刘明军，李 兵，黄 巍

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204)

近年来，利用水平井开发煤层气成为普遍趋势和重要手段[1-3]，煤层气水平井与直井和普通定向井相比，可有效导通煤储层裂隙，增加气、水导流能力，提高单井产量和煤层气采收率[4-5]，缩短投资回收周期，降低煤层气开采成本；有利于开发沟谷纵横地形条件复杂地区的煤层气；节约钻前工程和井场占地费用等。但目前煤层气水平井钻进时存在一些问题：造斜段钻进过程中为了确定目的煤层的顶底界面的深度，先施工200 m 左右的导眼[6]，以便于水平井造斜段的轨道设计，这属于无效工程量；松软煤层水平井井壁稳定性差，钻完井过程中极易发生井壁坍塌，引起卡钻、甚至埋钻等事故，成孔困难；为了解决井壁稳定性和储层污染问题，近年来，松软煤层水平井钻完井取得了丰硕的研究成果，但主要是针对钻井液防塌性的研究[7-8]，很少以清水为钻井液，对钻井参数的选择、钻具组合等方面进行系统性研究；水平段煤层钻遇率普遍比较低[9-11]，钻进时容易发生穿层进入煤层顶板或底板，甚至找不到煤层位置等情况。

针对煤层气水平井钻进时存在的上述问题，笔者提出在晋城成庄煤矿利用邻井钻探、测井等资料进行地层对比分析，筛选标志层，预测标志层、目的煤层的位置，通过钻井揭露情况验证预测结果，从而判识钻头与标志层、煤层的空间位置，更新轨道设计，最终达到无导眼一次准确入靶；从优化井身结构、优选钻进参数、防塌钻进技术等入手，总结出一套松软煤层成孔工艺技术；综合利用钻时录井、地质导向技术，使水平段轨迹处于煤层最佳部位，保证煤层钻遇率。该研究对沁水盆地南部提高煤层气水平井产能，节约钻井成本，降低投资风险具有重要借鉴作用。

1 地质特征

成庄矿区位于沁水盆地东南部晋城斜坡带，总体呈东高西低的构造特征，地层倾角3º～5°，以褶皱为主，断裂稀少，构造属于简单类型[12]。目的煤层3 号煤层分布稳定，煤厚3.75～ 7.30 m，平均6.31 m，夹矸0～5 层，煤层稳定，全井田可采，煤层底板等高线如图1 所示；煤层顶板为泥岩，底板主要为泥岩、粉砂岩和砂质泥岩[13]；煤体结构以碎粒结构–碎裂结构为主，在其底部普遍发育0.5 m左右的糜棱煤；储层压力1.77～4.30 MPa，平均3.03 MPa，为低压储层[14]；3 号煤层主要直接充水含水层为相对较弱的顶板砂岩裂隙含水层，水文地质条件属简单类型。综合以上分析，成庄煤矿煤层气赋存地质条件、煤层特征对水平井开发煤层气比较有利。

2 钻完井关键技术

2.1 井身结构优化

合理的井身结构设计是保证钻井安全的前提，同时也可降低钻井成本。勘探程度及钻井装备能力的不断提高及钻井工艺技术的发展，为完善井身结构，保证钻井施工安全和质量提供保障。一开主要封隔第四系上部易垮、易漏失地层，为二开的安全钻进创造条件。二开主要封隔煤层上部泥岩层段，套管下深距目标煤层垂距不低于2 m[15]，为三开的安全钻进创造条件，井身结构如图2 所示。

图1 成庄矿区3 号煤层底板等高线及井位部署Fig.1 Contours of No.3 coal seam floor and wellsite deployment

a.一开采用Φ311.15 mm 钻头钻入基岩10 m 稳定地层，下入Φ244.5 mm 表层套管，固井水泥返至地面。

b.二开采用Φ215.9 mm 钻头钻进至着陆点以上约20 m 处，下入Φ177.8 mm 技术套管，固井水泥返至地面。

c.三开采用Φ152.4 mm 钻头钻进，进入3 号煤层后，沿煤层钻进，最终与直井连通，连通后继续延伸200～300 m，筛管完井。

图2 井身结构示意Fig.2 Diagram of wellbore structure

2.2 水平井井眼轨道设计

井眼轨道设计一般由直井段、造斜段和水平段组成，轨道类型主要有直–增–平(单圆弧)、直–增–增–平(双圆弧)、直–增–稳–增–平(五段制) 3 种类型。

为了避免钻头进入松软煤层后狗腿度过大，造成井眼波动、对煤层扰动增大、井壁失稳，通过邻井资料分析和轨道计算，以SH-U2-2 井为例，采用五段制轨道类型，造斜曲率半径选择200 m，设计轨道起伏尽可能小，有利于井眼轨迹控制，使井眼轨迹更光滑。从205 m 处开始造斜，造斜率采用28°/hm，在3 号煤层着陆，水平段轨迹控制在煤层顶板以下2.5 m，从而使整个U 型井组轨道满足要求。SH-U2-2 井设计轨道数据见表1。

表1 SH-U2-2 井设计轨道数据Table 1 Designed trajectory data of well SH-U2-2

2.3 钻具组合优化

根据不同井段设计要求，采取相应的定向钻具组合，为保证煤层水平段成孔，采用柔性钻具组合进行防斜及时纠斜。

a.一开直井段Φ311.15 mm 钻头+双母接头(挡板)+Φ165 mm 无磁钻铤×1 根＋Φ165 mm 钻铤×3 根+4A11×410 转换接头+Φ127 mm 钻杆串。

b.二开直井段Φ215.9 钻头+双母接头(挡板)+Φ165 mm 无磁钻铤×1 根＋Φ165 mm 钻铤×3 根+Φ127 mm 钻杆串。

c.二开定向段Φ215.9 mm 牙轮钻头/PDC 钻头＋Φ165 mm 1.5°单弯螺杆钻具×1 根＋431×410 转换接头＋Φ127 mm 无磁承压钻杆×1 根＋MWD＋Φ127 mm 无磁承压钻杆×1 根＋411×4A10 转换接头＋Φ127 mm 钻杆串＋Φ127 mm 加重钻杆串＋Φ127 mm 钻杆串。

d.三开水平段Φ152.4 mm PDC 钻头＋Φ89 mm(1°～1.5°)单弯螺杆钻具×1 根＋331×310 转换接头＋Φ88.9 mm 无磁承压钻杆×1 根＋MWD＋Φ89 mm 钻杆串＋Φ89 mm 加重钻杆串。

2.4 钻进参数优选

结合以往该区域钻井经验综合分析，设计钻压、转速等参数，根据实际情况进行优选。

一开直井段 采用防斜吊打方式，高转速，小钻压，大排量。

二开直井段 高转速，小钻压，中排量，提高喷嘴压降，发挥水力破岩作用。

二开造斜段 低转速，高钻压，适当加大排量，确保井下安全。

三开水平段 钻遇煤层段时采用低钻压、低转速、低排量、低射流冲击力的“四低”参数钻进。下钻到底提前2 个单根开泵，小排量顶通后逐步增加至正常排量。

各开次钻进参数如表2 所示。

表2 水平井钻进参数Table 2 Drilling parameters of horizontal well

2.5 钻井液优选

根据区内地层情况，结合水平井储层保护要求，解决一开、二开施工面临漏失、坍塌、缩径等问题，进行钻井液设计。

a.一开直井段钻井液 为了防止黄土层、卵砾石层段发生坍塌、掉块等事故，使用大密度、高黏度的膨润土浆液，有利于维持井壁稳定、携带岩屑。

b.二开造斜段钻井液 准确判断煤层深度，二开不得揭露煤层，防止固井水泥浆污染储层，压裂煤层导致煤层坍塌。钻遇的地层以泥岩、砂质泥岩居多，缩径严重，要求钻井液具有良好的抑制性和降失水性，以防止大段泥岩层井壁吸水膨胀而引起井壁失稳。

c.三开水平段清水 为了达到储层保护和安全钻进的目的，在揭露煤层后，排掉井内泥浆，换为清水钻进。

现场采用四级固控，钻进过程钻井液性能稳定，确保性能参数维持在合理范围，取得了较好的储层保护和井壁稳定成效。

钻井液性能见表3。

表3 钻井液性能Table 3 Drilling fluid performance

2.6 水平段防塌钻进技术

对于松软煤层，兼顾井壁稳定与储层保护，选择清水为钻井液时，必须从钻具组合、钻进参数等方面考虑成孔问题。

三开水平段，采用柔性钻具组合，复合钻进时，缓慢转动顶驱钻进，密切观察扭矩表变化，若扭矩太大则不能继续转动转盘，采用螺杆钻具滑动钻进。对井底数据准确预测，及时调整钻进参数和井眼轨道，保证井眼轨迹光滑，井内摩阻小。每钻进30～50 m 进行短起下一次，必要时起过复杂井段或起至套管鞋以上。

2.7 水平井筛管完井

为了解决松软煤层水平井井壁坍塌、煤粉堵塞流道问题，筛管完井是一种较好的水平井完井方式，目前国内主要有玻璃钢筛管、金属筛管、PE 筛管3 种。考虑后期机械化采煤作业的安全，煤层水平段一般不采用金属材质的筛管。由于PE 筛管具有较高的耐压强度、安全系数和环刚度以及良好的抗应力开裂能力，目前主要采用PE 筛管通过钻具内孔泵送至目的煤层[16-18]。

研究区煤层松软，以碎粒结构–碎裂结构煤为主，水平井完钻、洗井后，下入Φ89 mm 内平钻杆，借助筛管助推器，以泵送方式，在水平井段下入外径50.8 mm、壁厚4.6 mm 的PE 连续筛管。3 口水平井煤层段总进尺1 604.72 m，煤层段下入PE 筛管总长度1 366 m，详见表4，为后期煤层气产量提供了有利保障。

表4 煤层段进尺和筛管下深Table 4 Coal seam footage and depth of inserted screen pipe

3 地质导向技术

3.1 标志层选取

标志层应该具有分布范围广、层位稳定、岩性特征明显、易于鉴别的特点。

对邻井测井、钻探资料进行地层对比分析，发现二叠系上石盒子组下部有层石英砂岩K10，层厚约15 m，距3 号煤层大约224 m，浅灰色，性脆，含大量石英，严重破碎。二叠系下石盒子组中下部有层细粒砂岩K8，层厚为5 m，距3 号煤层大约84 m，为灰色细粒岩。2 号煤层层厚约0.3 m，上距K8约13 m，下距3 号煤层顶板约71 m。K10、K8作为主要标志层，2 号煤层作为辅助标志层，详见图3。

图3 成庄煤矿标志层层位关系柱状Fig.3 Horizon relationship of three marker beds in Chengzhuang coal mine

3.2 造斜段地质导向

根据钻井揭露的地层信息验证K10、K8、2 号煤层为标志层，利用钻时录井资料、钻进参数、MWD参数及煤层底板等高线图，及时判断钻头位置距离目的煤层的空间位置，通过及时调整井眼轨迹，保证入窗井斜角与地层倾角适配，最后顺利实现无导眼直接一次着陆入窗SH-U2-2A 点，也有利于水平段的井眼轨迹控制。

钻头进入K10石英砂岩，在井深218.29 m 处开始造斜，采用五段制轨道类型，造斜曲率半径选择200 m，于井深516 m 钻入煤层，快速安全着陆。

3.3 水平段导向技术

利用水平井开发煤层气主要目的是提高单井产量、煤层气采收率，如何提高煤层钻遇率，进一步降低投资风险，是煤层气开发业界长期探索的问题。本次水平段施工采用地质导向与几何导向相结合模式，降低钻井风险、增加煤层钻遇率。

几何导向使实钻轨迹尽量靠近设计轨道，以保证准确钻入设计靶区。为保证井眼轨迹光滑度及煤层钻遇率，设计合适的入窗井斜角。利用煤层底板等高线图，加密等高线间距到1 m，甚至到0.5 m，沿着水平井轨道设计水平投影方向，切剖面，使轨道设计与实钻轨迹位置在空间上一目了然。

地质导向是用近钻头地质、工程参数测量和随钻控制手段保证实际井眼穿过煤层并取得最佳位置。通过钻时录井、气测录井、钻进参数录井、EM-MWD 工具跟踪实时监测。利用平均伽马曲线(GR)初步判断钻头进出煤层情况，根据高边伽马(HiGm)、低边伽马(LoGm)进一步判断煤层的顶底板，实时监测曲线如图4 所示。研究区内煤层的伽马值一般在40 API 以下，钻进在720 m 附近时，低边伽马值63 API 大于高边伽马值，随后低边伽马值迅速降低，而高边伽马值升高至73 API，大于低边伽马值，随井深增加高低边伽马值都恢复至煤层内正常值，结合平均伽马值，说明轨迹从夹矸上部钻穿薄层夹矸。

图4 EM-MWD 实时监测伽马曲线Fig.4 Gamma curves of EM-MWD real-time monitoring

4 加密U 型水平井应用

4.1 井位部署优化

根据成庄煤矿采掘生产计划，结合现有煤层气生产井的排采影响范围、水平井排采可以覆盖的面积以及井间防碰等情况，进行井位部署(图1)。

本次U 型水平井是由1 口洞穴直井(SH-U2-4)和3口定向水平井(SH-U2-1、SH-U2-2、SH-U2-3)组成，累计进尺3 590.97 m，累计煤层进尺1 604.72 m，水平井过洞穴后延伸200～300 m(图5)，以增加控制面积。为提高排采效果，选择煤层下倾区域布置水平井组，即形成多个U 型井组。

图5 加密U 型井组实钻轨迹三维示意Fig.5 Three-dimensional diagram of drilling trajectory of U-shaped well

4.2 水平段井眼轨迹控制

以SH-U2-2 井为例，于井深516 m 入煤着陆，着陆点“SH-U2-2A”，进入水平段，于井深882.00 m处与排采直井SH-U2-4 连通，连通后，继续延伸177.14 m。为了保证井眼轨迹平滑，对井眼轨迹进行精细化控制，在着陆点“SH-U2-2A”与连通点“SH-U2-2 洞穴”间，增加“SH-U2-2B”作为控制点，使井眼轨迹平滑，井眼轨迹和煤层的关系如图6 所示。根据3 号煤层底板高线图计算煤层倾角为2.29°，采用地质导向与几何导向相结合井眼轨迹控制技术，最终使实钻轨迹高度耦合设计轨道，井眼轨迹控制在靶区范围内，煤层钻遇率达到了100%。

5 结论

a.在晋城成庄煤矿充分利用邻井资料和钻时、岩屑录井资料及随钻测量系统，选择K10、K8、2 号煤层作为标志层，实现水平井无导眼安全、高效着陆入靶，缩短了单井建井周期，降低了煤层气水平井施工成本。

图6 实钻轨迹与煤层关系Fig.6 The relationship between borehole trajectory and coal seam

b.采用柔性钻具组合、选择“四低”钻进参数、短起下钻、小排量逐渐到正常排量的钻进方式，结合井眼轨迹精细化控制技术，实现松软煤层清水钻进防止井壁失稳坍塌。

c.采用地质导向与几何导向相结合模式，可实现100%的煤层钻遇率，提高单井产气量和煤层气采收率。

d.水平段采用PE 筛管完井，可有效防止煤层段井壁坍塌堵塞产气通道。但下入工具有待进一步改进与完善，以便快速精准下入筛管，使其更具有推广应用价值。