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井壁穩定性差，容易發生井下復雜事故；②煤層易受污染，儲層保護難度大；③巖屑攜帶不暢，井壁嚴重失穩；④缺乏先進適
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井壁穩定性差，容易發生井下復雜事故；②煤層易受污染，儲層保護難度大；③巖屑攜帶不暢，井壁嚴重失穩；④缺乏先進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構優化設計、復合造穴、水平井與洞穴井連通、井眼軌跡控制、充氣欠平衡鉆井等關鍵技術的要點，結合現場先導試驗實施情況和效果，綜合研究后認為：①沁水盆地3#煤層分布穩定、煤層平坦、煤巖機械強度相對較高、煤層頂板穩定，適于采用多分支水平井鉆井技術來開發煤層氣，而且利用國內現有技術和裝備完全可以實施多分支水平井鉆井施工；②在該區實施充氣欠平衡鉆井應盡量選取小的欠壓值，或者保持近平衡鉆進，重點應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、卡鉆等復雜事故，甚至造成井眼報廢，鉆進過程中要密切關注鉆井參數的變化，及時調整鉆井參數，防止井下發生復雜事故；④儲層保護、攜帶煤屑和井壁穩定仍是高階煤層多分支水平井亟待攻克的技術瓶頸。
關鍵詞：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；可行性；欠平衡鉆井；鉆井參數
    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、兩井對接、隨鉆地質導向、鉆水平分支井眼、欠平衡鉆井等多項先進的鉆井技術[3]，與油氣井鉆井有著很大差異，具有技術含量高、施工風險大等特點。為此，中國石油華北油田公司在沁水盆地南部高階煤層煤層氣開發中進行了多分支水平井鉆井先導試驗。
1 多分支水平井鉆井技術難點
    由于高階煤層力學性質較“脆”，而且煤層中發育相互垂直的面割理和端割理，鉆進過程中極易發生井眼垮塌、卡鉆等復雜情況且處理難度較大，使主、分支井眼鉆進延伸受到制約。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難點可概括為以下方面：
1.1 井壁穩定性差，容易發生井下復雜事故
    由于高階煤層熱演化程度高，微孔隙發育，機械強度低，存在較高的剪切應力作用[4]，因而煤層段井壁極不穩定，在鉆完井過程中極易發生井壁坍塌、井漏、起鉆遇卡、下鉆遇阻，甚至埋掉井眼等井下復雜和事故。此外，由于高階煤層段井壁穩定性差，劃眼過程中易形成新井眼，造成井眼重入困難。同時，由于煤層埋藏比較淺，井眼曲率較大，鉆壓難以滿足要求，鉆水平分支井眼時鉆柱易發生疲勞破壞，進而導致井下復雜。在沁水盆地南部48口多分支水平井的統計數據中，只有14口施工順利，有14口發生垮塌埋鉆具事故，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險之一。
1.2 煤層易受污染，儲層保護難度大
    高階煤層作為煤層氣的儲集層與常規儲層(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，且易受壓縮、易破碎，鉆井過程中受傷害的概率遠大于常規儲層。由于煤層氣賦存狀態的特殊性，造成了煤層傷害直接影響到煤層氣的解吸、擴散、運移及后期排采，因此儲層傷害是高階煤層鉆井過程中應極力避免的一個問題。沁水盆地南部高階煤層的性質決定了井眼穩定和煤層保護之間的矛盾較常規油氣儲層更為突出，科學合理地處理井眼穩定與煤層保護之間的矛盾，是沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井成敗的關鍵。
1.3 巖屑攜帶不暢，井壁嚴重失穩
    迄今為止，在沁水盆地南部煤層氣開發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的連通提供便利，但其副作用是不利于攜帶巖屑。當從排采井注氣幫助攜巖時，往往由于注氣的工藝及配套參數掌握不好而導致井底壓力波動太大，造成煤層井壁嚴重失穩。
1.4 缺乏先進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量裝置、適合于煤層氣施工特點的地質導向工具、高效減阻短接等，目前由于缺乏這些先進適用的裝備和儀器，在一定程度上制約了煤層氣多分支水平井鉆井施工隊伍的國內化進程。
2 多分支水平井鉆井工藝技術
2.1 井眼軌跡及分支結構優化設計
    多分支水平井分支結構設計是一個多目標優化問題[6]，需要從地質工程、氣藏工程、鉆井工程和經濟等各個方面綜合加以考慮。沁水盆地南部高階煤層多分支水平井井眼軌跡優化設計主要考慮的因素有：鉆機性能、井眼軌道的摩擦阻力(或扭矩)大小、鉆柱強度、現場施工的難易程度等。
    通過對兩主支間夾角、主支與分支間的夾角以及分支條數、分支間距、分支長度等相關參數的計算和優化，在沁水盆地南部選用2主支8分支的井型結構(圖1)，在保證控制面積的基礎上，降低施工難度，確保無控制盲區。
 

2.2 復合造穴技術
    目前，在國內外煤層氣開采中，采用的裸眼洞穴造穴技術主要有3種：負壓造穴、水力射流造穴和機械工具造穴[7]。在綜合分析上述3種裸眼造穴技術優缺點的基礎上，結合沁水盆地南部高階煤層特點，形成了“水力射流+機械工具”復合造穴技術。即首先應用水力射流的原理對要造穴的井段進行一次射流作業，或形成一定直徑的洞穴，或使井壁疏松，爾后下入機械造穴工具進行工具造穴作業，完成鉆井設計中對洞穴的要求。
2.3 水平井與洞穴井連通技術
    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測精度的影響，兩井連通是該類井施工的一個難點[8]。兩井連通過程中采用的技術為RMRS(Rotating Magnet Ranging Service)，目前RMRS技術在煤層氣鉆井、蒸汽輔助重力泄油、控制井噴等領域得到了廣泛應用。其技術思路是：在直井裸眼洞穴中放入特制的旋轉磁場定位系統，并與計算機連接。在主水平井中的鉆頭和馬達之間接入一根強磁短節來發射磁場，由直井中旋轉磁場定位系統接收，并及時把信息傳送到計算機中，技術人員根據傳送的信息判定鉆頭鉆進的方向與直井連通點位置的方位，由鉆井工程師根據隨鉆監測的LWD不斷調整鉆頭方位、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備，形成了兩井連通工藝技術，并成功應用于現場施工。
2.4 井眼軌跡控制技術
    煤層氣多分支水平井定向控制的主要參數包括井斜角、方位角和垂深。水平井主井眼上直段重點是防斜打直[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易發生井斜，在易斜段控制井眼軌跡的方式是：動力鉆具+MWD。豐井眼造斜段一般使用“導向馬達+隨鉆測斜儀”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+隨鉆測井儀+減阻器”的地質導向鉆具組合鉆進，通過連續滑動鉆進的方式，實現增斜、降斜，通過復合鉆進的方式穩斜，既達到連續鉆進的目的，又可隨時根據需要調整井眼狀態，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定的致密頂板泥巖、煤層夾矸作為判斷鉆頭上行、下行鉆進、實時監控鉆頭是否在目標層中的標志層[10]。標志層可通過鄰井或洞穴直井的測井或隨鉆跟蹤曲線來合理選取，同時結合鉆井過程中返出的巖屑、鉆時變化、綜合錄井等相關參數分析決策井眼軌跡控制。
2.5 欠平衡鉆井技術
    煤層是有機儲層，具有低地層壓力、低滲透率的特點，易受污染，儲層保護難度大。若鉆井液密度過高，在壓差作用下鉆井液進入煤層，不僅會將煤層中裂縫撐開使煤層結構破裂，而且會對煤層造成傷害，直接影響到煤層氣的解吸、擴散、運移及后期排采。根據對沁水盆地南部3#目標煤層的鉆井實踐，在水平段的煤層中鉆進時，以清水為介質配合充氣欠平衡鉆井技術取得了較好效果。施工過程中常出現的問題是注氣壓力不穩，出現周期性波動，水平井井口返出液體量也伴隨出現周期性變化，甚至出現斷流憋堵。注氣壓力和井口返出量的周期性波動，給鉆井工程施工帶來一系列問題：①加劇了井壁垮塌；②不能起到欠壓保護氣層的目的；③無法判斷井漏；④給氣測錄井、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備，合理匹配注氣量、循環排量、注氣壓力，解決注氣壓力波動大的問題，使井底壓力保持穩定，在保證井壁穩定的前提下，實現順利攜巖、降低環空壓力、防止井漏等目標。
3 應用實例及效果分析
    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塊上部署的多分支水平井，鉆井過程中，使用清水作為循環介質，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，造成環空循環通道堵塞，導致兩次卡鉆事故。L5分支井眼鉆進過程中因井壁垮塌嚴重、井眼上下交錯復雜，在M1主井眼上已經沒有側鉆點，鉆出的分支又無法重入。反復論證后，改變原設計，在洞穴前面的主井眼側鉆一個主分支，在該主分支上繼續側鉆分支井(圖2)。鄭平05-1H井在施工過程中發生卡鉆事故2起，損失時間419h，占總時間的16.51%；第二次卡鉆事故解除后，因821～894m井段煤層垮塌嚴重，井下情況復雜，被迫在760m開窗側鉆。
    在總結鄭平02-1、鄭平05-1井經驗教訓的基礎上，不斷完善施工方案，盡量縮短連通段的煤層進尺、連通位置上提、控制井眼軌跡在優質煤層穿行，以及優化施工技術細節等應對措施，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個主支和9個分支(圖3)，進尺4738m，煤層進尺4106m，煤層鉆遇率86.7%。
 

4 結論
    1) 沁水盆地南部鄭莊區塊的鉆探實踐證明，3#煤層分布穩定，煤層平坦，煤巖機械強度相對較高，煤層頂板穩定，適于采用多分支水平井鉆井技術高效開發煤層氣，而且利用國內現有技術和裝備完全可以實施多分支水平井鉆井施工。
    2) 沁水盆地南部高階煤層實施充氣欠平衡應盡量選取小的欠壓值，或者保持近平衡鉆進，其首要作用應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極易引起井下垮塌、卡鉆等復雜事故，甚至井眼報廢。鉆進過程中要密切關注鉆井參數的變化，如返出口出現異常，扭矩變化較大時，應及時調整鉆井參數，防止井下發生復雜事故。
4) 沁水盆地南部多分支水平井鉆井實踐結果表明，儲層保護、攜帶煤屑和井壁穩定仍是煤層氣高階煤層多分支水平井技術亟待攻克的技術瓶頸。
參考文獻
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(本文作者：崔樹清 王風銳 劉順良 周立春 余津文 中國石油華北油田公司)