沿煤層硬分層水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

李俊峰，張 強(qiáng)，李必智，徐堪社

(1.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤礦區(qū)軟硬分層的低滲煤層分布廣泛，約占全國61%的瓦斯突出礦井為該類煤層，山西晉城、陽泉、大同、長治等礦區(qū)均存在一定比例的軟硬分層的低滲煤層[1，2]。該類煤層具有煤體結(jié)構(gòu)破碎、滲透性差、瓦斯含量大、抽放效果差等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約煤炭安全高效生產(chǎn)[3，4]。趙莊礦區(qū)屬高瓦斯礦井，煤層富含的瓦斯量對井下抽采時空銜接造成了嚴(yán)重的影響[5]，根據(jù)取芯測試數(shù)據(jù)分析，該區(qū)原煤瓦斯含量大于20m3/t，實(shí)測井口敞放狀態(tài)下瓦斯含量穩(wěn)定在50～60m3/min，抽采價(jià)值非常明顯[6，7]。前期趙莊礦開發(fā)地面煤層氣直井壓裂產(chǎn)氣效果不明顯[8]，通過地質(zhì)構(gòu)造及煤儲層物性分析，嘗試試驗(yàn)了多口地面煤層氣水平井的開發(fā)，目前主要面臨軟-硬分層煤體結(jié)構(gòu)破碎、煤質(zhì)較軟、井壁穩(wěn)定性差，鉆井存在成孔難、下套管風(fēng)險(xiǎn)高等難題[9，10]。因此，針對趙莊礦區(qū)的開發(fā)急需研究新的地面煤層氣鉆井技術(shù)，為該類煤層結(jié)構(gòu)的煤層氣水平井規(guī)?；_采提供技術(shù)支撐。

1 地層特征及技術(shù)難點(diǎn)

趙莊礦區(qū)位于沁水東南部，總體走向?yàn)镹NE，傾向NW，傾角3°～10°，局域多為較發(fā)育斷層及陷落柱單斜構(gòu)造。主要發(fā)育煤層為山西組3#煤層，埋深150～990m，平均670m，煤層厚0.5～6.6m。鄰井取芯結(jié)果分析頂部煤層為黑色硬煤，具有亮光澤，煤質(zhì)硬度為3～4，視密度為1.40～1.46g/cm3，硬煤層厚度1.7～2m；煤層中部為0.1～0.3m夾矸；底部煤層為黑色碎軟低滲煤或粉煤層[11-13]，煤質(zhì)硬度為0.8 ～1.5，煤層厚度1～2m。

鉆井主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)：二開擴(kuò)眼(?311.2 mm孔徑)鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)高、施工周期長，不利于優(yōu)快鉆進(jìn)；復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造(斷層或陷落柱)及層間差異干擾，嚴(yán)重影響了造斜段安全著陸；受碎軟煤、粉煤及井間壓裂裂隙帶影響，水平段軌跡在夾矸至軟煤之間穿層易造成井壁坍塌，如圖1所示。

圖1 煤層硬分層水平鉆進(jìn)地層

2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

煤層氣常規(guī)水平井為三開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一開?444.5mm鉆頭鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖層以下10m范圍，下入?339.7mm套管封固地表層，為確保二開軌跡著陸的準(zhǔn)確性，先采用?215.9mm鉆頭施工井斜70°導(dǎo)眼，穩(wěn)斜揭露目的煤層，獲取上覆巖層埋深、巖性特征及隨鉆測量數(shù)據(jù)，同時采用電測技術(shù)測量更為準(zhǔn)確的地層參數(shù)，為井眼軌道優(yōu)化及水平段地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)提供依據(jù)，導(dǎo)眼施工結(jié)束注漿回填封孔。主眼側(cè)鉆選擇合適地層，采用?215.9mm鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)靶點(diǎn)，更換?311.2mm導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔，下入?244.5mm套管水泥封固地層至地面，水平段采用?215.9mm鉆頭精確控制軌跡沿窗體范圍鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深完鉆，下入?139.7mm套管不固井。

針對常規(guī)水平井?dāng)U孔耗時長、成孔風(fēng)險(xiǎn)及成本高等特點(diǎn)，采用優(yōu)化后二開井身結(jié)構(gòu)：一開采用?346.1mm鉆頭鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖層下10m范圍，下入?273.1mm套管封固表層；二開采用?215.9mm鉆頭實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”完井。為確保無導(dǎo)眼精準(zhǔn)著陸，采用幾何導(dǎo)向與地質(zhì)導(dǎo)向相結(jié)合的方式，水平段采用EMWD或MWD無線隨鉆測量儀器實(shí)時反饋數(shù)據(jù)，沿3#煤層硬分層鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深，下入?139.7mm生產(chǎn)套管，應(yīng)用管外封隔器分級箍固完井。優(yōu)化前后井身結(jié)構(gòu)對比，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后井身結(jié)構(gòu)對比

3 水平井關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無導(dǎo)眼精準(zhǔn)著陸技術(shù)

煤層氣水平井著陸遵循兩種原則：一是揭露目標(biāo)層后在煤層中延伸1～2m中完；二是在目標(biāo)層頂板上2～3m砂質(zhì)泥巖中完。著陸要求對目標(biāo)層垂深預(yù)判準(zhǔn)確，若實(shí)際鉆遇煤層垂深比預(yù)測的淺，則著陸井斜角小于理論值，著陸后軌跡鉆穿煤層底板泥巖，導(dǎo)致水平段追煤鉆進(jìn)軌跡狗腿度超標(biāo)、非煤段長，且著陸段泥巖與煤層膠結(jié)處易發(fā)生掉塊或坍塌，增加鉆井高風(fēng)險(xiǎn)；若實(shí)際垂深比預(yù)測的深，著陸井斜角大于理論值，導(dǎo)致靶前位移縮短可能出現(xiàn)脫靶，同時鉆具摩阻扭矩高、鉆速慢，增加了鉆進(jìn)施工的難度[14，15]。為了滿足目標(biāo)層埋深預(yù)測值與實(shí)際值誤差±2m、著陸井斜角與地層傾角誤差±3°要求，建立了煤層氣水平井精準(zhǔn)著陸工作流程，如圖3所示。

圖3 水平井精準(zhǔn)著陸控制工作流程

收集并篩選區(qū)域鄰井地質(zhì)、測井、錄井及鉆井資料，優(yōu)化區(qū)域等值線圖，精細(xì)對比層位劃分出標(biāo)志層，初步估算地層傾角，針對全方位特征分析建立地質(zhì)模型并完成井眼軌道設(shè)計(jì)。通過實(shí)鉆地層特性及地質(zhì)構(gòu)造對比，控制井眼軌跡按設(shè)計(jì)軌道鉆進(jìn)，同時利用隨鉆測量技術(shù)實(shí)時獲取地層相關(guān)參數(shù)，將實(shí)鉆軌跡繪制到優(yōu)化后等值線圖，計(jì)算標(biāo)志層及煤層埋深，綜合分析實(shí)鉆伽馬曲線、鉆時、巖屑及全烴等各參數(shù)的一致性，及時更新地質(zhì)模型及優(yōu)化井眼軌道，調(diào)整鉆井軌跡參數(shù)實(shí)現(xiàn)安全著陸。

常規(guī)等深推測法進(jìn)行地層對比，預(yù)測著陸點(diǎn)井深不考慮水平位移對區(qū)域煤層垂深的影響，但通常煤層構(gòu)造多存在微小褶皺變化，導(dǎo)致煤層走向存在地層局部上傾或下傾，標(biāo)志層與煤層傾角一致的可能性極小，等深推測法精確度較差[16，17]?；谏鲜龇椒ǎ鶕?jù)隨鉆測量的地質(zhì)數(shù)據(jù)及時對模型更新，通過實(shí)鉆標(biāo)志層距煤層頂板的厚度，引入帶有地層傾角變化的公式，準(zhǔn)確計(jì)算地層傾角和著陸井斜角，如圖4所示。

Ltanβ=H1+H2

(1)

Ltanα=H2

(2)

式(1)減式(2)得：

同理，上傾地層按照相同井斜角鉆進(jìn)至目標(biāo)煤層頂需要的垂直厚度為：

式中，H1為標(biāo)志層A點(diǎn)距煤層頂C點(diǎn)垂深差，m；H2為煤層頂距著陸點(diǎn)垂深差，m；α為局部地層傾角，(°)；β為著陸點(diǎn)軌跡切線沿水平方向夾角，(°)；L為井深A(yù)點(diǎn)至B點(diǎn)水平位移，m。

圖4 下傾和上傾地層傾角和著陸井斜角計(jì)算

3.2 水平段軌跡精細(xì)控制技術(shù)

水平段鉆進(jìn)遵循的原則是控制軌跡沿煤層硬分層平穩(wěn)鉆進(jìn)，但因地層局部可能出現(xiàn)斷層或陷落柱，鉆頭鉆遇煤層頂?shù)装寮俺鰧蝇F(xiàn)象時有發(fā)生，通常分析鉆時、伽馬曲線、氣測含量及巖性變化等特征。鉆時分析法主要分析鉆頭破巖鉆時快慢及曲線形態(tài)的平穩(wěn)性；伽馬曲線法主要分析方向伽馬曲線高低趨勢相對變化；氣測含量法為通過測量所揭露煤層及頂?shù)装宀煌瑓^(qū)域全烴含量變化，一般從煤層出頂表現(xiàn)為“緩升突降”，反之表現(xiàn)為“緩降緩升”特征；巖性特征法為利用鄰井對應(yīng)層段的巖性變化規(guī)律及儲層頂?shù)装鍘r性差異對比，判斷出頂?shù)装錥18]。通常僅根據(jù)鉆時、伽馬、氣測及巖性變化判斷出層已滿足不了軌跡控制需求，水平井地質(zhì)導(dǎo)向的難點(diǎn)是準(zhǔn)確判斷鉆頭在煤層中的相對位置，為了精確控制井眼軌跡沿煤層硬分層鉆進(jìn)，針對地層起伏較大、煤層厚度薄的儲層，近鉆頭測量技術(shù)[19]因測量儀器距離鉆頭僅1～2m零長，解決了常規(guī)地質(zhì)導(dǎo)向軌跡調(diào)整滯后及易鉆出煤層等諸多問題，可根據(jù)方向伽馬曲線變化準(zhǔn)確判斷煤層的上、下邊界，結(jié)合地質(zhì)導(dǎo)向軟件計(jì)算，分析鉆頭在煤層空間所處位置、地層走向趨勢及地層傾角局部變化情況，實(shí)時更新地質(zhì)模型、優(yōu)化軌跡控制參數(shù)來引導(dǎo)鉆頭追煤鉆進(jìn)，更大限度提高煤層的鉆遇率。XX水平段地質(zhì)導(dǎo)向軌跡如圖5所示，通過隨鉆測量數(shù)據(jù)分析當(dāng)前鉆頭垂深，精確控制實(shí)鉆軌跡在硬分層(煤層夾矸至煤層頂板)范圍鉆進(jìn)，局部由于煤層垂深預(yù)判的準(zhǔn)確性導(dǎo)致軌跡控制存在一定誤差，AB段軌跡著陸后下行靠近夾矸，采取增斜防止軌跡穿過夾矸進(jìn)入軟分層；BC段控制軌跡緊鄰煤層夾矸上行；CD段軌跡沿硬分層鉆進(jìn)，超前預(yù)判靠近煤層頂板，隨后調(diào)整軌跡下行鉆進(jìn)；DE段控制軌跡沿煤層硬分層范圍上行鉆進(jìn)，EF段控制軌跡平穩(wěn)沿目標(biāo)煤層鉆進(jìn)至完鉆井深。結(jié)合近鉆頭測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了精細(xì)控制軌跡沿煤層硬分層優(yōu)快鉆進(jìn)。

圖5 XX水平段地質(zhì)導(dǎo)向軌跡

3.3 防塌鉆井液技術(shù)

相比常規(guī)煤儲層，軟煤層室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試彈性模量小、泊松比大，表現(xiàn)為力學(xué)強(qiáng)度低、膠結(jié)疏松，鉆進(jìn)中易發(fā)生井壁坍塌[20]。因此對鉆井液的選擇及性能維護(hù)需要考慮以下問題：一是大孔徑長水平段受局部構(gòu)造影響，無法保障持續(xù)沿煤層硬分層追煤鉆進(jìn)，存在穿越煤層夾矸交替鉆遇軟硬分層，出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定；二是水平段為保護(hù)煤儲層要求，鉆井液密度不應(yīng)超過1.10g/cm3，但地層壓力是動態(tài)變化，需要維護(hù)鉆井液性能保持井底的液柱壓力近似動平衡，易出現(xiàn)地層壓力高于井底壓力發(fā)生井壁坍塌；三是遇電磁干擾區(qū)域或水平段延伸造成無線電磁波儀器滿足不了施工要求[21]，采用泥漿脈沖儀器實(shí)時傳輸隨鉆測量數(shù)據(jù)，鉆井液中添加的K+對信號傳輸及準(zhǔn)確性造成干擾；四是水平段追煤鉆進(jìn)無法實(shí)現(xiàn)整體井眼軌跡平滑過渡，為減小鉆具摩阻扭矩，鉆井液需具有良好的潤滑性。

綜上分析，考慮水平段以降低濾失、防塌護(hù)壁，堵漏裂隙、降摩減阻、凈化井眼為目的，通過實(shí)驗(yàn)室分析及現(xiàn)場試驗(yàn)，調(diào)整泥漿材料組合、密度、黏度、失水等性能，為保證鉆井液性能維持井壁穩(wěn)定、安全快速鉆進(jìn)，建立了一套適用于趙莊礦區(qū)水平段煤層硬分層鉆進(jìn)低密度低固相聚合物防塌鉆井液體系配方，即：“清水+膨潤土(6%～10%)+SPNH(0.5%～1%)+PAM(0.2%～0.3%)+Na-CMC(0.3%～0.5%)+GSP(1%～2%)+Na2CO3(0.3%)+NaOH(0.2%)”。其中，參數(shù)性能密度為1.05～1.10g/cm3，馬氏漏斗黏度為26～38s，控制濾失量為6～8mL，固相含量為3%～ 6%?，F(xiàn)場應(yīng)用表明鉆井液性能相對穩(wěn)定，保證了水平段連續(xù)施工7d內(nèi)井壁的穩(wěn)定性，同時最大程度降低了對煤儲層的傷害。

3.4 分級箍固完井技術(shù)

分級箍固完井技術(shù)的核心配件為井下免鉆塞注水泥工具，分別由固井注水泥器、地層隔離封隔器、回接筒和內(nèi)套系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)隔離底部儲層、建立上部注水泥循環(huán)通道、防止水泥漿污染水平段煤儲層。JRMZ型可打撈式免鉆塞注水泥完井工具集注水泥器、管外隔離封隔器和球座于一體，實(shí)現(xiàn)隔離層上部固井施工。具體操作流程：組合管串、管串入井、洗井、投球、坐封封隔器、打開循環(huán)孔、安裝套管水泥頭(內(nèi)裝關(guān)閉膠塞)、注水泥作業(yè)、釋放重力膠塞至碰壓、專用工具打撈芯筒及完井。

以XX井為例，組合管串結(jié)構(gòu)：“浮鞋+139.7mm套管串+注水泥完井工具(完井器+管外隔離封隔器+套管注水泥器)+?139.7 mm套管串”。施工步驟：先緩慢下放套管至設(shè)計(jì)井深，循環(huán)確保井眼環(huán)空通暢，投球釋放重力膠塞，分步憋壓7MPa、9MPa、11MPa、13MPa、16MPa、18MPa，分次穩(wěn)壓3min，施工泵入前置液8m3，注高密度水泥漿18.5m3，后置液1.5m3，頂替清水8.6m3，實(shí)際碰壓22MPa，穩(wěn)壓5min，控時3～6h下入專用打撈矛工具至遇阻，加鉆壓20～40kN，旋轉(zhuǎn)鉆具10～15圈，緩慢上提懸重增加至100kN，打撈出工作芯筒附件，侯凝48h測聲幅，達(dá)到固井質(zhì)量合格完井。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

應(yīng)用上述研究，通過趙莊ZZ-143-L1水平井現(xiàn)場驗(yàn)證，該井開孔采用?346.1mm鉆頭鉆進(jìn)至井深62.0m，完成?273.1mm表層套管下深60.9m；二開采用?215.9mm鉆頭鉆進(jìn)至著陸井深861.0m，水平段利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，根據(jù)隨鉆方位伽馬、儀器電信號、氣測錄井、鉆時記錄、巖屑對比，結(jié)合軟件計(jì)算綜合分析手段，精細(xì)控制水平段軌跡沿3#煤層硬分層鉆進(jìn)，首次實(shí)現(xiàn)了趙莊區(qū)塊煤層氣水平井二開結(jié)構(gòu)“一趟鉆”井深1506.0m完鉆，其中水平段長645.0m，煤層鉆遇率97.2%，水平段平均機(jī)械鉆速18.9m/h，采用分級箍固完井技術(shù)安全下入?139.7mm生產(chǎn)套管1502.8m，整個鉆完井技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，形成了適應(yīng)于趙莊礦區(qū)沿3#煤層硬分層水平井鉆井成套關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié) 論

1)形成了成套適用于煤層氣水平井沿煤層硬分層優(yōu)快鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，解決了趙莊礦區(qū)3#煤層鉆進(jìn)成孔難題，為該區(qū)域煤層氣開發(fā)提供了技術(shù)保障。

2)優(yōu)化煤層氣水平井二開井身結(jié)構(gòu)“一趟鉆”順利完井，首次開創(chuàng)了趙莊區(qū)塊新的鉆井工藝技術(shù)。

3)通過無導(dǎo)眼精準(zhǔn)著陸控制流程、水平段軌跡精細(xì)控制計(jì)算，綜合數(shù)據(jù)分析及模型更新，保障了煤層氣水平井沿煤層硬分層安全高效鉆進(jìn)，大幅縮短了鉆井周期，節(jié)省了鉆井成本。

4)全井長裸眼段低固相聚合物鉆井液體系保證了水平段沿3#煤層硬分層高效鉆進(jìn)及安全成孔。

5)水平井二開井身結(jié)構(gòu)配套分級箍固完井技術(shù)的應(yīng)用，提高鉆井效率的同時，節(jié)省了大量的技術(shù)套管管材成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。