煤層氣大位移水平井關(guān)鍵性技術(shù)研究

王利斌， 蔡旭梅， 湯 軍， 何萬通

(中煤浙江地質(zhì)集團(tuán)有限公司杭州分公司，杭州 310000)

0 概述

煤層氣是煤層本身自生自儲式的非常規(guī)天然氣，中國煤層氣資源儲量豐富，但中國的煤層氣具有低壓、低滲、低飽和煤層非均質(zhì)現(xiàn)象突出等地質(zhì)特征[1-4]，這就決定中國的煤層氣開發(fā)不能簡單的應(yīng)用常規(guī)直井，必須采用適合中國煤層氣開發(fā)的新技術(shù)[5]。煤層氣大位移水平井就能夠避免常規(guī)直井的局限性，單井產(chǎn)量高經(jīng)濟(jì)效益好[6]。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，煤層氣開發(fā)必然朝著以大位移水平井和多分支井開發(fā)為主。

本次研究主要對山西保德區(qū)塊進(jìn)行煤層氣大位移水平井關(guān)鍵性技術(shù)研究。承鉆的山西保德區(qū)塊煤層氣項(xiàng)目，實(shí)施研究12口水平井，整體設(shè)計(jì)水平段至少1 000m以上，最長是1 305m，井深最深是2 577m，水垂比最大為3.69。

1 托壓控制技術(shù)

拖壓控制技術(shù)主要從頂驅(qū)設(shè)備、水力振蕩器、鉆具組合優(yōu)化和鉆井液性能等幾個方面進(jìn)行綜合研究。

1.1 頂驅(qū)設(shè)備

由于水平井托壓嚴(yán)重，考慮到井下安全以及解決托壓問題，選擇頂驅(qū)設(shè)備。頂驅(qū)設(shè)備可從二層臺直接旋轉(zhuǎn)鉆桿[5]，由專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，實(shí)現(xiàn)鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液，上卸扣和倒劃眼、接立柱等多種鉆井操作[7]。使用頂驅(qū)這種操作方式，對比于方鉆桿鉆井具有節(jié)省接單根時間、倒劃眼防止卡鉆、下鉆劃眼、設(shè)備安全和下套管優(yōu)點(diǎn)。

保德區(qū)塊保-平30井二開未采用頂驅(qū)設(shè)備，保-平25井-29井等5口井，二開采用頂驅(qū)設(shè)備，同時調(diào)整鉆具組合，二開機(jī)械鉆速明顯提高，由之前未用頂驅(qū)設(shè)備的4m/h提高至8m/h，提高近一倍。

1.2 水力振蕩器

水力振蕩器產(chǎn)生的高頻壓力波能降低鉆具與井壁之間的摩阻，是解決水平井托壓嚴(yán)重的一種新的途徑[8]。水力振蕩器多與振蕩短節(jié)連接配合使用，從而在鉆柱中產(chǎn)生軸向運(yùn)動。由振蕩器產(chǎn)生的高頻壓力波中的每個壓力脈沖都會使振蕩短節(jié)延伸，從而通過降低井壁摩阻并在保德區(qū)塊水平井施工中施工中，我們對水力振蕩器在水平井中使用進(jìn)行分析。在工具入井使用之前，通過利用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件結(jié)合鉆井工程設(shè)計(jì)，可以計(jì)算出所需參數(shù)，確定最佳安放位置。在保-平30井施工中，計(jì)算得出最佳安放位置是在距鉆頭200m左右。

保-平30井三開采用水力振蕩器，共使用二次。

第一次入井深度850.0m，出井井深1 306.0m。本次鉆入井累計(jì)時間為79.5h，循環(huán)累計(jì)時間為41.5h。鉆具組合：215.9mmPDC+171.45mm螺桿(1.5°)+浮閥+MWD接頭+165.1mm無磁鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+127mm鉆桿+127mm加重鉆桿+127mm鉆桿+171.45mm水力振蕩器+127mm鉆桿串。本次鉆定向鉆進(jìn)過程中不托壓、工具面穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)憋泵情況，鉆時較快且穩(wěn)定，水力振蕩器和定向工具出井后檢查正常。

第二次入井深度1 306.00m，出井井深1 951.0m。本次鉆入井累計(jì)時間為73h，循環(huán)累計(jì)時間為56.0h。鉆具組合：215.9mmPDC+171.45mm螺桿(1.5°)+浮閥+MWD接頭+165.1mm無磁鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+127mm鉆桿+171.45mm水力振蕩器+127mm鉆桿串+127mm加重+127mm鉆桿串。復(fù)合鉆進(jìn)時，隨著水平段逐漸增長，扭矩由第一次的5～7 kN·m上升至8～10kN·m，但總體扭矩波動平穩(wěn)，定向鉆進(jìn)過程中不托壓，工具面穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)憋泵情況，鉆時較快且穩(wěn)定，水力振蕩器和定向工具出井后檢查正常。

與未使用水力振蕩器的水平井進(jìn)行對比，保-平14井和保-平15井與保-平30井屬同一構(gòu)造：鄂爾多斯盆地東部晉西撓褶帶北緣[9]。兩口井直線距離約8km，目的層均為煤層，因此有很強(qiáng)的對比性(表1)。

表1 鉆井參數(shù)對比Table 1 Drilling parameters comparison

從以上數(shù)據(jù)可以看出，相同井眼尺寸，保-平30井相比保-平14井提速99.5%；井眼尺寸不同，相比保-平15井提速73.9%，提速效果明顯。

2 鉆井液控制技術(shù)

由于其地層壓力較低，且易破碎垮塌，在水平井鉆進(jìn)時多采用低固相鉆井液，地層相對穩(wěn)定的的區(qū)塊使用清水鉆井液。使用清水鉆井液雖然對保護(hù)煤層比較好，但是對井壁的支撐和攜屑不行，容易出現(xiàn)井下復(fù)雜。

通過研究保德區(qū)塊前期資料，決定先用清水、氯化鉀泥漿體系、瓜膠體系1和瓜膠體系2進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，以達(dá)到保護(hù)儲層，防止煤層垮塌的目的。

為確保鉆井液體系在同一溫度環(huán)境，防止鉆井液因溫度變化發(fā)生參數(shù)變化，進(jìn)行簡易測溫工作。測溫資料表明，本井0～200m溫度增加幅度極小，超過200m后溫度緩慢增加，推測恒溫帶深度在150～200m。恒溫帶以下井溫隨深度增加而逐漸升高，且增加幅度變大。保德區(qū)塊煤層垂深普遍在450～750m，煤系段平均地溫梯度值為4.08℃/100m。因此井下煤層溫度與地面溫差別不是太大。

2020年6月18日至24日，在山西保德，進(jìn)行了常溫下不同介質(zhì)的浸泡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過7d的試驗(yàn)對比，可以看出，加入抑制劑的三種配方煤巖心未發(fā)現(xiàn)掉塊、狀態(tài)保存良好。采用清水鉆井液的，第1d附著較多氣泡，第2d逐漸減少，第3d氣泡消失，開始出現(xiàn)掉塊，第5d局部出現(xiàn)坍塌。采用氯化鉀泥漿體系，未發(fā)現(xiàn)掉塊，煤巖心保存良好；使用瓜膠體系的第7d，黏度開始下降(45s下降至38s)，煤巖心表面只附著一層油膜。瓜膠體系1對儲層保護(hù)較弱，瓜膠體系2達(dá)到保護(hù)儲層的目的。

通過室內(nèi)試驗(yàn),決定煤層氣水平井三開鉆井液先采用氯化鉀泥漿體系，再采用瓜膠體系2，進(jìn)行實(shí)鉆對比。

實(shí)鉆過程中保-平30井采用氯化鉀泥漿體系(水+KCl+液體潤滑劑+石墨+聚丙烯酰胺鉀鹽+80A-51+CMC)，其他水平井采用瓜膠體系2(水+5%氯化鉀+0.2%黃原膠+0.2%瓜爾膠+0.5%羧甲基淀粉+1%羥丙基淀粉+0.1%K-PAM +0.5% 80A-51+0.5%PAC141+ 2%多元聚合醇)(表3)。

表2 試驗(yàn)結(jié)果說明Table 2 Tested results explanation

表3 不同鉆井液體系參數(shù)對比Table 3 Different drilling fluid system parameters comparison

通過實(shí)鉆和室內(nèi)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)采用氯化鉀鉆井液體系，濾失量、泥餅、含砂量等都比較高，鉆井液難以控制，采用瓜膠體系2，鉆井液各類參數(shù)容易控制，鉆井液體系較穩(wěn)定。

2)采用瓜膠體系7d之后黏度開始下降(45s下降至38s)，煤巖心表面只附著一層油膜，能夠避免有害固相污染煤層通道，提高產(chǎn)氣量。

3)為防止煤層垮塌，煤層內(nèi)鉆進(jìn)鉆井液中要加入抑制劑。

為保證井壁穩(wěn)定和保護(hù)儲層建議使用瓜爾膠鉆井液體系：水+5%氯化鉀+0.2%黃原膠+0.2%瓜爾膠+0.5%羧甲基淀粉+1%羥丙基淀粉+0.1%K-PAM +0.5% 80A-51+0.5%PAC141+ 2%多元聚合醇。

3 地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

3.1 目的層分析

保德區(qū)塊主力煤層的頂面構(gòu)造整體呈現(xiàn)向西傾斜的單斜構(gòu)造，構(gòu)造平緩，北部斷裂不發(fā)育。根據(jù)鄰井測井?dāng)?shù)據(jù)，預(yù)測4+5號煤底面距離8+9號煤頂面垂深40～50m，4+5號煤與8+9號煤之間自上而下發(fā)育3層穩(wěn)定的1m左右的薄煤層，其中第3層薄煤層距離8+9號煤頂垂深7～10m，可以此作為8+9號煤的第一標(biāo)志層；8+9號煤內(nèi)部距離煤頂3～4m發(fā)育一層夾矸，自然伽馬值在100～120API，可以此作為8+9號煤的第二標(biāo)志層，作為判斷水平鉆進(jìn)過程中出頂?shù)囊罁?jù)；8+9號煤底下3m左右發(fā)育一層1～2m的炭質(zhì)泥巖，自然伽馬值在160API左右，可以作為判斷出底的依據(jù)。

該區(qū)塊作為地層對比卡取著陸點(diǎn)的標(biāo)志主要有劉家溝組底、石千峰組底、盒8段砂巖、3號煤、4+5號煤。通過計(jì)算得出，目的層沿設(shè)計(jì)軌跡方向地層傾角，為使鉆井軌跡以最佳角度入層，通過地層對比及時調(diào)整好井軌跡，避免進(jìn)層后軌跡的頻繁調(diào)整。

3.2 水平段層內(nèi)控制

以保-平30井為例，鉆進(jìn)至井深930m，垂深520.5m，井斜97.3°，伽馬值45API下降到30API為灰色砂巖。結(jié)合鄰井資料和電測曲線對比分析，返出巖屑為淺灰色細(xì)砂巖、淺灰色泥質(zhì)砂巖，錄井與定向人員根據(jù)地層對比判斷為軌跡從煤層中部5m直接斷至煤層頂以上2m位置砂巖。經(jīng)過降斜下探[10]，找到煤層后又下探至煤層8m，特征符合煤層8+9號煤。出層后各項(xiàng)資料統(tǒng)計(jì)：鉆時，無明顯變化，2～3min/m；全烴，自925m開始1.3%下降至0.4%；巖屑，見明顯淺灰色細(xì)砂巖；伽馬，無變化，維持在37API左右[11]。出層后地質(zhì)導(dǎo)向要求在保證井下安全的前提下井斜盡快降斜回追煤層，鉆至井深1 002m，垂深516m，井斜88.1°，巖屑見煤，回至目的層。地質(zhì)導(dǎo)向要求：縱向繼續(xù)下切探明煤層，尋找高氣測層、顯示好的儲層進(jìn)行施工。

定向回到煤層后各項(xiàng)資料統(tǒng)計(jì)：鉆時，由999m處6.75 min/m下降至1 002m處2.8min/m；全烴，由1 000m處0.14%上升至1 006m處1.3%；巖屑，見明顯煤樣；伽馬，49API上升至52API小幅度增加。

總體分析得出，頂出直接鉆遇砂巖，回追過程鉆遇泥巖煤層頂板在局部范圍巖性有變化，并非單一巖性[12-13]?；貙雍蟮刭|(zhì)導(dǎo)向在儲層局部橫向發(fā)育較穩(wěn)定，層內(nèi)存在泥質(zhì)夾層的情況下，根據(jù)實(shí)鉆及鄰井資料及時分析判斷，機(jī)動調(diào)整井斜，尋求氣測有利部位，使軌跡在顯示最好的中上位置橫向推進(jìn)，以90°～96°井斜鉆探目的層鉆至1 951m完鉆[14]。

4 結(jié)論

1)水平井托壓嚴(yán)重主要從頂驅(qū)設(shè)備、水力振蕩器和鉆井液性能等幾個方面進(jìn)行綜合考慮。頂驅(qū)設(shè)備和水力振蕩器的配合使用能夠有效解決水平井托壓嚴(yán)重問題。

2)為確保泥漿的性能能夠在保證井壁穩(wěn)定的條件下，保持潤滑性，減少鉆具與井壁的摩擦，減少鉆具托壓，鉆井液中加入潤滑劑。試驗(yàn)采用瓜膠體系7d之后黏度開始下降(45s下降至38s)，煤巖心表面只附著一層油膜，能夠避免有害固相污染煤層通道，提高產(chǎn)氣量。為保證井壁穩(wěn)定和保護(hù)儲層三開建議使用瓜爾膠泥漿體系：水+5%氯化鉀+0.2%黃原膠+0.2%瓜爾膠+0.5%羧甲基淀粉+1%羥丙基淀粉+0.1%K-PAM +0.5% 80A-51+0.5%PAC141+ 2%多元聚合醇。

3)及時、準(zhǔn)確標(biāo)定標(biāo)志層位置，實(shí)時預(yù)算到目的煤層垂深和地層傾角。實(shí)時預(yù)算著陸煤層位置和著陸井斜、方位。如果與設(shè)計(jì)出入過大，可提出修改，做出待鉆軌跡滿足著陸要求，實(shí)際導(dǎo)向時要在確認(rèn)煤層上部地層傾角后實(shí)時修正，確保準(zhǔn)確著陸。水平段鉆進(jìn)時，多根據(jù)巖性、物性、含氣性、電性4個方面分析是否出煤層，及時調(diào)整。