jìn)行，直井利用重力排水采氣［3］。能夠充分發(fā)揮傾斜地層流體勢能和各井的優(yōu)勢，能夠提高排水和采氣效率。

（2）占地面積小，減少井場建設(shè)。在某些作業(yè)區(qū)域，地表溝壑縱橫、地形關(guān)系復(fù)雜，利用“U”型井開發(fā)可減少大量的鉆前工程，能夠節(jié)省地面井場占地費(fèi)用，有利于提高工程的總體投資綜合效益。一口“U”型井可合并減少4個(gè)井場的占地面積［4］。

（3）最大限度的溝通煤層割理裂縫，單井產(chǎn)量高。煤層具有低滲透率、低含氣飽和度、低壓力的特性，常規(guī)直井開發(fā)單井一般日產(chǎn)氣2 000 m3［5］，而利用水平井可最大限度的溝通煤層裂縫系統(tǒng)，擴(kuò)大降壓范圍，降低水排出的摩阻，大幅提高單井產(chǎn)量，利用“U”型水平井最高產(chǎn)量15 000 m3/d，約為直井的10倍［6］。

2“U”型井鉆井難點(diǎn)

（1）軌跡控制難度大，著陸成功率低。某些區(qū)域地質(zhì)資料較少，或者地層非均質(zhì)性強(qiáng)，煤層的地層傾角、厚度、深度變化很大，導(dǎo)致水平井鉆井作業(yè)時(shí)軌跡難度較大，著陸點(diǎn)不確定性強(qiáng)，軌跡的實(shí)時(shí)調(diào)整要求高［7］。

（2）煤層中鉆進(jìn)坍塌、井漏等復(fù)雜情況頻發(fā)。由于割理、裂隙的存在，破壞了煤巖的完整性，使煤層具有易破碎垮塌、鉆井液易漏失的特點(diǎn)，另外煤巖中大多存在泥頁巖夾層，泥頁巖水化膨脹后強(qiáng)度降低，鉆井過程中易引起井下垮塌、卡鉆，甚至井眼報(bào)廢等復(fù)雜事故［8，9］。

（3）儲(chǔ)層保護(hù)要求高。一方面煤基質(zhì)有很強(qiáng)的吸附特性，當(dāng)煤基質(zhì)的割理被堵塞或者被液體吸附時(shí)容易造成儲(chǔ)層傷害，另一方面鉆井液中的固相顆粒容易充填、堵塞煤中裂縫通道，煤層的儲(chǔ)層傷害幾乎不可逆，因此鉆井液必須要兼顧井壁穩(wěn)定與儲(chǔ)層保護(hù)［10］。

（4）水平井與直井遠(yuǎn)端對(duì)接難度較高。井眼軌跡由于受儀器測量誤差、環(huán)境因素、軌跡計(jì)算等方面的影響存在一定的不確定性，在“U”型井作業(yè)時(shí)軌跡的不確定性對(duì)水平井與直井的遠(yuǎn)距離連通有一定的影響［11］。

表1　CLU-02V井煤層劃分表

3　技術(shù)措施

針對(duì)上述情況，現(xiàn)場提出了一系列對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施，同時(shí)以這些措施在沁水盆地CLU-02和SN015-5井組應(yīng)用為例進(jìn)行技術(shù)闡述。

3.1精確地層對(duì)比

（1）深入了解直井地層情況，優(yōu)選連通層。如某CLU-02井組中水平井原定4#煤層為目的層，直井完鉆后經(jīng)測井，4#煤層厚度僅1 m，與設(shè)計(jì)存在較大差異，而8#+9#煤層厚度達(dá)4.8 m，且煤層分布比較穩(wěn)定，適合鉆水平連通井，經(jīng)研究決定以8#+9#煤層作為連通目的煤層（見表1）。根據(jù)鄰井資料推測，8#+9#煤層從直井到水平井逐漸變薄并且煤層有局部起伏，所以實(shí)鉆過程中要根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)，保證煤層鉆遇率。

圖1　CLU-02V局部測井圖

（2）標(biāo)志層對(duì)比：①區(qū)域標(biāo)識(shí)層，自然伽馬測井曲線（見圖1），4#煤層含夾矸（黃色虛線）可作為區(qū)域標(biāo)識(shí)；②大段對(duì)比，抓大不放小，一丁點(diǎn)變化趨勢都要死抓不放。

3.2采用先進(jìn)定向工具及導(dǎo)向技術(shù)

水平井采用NOV EM-MWD+DRG、直井配置Vector連通儀器連通測量工具，EM-MWD工具通過低頻電磁波信號(hào)將地下測量的井斜、方位、高邊伽馬、底邊伽馬、360°伽馬、環(huán)空壓力、鉆頭電信號(hào)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?。EM-MWD鉆具組合：152.4 mm PDC鉆頭+ 120 mm（1.5°）螺桿+120 mm定向接頭+120 mm無磁鉆鋌+120 mm無磁短節(jié)+120 mm Gap Sub+120 mm短無磁鉆鋌4 m+89 mm鉆桿+89 mm加重鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓30 kN～80 kN，排量12 L/s～15 L/s，復(fù)合轉(zhuǎn)速40 r/min。通過增、降井斜的方式調(diào)整軌跡的垂深位置，鉆時(shí)、巖屑、GR和EM儀器電壓信號(hào)等實(shí)時(shí)資料判斷軌跡在煤層中的位置，從而實(shí)時(shí)調(diào)整。如SN015-5H井水平段鉆進(jìn)過程中根據(jù)實(shí)鉆計(jì)算平均傾角3.90°，分析隨鉆測井曲線，得出頂板灰黑色砂質(zhì)泥巖、自然伽馬100 API，底板黑灰色泥巖質(zhì)、自然伽馬大于140 API，井深1 292 m之前自然伽馬位于50 API左右、鉆速較快、氣全量20%～40%，為煤巖特征，鉆進(jìn)至井深1 292 m，頂伽馬比底伽馬大，鉆速降低、氣全量10%以下，判斷出現(xiàn)砂巖。

3.3優(yōu)選儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液

儲(chǔ)層段鉆井液選擇原則為儲(chǔ)層保護(hù)+保持井壁穩(wěn)定，優(yōu)選的無固相鉆井液類型，主要成分：水+鹽+聚合物。通過與知名院校聯(lián)合研究，首次使用NaCl作為加重劑，用黃原膠、CMC、141等調(diào)節(jié)流變性和攜巖能力，剛鉆進(jìn)煤層時(shí)采用低密度，當(dāng)鉆進(jìn)出現(xiàn)掉塊時(shí)逐漸提高鉆井液密度。選取同一區(qū)域內(nèi)的煤心進(jìn)行清水和無固相鹽水儲(chǔ)層保護(hù)試驗(yàn)，結(jié)果（見表2），可以看出無固相鹽水的儲(chǔ)層損害率遠(yuǎn)低于清水。

鉆井液性能維護(hù)方面密度與地層壓力相匹配，盡量采用低密度鉆井液，由低密度逐漸嘗試，發(fā)現(xiàn)掉塊，及時(shí)分析原因并采取相應(yīng)的處理措施；防止壓力激動(dòng)，避免大排量沖刷煤層；保證固控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好及時(shí)清除鉆井液中有害固相物質(zhì)（見表3）。

表2　鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

表3　無固相鹽水鉆井液性能維護(hù)

3.4利用先進(jìn)的連通工具

一般水平井鉆頭位置距離直井100 m左右時(shí)起鉆下入磁短節(jié)，直接連接在鉆頭后面，在旋轉(zhuǎn)過程中擾動(dòng)地球磁場，下入直井中的探管在一定距離內(nèi)接收到這種磁場變化，分析儀器檢測出信號(hào)相對(duì)位置，進(jìn)而引導(dǎo)鉆頭進(jìn)入靶區(qū)。RMRS（Rotary Magnetic Ranging System）全稱為旋轉(zhuǎn)磁測距系統(tǒng)，具有近鉆頭設(shè)計(jì)，RMRS磁短節(jié)直接與鉆頭相接，可以直接探測鉆頭到目標(biāo)井的距離，隨著井深的增加不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，RMRS測量過程中無需停鉆，節(jié)省了綜合鉆井時(shí)間。

4　應(yīng)用效果

通過上述技術(shù)措施的應(yīng)用，目前已成功完成三組“U”型水平井的鉆井作業(yè)，獲得了較好的結(jié)果，水平井煤層鉆遇率均在90%以上（見表4）。

表4　已鉆井煤層鉆遇率統(tǒng)計(jì)

5　結(jié)論

（1）煤層的鉆時(shí)低，利用鉆時(shí)、巖屑和氣測數(shù)據(jù)判斷是否在煤層；上下伽馬，井斜、方位等井下參數(shù)，監(jiān)測鉆頭處于煤層的位置。

（2）遠(yuǎn)端連通，且目標(biāo)煤層較深，給連通帶來困難，加密測斜，可大大降低誤差。

（3）煤層氣水平井極易出現(xiàn)煤層垮塌事故，結(jié)合鄰井資料、區(qū)域地層坍塌壓力與破裂壓力選擇安全鉆井液密度，盡量采用低密度、儲(chǔ)層傷害低的鉆井液體系，實(shí)現(xiàn)鉆井安全與儲(chǔ)層保護(hù)的有機(jī)結(jié)合。

［1］ 劉柏峰，陳偉，段永剛，等.煤層氣井開發(fā)技術(shù)綜述［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009，（15）：30-32.

［2］ 崔璐，孫嬌鵬，胡忠亞，等.煤層氣開采意義及原理分析［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，（22）：120.

［3］ 張洪，何愛國，覃成錦.煤層氣儲(chǔ)層類型及配套鉆井方案概述［J］.中外能源，2010，15（11）：50-52.

［4］ 徐培遠(yuǎn)，楊櫻花.煤層氣U型井水平井固井技術(shù)研究［J］.中國煤炭地質(zhì)，2013，25（2）：71-73.

［5］ 趙慶波，田文廣.中國煤層氣勘探開發(fā)成果與認(rèn)識(shí)［J］.天然氣工業(yè)，2008，（3）：16-18.

［6］ 易新斌，丁云宏，王欣，等.煤層氣完井方式和增產(chǎn)措施的優(yōu)選分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（4）：629-632.

［7］ 紀(jì)偉，姜維寨，胡錦堂，等.煤層氣分支水平井地質(zhì)導(dǎo)向?qū)嵺`與認(rèn)識(shí)［J］.石油鉆采工藝，2011，33（3）：82-86.

［8］ 喬磊，申瑞臣，黃洪春，等.煤層氣多分支水平井鉆井工藝研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28（3）：112-115.

［9］ 李克付，李琪，王益山，等.魚骨型分支水平井鉆井技術(shù)開發(fā)煤層氣技術(shù)難點(diǎn)分析及技術(shù)對(duì)策［J］.鉆采工藝，2006，29 （2）：1-4.

［10］ 涂乙，鄒來方，汪偉英，等.煤層氣井儲(chǔ)層的傷害及優(yōu)選保護(hù)鉆井工藝［J］.油氣田地面工程，2010，（2）：4-6.

［11］ 董本京，高德利，柳貢慧.井眼軌跡不確定性分析方法的探討［J］.天然氣工業(yè)，1999，19（4）：59-63.

TE243

A

1673-5285（2016）05-0024-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.006

2016－04-08

國家科技重大專項(xiàng)-大型油氣田及煤層氣開發(fā)，項(xiàng)目編號(hào)：2011ZX05057。

謝濤，男（1981-），學(xué)士，工程師，現(xiàn)任中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院鉆井工程師。