李武生 劉銀鳳 王永昌 杜 晶 李薇然 孫 斌

1.中國石油渤海鉆探定向井技術服務分公司，河北 任丘 062550；

2.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318

0 前言

煤層氣是一種以吸附狀態(tài)賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣，又名煤礦瓦斯，其中甲烷含量大于90%，它是天然氣最現(xiàn)實的接替能源[1]。在熱值上，煤層氣與常規(guī)天然氣相當，發(fā)熱量在33.452 8×106J/m3以上，每1 000 m3煤層氣相當于1 t石油或1.25 t標準煤[2]。我國是世界上煤層氣資源最豐富的國家之一。2 000 m以淺地質資源量約36×1012m3，目前已探明儲量 1 130×108m3，山西沁水地區(qū)已實施20×108m3建設工程[3]。沁水盆地位于山西省東南部，煤層氣資源相當豐富，該盆地含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，煤層總厚度為1.2～23.6 m，埋深一般小于1 500 m，大部分地區(qū)適合于煤層氣的勘探與開發(fā)[4]。

1 山西PZ02-1H全井概況

山西ZP02-1H井是中國石油華北油田分公司在沁水煤層氣田鄭莊區(qū)塊內設計施工的多分支水平井，其目的是試驗多分支水平井在鄭莊區(qū)塊的適應性，評價該區(qū)水平井產能。全井基礎數(shù)據(jù)及井眼剖面關鍵數(shù)據(jù)見表1～2。

表1 ZP02-1H井主要技術指標

2 定向施工概況

山西ZP02-1H多分支水平井分為一開直井段、二開上直井段、二開造斜段和三開兩井連通四種施工方式，連通作業(yè)程序如下：

表2 主井眼剖面關鍵數(shù)據(jù)

a）直井下入強磁接收儀；

b）水平井接收信號，判斷與洞穴的相對位置；

c）每鉆進3 m測斜一次，根據(jù)定向井工程師的預測數(shù)據(jù)，連通工程師發(fā)出井斜和方位調整指令；

d）定向井工程師依據(jù)指令，完成井斜和方位的調整；

e）距洞穴5 m，直井起出強磁接收儀；

f）水平井導向鉆進連通，連通后鉆進至井深688 m，起鉆甩強磁接頭。

3 定向技術措施及施工難點

3.1 水平井與洞穴井連通

煤層氣的特點是壓力低，單井產量低。要增加煤層氣的產量，最有效的辦法是增大井眼軌跡與煤層的接觸面，沿煤層走向或傾角鉆分支水平井。這種形式的水平井需要解決兩個技術難題：分支井與主井接合點必須密封；分支井相互間要連通，必要時鉆具能從主井中重新進入選定的分支井中[5]。

3.1.1 連通工具

兩井連通過程中采用的技術為近鉆頭電磁測距法，國外通常稱為Rotating Magnet Ranging Service（縮寫RMRS）。RMRS的硬件構成包括永磁短節(jié)和強磁計或探管。永磁短節(jié)的長度約為40 cm，由橫行排列的多個永磁體組成，主要用來提供一個恒定的待測磁場，電磁信號的有效傳播距離為50 m。探管由三部分組成：扶正器、傳感器組件、加重桿，其長度約為3 m。當旋轉的永磁短節(jié)通過洞穴井附近區(qū)域時，探管可采集永磁短節(jié)產生的磁場強度信號，通過采集軟件可準確計算兩井間的距離和當前鉆頭的位置，測量不受套管的影響，而且每次測量都與之前的測量相互獨立，使它不會受到常規(guī)的累計測量錯誤的影響。連通作業(yè)時RMRS與MWD和馬達等配合使用，鉆具組合通常為：鉆頭＋永磁短節(jié)＋馬達＋無磁鉆挺＋MWD＋鉆桿。RMRS的測量精度隨著傳感器與鉆頭之間距離的縮短而提高。

3.1.2 RMRS儀器技術參數(shù)

a）RMRS的探測精度等于傳感器與鉆頭之間距離的2%～3%；

b）傳感器位于非磁環(huán)境中時，RMRS傳感器能夠檢測到大約50 m范圍的旋轉式磁接頭的磁信號；

c）傳感器位于套管中時，RMRS傳感器能夠檢測到大約20～30 m范圍的旋轉式磁接頭的磁信號。

鉆塞完畢后，水平井下入強磁發(fā)射工具，洞穴直井下入強磁接收儀。為保證順利與洞穴井連通，定向井工程師根據(jù)實際施工要求加大測斜密度，依據(jù)實鉆的軌跡數(shù)據(jù)，及時精確預測井底的井斜、方位、垂深等軌跡參數(shù)。

3.2 煤層氣側鉆點的選擇

a）側鉆點選在鉆時小的增斜井段或者井斜大于90°的穩(wěn)斜井段，盡量不要選擇在降斜井段和鉆時較大井段；

b）側鉆點盡量避開泥巖，選擇在位于煤層中上部的井段；

c）側鉆點選擇在井眼規(guī)則、無復雜情況的井段；

d）選擇側鉆點時還要參考定向施工記錄與鉆時記錄，綜合考慮選擇出最有利的側鉆點。

3.3 懸空側鉆

a）起鉆至側鉆點上部，活動鉆具，使鉆具的扭力完全釋放；

b）擺工具面在G160或者G210左右，慢慢上提下放鉆具8～10 m，反復劃槽5～8次，將鉆頭放至側鉆點，開始側鉆；

c）側鉆時控制鉆速1 m/h鉆進2 m，鉆速2 m/h鉆進4 m，鉆速4 m/h鉆進5 m，根據(jù)工具面的變化，及時調整工具面；

d）確定鉆出一個鉆頭的深度后，調整工具面角到90～100°滑動鉆進 10 m，再將工具面角調整到 80～90°，滑動鉆進20 m（前40 m以扭方位為主）；

e）懸空側鉆結束后，地質導向師根據(jù)隨鉆測井數(shù)據(jù)超前預測和識別鉆頭在煤層中位置，然后根據(jù)地質導向師的要求調整井斜方位，定向井工程師要詳細記錄每個單根的施工過程以及測斜記錄，計算造斜工具的造斜率，并為選擇合適的側鉆點提供依據(jù)。

4 MWD儀器現(xiàn)場故障解決

4.1 鉆進過程中信號丟失

這是施工過程中最常見的故障，具體表現(xiàn)為司顯無波形顯示，只有一條直線。首先檢查遠程數(shù)據(jù)處理器壓力門限，無問題就再換個遠程數(shù)據(jù)處理器，如果仍無變化，則可以要求井隊停泵后重開一次泵，看遠程數(shù)據(jù)處理器上有無開泵起始波，如果沒有則是壓力傳感器出了問題應該立即更換，如果有則對其他地面設備進行逐一檢查[6]。

4.2 空氣包的影響

空氣包的用途就是減少壓力變化和機械震動，使泥漿流動平穩(wěn)。同時空氣包也會衰減井下脈沖發(fā)生器傳上來的有用泥漿脈沖信號，通常情況不會有顯著的衰減，不至于造成信號接收問題。當條件惡劣時，例如井較深、地層復雜，就很有必要考慮它。解決的關鍵是調節(jié)空氣包，遵循的原則是空氣包充壓壓力應為立管壓力的1/4～1/3。 同時，用一個泵時，其它的泵應被隔離[7]。

4.3 伽馬探管測試伽馬值為0

伽馬探管由伽馬探頭和電子組件組成，當?shù)貙又械姆派湫院怂兀ㄖ饕校衡?、釷、鉀）發(fā)生核衰變時，放射出伽馬射線，部分的伽馬射線被伽馬探頭探測到并轉化為電脈沖信號，由電子組件進行測量和處理即得到地層的自然伽馬放射性強度。根據(jù)地球物理、地球化學以及巖層沉集、油氣運移、儲積與巖層的相關性等理論，結合其他測井參數(shù)來推出被測巖層的巖性及油氣田儲藏情況。山西ZP02-1H井的施工過程中在進行側鉆時，地面測試伽馬值為0，其他各個參數(shù)均正常，究其原因是伽馬探管內部的耐高溫、高抗振光電倍增管在井下溫度過高或者震動很劇烈的情況下導致光電倍增管損壞，致使探管不能將伽馬探頭探測到的伽馬射線轉化為電脈沖信號。這種情況在現(xiàn)場只能更換伽馬探管來解決，填寫好儀器故障報告后送去維修。

4.4 關于防脫鍵的問題

HL-MWD+Gamma儀器采用的是下坐鍵方式。最上部安裝的是打撈頭，不能與其上部的鉆桿或鉆鋌母扣緊密貼合，在井斜角大于70°的施工中極易造成儀器脫鍵，不能正常解碼。所以在大井斜角或者水平井的施工中，一般在打撈頭的上部安裝一個合適長度的頂桿和電子多點托盤，這樣就能和上鉆桿的母扣緊密貼合在一起有效防止脫鍵情況的發(fā)生。在實際施工中，由于頂桿長度要根據(jù)實際鉆桿的長度進行調整，現(xiàn)場施工人員必須對頂桿進行切削，極為不便。為解決這一問題借鑒國內其他定向井公司的先進經(jīng)驗，提出了較為合理的解決方案。在山西ZP02-1H井的施工過程中，首次采用防脫鍵的儀器下坐方式，效果良好。引鞋上加工的防脫鍵槽見圖1；與防脫鍵槽相對應，在循環(huán)套內部加工一道槽見圖2。

需要注意的是，由于機械廠在加工過程中的加工誤差，加工的槽可能較淺，密封圈露出本體會較多，使得坐鍵困難，需要施工人員在儀器入井之前檢驗引鞋坐鍵問題，以免耽誤施工。

圖1 引鞋防脫鍵槽

圖2 循環(huán)套內防脫鍵槽

4.5 雙電池使用和整體導通性測試

山西煤層氣與其他油井不同之處在于：鉆進過程中，煤層極易垮塌，儀器在入井之后為確保側鉆成功，打夠預定的煤層進尺，要求測斜儀器使用持續(xù)時間長，故障率低。為此，在平時使用的基礎上多加一節(jié)電池，使電池理論工作時間達到600 h，在加伽馬的情況下能夠工作300 h以上。為確保儀器故障率比較低，在地面測試時需要對儀器進行整體導通性測試，方法如下：將BJ-1部件檢測器的插針一端接入打撈頭，另一端接入電池插針，將部件檢測器上開關1-3、5-9全部處于接通狀態(tài)，4和10處于斷開狀態(tài)，在上4和下4插入1Ω電阻，使用萬用表測量上4和下4之間電流，確定脈沖、探管、伽馬、扶正器、電池筒、電池狀態(tài)，儀器串工作電流接Gamma時小于120 mA，發(fā)脈沖時小于320 mA；不接Gamma時小于100 mA，發(fā)脈沖時小于300 mA。

5 結論

a）在煤層里鉆進極易垮塌，多注意鉆井參數(shù)的變化，及時作出正確的判斷。

b）采用短螺桿，縮小伽瑪?shù)臏y量盲區(qū)。

c）研制可退式儀器打撈矛。

d）主井眼在煤層鉆進過程中，要及早預留好側鉆點。

e）井壁穩(wěn)定和井眼規(guī)則是保證側鉆成功的基礎。

f）在煤層氣鉆進過程中，需與地質導向技術人員密切配合。而且HL-MWD不能很好判斷煤層底出還是頂出，這是HL-MWD不足之處。

[1]錢伯章，朱建芳.煤層氣開發(fā)與利用新進展[J].天然氣與石油，2010，28（4）：29-34.Qian Bozhang，Zhu Jianfang.New Progressin Coalbed Methane Development and Utilization[J].Natural Gas and Oil，2010，28（4）：29-34.

[2]謝傳禮，涂 乙，涂 輝，等.我國煤層氣開發(fā)對策及前景展望分析[J].天然氣與石油，2011，29（6）：40-45.Xie Chuanli，Tu Yi，Tu Hui，et al.Coalbed Methane Development in China and its Prospect[J].Natural Gas and Oil，2011，29（6）：40-45.

[3]李士富，王曰燕，王 勇.山西沁水煤層氣液化HYSYS軟件計算模型[J].天然氣與石油，2010，28（4）：22-25.LiShifu，WangYueyan，WangYong.HYSYS Software Calculation Model for Shanxi Qinshui Coalbed Methane Liquefaction[J].Natural Gas and Oil，2010，28（4）：22-25.

[4]喬 磊.沁水盆地南部低成本煤層氣鉆井完井技術[J].石油勘探與開發(fā)，2008，35（4）：482.Qiao Lei.Well Drilling and Completion Technology for Low CostCoalbedMethaneinSouthernQinshuiBasin[J].Petroleum Exploration and Development，2008，35（4）：482.

[5]向軍文.定向鉆進技術發(fā)展與展望[J].探礦工程，1998，（6）：8.Xiang Junwen.Development and Prospect of Directional Drilling Technology[J].Mineral Exploration Engineering，1998，（6）：8.

[6]姬戰(zhàn)民.YST-48R無線隨鉆測斜儀常見故障的處理方法[J].企業(yè)家天地，2010，（03）：250.Ji Zhanmin.Handling Methods for Common Faults in YST-48R Wireless Inclinometer[J].Enterpriser World，2010，（03）：250.

[7]李 健.淺析無線隨鉆儀脈沖信噪比[J].石油儀器，2001，15（5）：51.Li Jian.Simple Analysis on Pulse SNR（Signal to Noise Ratio）in Wireless Inclinometer[J].Oil Instrumentation，2001，15（5）：51.