保德煤層氣田黃河壓覆區(qū)長水平段水平井鉆井完井技術

鄧鈞耀，劉奕杉，喬 磊，王開龍，胡 凱

（1.中石油煤層氣有限責任公司勘探開發(fā)研究院，北京100028；2.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京102206；3.中國石油華北油田分公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西長治046000）

保德煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東緣，8+9號主力煤層滲透率最高達8.0mD，直井平均單井產氣量達2 500 m3/d以上，是國內中低階煤層氣效益開發(fā)示范區(qū)。保德煤層氣田北部優(yōu)質煤層氣藏位于府谷縣城和黃河下方，受復雜地表環(huán)境的制約，一直未能進行商業(yè)開發(fā)。由于煤層地質構造特征的影響，煤層氣水平井與常規(guī)油氣水平井相比，存在煤層易坍塌卡鉆的鉆井風險，因此需要盡量縮短水平段的鉆井時間，從而縮短鉆井液浸泡煤層的時間，保持井壁穩(wěn)定，同時降低鉆井液濾液對煤層的損害。長水平段煤層氣井鉆井面臨著煤層埋深淺、水垂比大導致托壓和水平段難以達到設計長度等技術難點，同時存在儲層保護和快速鉆進方面的鉆井難題，需要研究形成長水平段煤層氣井特色技術，滿足煤層氣開發(fā)需求[1–3]。

針對黃河壓覆區(qū)煤層氣水平井鉆井完井技術難點，分析了極限水平段長度與煤層垂深、地層傾角等參數(shù)的關系，開展了井身結構優(yōu)化、井眼軌跡測控和玻璃鋼篩管完井新工藝等方面的技術研究，形成了集約化大平臺煤層氣長水平段水平井鉆井完井技術，并在保德煤層氣田BP15平臺的水平井進行了現(xiàn)場應用，鉆井過程未發(fā)生井下故障，順利完井，實現(xiàn)了黃河壓覆區(qū)煤層氣儲量的有效動用。

1 黃河壓覆區(qū)煤層氣水平井鉆井完井技術難點

保德煤層氣田總體表現(xiàn)為西傾的單斜構造，南北走向，斷層和褶皺不發(fā)育，同時煤層構造形態(tài)簡單，東高西低，地層平緩，傾角一般在1°～5°。氣田主力可采煤層為二疊系下統(tǒng)太原組的8+9號煤層，埋深500.00～1 000.00m，滲透率較高，地層壓力系數(shù)低，屬于欠壓—常壓儲層。保德煤層氣田北部的煤層氣藏位于黃河底部，黃河北部為府谷縣城，人口稠密，地面無法部署井位進行規(guī)模開發(fā)。

綜合考慮地面及地質情況，提出采用水平井開發(fā)壓覆區(qū)煤層氣，在黃河南岸部署長水平段水平井井場，利用水平段1 000.00～2 000.00m長的水平井開發(fā)黃河和城市壓覆區(qū)的優(yōu)質煤層氣藏。但黃河壓覆區(qū)煤層氣水平井鉆井完井面臨以下技術難點：1）黃河邊井臺可選位置少，需要采用大平臺，部署長水平段水平井；2）大部分儲層壓力系數(shù)為0.70～0.99，處于欠壓狀態(tài)，鉆進時垮塌和漏失風險高；3）煤層構造復雜，煤層跟蹤與控制難度大，鉆遇率偏低；4）前期完鉆水平井均采用裸眼完井方式，排采期間經常發(fā)生煤層垮塌、煤粉堵塞井眼等復雜情況，造成煤層氣水平井單井產量低、井筒壽命短，需探索滿足采煤采氣一體化的非金屬篩管完井新技術。

2 煤層氣水平井鉆井完井關鍵技術

2.1 集約化大平臺優(yōu)化設計

保德煤層氣田北部的煤層氣藏受黃河邊地形條件的限制，需采用集約化大平臺布井，利用大平臺一體化設計、一體化管理和一體化運行的技術優(yōu)勢和成本優(yōu)勢降低鉆井完井及后續(xù)生產運行成本。因此，保德煤層氣田北部采用一個平臺部署7～10口水平井的開發(fā)方式和工廠化作業(yè)模式，充分發(fā)揮集約化大平臺的優(yōu)勢。由于平臺井場受限，井口布局難度較大，井眼軌跡在空間上存在交叉，井眼防碰風險突出。為此，優(yōu)選造斜點位置，采用雙增剖面等井眼軌道設計方法，增大防碰安全距離，同平臺可實現(xiàn)4+5號和8+9號2套煤層立體開發(fā)[4–5]。

水平段越長，單井控制面積越大，產量越高，但水平井的極限鉆進能力是部署長水平段水平井的基礎，因此設計水平段長度時需綜合考慮鉆機載荷、極限鉆進進尺等因素。保德煤層氣田極限水平段長度與煤層垂深、井斜角的關系曲線如圖1所示。從圖1可以看出，水平井上傾角度和煤層垂深對水平段極限長度影響非常大，主要是由于井斜角大于90°條件下上傾井段鉆柱重力抵消了直井段加重鉆桿施加的有效鉆壓，導致水平段極限長度大幅減少。保德北部黃河壓覆區(qū)垂深800.00～1 000.00m，水平井軌跡方向煤層上傾角度2°～5°，因此水平段煤層極限長度為1 700.00～2 000.00m[6–9]。

圖1 極限水平段長與煤層垂深、井斜角的關系曲線Fig.1 Relation of ultimate horizontal section length w ith vertical depth of coal seam sand well inclination

2.2 井身結構優(yōu)化

為有利于煤層段安全快速鉆進，采用了三開井身結構。一開，采用?311.1mm三牙輪鉆頭，進入基巖10.00m后完鉆，下入?244.5mm套管，水泥返至地面，封固第四系疏松黃土層；二開，采用?215.9mm牙輪鉆頭鉆入煤層，下入?177.8mm套管，水泥返至地面，重點封固劉家溝組和石千峰組易漏失地層；三開采用?152.4mm PDC鉆頭鉆進煤層水平段，水平段主要部分位于煤層頂部以下1.00～4.00m，下入?88.9mm玻璃鋼篩管完井，篩管懸掛器位于二開套管浮箍以上2.00～5.00m處。保德煤層氣田北部黃河壓覆區(qū)水平井的井身結構如圖2所示[10–13]。

圖2 保德煤層氣田黃河壓覆區(qū)水平井井身結構示意Fig.2 Casing program of horizontal well in the Yellow River overlay area of Baode coalbedmethane field

2.3 鉆井液優(yōu)選

與常規(guī)儲層相比，黃河北部煤層具有低滲透、低壓和高吸附的特點，膠結疏松，容易發(fā)生垮塌等井下復雜情況；另外，長水平段容易形成巖屑床，造成起下鉆阻卡，因此鉆井液的選擇和性能維護是煤層氣長水平段水平井成功的關鍵因素之一。根據(jù)室內試驗評價篩選及前期的現(xiàn)場應用情況，選擇使用低密度低固相鉆井液，其配方為清水+0.1%～0.2%PAC-HV（高黏聚陰離子纖維素）+3.0%～5.0%氯化鉀。PAC-HV可以提高鉆井液的黏度和切力，降低濾失量，防止井壁坍塌和發(fā)生漏失；氯化鉀用于調整密度和提高鉆井液體系的抑制性。該鉆井液的主要性能參數(shù)：密度1.05～1.10 kg/L，漏斗黏度28～35 s，塑性黏度小于35mPa·s，濾失量小于10 m L，固相含量小于6%。該鉆井液配制簡單，性能穩(wěn)定，既能保證井壁穩(wěn)定，也能最大程度地降低固相顆粒含量，降低對煤層的傷害[14–15]。

2.4 井眼軌跡控制技術

為了提高鉆井速度，縮短鉆井周期，全井采用“PDC鉆頭+螺桿”鉆具組合。其中，二開的鉆具組合為?215.9mm PDC鉆頭+?172.0mm×1.50°單彎螺桿+?158.7mm無磁鉆鋌+?158.7mm鉆鋌+?127.0mm鉆桿。三開水平段采用“隨鉆伽馬測量+螺桿”組合鉆具，具體鉆具組合為?152.4 mm PDC鉆頭+?127.0 mm×1.25°單彎螺桿+定向接頭+?88.9 mm無磁鉆鋌+?88.9mm加重鉆桿×400m以上+?88.9mm鉆桿。利用隨鉆伽馬測井數(shù)據(jù)預測和識別鉆頭在煤層中的相對位置、地層走向和地層傾角，根據(jù)需要調整井眼軌跡，引導鉆頭在煤層中鉆進。鉆進過程中每根立柱測斜一次，并密切監(jiān)測泵壓、轉矩等參數(shù)變化，根據(jù)觀測的振動篩返砂情況，分析判斷井下情況[16]。

近鉆頭測量技術解決了常規(guī)地質導向反應慢、判斷準確性差和易鉆出煤層的問題，提高了地質導向的準確性和鉆井效率。測量儀器距鉆頭僅0.58 m，可及時判識鉆頭在地層中的位置，提高煤層鉆遇率。根據(jù)自然伽馬值在不同方位的變化情況，可準確判斷煤層的上、下邊界，掌握鉆頭的實際工作狀況，優(yōu)化鉆井參數(shù)。

2.5 玻璃鋼篩管完井工藝

裸眼完井的煤層氣水平井在排采期間經常發(fā)生煤層垮塌、井眼滅失，導致井筒氣液產量急劇下降，甚至停止產出。前期應用的PE篩管存在抗壓強度低、尺寸小等問題，不能進行通井洗井作業(yè)[17]。玻璃鋼篩管較PE篩管對煤層井壁的支撐能力更強，并能滿足井筒重入的要求，實現(xiàn)“可重入、可作業(yè)、可維護”的完井要求，在一定程度上達到了金屬篩管完井的功能，同時解決了煤炭后期開采的安全問題。

玻璃鋼篩管完井工藝包括井眼準備、下篩管、下沖管、坐掛和洗井等流程。下篩管作業(yè)前要進行通井洗井作業(yè)，保證井底干凈無沉砂和煤粉，井眼光滑穩(wěn)定。玻璃鋼篩管完井管串結構為：引鞋+玻璃鋼盲管+密封筒+玻璃鋼篩管+保護短接+懸掛器+變扣接頭+鉆桿。沖管末端與懸掛器內管連接，篩管與懸掛器外管連接，建立井眼整體循環(huán)通道，如圖3所示。篩管下至設計井深后，投球加壓，將玻璃鋼篩管懸掛并固定于套管內壁，完成鉆具與篩管本體的分離。成功丟手后，打開內部通道，配合沖管及專用噴頭可實現(xiàn)水力噴射洗井，降低鉆井液對煤層的傷害。

3 現(xiàn)場應用

圖3 玻璃鋼篩管完井管柱結構Fig.3 Structureof comp letion string w ith FRP screen pipe

針對保德煤層氣田黃河壓覆區(qū)的鉆井完井技術難點，通過設計合理井身結構、優(yōu)化井眼軌道、優(yōu)選鉆井液和研究玻璃鋼篩管完井工藝，2018年完成了黃河壓覆區(qū)BP15平臺部署的7口長水平段煤層氣水平井（見圖4）。這7口長水平段水平井的水平段平均長度為1 067.00m，鉆井過程中未發(fā)生井下復雜情況，順利完井，目前該平臺平均單井日產氣量達4 000m3。

圖4 黃河壓覆區(qū)BP15井臺地面部署示意Fig.4 Surface dep loyment of Wellbay BP15 in the Yellow River overlay area

BP15井是該平臺完鉆的第一口水平井井，井深1 784.00m，垂深816.00m，水平段長968.00m。該井施工過程中，進行了三壓力剖面預測、井眼軌道優(yōu)化、鉆井液優(yōu)選和玻璃鋼篩管完井工藝等鉆井完井技術研究與應用，優(yōu)化了長水平段水平井鉆井參數(shù)，全井平均機械鉆速11.69m/h，鉆井周期37.88 d，為長水平段煤層氣水平井的開發(fā)提供了依據(jù)。完井階段共下入103根DN 80-14MPa篩管和1根盲管，完井管串長度943.00 m，懸掛器順利坐掛。

目前BP15井已進入采氣階段，生產時間超過700 d，產氣效果良好，日產氣量超過5 000m3，累計產氣量295×104m3，驗證了長水平段水平井鉆井完井技術的可行性、適用性、有效性和經濟性。

4 結論與建議

1）針對保德煤層氣田長水平段水平井鉆井完井技術難點，研究了煤層氣水平井極限水平段長、玻璃鋼篩管完井等新技術，形成了煤層氣長水平段水平井鉆井完井優(yōu)化設計方法，實現(xiàn)了城市、黃河壓覆區(qū)煤層氣優(yōu)質儲量的有效動用。

2）針對煤層氣藏井壁穩(wěn)定性問題，優(yōu)化了井身結構和鉆井液體系，并采用玻璃鋼篩管完井工藝，實現(xiàn)了長水平段井筒的穩(wěn)定和長期穩(wěn)定排采。

3）由于水平段極限長度與煤層上傾角度、深度等因素密切聯(lián)系，同時煤層氣排采具有特殊性，因此僅對水平段的極限長度進行理論計算，并不能準確評價水平段的延伸能力，需結合實際煤層條件，進一步研究煤層氣水平井水平段長度與經濟效益的關系。

4）建議根據(jù)現(xiàn)場試驗結果進一步完善煤層氣長水平段水平井鉆井完井技術，持續(xù)跟蹤和評價長水平段煤層氣水平井的現(xiàn)場實施效果，以準確評估地表復雜地區(qū)優(yōu)質煤層氣藏的開發(fā)效益。