郭寶林， 李 琪， 張興龍， 聶 濤， 于建克， 李盟國(guó)

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆 烏魯木齊 830026)

1 T-P05井基本情況

T-P05井位于山西省臨汾市吉縣屯里鎮(zhèn)陽(yáng)坡村，構(gòu)造位置在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部晉西撓褶構(gòu)造帶南段，是部署在山西大寧-吉縣區(qū)塊桃園試采區(qū)的一口L型煤層氣水平井。井口西南距J6井2.35 km，東北距J2-25井1.97 km，B點(diǎn)南距J1-01向1井8號(hào)煤層靶點(diǎn)0.25 km，東南距J1-02井0.54 km；水平段距T-P07井垂直距離0.46 km。主要鉆探目的一是獲取5號(hào)煤層的各項(xiàng)特性參數(shù)，評(píng)價(jià)該區(qū)域煤層的產(chǎn)氣能力；二是擴(kuò)大已有井的壓降范圍，提高產(chǎn)氣量；三是為大寧-吉縣區(qū)塊桃園試采區(qū)下一步規(guī)模開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

T-P05井于2017年2月17日22：00一開，2017年2月18日09：20一開完鉆，完鉆井深162 m ；2017年2月22日14：00二開鉆進(jìn)，2017年3月4日14：30鉆至井深976 m開始造斜，于2017年3月15日06：00鉆至井深1426 m二開中完；2017年3月24日1：00三開鉆進(jìn)，2017年4月3日19：30鉆至井深2326 m三開完鉆。該井設(shè)計(jì)鉆井周期38 d，實(shí)際鉆井周期44.9 d。T-P05井設(shè)計(jì)軌跡剖面數(shù)據(jù)參見表1，表2、表3分別為T-P05井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和地質(zhì)分層數(shù)據(jù)。

2 L型煤層氣水平井技術(shù)難點(diǎn)

(1)L型煤層氣水平井不同于多分支井、U型井及山字型等井，無(wú)法依靠井組近端或遠(yuǎn)端的洞穴井資料結(jié)合實(shí)鉆井資料重新對(duì)施工軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與調(diào)整，且無(wú)導(dǎo)眼，T-P05井地處晉西撓褶構(gòu)造帶，地層傾角變化大，對(duì)于造斜段精確著陸和水平段導(dǎo)向控制均帶來(lái)不利影響，實(shí)現(xiàn)一次性“軟著陸”難度增大[1,8]。

表2 T-P05井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表3 地質(zhì)分層數(shù)據(jù)

(2)L型煤層氣水平井比其他類型水平井軌跡控制精度要高，設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)900 m，鉆至水平段后期往往會(huì)出現(xiàn)井下鉆具摩阻大、扭矩高、托壓嚴(yán)重，軌跡調(diào)整難度加大；另外，該井型由于采用下套管的完井方式，因此對(duì)井身軌跡控制與導(dǎo)向調(diào)整也提出了更高要求[1]。

(3)煤層結(jié)構(gòu)膠結(jié)能力弱，因此PDC鉆頭煤層中破巖能力較強(qiáng)、機(jī)械鉆速很高，這一問題對(duì)于鉆井液攜巖能力提出了更高的要求。若鉆井液懸浮攜砂能力差，將導(dǎo)致井底巖屑無(wú)法及時(shí)循環(huán)出井，易在煤層水平段形成巖屑床，使井下安全難以保證。為降低卡鉆事故發(fā)生幾率、提高鉆壓傳遞效率，建議水平段鉆具組合中采用加重鉆桿進(jìn)行鉆具倒裝，但不建議配置鉆具穩(wěn)定器實(shí)施穩(wěn)斜[9]。

(4)受常規(guī)煤層氣水平井開發(fā)成本的約束，隨鉆地質(zhì)參數(shù)僅有方位伽馬，且伽馬測(cè)點(diǎn)相距鉆頭約15 m，隨鉆工程參數(shù)滯后距約14 m,滯后距長(zhǎng)導(dǎo)致井底數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)精度差，對(duì)水平井井眼軌跡調(diào)控工作帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。

(5)遲到時(shí)間的存在使巖屑、氣測(cè)錄井應(yīng)用局限，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)判斷結(jié)果相對(duì)滯后，地質(zhì)導(dǎo)向工作的預(yù)見性較差。

(6)煤層是同時(shí)具有大量微孔和裂隙的雙重孔隙介質(zhì),其機(jī)械物理性質(zhì)不同于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層,通常情況下煤層埋藏深度較淺、地層壓力低、煤層膠結(jié)疏松且易被壓縮、連接微孔的節(jié)理和裂隙相對(duì)發(fā)育，具體表現(xiàn)在當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度低、膠結(jié)能力弱的煤層被鉆開后，極易發(fā)生剪切破碎，因此煤層不足以支撐上覆地層的壓力，在鉆井過程中表現(xiàn)為易發(fā)生井壁坍塌、卡鉆等工程復(fù)雜事故[2]。

3 T-P05井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

地質(zhì)導(dǎo)向(Geo-Steering Drilling)技術(shù)自20世紀(jì)90年代發(fā)展以來(lái)，目前仍是鉆井領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一。與幾何導(dǎo)向不同，地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)不僅僅是依照預(yù)設(shè)的井眼軌道實(shí)施鉆井，而是以探查目的層和提高鉆遇率為目的。所謂地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，就是將隨鉆測(cè)量和隨鉆評(píng)價(jià)進(jìn)行有效結(jié)合，建立一個(gè)地質(zhì)模型，利用獲取的各種井下參數(shù)和鄰井地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析判斷，實(shí)時(shí)修正該導(dǎo)向模型，供現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員做出準(zhǔn)確的決策，從而有效指導(dǎo)鉆井施工，使井眼軌跡最大限度地依照地質(zhì)目的穿行，提高儲(chǔ)層鉆遇率，以獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

3.1 主要標(biāo)志層劃分

T-P05井垂向上先后鉆遇了第四系的粘土和礫石層，紙坊組的灰綠色泥質(zhì)砂巖和砂礫巖，和尚溝組的棕紅、紫紅色泥巖及粒徑成正韻律的同色砂巖，劉家溝組的灰色砂巖夾棕紅色砂質(zhì)泥巖、泥巖，二疊系石千峰組的棕紅色泥巖和砂質(zhì)泥巖，石盒子組灰色泥巖和灰白灰綠色砂巖，山西組砂層及煤層煤線?，F(xiàn)場(chǎng)通過與鄰井地層的分析和比對(duì)，認(rèn)為石盒子組上部各地層的厚度吻合性較好，地質(zhì)變化主要來(lái)自于下部地層。同時(shí)結(jié)合T-P06、T-P08井已鉆井資料，本井劃分了石盒子底部、山西組中部砂巖、4號(hào)煤頂?shù)滓约?號(hào)煤頂?shù)葞讉€(gè)主要標(biāo)志層[2]，標(biāo)志層預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)詳見表4。

從表5和圖1的觀察發(fā)現(xiàn)，橫向上石盒子組底部砂巖、山西組中部砂巖、4號(hào)煤層厚度相似性均較好，如圖1，J1-02井石盒子組底部砂層相對(duì)較厚，但與5號(hào)煤層距離相比差別不大，2號(hào)砂層是一套低伽馬砂巖，從圖1中看的出，對(duì)比性較好，卡取2號(hào)砂層是關(guān)鍵點(diǎn)。

表4 T-P05井標(biāo)志層預(yù)測(cè)

表5 T-P05井鄰井地層對(duì)比

圖1 T-P05井與鄰井地層對(duì)比圖

3.2 地層傾角與著陸靶點(diǎn)計(jì)算

L型水平井由于其鄰井少，構(gòu)造落實(shí)程度有限，通過多種方法預(yù)測(cè)并應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，實(shí)鉆井計(jì)算預(yù)測(cè)的地層傾角對(duì)軌跡著陸具有較大的指導(dǎo)意義[1]，該區(qū)塊已鉆水平井?dāng)?shù)據(jù)表明T-P05井確為上傾的地層模型，該地層模型如圖2所示，實(shí)鉆計(jì)算預(yù)測(cè)地層傾角[3，8]和著陸靶點(diǎn)的方法如下：

α=arctan|(H2-H1-h1)/(L2-L1)|

(1)

H=H2+h2-tanα×(L-L2)

(2)

式中：α——地層傾角，(°)；H1、H2——鉆遇標(biāo)志層一和標(biāo)志層二時(shí)的垂深，m；h1——標(biāo)志層一到標(biāo)志層二的地層厚度，m；L2、L1——標(biāo)志層一和標(biāo)志層二的位移，m；H——預(yù)測(cè)著陸點(diǎn)的垂深，m；h2——標(biāo)志層二到目的層的地層厚度，m；L——設(shè)計(jì)靶前距，m。

圖2 上傾型地層模型

實(shí)鉆地層傾角詳見表6。

表6 T-P05井實(shí)測(cè)地層傾角

3.3 地質(zhì)建模

T-P05井依據(jù)實(shí)時(shí)鉆時(shí)、地層巖性、隨鉆伽馬、氣測(cè)數(shù)據(jù)以及地層傾角等實(shí)鉆數(shù)據(jù)實(shí)施地質(zhì)建模，建模結(jié)果如圖3所示。

圖3 T-P05井地質(zhì)導(dǎo)向模型

3.4 實(shí)鉆軌跡控制

3.4.1 造斜段軌跡控制技術(shù)

3.4.1.1 著陸控制思路

(1)細(xì)化區(qū)域地質(zhì)資料研究，通過與區(qū)域鄰井地層的對(duì)比和分析，對(duì)著陸點(diǎn)垂深進(jìn)行初步預(yù)判；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段,將巖屑錄井獲取的巖屑沖洗干凈、烘焙干燥之后按照井深順序排列，導(dǎo)向時(shí)應(yīng)善于觀察并發(fā)現(xiàn)巖性的變化趨勢(shì)是否符合預(yù)判，對(duì)于明顯的標(biāo)志層要進(jìn)行地層傾角的返演推算，實(shí)施地質(zhì)建模并進(jìn)行模型修正；此外，還應(yīng)結(jié)合氣測(cè)和鉆時(shí)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合評(píng)判，從而提高煤層頂界位置預(yù)測(cè)精度,確保順利著陸。

(2)針對(duì)煤層著陸垂深的不確定性，應(yīng)把握好鉆具組合的造斜能力,在地質(zhì)目標(biāo)不確定的條件下對(duì)水平井井身軌跡實(shí)施優(yōu)化,入層角控制在比設(shè)計(jì)的最大井斜角低于2°～4°為宜，以保證在探得煤頂準(zhǔn)確位置后順利中靶[8]。

3.4.1.2 造斜段軌跡控制要點(diǎn)

(1)針對(duì)T-P06和08井實(shí)鉆造斜率過低的不利局面，本井直接選用1.75°單彎螺桿實(shí)施造斜，并且上提造斜點(diǎn)37 m，從而確保實(shí)鉆造斜率滿足軌跡調(diào)控需求、井身質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

(2)針對(duì)石盒子、山西組易坍塌和掉塊的現(xiàn)象，鉆進(jìn)至該段前宜適當(dāng)提高泥漿密度，對(duì)井壁形成有效的物理性支撐，維護(hù)井壁穩(wěn)定。

(3)及時(shí)進(jìn)行短拉作業(yè)，清除巖屑床、修整井壁，保證井眼光滑；起下鉆應(yīng)控制下鉆速度，避免壓力“激動(dòng)”引起井壁失穩(wěn)。

(4)錄入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)修正軌跡，以低曲率入靶著陸，既保證軌跡調(diào)整的靈活性，又能兼顧入靶軌跡的圓滑性。

(5)泥漿中應(yīng)添加足量的固液混合型潤(rùn)滑劑，來(lái)降低井下摩阻、緩解托壓，提高造斜效率。

3.4.2 水平段軌跡控制技術(shù)

3.4.2.1 水平段控制思路

本井設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)達(dá)900 m，考慮到地層傾角變化和井底軌跡參數(shù)預(yù)測(cè)的不確定性等因素,因此在現(xiàn)場(chǎng)施工中地質(zhì)導(dǎo)向師應(yīng)充分結(jié)合巖性、氣測(cè)、方位伽瑪、鉆時(shí)以及井眼軌跡參數(shù)，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，綜合分析后對(duì)后續(xù)井段的煤層頂?shù)捉缂皧A矸位置做出精確預(yù)判，從而有效指導(dǎo)水平段施工，使鉆頭最大限度地在煤層中穿行，以提高煤層鉆遇率，切不可完全按照原理想設(shè)計(jì)執(zhí)行[8]。

3.4.2.2 水平段軌跡控制要點(diǎn)

(1)采用“兩短一長(zhǎng)”短起下方式，及時(shí)清除水平段巖屑，要求鉆至水平段中部長(zhǎng)拉至套管腳。

(2)提高懸浮攜帶性，控時(shí)鉆進(jìn)，不要一味追求速度而喪失井下安全，防止因攜帶巖屑不及時(shí)引發(fā)阻卡現(xiàn)象。

(3)煤層中鉆進(jìn)，一是細(xì)化鉆具結(jié)構(gòu)選擇和組配分析，既要在復(fù)合鉆中具備良好的穩(wěn)斜性能，又要不失軌跡調(diào)整的能動(dòng)性，“多轉(zhuǎn)少定”，提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井液對(duì)煤層的浸泡時(shí)間，控制工期在煤層坍塌周期以內(nèi)，降低井壁垮塌機(jī)率。二是隨鉆方位伽瑪要結(jié)合地質(zhì)錄井做好煤層走向、地層傾角的預(yù)判，對(duì)后期軌跡控制提供有針對(duì)性的預(yù)測(cè)，確保軌跡在煤層中有效穿行，從而提高煤層鉆遇率。

(4)提高M(jìn)WD測(cè)量效率，減少開關(guān)泵對(duì)井壁沖蝕。

(5)為水平段保證所鉆煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不坍塌，建議復(fù)合鉆進(jìn)中采取小鉆壓、低轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)參數(shù)[9]。

T-P05井應(yīng)用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)[4-7]結(jié)合軌跡控制技術(shù)[8]，平均機(jī)械鉆速達(dá)10.5 m/h，煤層鉆遇率高達(dá)98%，圓滿完成了本井的鉆探任務(wù)。T-P05井詳細(xì)鉆井參數(shù)見表7，所用鉆具組合見表8，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)軌跡參數(shù)詳見表9；本井軌跡走勢(shì)分別見圖4、圖5。

表7 T-P05井鉆井參數(shù)

表8 T-P05井鉆具組合

圖4 T-P05井造斜段斜深與垂深關(guān)系圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)由于L型煤層氣水平井可參考鄰井資料的局限性和地層沉積方向上的不確定性，導(dǎo)致該井型煤層氣水平井的地質(zhì)導(dǎo)向工作比較困難，特別在探煤頂并尋求著陸的環(huán)節(jié)上，技術(shù)控制要求高，因此需要現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)向人員做好充足的技術(shù)準(zhǔn)備。

圖5 T-P05井水平段斜深與垂深關(guān)系圖

(2)應(yīng)用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，能夠大幅度提高在煤層氣水平井中的煤層鉆遇率，有利于提高煤層氣產(chǎn)量。

(3)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)根據(jù)鉆時(shí)、地層巖性、隨鉆伽馬、氣錄測(cè)資料及地層參數(shù)，結(jié)合軌跡控制技術(shù)，實(shí)時(shí)更新、修正地質(zhì)導(dǎo)向模型，以便更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

(4)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)在T-P05井的應(yīng)用成功，證明了該技術(shù)在煤層氣水平井中具有良好的發(fā)展前景。

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