煤层气水平连通井钻井技术

2016-12-17郑毅

长江大学学报(自科版) 2016年35期

关键词：井段井眼煤层气

郑毅

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部, 北京101149)

煤层气水平连通井钻井技术

郑毅

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部, 北京101149)

进一步探索山西寿阳地区水平井开采煤层气效果，并且结合七元矿区，为今后开采煤矿解决瓦斯问题。中联公司在该区域作业了多口“U”型水平井，结合当地地质情况，对轨迹设计、井身结构、连通技术、水平段轨迹控制、钻井液等关键技术进行了研究。结合QYN1-02H-QYN1-02V井组的作业情况，应用了钻井液脉冲传输模式、无下扶正器马达、新型可降解聚合物钻井液等最新技术，并取得了成功。该钻井技术结合了地质导向模拟与预测技术，为今后在该区域开发煤层气的水平井提高井眼轨迹控制质量、保护煤储层提供参考。

煤层气；水平井；设计；地质导向；连通技术

为了进一步探索寿阳地区水平井开采煤层气的效果，中联公司决定在七元矿区实施多口水平连通井。采用了两井对接、随钻地质导向、长水平段、随钻伽马等多项世界先进钻井技术。以寿阳地区的多口“U”型水平井井组为例，开发15号煤层，该煤层厚度平均3.77m，含气量7.87～14.57m3/t，平均 11.94 m3/t，埋深大部分小于 800m，区域整体资源条件较为优秀。因此实施煤层气水平连通井的设计与施工技术具有重要的经济效益。

1 研究背景

1.1 地理位置

七元矿区地处山西黄土高原东部，介于太原东山和太行山脉北段之间的过渡地带，地势为南北高、东西低，最高点为北部方山主峰，海拔 1492.30m，最低点为南部桃河上游的晓庄附近，海拔 930m，最大高差 560m，但一般高差不大，均在百米之内。区内中南部多被新生界的黄土所覆盖，全区为低山、丘陵地貌，风化严重，黄土仅残存山巅或山坡，植被稀少。黄土冲沟发育，多呈 U 字型或 V 字型，树枝状展布。

1.2 地层情况

七元矿区钻遇的地层为新生界、古生界，地层分层数据见表1。

表1 地层分层数据表

钻遇地层岩性描述(主要介绍含煤层)：

1)下二叠统山西组是该区主要含煤地层之一，连续沉积于太原组之上。地层厚度37.66～65.20m，平均 51.29m。主要由灰黑色泥岩、砂质泥岩、灰白色中细粒砂岩及煤组成，偶见薄层迭锥状灰岩。该组发育 2～3层砂岩，底部灰白色细中粒岩屑石英砂岩，与太原组分界，以细中粒砂岩为主，有时与 6号煤顶板砂岩相连，形成厚的砂体。与太原组呈整合接触。

2)上石炭统太原组是该区主要含煤地层之一，连续沉积于本溪组之上。地层厚度105～148m。主要由灰白色、灰色及灰黑色的中细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤和3层石灰岩组成，石灰岩层位稳定，为全区良好标志层。底部砂岩为太原组与本溪组地层分界线，为灰白色细粒砂岩或中粗粒砂岩，有时相变为粉砂岩，成分以石英为主含岩屑，胶结物为钙质及菱铁质，平均厚度 7.43m。

1.3 构造特征

七元煤田的构造比较简单，该煤田紧靠北北东走向的沁水拗陷北端轴部，含煤岩系呈一近东西走向、向南倾斜的单斜构造，倾角 5～12°，在此基础上发育了次一级的波幅小而宽缓的波状起伏，三维地震解释出一些陷落柱和一些落差较小的断层，未发现岩浆岩。

1.4 煤层物性特征

七元矿区煤田含煤地层有太原组，山西组及下石盒子组，下石盒子组煤层不可采，无经济价值，太原组及山西组为主要含煤地层，其中15#煤为全区普遍发育的稳定可采煤层，区域作业的井主要开发15#煤的煤层气。

煤田15井煤层颜色为黑-灰黑色，金刚光泽-似金属光泽，条痕黑-灰黑色。均一状及条带状结构，层状构造，参差状及阶梯状断口。煤岩成分以亮煤为主，亮煤成分约占60%，可见细条状镜煤条带。内生裂隙较发育，煤层偶见黄铁矿结核及薄膜。各煤层真密度在1.40～1.66t/m3之间，视密度在1.28～1.69t/m3之间，自上而下有逐渐增大的趋势。

2 关键技术研究

2.1 井身结构设计

图1 QYN1-02H井与QYN1-02V井井组井身结构示意图

井身结构设计要求先遵循钻井设计的基本原则，依据已知的基础数据和资料，设计套管的下入深度和层次，确定出井身结构。

1)设计主要依据地层压力以及地质设计书，同时对邻井钻井资料进行了分析。

2)井身结构设计原则。在安全的前提下，保证同一井段地层压力系统平衡，避免出现喷漏在同一裸眼中；同时也为了保证安全钻进，用套管封住复杂井段地层，如易漏、易垮塌、易缩径和易卡钻地层；确保煤层井壁稳定，完成煤层进尺目标。

3)保护煤层、取全取准地质资料。同时也有效地保护煤层，尽可能使目的层不受钻井液污染损害。

4)考虑到与常规水平井结构设计不同，“U”型水平连通井还需考虑直井与水平井的连通，并且还要考虑后期的排水采气以及煤层水平段井壁稳定和煤层水平井段下套管固井等因素[1]。

结合上述因素，确定七元矿区QYN1-02H井与QYN1-02V井井组水平连通井的井身结构如图1所示。

2.2 井眼轨迹设计与控制技术

1)井眼轨迹设计井眼轨迹设计主要应从3个方面入手：一是井眼轨迹控制，为了确保两井准确连通，考虑到煤层气井埋藏较浅的因素，可供控制的井段较短，因此必须要以合理控制井眼轨迹为主；二是该区域井设计，主要采用中曲率半径水平井，造斜井段需要高造斜率马达，保证着陆井段可以顺利进入主力煤层气层；三是水平井段加压，为了更好地减小摩阻，确保井眼轨迹光滑，整个井眼可采用直-增-水三段制轨道。

2)井眼轨迹控制中曲率半径水平井主要控制点在于二开着落井段，同时考虑到自然造斜调整轨迹设计外，还要考虑到煤矿未来的开采，要将整个水平井段控制在煤层巷道里面，以防止后期开采煤的时候挖掘到套管，产生安全风险。水平井段还需要考虑煤层段的钻遇率，这样可以提高后期的煤层气的产量。由于以上原因，结合以前油田开发防碰轨迹设计来考虑井的位置。这种防碰设计必须考虑到是否具备一定的测斜能力。

轨迹计算方法使用的是数据组，也称测点，它是由井斜角、方位角和测深所组成。测斜采用MWD传感器，井深测量则采用游车传感器或钻杆长度数据。目前有许多测斜模型，每种模型对测点之间的形状进行了不同的假定。除切线法外，多数模型获得的结果基本一致。最常用的井斜计算方法是最小曲率法，这种方法是假定两测点之间为连续曲线，各点的井眼曲线与实测井斜角相切[2]。

2.3 钻井液体系设计

根据地层岩性、井底温度和压力确定各井段钻井液体系，以达到防塌、防漏、防卡及安全、快速钻进和保护好煤层、保护好环境的要求，在满足这些要求的前提下尽量降低钻井液费用。各井段钻井液体系以满足安全、快速钻进为出发点；同时兼顾保护储层等因素，打开储层的钻井液体系选择以保护好储层为主要出发点。各井段钻井液体系： ∅311.2mm 井段，钻井水+膨润土浆钻进，适时替稠膨润土浆携砂。∅215.9mm 井段，采用钻井水钻水泥塞后，用聚合物钻井液钻进至着陆。∅152.4mm 井段，采用钻井水钻水泥塞后，进入新地层前替入活性水钻井液，三开水平段采取该体系钻井液钻进至完钻。

三开水平段若清水无法正常施工，则备选可降解聚合物钻井液(DPD钻井液)，采用特殊聚合物降低水相活度，阻止或延缓水相与煤岩相互作用达到稳定煤层井壁作用，下筛管后采用活性自由基降解技术，解除聚合物对煤层污染。

3 钻井技术实施

在该矿区进行了多口水平连通井作业，从轨迹设计、钻具组合、轨迹控制、连通技术、钻井液实施等方面，结合了一些新工艺，初步形成了该区域煤层气水平连通井设计与施工技术。下面以QYN1-02H为例，详细阐述钻井施工技术。

3.1 轨迹设计

QYN1-02H井轨迹设计如表2所示，靶点A为着陆点，靶点B为QYN1-02V直井煤层位置点。

表2 QYN1-02H设计轨迹数据表

3.2 钻具组合及轨迹控制

一开直井段(0～58.5m)钻具组合：∅311.2mm3A钻头×0.30m+∅177.8mm×36.36m钻铤(DC)×4根+∅127mm×36.98m加重钻杆(HWDP)×4根。控制钻压,直井段防斜打直。

二开直井段(58.5～450m)钻具组合：∅215.9mmPDC钻头×0.28m+∅172mm(1.25°)单弯双扶螺杆+∅172mm无磁钻铤(NMDC)×1根+∅165mmDC×6根+∅127.0mmHWDP×14根+∅127.0mm钻杆(DP)。同样考虑直井段防斜打直，井斜角控制在1°以内。钻井参数:钻压40～60kN，排量30L/s，泵压6.0MPa。

二开造斜段(450～947.25m)钻具组合：∅215.9mm 牙轮钻头+∅172mm Motor(1.5°) ×6.84m +∅172mm定向接头(UBHO)×0.89m+∅177mmNMDC×9.07m+∅127mm方钻杆(HDP)+∅127mmDP。

通过邻井三维地震数据和直井实钻15#煤层位置，推算出着陆点定在820m，垂深687m左右。实际作业中，钻进至820m，井斜角85°，垂深685.5m，没有遇见煤层，继续稳斜找煤层钻进，直到钻进到垂深699m钻遇煤层，继续钻进2m完全确定是15#煤层后，斜深920m完钻。地层倾角不规则，局部达到5°以上，通过实钻数据完善了该区域15#煤的地质资料，为水平段钻井做好基础。

三开水平段(920～1654m)钻具组合：∅152.4mmPDC钻头×0.25m+∅120mmMotor×6.81m+∅120mmUBHO×0.66m+∅120mmNMDC×9.82m+∅89mmDP×1200m+∅89mmHDP+∅89mmDP。水平段采用多项新技术：首先是无下扶正器马达，以防止煤层水平段卡钻；其次采用泥浆脉冲发射信号的MWD(随钻测量)与随钻伽马，弥补了以往在煤层使用电磁波MWD信号差的缺陷，可以使轨迹始终控制在主力煤层；最后结合地质导向，顺利完钻，完钻井深1654m。

3.3 地质导向

地质导向在煤层气水平井作业中至关重要，结合钻时、岩屑、气测、伽马曲线等来确定轨迹的走向，达到主力煤层钻遇率。该区域15#煤层较厚，约有4.2m左右，但中间夹矸较厚，要尽量少钻夹矸。区域煤层倾角变化大，地质构造复杂，根据已钻井的情况，倾角变化很大，且煤层厚度也可能存在一定变化，给定向钻进、调整造成很大的困难。通过地质导向的模拟与预测，使水平井段轨迹在主力煤层钻遇率达到100%(图2)。

图2 QYN1-02H井在煤层实钻轨迹

3.4 两井连通技术

近钻头电磁测距法是两井连通中常用的技术，并且已得到广泛的应用。该技术的硬件构成有：强磁短节和测量相对距离的碳管，并且该技术要与MWD和马达等配合使用[3]。

在连通作业中，首先在QYN1-02V直井中下入探管，同时在水平段钻具组合中，钻头与马达的连接处加上强磁接头，在钻头处连接一个永磁短节。为了便于水平井眼顺利穿过，采气的直井要先于水平井施工。要解决两井连通中直井轨迹漂移的问题，应注意直井轨迹需要使用多点测量，这样可以确定裸眼洞穴点的坐标和井深位置。接近洞穴时，为达到连通目的，可利用轨迹计算软件进行柱面法扫描，并结合三维可视图观察接近洞穴的变化趋势。

3.5 井壁稳定控制技术及钻井液应用

1)井壁稳定技术在确保两井顺利连通的前提下，要做到2个方面：一是为减少起下钻时与煤层井壁碰撞及挂拉，钻具的选择应尽量以结构简单的组合为主，并且还要尽量缩短煤层水平段钻井时间以及钻井液对煤层的浸泡时间；二是为了保持煤层井壁的稳定，应在造斜点以下及水平段部分使用了井下马达的情况下，要结合地质情况，尽可能使井眼轨迹处于相对稳定的煤层中。

2)钻井液的应用在实际作业中，一开、二开延续了设计的聚合物钻井液。三开水平段钻进，首先使用活性水钻井液(清水+3%～5%KCl)。钻井液密度1.08g/cm3，漏斗黏度27s，钻至井深960m时发现进尺和岩屑返出量不成比例，分析判断为井下垮塌严重，且有掉块逐渐增加的趋势，掉块大小2～3cm；钻井液密度的调整由1.08g/cm3提高至1.12g/cm3，黏度没有变化，岩屑返出量基本趋于正常，但掉块依然没有减少，造成钻具上提下放遇阻严重，当钻至井深1022m时上提钻具遇阻，提至40t左右，活动正常，钻至井深1045m，因为井下掉块较多，准备短起，短起过程中，遇阻卡钻，开泵蹩泵，上提悬重至45t左右未能起出，最后启动顶驱上提下放倒划眼解卡。活性水钻进了125m后决定使用备用方案，使用 DPD钻井液(清水+0.1%纯碱+0.5%～0.8%可降解稠化剂)，钻井液密度1.02～1.07g/cm3，漏斗黏度40s左右，最终顺利完钻。

后期下PE管起钻杆至井口，洗井，用2倍井筒体积的清水替出井内钻井液；然后替入破胶液，关井24h，蹩压5MPa；最后用清水替出破胶液。