樊文靜，董 浩，閆昭圣，劉秀婷，韋樂樂

（西北大學大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質(zhì)學系，陜西西安710069)

沁水盆地煤層氣水平井對接技術(shù)研究

樊文靜*，董 浩，閆昭圣，劉秀婷，韋樂樂

（西北大學大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質(zhì)學系，陜西西安710069)

首先對沁水盆地的地理位置、構(gòu)造特征、煤層研究、沁水盆地鉆井現(xiàn)狀等作了闡述；對該區(qū)域煤層段井眼失穩(wěn)機理進行了研究，從該區(qū)域的井身優(yōu)化、鉆井液的控制、相關(guān)的工程技術(shù)措施等方面進行了分析，為該區(qū)域煤層段井眼失穩(wěn)做了必要準備。其次，對該區(qū)域的對接水平井的井身結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計、井眼軌道類型進行劃分，對軌跡控制技術(shù)進行了分析，優(yōu)選了鉆具組合和鉆進參數(shù)，為今后沁水盆地煤層氣水平對接井的鉆井技術(shù)提供了一定的借鑒。提出了在沁水盆地進行水平對接井鉆井技術(shù)，為該技術(shù)在沁水盆地的應用提供了鉆井技術(shù)方面的參考和支持。

煤層氣鉆井；水平對接井；軌跡控制

1 煤層氣開采方式對比

1.1 開采方式

目前，國內(nèi)外主要的煤層氣開發(fā)方式有地面垂直井、羽狀水平井、對接井。

近年來，水平對接井技術(shù)越來越多地應用在煤層氣開發(fā)領域，并且已經(jīng)取得了很大的成效。

1.2 適應條件

不同的煤層氣開發(fā)方式對地形、地質(zhì)和投資等條件的適應性不一樣。

合理的煤層氣開發(fā)方式會影響到項目的收益。煤層氣開發(fā)方式的合理選擇是煤層氣開發(fā)需要重點考慮的內(nèi)容，也是煤層氣勘探開發(fā)成功的關(guān)鍵。所以，在生產(chǎn)時應結(jié)合研究區(qū)的試驗條件選擇適合研究區(qū)的煤層氣開發(fā)方式。

2 沁水盆地煤層氣開采方式選擇

2.1 開采方式選擇

煤層厚度5～6m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬較穩(wěn)定煤層。垂直井開采方式不適合研究區(qū)單一煤層的煤層氣開采；與水平井對接比較，水平對接井的技術(shù)工藝較簡單，投資成本也較低，氣井產(chǎn)量高，氣井服務年限短，對煤礦安全生產(chǎn)的保障性強。

根據(jù)晉平x井的地質(zhì)條件及煤儲層條件，結(jié)合煤層氣水平對接井技術(shù)在山西晉城潘莊實施所取得的成功經(jīng)驗，在晉平x井展開了煤層氣地面水平對接井試驗研究。

2.2 水平對接井技術(shù)的難點

沁水盆地煤層氣水平對接井技術(shù)集成了垂直井、水平井、連通對接、欠平衡鉆井、地質(zhì)導向和儲層保護等技術(shù)。在沁水盆地的地質(zhì)環(huán)境和煤儲層條件下，實現(xiàn)兩井遠距離對接的難點主要包括以下3個方面。

（1）井眼軌跡控制。沁水盆地煤儲層埋深較淺，施工水平對接井的特點是井垂深較淺，而水平段在煤層中穿越一般較長，所以水平井段軌跡控制精度要求高，否則不能實現(xiàn)與洞穴井的對接。

（2）井壁穩(wěn)定。煤比巖石容易壓碎，在水平井段鉆進時煤層被壓碎以后，不能承受上覆地層的壓力，容易造成井壁坍塌，從而造成埋鉆、卡鉆等井下復雜情況的出現(xiàn)，不利于安全、快速鉆進，這樣井壁會因為受到鉆井液長時間浸泡而更易坍塌。

（3）儲層保護。對煤儲層損害機理進行了研究，煤儲層的特點，決定了煤層比常規(guī)油氣儲層更容易受到傷害；另外，由于煤儲層的壓力低，鉆井液中的固相顆粒在液柱壓差作用下容易進入煤層孔隙和裂縫，破壞儲層。

3 水平井對接井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化的原則

井身結(jié)構(gòu)設計是鉆井工程基礎設計。水平對接井井身結(jié)構(gòu)設計遵循以下原則。

（1）要滿足直井井身結(jié)構(gòu)設計的基本原則，既要滿足地質(zhì)勘探開發(fā)的要求、有效保護儲層，又要滿足鉆井工程的各種條件、保障井下安全，為安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟鉆井創(chuàng)造條件；

（2）要滿足水平井的特殊要求，應有利于井眼軌跡控制、精確中靶，滿足完井、儲層保護、井眼清潔的需要，并且保證套管柱能順利地下至設計井深。

3.2 優(yōu)化的關(guān)鍵問題

水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的關(guān)鍵在于確定套管的下入層次和各層次套管的下入深度（特別是技術(shù)套管的下深）及鉆頭尺寸。

套管層次的確定主要受所鉆井工區(qū)的地層巖性、地層孔隙壓力、地層破裂壓力、井深、造斜點位置、鉆井成本和鉆井周期等多種因素影響。技術(shù)套管的下深是水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的關(guān)鍵。技術(shù)套管的下深有4種方案：直井段、小井斜角井段、較大井斜角井段和接近靶窗。

3.3 晉平x井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

晉平x井進行水平井對接，需要綜合考慮水平井與洞穴井的連通性、煤層段的井壁穩(wěn)定性以及后期排水采氣等因素，設計選用兩層套管結(jié)構(gòu)：一開下入D244.5mm×150m表層套管；二開下入D177.8mm× 500m技術(shù)套管；采用裸眼完井方式完井。

一開用?311.15mm牙輪鉆頭鉆穿第四系表土層，進入穩(wěn)定基巖10m后下入?244.5mm×150m表層套管并注水泥固井，水泥漿返至地面，封固地表松散層，防止鉆進過程中掉塊、漏失等復雜情況出現(xiàn)。

二開用?215.9mm三牙輪鉆頭鉆至造斜點后，更換螺桿鉆具造斜，鉆進至煤系地層后，下入?177.8mm× 500m技術(shù)套管，套管下在3號煤煤層下部較穩(wěn)定地層，并注水泥固井，水泥漿返至地面，封固煤層段以上地層，避免套管下入煤層中，以防固井時將煤層壓裂，導致后續(xù)鉆進過程中的井壁坍塌。

三開用?152.4mm三牙輪鉆頭（或PDC鉆頭）和螺桿鉆具造斜，鉆至3號煤層后及時調(diào)整井斜角與煤層傾角一致，繼續(xù)鉆進直至與排采洞穴井對接，采用裸眼完井方法。值得注意的是，考慮到煤層的井壁穩(wěn)定性差，水平段在煤層中鉆進時，井眼須處于煤層的下部位，以利于安全鉆進。

4 井眼軌道設計方法

4.1 軌道設計方法

井眼軌道的基本設計參數(shù)是造斜點的位置、增斜段（或降斜段）的井眼曲率，以及穩(wěn)斜段的最大井斜角。

目前，應用較為普遍的水平井井眼軌道設計計算方法有固定參數(shù)法和調(diào)整參數(shù)法兩種。井眼軌道設計的前提是靶窗上目標點的垂深Ht、井斜角αH、水平段長度L及方位已經(jīng)確定。

（1）固定參數(shù)法設計單增軌道。如圖1所示，用固定參數(shù)法設計單增軌道，就是要確定造斜點位置和曲率半徑，或者說要確定靶前位移SA、造斜點垂深HK和曲率半徑R。固定參數(shù)法的設計自由度為l，即使在3個參數(shù)的組合中任意確定1個，其他2個參數(shù)值即可由計算確定。

圖1 固定參數(shù)法設計單增軌道

①當曲率半徑R選定時，有造斜點垂深：

給定參數(shù)要在實際問題允許的范圍內(nèi)選取，否則可能得不到符合工程要求的設計。變化給定參數(shù)，就可以得到不同的設計方案，設計井眼軌道應在多種方案中優(yōu)選。

（2）調(diào)整參數(shù)法設計雙增軌道。如圖2所示，用調(diào)整參數(shù)法設計雙增軌道，就是在工具造斜率有一定誤差的條件下，用中間的穩(wěn)斜段進行調(diào)整。

圖2 用調(diào)整參數(shù)法設計雙增軌道

聯(lián)系造斜點垂深HK、靶前位移SA、曲率半徑R1和R2，以及穩(wěn)斜段的長度Lw和穩(wěn)斜角αw等6個參數(shù)的是如下方程組：

式中：HK——造斜點垂深；

Ht——靶點垂深；

SA——靶前位移；

R1、R2——分別為第一、第二增斜段曲率半徑；

Lw——穩(wěn)斜段長度；

αw——穩(wěn)斜角；

αH——水平段井斜角。

因此該設計問題有4個自由度，必須先確定其中任意4個參數(shù)值，才能夠確定另2個待求的參數(shù)，即得到確定的設計方案。例如，在給定造斜點垂深HK、第一、二造斜段曲率半徑R1、R2時，由上述方程組即可解出穩(wěn)斜井段井斜角αw和穩(wěn)斜井段長度Lw為：

式中：

第一、二造斜段的造斜率K1和K2與曲率半徑R1和R2的關(guān)系為：

顯然，當K1、K2存在偏差時，會引起Lw和αw的相應變化。所以，在實際的鉆井過程中，就要通過及時調(diào)整Lw和αw值以適應K1、K2的偏差，確保準確中靶。

4.2 井眼軌道優(yōu)化設計的關(guān)鍵問題

沁水盆地井晉平x井的特點是目的煤層淺、水平段在煤層鉆進距離長。因此，在進行井眼軌道設計時，除了要考慮常規(guī)水平井須考慮的因素外，還要重點考慮井眼軌跡控制和水平井段加壓2個因素。

4.3 沁水盆地鉆井井眼軌道優(yōu)化設計

（1）井眼軌道類型選擇。由前面分析可知，設計的水平井井眼軌道應盡可能光滑，以最大限度減少摩阻。為了有效防止和及時調(diào)整由于工具造斜率的誤差造成的軌道偏離，沁水盆地井的設計軌道是由直井段、第一增斜段、穩(wěn)斜段、第二增斜段和水平段組成的“直—增—穩(wěn)—增—水平”的5段制雙增軌道。

（2）造斜點選擇。造斜點的具體位置應選在巖性均勻且穩(wěn)固的地層部位，以便于定向造斜。在預計有易漏、易塌等復雜地層的井內(nèi)，造斜點應選在復雜地層以下部位，以便可在下套管封隔上部復雜地層后再定向造斜。

（3）井眼軌道參數(shù)計算。該井水平段井斜角αH= 90°，造斜點垂深HK=209m，第一增斜段曲率半徑R1= 229m，第二造斜段曲率半徑R2=229m，水平段長L= 1200m，靶前位移SA=250m，靶點垂深Ht=459m，把這些數(shù)據(jù)帶入式（9）、（10）可得到穩(wěn)斜段長度Lw=29.7m，穩(wěn)斜角αw=45°，第一、二造斜段曲率K1=K2=7.5°/30m。

表1為沁水盆地晉平x井設計軌道參數(shù)。

5 鉆具組合及鉆進參數(shù)研究

鉆具組合的鉆進參數(shù)需要進合理的計算，下面以晉平x井為例，闡述鉆進參數(shù)的優(yōu)選過程。

5.1 沁水盆地晉平x井組鉆具組合設計

本文對煤層氣水平對接井技術(shù)的軌跡控制技術(shù)進行了研究，提出了不同井段軌跡控制的依據(jù)。根據(jù)研究情況，對晉平x井各井段鉆具組合進行了優(yōu)選,具體優(yōu)選結(jié)果為：

（1）一開直井段（0～159.49m）采用塔式鉆具組合：?311.2mm三牙輪鉆頭+?203mm無磁鉆鋌+?203mm鉆鋌+?127mm鉆桿。本段最大井斜0.81°。

表1 沁水盆地晉平x井井設計軌道參數(shù)

（2)二開直井段（159.49～209m）采用塔式鉆具組合：?215.9mm三牙輪鉆頭+?159mm無磁鉆鋌+?159mm鉆鋌+?127mm鉆桿。本段最大井斜0.39°。二開造斜段（209～537m）采用“導向馬達+MWD”常規(guī)導向鉆具組合：?215.9mm三牙輪鉆頭/PDC鉆頭+ ?165mm單彎螺桿鉆具（1.5°）+?127mm無磁承壓鉆桿+MWD+?127mm無磁承壓鉆桿+?127mm加重鉆桿+?114mm鉆桿。

（3)三開水平段（537～1412.73m）采用“單彎螺桿鉆具+LWD”地質(zhì)導向鉆具組合：?155.6mm牙輪鉆頭/PDC鉆頭+?121mm單彎螺桿鉆具（1.5°）+ ?96mm無磁承壓鉆桿+LWD+?88.9mm無磁承壓鉆桿+?73mm加重鉆桿+?73mm鉆桿。

兩井對接時采用帶RMRS的地質(zhì)導向鉆具組合：?149.2mm牙輪鉆頭+?120mmRMRS+ ?120mm單彎螺桿鉆具（1.5°）+?88.9mm無磁承壓鉆桿+LWD+?88.9mm無磁承壓鉆桿+?73mm加重鉆桿+?73mm鉆桿。

5.2 沁水盆地晉平x井組鉆進參數(shù)

由于晉平x井采用裸眼完井，在鉆進中根據(jù)不同鉆具采用了相應的鉆進參數(shù)。

在直井段為防斜，采用了小鉆壓吊打的方法；在鉆入煤層后，為使螺桿鉆具正常工作，泥漿泵排量控制在較小范圍內(nèi)；進入水平段，由于井壁沒有泥皮，摩阻大，井壁托壓嚴重，故采用大鉆壓、低轉(zhuǎn)速，復合鉆進和滑動鉆進相結(jié)合的鉆進方式，保證了煤層的穩(wěn)定。在調(diào)整工具面及循環(huán)的過程中，不斷活動鉆具，防止定點循環(huán)。晉平x井各井段鉆進參數(shù)見表2。

表2 晉平x井各井井段鉆進參數(shù)表

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TE243

A

1004-5716（2015)03-0057-04

2014-03-24

2014-03-27

樊文靜（1987-），女（漢族），新疆昌吉人，西北大學地質(zhì)學系在讀碩士研究生，研究方向：儲層地質(zhì)和油氣田開發(fā)。