多分支奧灰注漿孔大位移水平段鉆井技術(shù)研究

陳 峰

(江蘇煤炭地質(zhì)勘探三隊(duì)，江蘇常州 213022)

多分支水平井是指在一口水平井主井眼中鉆出多個(gè)進(jìn)入目的層的分支井眼，作為國內(nèi)外勘探開發(fā)領(lǐng)域先進(jìn)鉆井技術(shù)之一，廣泛用于油氣田以及煤層氣開發(fā)領(lǐng)域。此外，隨著國家對(duì)采礦安全的愈發(fā)重視，采用地面施工鉆孔的方式對(duì)地下采礦區(qū)含水層實(shí)施注漿改造成為采礦區(qū)水患超前治理的重要方式[1-4]。在東龐礦區(qū)多分支水平井施工中，四開水平裸眼是工程重難點(diǎn)集中段，井眼軌跡復(fù)雜，高水垂比井身結(jié)構(gòu)對(duì)施工定向段及水平段的井眼軌跡控制造成很大難度，且所鉆目的層斷裂、隱伏陷落柱發(fā)育，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)很大。本文擬通過對(duì)礦區(qū)鉆井地質(zhì)條件、井下鉆具摩阻等因素進(jìn)行詳細(xì)的理論分析，開展一系列工藝措施研究以保證水平段鉆進(jìn)層位，實(shí)現(xiàn)大位移水平段成井，延伸單個(gè)分支的探查距離，擴(kuò)大單孔治理范圍。

1 研究背景

河北省邢臺(tái)市東龐礦區(qū)地處太行山東麓與華北盆地的接觸帶上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層非常發(fā)育，部分?jǐn)鄬忧懈钌疃却?已達(dá)奧灰，破壞了本溪組隔水層)。其煤田煤系基底為巨厚的奧陶系灰?guī)r，巖溶陷落柱發(fā)育，煤系本身又有多層厚度不一的薄層灰?guī)r，屬典型的華北巖溶型煤田，受奧灰強(qiáng)巖溶承壓水威脅嚴(yán)重。其下組煤9號(hào)煤與下伏奧灰之間的隔水保護(hù)層厚度為25～40m，存在斷裂普遍發(fā)育，突水系數(shù)高，隱伏奧灰?guī)r溶陷落柱隨機(jī)分布且數(shù)量眾多等不良充水條件。項(xiàng)目通過在9400采區(qū)地面布置2口多分支水平井實(shí)施注漿治理，設(shè)計(jì)共施工31個(gè)水平分支，各分支孔以約70m的水平間距覆蓋治理區(qū)域(圖1)。

圖1 工作區(qū)鉆孔軌跡分布示意

單口多分支水平井采用四開井身結(jié)構(gòu)(圖2)，探尋9400采區(qū)下組9號(hào)煤下伏奧灰隔水保護(hù)層斷裂、隱伏奧灰?guī)r溶陷落柱等導(dǎo)水通道并實(shí)施注漿改造，封堵斷層等構(gòu)造薄弱區(qū)，強(qiáng)化底板抗水壓能力，降低井下采掘期間水害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全采煤。

圖2 單井井身結(jié)構(gòu)示意

2 工程難點(diǎn)分析

工程難點(diǎn)集中于四開裸眼井段，工區(qū)地質(zhì)情況和軌跡特點(diǎn)直接影響軌跡的順層情況和延伸距離，從而直接影響探查效果。

1)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，層位跟蹤難度大。井田內(nèi)斷裂、褶皺、陷落柱均有發(fā)育，以斷裂構(gòu)造發(fā)育為主，且以張性及張扭性斷裂為主。截止到2015年底，根據(jù)井下、鉆探及三維地震成果等，東龐礦包括邊界斷層共有83條落差大于5m斷層，其中大于等于20m的大中型斷層35條，占42%。設(shè)計(jì)要求水平段軌跡保持進(jìn)入奧陶系灰?guī)r頂面下25m左右延伸，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造使得層位跟蹤難度大，可能會(huì)造成在高位移、高摩阻、大水垂比軌跡的情況下，不得不滑動(dòng)鉆進(jìn)以調(diào)整井斜方位；水平段鉆遇各種張性斷裂，斷裂帶附近地層破碎易漏，此外，資料顯示，峰峰組巖溶裂隙相對(duì)發(fā)育，可能鉆遇各種隱伏陷落柱及風(fēng)化裂隙帶，復(fù)雜的地質(zhì)條件將帶來井下各種隱患。

2)造斜率高，水平段長，井眼凈化能力差。以DB2井為例，直井段段長324m，造斜段段長345.65m，自著陸點(diǎn)后實(shí)施側(cè)鉆開分支，分支段長最短234.68m，最長1 264.75m，平均長度703.64m。超長的水平分支井段即要求鉆井液具有良好的攜巖和防塌能力，還要求鉆井低固相或者無固相以不堵塞裂隙導(dǎo)水通道，鉆井液體系需具有充分平衡各項(xiàng)需求的能力。

3)水垂比大，鉆具摩阻大，壓力傳導(dǎo)困難。以DB2井為例，共施工15個(gè)分支，各分支水垂比均>1，最大達(dá)到1.95，共7個(gè)分支水垂比達(dá)到1.8以上。在滑動(dòng)鉆進(jìn)中鉆具躺在下井壁，鉆具與井壁接觸面積大，致使鉆井施工過程中摩阻很高，起鉆負(fù)荷大，下鉆阻力大；由于完鉆垂深較淺，鉆具重力不足，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)加不上鉆壓，鉆速低，若遇到地層變化必須調(diào)整井斜方位，將會(huì)為持續(xù)鉆進(jìn)帶來極大困難，此外，由于造斜段短且造斜率大，鉆柱與技術(shù)套管摩擦，套管易磨損。

3 井下鉆具摩阻分析

定向井、水平井鉆井施工中鉆具受力非常復(fù)雜[5]，若不考慮鉆進(jìn)及方位變化情況，鉆具摩阻主要包括造斜段鉆具自重產(chǎn)生的摩阻、直井段附加的力作用在斜井段產(chǎn)生的摩阻、水平井段起下鉆或滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)所受的摩阻，經(jīng)理論計(jì)算分析推導(dǎo)出：

+μgqsinθmaxL水平

(1)

式中：F阻力為鉆具在井內(nèi)所受到的摩阻，kN；μ為摩擦系數(shù)；g為重力加速度，9.8N/kg；q為鉆具線密度，此處取Ф89mm鉆桿19.84kg/m；R為軌跡的曲率半徑，m；θmax為最大井斜角，(°)；L斜為軌跡斜井段長度，m；L垂直為軌跡垂直段長度，m；L水平為軌跡水平段長，m。

直井段以及斜井段鉆具自重提供下滑力，理論推導(dǎo)公式：

F下滑=gqL垂直(cosβ-μsinβ)m+gqRsinθmax

(2)

式中：F下滑為鉆具在井內(nèi)的下滑力，kN；m為造斜段鉆具節(jié)數(shù)；β為每段鉆具所對(duì)應(yīng)的圓心角，(°)。

若使得鉆進(jìn)有進(jìn)尺，鉆壓能夠傳導(dǎo)到井底，必須使得F下滑>F阻力。

1)使用鉆具組合：Φ152.4mmPDC鉆頭+1.5°Φ121mm螺桿(MWD)+Φ121mm無磁鉆鋌+Φ89mm鉆桿+Φ108mm方鉆桿。

不考慮方位因素，按原設(shè)計(jì)，取直井段0～360.3m，段長L垂直=360.3m；造斜段360.3～670m，段長L斜=350m，水平段670～1 796.15m，段長L水平=1126.15m，鉆桿q=19.84kg/m，平均造斜率K=7.5°/30m，曲率半徑R=229.3m，摩擦系數(shù)μ=0.3，θmax=86.23°，鉆桿外徑d0取Φ88.9mm，內(nèi)徑d1取70.2mm。m=37，β=2.33°。代入(1)、(2)式得：F阻力≈91kN，F(xiàn)下滑≈88kN，F(xiàn)下滑

2)若采用倒裝鉆具組合：Ф152.4mmPDC鉆頭+1.25°Ф121mm螺桿(MWD)+Ф121mm無磁鉆鋌+Ф89mm鉆桿+16根Ф121mm鉆鋌+Ф89mm鉆桿+Φ108mm方鉆桿。

取直井段段長L垂直=360.3m；造斜段段長L斜=350m，水平段段長L水平=1126.15m，Φ88.9mm鉆桿q=19.84kg/m，Φ121mm鉆挺q＂=74.5kg/m，上部Φ121mm鉆挺總長度150m，平均造斜率K=7.5°/30m，曲率半徑R=229.3m，摩擦系數(shù)μ=0.3，θmax=86.23°，鉆桿外徑d0取Φ88.9mm，內(nèi)徑d1取70.2mm。m=37，β=2.33°。代入(1)、(2)式得：F′阻力≈108.1kN，F(xiàn)′下滑≈137.1kN，以上計(jì)算結(jié)果顯示，F(xiàn)′下滑>F′阻力，說明即使在考慮下部水平段鉆鋌的情況下，采用倒裝鉆具組合所提供的下滑力依然能夠?yàn)殂@頭提供鉆壓，完成施工任務(wù)。

4 水平段鉆井關(guān)鍵技術(shù)措施

4.1 水平段鉆進(jìn)

1)優(yōu)化軌跡設(shè)計(jì)。通過廣泛查閱工區(qū)地層、構(gòu)造資料，石炭系上統(tǒng)太原組9號(hào)煤組在全區(qū)穩(wěn)定可采，厚度大，是本區(qū)奧陶系灰?guī)r以上最近的主要可采煤層，可作為推斷下古生界奧陶系中統(tǒng)峰峰組頂界面的主要標(biāo)志層。參考9號(hào)煤層底板等高線圖，以垂直于奧灰頂界面走向的主孔為分析對(duì)象了解奧灰頂界面地層延伸規(guī)律，對(duì)井眼軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(圖3)。

圖3 奧灰頂界傾角計(jì)算示意

2)巖屑、鉆時(shí)錄井。水平層段目的層系奧陶系中統(tǒng)峰峰組，巖性主要為灰色、灰白色泥質(zhì)、泥晶灰?guī)r以及灰白色、灰黃色的白云質(zhì)成分的泥質(zhì)灰?guī)r與鋁土巖的混合巖石構(gòu)成，上覆石炭系本溪組灰白色鋁土巖、灰色、灰白色砂質(zhì)泥巖、灰色細(xì)砂巖、中砂巖。在水平段鉆進(jìn)過程中，進(jìn)行巖屑錄井和鉆時(shí)錄井工作，巖屑錄井間距為1m/次，鉆時(shí)錄井間距為1m/點(diǎn)，根據(jù)返出巖屑情況、鉆時(shí)情況分析是否出層，若判斷已鉆出峰峰組及時(shí)分析原因進(jìn)行調(diào)整。

3)隨鉆自然伽馬。鉆進(jìn)過程中采用PMWD-C+GAMMA無線隨鉆測(cè)斜儀進(jìn)行軌跡控制，在獲得井眼軌跡數(shù)據(jù)的同時(shí)，可獲得鉆遇地層自然伽馬測(cè)井信息，在碳酸鹽巖剖面中，黏土巖、泥巖呈現(xiàn)自然伽馬高值，而純的石灰?guī)r、白云巖的自然伽馬呈現(xiàn)低值，依據(jù)這一特征，通過隨鉆自然伽馬曲線，可以直觀地判斷出軌跡總體是否順層在奧陶系灰?guī)r內(nèi)延伸，以及鉆遇的裂隙、風(fēng)化帶、隱伏陷落柱的充填情況。

將軌跡的平面展布情況、剖面情況與隨鉆伽馬情況進(jìn)行比對(duì)(如圖4 E2分支)，通過設(shè)計(jì)軌跡平面上垂直奧灰頂界面走向展布，剖面上保證軌跡在位于奧灰峰峰組內(nèi)順層延伸，并通過對(duì)自然伽馬數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合對(duì)巖屑、鉆時(shí)的分析，對(duì)井下軌跡鉆進(jìn)的層位情況進(jìn)行跟蹤、驗(yàn)證，能夠有效保證軌跡在目標(biāo)段的鉆遇率，進(jìn)而提高軌跡的探查質(zhì)量。

圖4 E2分支設(shè)計(jì)、實(shí)鉆軌跡綜合分析對(duì)比

4.2 大位移水平段成井

1)鉆井液體系。水平段位移大，主要鉆遇峰峰組灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r與鋁土巖的混合巖石，鉆井液性能具有防塌性及較好的攜巖性，減小虛泥餅厚度，另外，要求鉆井液擁有較好的潤滑性，同時(shí)，為了保證不堵塞裂隙通道，使用無固相鉆井液體系。其配方為：0.1%～0.2%包被劑+0.5%～1%防塌減阻劑+1%～2%潤滑劑+0.2%～0.4%增黏劑。性能指標(biāo)：漏斗黏度18～40s，密度1.01～1.10g/cm3，pH值7～9。按水平段長度及時(shí)補(bǔ)充潤滑劑，降低井下鉆具摩阻，潤滑劑加量原則見表1。

表1 水平段潤滑劑加量

2)鉆具組合。根據(jù)理論研究及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合所鉆遇地層及定向施工需要，四開水平分支段前期采用Φ152.4mmPDC鉆頭+1.5°Φ121mm螺桿(MWD)+Φ121mm無磁鉆鋌+Φ89mm鉆桿鉆具組合鉆至著陸點(diǎn)后，實(shí)現(xiàn)增方位(開分支)， 開出分支進(jìn)入水平段后采用Φ152.4mmPDC鉆頭+1.25°Φ121mm螺桿(MWD)+Φ121mm無磁鉆鋌+Φ89mm鉆桿+16根Φ121mm鉆鋌+Φ89mm鉆桿倒裝鉆具組合進(jìn)行水平段鉆進(jìn)，通過在直井段加Φ121mm鉆鋌串，增加垂直段鉆具自重，促使鉆壓傳遞，提高水平段克服托壓的能力，待鉆鋌串達(dá)到近造斜段時(shí)，提鉆將鉆鋌柱重新加到垂直段，重復(fù)操作直至鉆完分支。施工中盡量以復(fù)合鉆進(jìn)為主，保證鉆進(jìn)效率，必要時(shí)采用滑動(dòng)鉆進(jìn)調(diào)整部分井段軌跡。利用PMWD-C+GAMMA無線隨鉆測(cè)斜儀器，隨時(shí)調(diào)整井下軌跡參數(shù)，并可結(jié)合隨鉆GAMMA數(shù)據(jù)、鉆進(jìn)情況及實(shí)鉆返出的巖屑情況對(duì)地層進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)掌握地層信息，確保分支井段覆蓋質(zhì)量。

3)鉆進(jìn)方式。水平層段鉆進(jìn)方式主要分為滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)方鉆桿不轉(zhuǎn)，以動(dòng)力鉆具定向調(diào)整軌跡為主，水平段鉆具摩阻較大，鉆壓傳遞困難，復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)盤與動(dòng)力鉆具同時(shí)工作，鉆具在井底處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，可以降低鉆具的相對(duì)摩阻，增加鉆壓傳遞能力，提高鉆進(jìn)效率，使分支軌跡的延伸范圍達(dá)到最大。

通過優(yōu)化軌跡設(shè)計(jì)，盡量減少水平層段的軌跡調(diào)整，增加復(fù)合鉆進(jìn)層段。在實(shí)際水平分支段施工中發(fā)現(xiàn)，目的層段峰峰組中復(fù)合鉆進(jìn)過程中，每鉆進(jìn)1根井斜增加0.3°～0.5°的趨勢(shì)，方位角具有微降的趨勢(shì)，在設(shè)計(jì)水平段軌跡的時(shí)候，如果目的層段厚度較大，可考慮入靶前將井斜設(shè)計(jì)稍低一些，方位設(shè)計(jì)稍高一些，進(jìn)入目的層段后，在保證順層延伸的同時(shí)，增加復(fù)合鉆進(jìn)距離，充分利用地層的自然造斜特征，達(dá)到延長分支、快速成井的目的。

5 應(yīng)用成果

1)礦區(qū)水平目的層峰峰組斷裂、隱伏陷落柱發(fā)育使得施工軌跡順層延伸難度極大，往往發(fā)生穿層、丟層的情況，影響治理效果。施工中通過采用水平段鉆進(jìn)層位保證設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)措施，各水平分支均能夠在目的層峰峰組內(nèi)順層延伸。通過地層綜合分析對(duì)比，施工完成的15個(gè)分支共53個(gè)控制點(diǎn)距奧灰頂界面的距離基本能夠維持在25～40m，達(dá)到最優(yōu)治理效果。

2)前期施工中由于水平段長的增加，逐漸出現(xiàn)摩阻大、托壓嚴(yán)重的問題，表現(xiàn)為進(jìn)尺緩慢或無進(jìn)尺的現(xiàn)象，導(dǎo)致單個(gè)分支無法完成設(shè)計(jì)工作量，嚴(yán)重影響工程的持續(xù)進(jìn)行。利用大位移水平段成井技術(shù)，成功解決壓力傳導(dǎo)困難這一問題，最長分支水平長度達(dá)1 264.75m，最大水垂比達(dá)到1.95左右，探明漏失點(diǎn)(段)26個(gè)，單孔累計(jì)共注入水泥28 805.47t，粉煤灰5 198.84t，最終完成該井的全部施工任務(wù)。