沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井工藝

摘 要

摘要：沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井施工中遇到了以下難題：①井壁穩(wěn)定性差，容易發(fā)生井下復(fù)雜事故；②煤層易受污染，儲(chǔ)層保護(hù)難度大；③巖屑攜帶不暢，井壁嚴(yán)重失穩(wěn)；④缺乏先進(jìn)適
摘要：沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井施工中遇到了以下難題：①井壁穩(wěn)定性差，容易發(fā)生井下復(fù)雜事故；②煤層易受污染，儲(chǔ)層保護(hù)難度大；③巖屑攜帶不暢，井壁嚴(yán)重失穩(wěn)；④缺乏先進(jìn)適用的鉆井工具及儀器。為解決上述問題，分析了多分支水平井井眼軌跡及分支結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、復(fù)合造穴、水平井與洞穴井連通、井眼軌跡控制、充氣欠平衡鉆井等關(guān)鍵技術(shù)的要點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)實(shí)施情況和效果，綜合研究后認(rèn)為：①沁水盆地3#煤層分布穩(wěn)定、煤層平坦、煤巖機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較高、煤層頂板穩(wěn)定，適于采用多分支水平井鉆井技術(shù)來開發(fā)煤層氣，而且利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)和裝備完全可以實(shí)施多分支水平井鉆井施工；②在該區(qū)實(shí)施充氣欠平衡鉆井應(yīng)盡量選取小的欠壓值，或者保持近平衡鉆進(jìn)，重點(diǎn)應(yīng)放在輔助清水鉆井液攜巖方面；③高階煤層比較脆且存在互相垂直的天然裂縫，極易引起井下垮塌、卡鉆等復(fù)雜事故，甚至造成井眼報(bào)廢，鉆進(jìn)過程中要密切關(guān)注鉆井參數(shù)的變化，及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，防止井下發(fā)生復(fù)雜事故；④儲(chǔ)層保護(hù)、攜帶煤屑和井壁穩(wěn)定仍是高階煤層多分支水平井亟待攻克的技術(shù)瓶頸。
關(guān)鍵詞：沁水盆地南部；高階煤層；煤層氣；多分支水平井；鉆井工藝技術(shù)；可行性；欠平衡鉆井；鉆井參數(shù)
    多分支水平井是開采煤層氣的重要手段[1～2]，它集成了煤層造洞穴、兩井對(duì)接、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、鉆水平分支井眼、欠平衡鉆井等多項(xiàng)先進(jìn)的鉆井技術(shù)[3]，與油氣井鉆井有著很大差異，具有技術(shù)含量高、施工風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。為此，中國(guó)石油華北油田公司在沁水盆地南部高階煤層煤層氣開發(fā)中進(jìn)行了多分支水平井鉆井先導(dǎo)試驗(yàn)。
1 多分支水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)
    由于高階煤層力學(xué)性質(zhì)較“脆”，而且煤層中發(fā)育相互垂直的面割理和端割理，鉆進(jìn)過程中極易發(fā)生井眼垮塌、卡鉆等復(fù)雜情況且處理難度較大，使主、分支井眼鉆進(jìn)延伸受到制約。目前，沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井施工中遇到的技術(shù)難點(diǎn)可概括為以下方面：
1.1 井壁穩(wěn)定性差，容易發(fā)生井下復(fù)雜事故
    由于高階煤層熱演化程度高，微孔隙發(fā)育，機(jī)械強(qiáng)度低，存在較高的剪切應(yīng)力作用[4]，因而煤層段井壁極不穩(wěn)定，在鉆完井過程中極易發(fā)生井壁坍塌、井漏、起鉆遇卡、下鉆遇阻，甚至埋掉井眼等井下復(fù)雜和事故。此外，由于高階煤層段井壁穩(wěn)定性差，劃眼過程中易形成新井眼，造成井眼重入困難。同時(shí)，由于煤層埋藏比較淺，井眼曲率較大，鉆壓難以滿足要求，鉆水平分支井眼時(shí)鉆柱易發(fā)生疲勞破壞，進(jìn)而導(dǎo)致井下復(fù)雜。在沁水盆地南部48口多分支水平井的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，只有14口施工順利，有14口發(fā)生垮塌埋鉆具事故，損失LWD、MWD、EMWD共11套、螺桿12套，埋井鉆具總長(zhǎng)逾3250m，可見煤層垮塌是沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井的主要風(fēng)險(xiǎn)之一。
1.2 煤層易受污染，儲(chǔ)層保護(hù)難度大
    高階煤層作為煤層氣的儲(chǔ)集層與常規(guī)儲(chǔ)層(砂巖、碳酸鹽巖)有很大差別，高階煤層具有高吸附性、低滲透性的特點(diǎn)，且易受壓縮、易破碎，鉆井過程中受傷害的概率遠(yuǎn)大于常規(guī)儲(chǔ)層。由于煤層氣賦存狀態(tài)的特殊性，造成了煤層傷害直接影響到煤層氣的解吸、擴(kuò)散、運(yùn)移及后期排采，因此儲(chǔ)層傷害是高階煤層鉆井過程中應(yīng)極力避免的一個(gè)問題。沁水盆地南部高階煤層的性質(zhì)決定了井眼穩(wěn)定和煤層保護(hù)之間的矛盾較常規(guī)油氣儲(chǔ)層更為突出，科學(xué)合理地處理井眼穩(wěn)定與煤層保護(hù)之間的矛盾，是沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井成敗的關(guān)鍵。
1.3 巖屑攜帶不暢，井壁嚴(yán)重失穩(wěn)
    迄今為止，在沁水盆地南部煤層氣開發(fā)中的多分支水平井均由一口洞穴直井(排采井)和一口水平分支井(工藝井)組成，排采井在其煤層處的洞穴作用主要是為了工藝井與其交匯時(shí)的連通提供便利，但其副作用是不利于攜帶巖屑。當(dāng)從排采井注氣幫助攜巖時(shí)，往往由于注氣的工藝及配套參數(shù)掌握不好而導(dǎo)致井底壓力波動(dòng)太大，造成煤層井壁嚴(yán)重失穩(wěn)。
1.4 缺乏先進(jìn)適用的鉆井工具及儀器
   煤層氣多分支水平井鉆井過程中涉及許多專用工具和儀器[5]，例如，用于兩井連通的電磁測(cè)量裝置、適合于煤層氣施工特點(diǎn)的地質(zhì)導(dǎo)向工具、高效減阻短接等，目前由于缺乏這些先進(jìn)適用的裝備和儀器，在一定程度上制約了煤層氣多分支水平井鉆井施工隊(duì)伍的國(guó)內(nèi)化進(jìn)程。
2 多分支水平井鉆井工藝技術(shù)
2.1 井眼軌跡及分支結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    多分支水平井分支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題[6]，需要從地質(zhì)工程、氣藏工程、鉆井工程和經(jīng)濟(jì)等各個(gè)方面綜合加以考慮。沁水盆地南部高階煤層多分支水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮的因素有：鉆機(jī)性能、井眼軌道的摩擦阻力(或扭矩)大小、鉆柱強(qiáng)度、現(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度等。
    通過對(duì)兩主支間夾角、主支與分支間的夾角以及分支條數(shù)、分支間距、分支長(zhǎng)度等相關(guān)參數(shù)的計(jì)算和優(yōu)化，在沁水盆地南部選用2主支8分支的井型結(jié)構(gòu)(圖1)，在保證控制面積的基礎(chǔ)上，降低施工難度，確保無控制盲區(qū)。
 

2.2 復(fù)合造穴技術(shù)
    目前，在國(guó)內(nèi)外煤層氣開采中，采用的裸眼洞穴造穴技術(shù)主要有3種：負(fù)壓造穴、水力射流造穴和機(jī)械工具造穴[7]。在綜合分析上述3種裸眼造穴技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合沁水盆地南部高階煤層特點(diǎn)，形成了“水力射流+機(jī)械工具”復(fù)合造穴技術(shù)。即首先應(yīng)用水力射流的原理對(duì)要造穴的井段進(jìn)行一次射流作業(yè)，或形成一定直徑的洞穴，或使井壁疏松，爾后下入機(jī)械造穴工具進(jìn)行工具造穴作業(yè)，完成鉆井設(shè)計(jì)中對(duì)洞穴的要求。
2.3 水平井與洞穴井連通技術(shù)
    由于洞穴直井(排采井)軌跡的漂移、裸眼洞穴直徑的限制，以及主井眼造斜段隨鉆監(jiān)測(cè)精度的影響，兩井連通是該類井施工的一個(gè)難點(diǎn)[8]。兩井連通過程中采用的技術(shù)為RMRS(Rotating Magnet Ranging Service)，目前RMRS技術(shù)在煤層氣鉆井、蒸汽輔助重力泄油、控制井噴等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其技術(shù)思路是：在直井裸眼洞穴中放入特制的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)定位系統(tǒng)，并與計(jì)算機(jī)連接。在主水平井中的鉆頭和馬達(dá)之間接入一根強(qiáng)磁短節(jié)來發(fā)射磁場(chǎng)，由直井中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)定位系統(tǒng)接收，并及時(shí)把信息傳送到計(jì)算機(jī)中，技術(shù)人員根據(jù)傳送的信息判定鉆頭鉆進(jìn)的方向與直井連通點(diǎn)位置的方位，由鉆井工程師根據(jù)隨鉆監(jiān)測(cè)的LWD不斷調(diào)整鉆頭方位、井眼軌跡，直至連通。在沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井施工過程中，研制配套了兩井連通設(shè)備，形成了兩井連通工藝技術(shù)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工。
2.4 井眼軌跡控制技術(shù)
    煤層氣多分支水平井定向控制的主要參數(shù)包括井斜角、方位角和垂深。水平井主井眼上直段重點(diǎn)是防斜打直[9]，沁水盆地煤層主要存在于石炭、二疊系，鉆開平原組后就進(jìn)入古老的石炭系、二疊系地層。在施工中鉆遇傾角較大的上直段地層時(shí)易發(fā)生井斜，在易斜段控制井眼軌跡的方式是：動(dòng)力鉆具+MWD。豐井眼造斜段一般使用“導(dǎo)向馬達(dá)+隨鉆測(cè)斜儀”的常用定向鉆具組合，水平主井眼及分支井眼一般采用“單彎螺桿鉆具+隨鉆測(cè)井儀+減阻器”的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合鉆進(jìn)，通過連續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)的方式，實(shí)現(xiàn)增斜、降斜，通過復(fù)合鉆進(jìn)的方式穩(wěn)斜，既達(dá)到連續(xù)鉆進(jìn)的目的，又可隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整井眼狀態(tài)，有效地提高了鉆井速度和軌跡控制精度。
    煤層氣水平井施工中通常把煤層上下巖性較穩(wěn)定的致密頂板泥巖、煤層夾矸作為判斷鉆頭上行、下行鉆進(jìn)、實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆頭是否在目標(biāo)層中的標(biāo)志層[10]。標(biāo)志層可通過鄰井或洞穴直井的測(cè)井或隨鉆跟蹤曲線來合理選取，同時(shí)結(jié)合鉆井過程中返出的巖屑、鉆時(shí)變化、綜合錄井等相關(guān)參數(shù)分析決策井眼軌跡控制。
2.5 欠平衡鉆井技術(shù)
    煤層是有機(jī)儲(chǔ)層，具有低地層壓力、低滲透率的特點(diǎn)，易受污染，儲(chǔ)層保護(hù)難度大。若鉆井液密度過高，在壓差作用下鉆井液進(jìn)入煤層，不僅會(huì)將煤層中裂縫撐開使煤層結(jié)構(gòu)破裂，而且會(huì)對(duì)煤層造成傷害，直接影響到煤層氣的解吸、擴(kuò)散、運(yùn)移及后期排采。根據(jù)對(duì)沁水盆地南部3#目標(biāo)煤層的鉆井實(shí)踐，在水平段的煤層中鉆進(jìn)時(shí)，以清水為介質(zhì)配合充氣欠平衡鉆井技術(shù)取得了較好效果。施工過程中常出現(xiàn)的問題是注氣壓力不穩(wěn)，出現(xiàn)周期性波動(dòng)，水平井井口返出液體量也伴隨出現(xiàn)周期性變化，甚至出現(xiàn)斷流憋堵。注氣壓力和井口返出量的周期性波動(dòng)，給鉆井工程施工帶來一系列問題：①加劇了井壁垮塌；②不能起到欠壓保護(hù)氣層的目的；③無法判斷井漏；④給氣測(cè)錄井、巖屑錄井帶來困難。因此，施工過程中需要完善充氣欠平衡鉆井設(shè)備，合理匹配注氣量、循環(huán)排量、注氣壓力，解決注氣壓力波動(dòng)大的問題，使井底壓力保持穩(wěn)定，在保證井壁穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)順利攜巖、降低環(huán)空壓力、防止井漏等目標(biāo)。
3 應(yīng)用實(shí)例及效果分析
    鄭平02-1、鄭平05-1、鄭試平4H和鄭試平7H井是沁水盆地南部斜坡高階煤層氣田鄭莊區(qū)塊上部署的多分支水平井，鉆井過程中，使用清水作為循環(huán)介質(zhì)，并從洞穴直井充氣幫助攜帶巖屑。鄭平02-1H井施工過程中，曾因煤層垮塌，造成環(huán)空循環(huán)通道堵塞，導(dǎo)致兩次卡鉆事故。L5分支井眼鉆進(jìn)過程中因井壁垮塌嚴(yán)重、井眼上下交錯(cuò)復(fù)雜，在M1主井眼上已經(jīng)沒有側(cè)鉆點(diǎn)，鉆出的分支又無法重入。反復(fù)論證后，改變?cè)O(shè)計(jì)，在洞穴前面的主井眼側(cè)鉆一個(gè)主分支，在該主分支上繼續(xù)側(cè)鉆分支井(圖2)。鄭平05-1H井在施工過程中發(fā)生卡鉆事故2起，損失時(shí)間419h，占總時(shí)間的16.51%；第二次卡鉆事故解除后，因821～894m井段煤層垮塌嚴(yán)重，井下情況復(fù)雜，被迫在760m開窗側(cè)鉆。
    在總結(jié)鄭平02-1、鄭平05-1井經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，不斷完善施工方案，盡量縮短連通段的煤層進(jìn)尺、連通位置上提、控制井眼軌跡在優(yōu)質(zhì)煤層穿行，以及優(yōu)化施工技術(shù)細(xì)節(jié)等應(yīng)對(duì)措施，成功鉆探了鄭試平4H井、鄭試平7H井。其中，鄭試平7H井完成2個(gè)主支和9個(gè)分支(圖3)，進(jìn)尺4738m，煤層進(jìn)尺4106m，煤層鉆遇率86.7%。
 

4 結(jié)論
    1) 沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊的鉆探實(shí)踐證明，3#煤層分布穩(wěn)定，煤層平坦，煤巖機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較高，煤層頂板穩(wěn)定，適于采用多分支水平井鉆井技術(shù)高效開發(fā)煤層氣，而且利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)和裝備完全可以實(shí)施多分支水平井鉆井施工。
    2) 沁水盆地南部高階煤層實(shí)施充氣欠平衡應(yīng)盡量選取小的欠壓值，或者保持近平衡鉆進(jìn)，其首要作用應(yīng)放在輔助清水鉆井液攜巖方面。
    3) 高階煤層比較脆且存在互相垂直的天然裂縫，在這種脆性煤層中鉆進(jìn)極易引起井下垮塌、卡鉆等復(fù)雜事故，甚至井眼報(bào)廢。鉆進(jìn)過程中要密切關(guān)注鉆井參數(shù)的變化，如返出口出現(xiàn)異常，扭矩變化較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，防止井下發(fā)生復(fù)雜事故。
4) 沁水盆地南部多分支水平井鉆井實(shí)踐結(jié)果表明，儲(chǔ)層保護(hù)、攜帶煤屑和井壁穩(wěn)定仍是煤層氣高階煤層多分支水平井技術(shù)亟待攻克的技術(shù)瓶頸。
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(本文作者：崔樹清 王風(fēng)銳 劉順良 周立春 余津文 中國(guó)石油華北油田公司)