歷彥福

(中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040)

0 引言

潘莊區(qū)塊15#煤層較薄，發(fā)育不均勻，且傾角變化較大，頂板為灰?guī)r，屏蔽信號(hào)嚴(yán)重；夾矸標(biāo)志層存在中途湮滅情況；局部存在斷層。遇到傾角下傾急變帶時(shí)易進(jìn)入頂板灰?guī)r，導(dǎo)致進(jìn)尺變慢，影響鉆進(jìn)速度，為避開頂板灰?guī)r，導(dǎo)向軌跡盡量靠中下部鉆進(jìn)；在鉆遇傾角上傾急變帶時(shí)，易鉆遇底板泥巖，由于底板泥巖穩(wěn)定性差，易掉塊坍塌，對(duì)后期下篩管等作業(yè)造成很大難度。

煤層氣單分支水平井比其它類型水平井軌跡控制精度要求更高。一方面，單分支水平井一般垂深淺、曲率半徑小、設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)達(dá)800～1 000m，鉆至水平段后期往往出現(xiàn)井下鉆具摩阻大、扭矩高、托壓嚴(yán)重等現(xiàn)象而無(wú)法定向鉆進(jìn)的問(wèn)題，造成井眼軌跡調(diào)整困難[1]；另一方面，15#煤煤層氣單分支水平井一般采取下鋼篩管的完井方式，與U型井下PE篩管、多分支井裸眼的完井方式相比，對(duì)井眼軌跡質(zhì)量要求更高，導(dǎo)向軌跡調(diào)整與控制要求更嚴(yán)格。

1 鉆井導(dǎo)向儀器的優(yōu)選

目前在國(guó)內(nèi)能夠進(jìn)行三開煤層段導(dǎo)向使用的儀器分為三大類：泥漿脈沖類、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向類、電磁波類。泥漿脈沖類主要由泥漿脈沖儀器MWD+方向gamma組成，代表儀器是普利門生產(chǎn)的MWD儀器帶方位gamma；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器代表儀器是斯倫貝謝生產(chǎn)的PD(power direction)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等；電磁波類主要由電磁波儀器EM-MWD+方位gamma構(gòu)成，代表儀器是美國(guó)NOV生產(chǎn)的電磁波EM-MWD。對(duì)15#煤層中鉆進(jìn)導(dǎo)向儀器的優(yōu)選應(yīng)遵循以下原則：①信號(hào)傳輸快，信號(hào)參數(shù)滿足15#煤層導(dǎo)向需求；②井下作業(yè)時(shí)間滿足鉆井需求；③安全可靠，可打撈；④經(jīng)濟(jì)性好。

根據(jù)15#煤層的特點(diǎn)和導(dǎo)向儀器的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)選雙電池配置的EM-MWD 儀器作為導(dǎo)向儀器施工晉城潘莊區(qū)塊15#煤煤層氣單分支水平井。

2 鉆井著陸點(diǎn)控制工藝與優(yōu)化

2.1 著陸點(diǎn)控制工藝

著陸控制是指從直井段末端的造斜點(diǎn)(KOP)開始鉆至目的層這一過(guò)程。通過(guò)總結(jié)近年來(lái)所鉆單分支水平井的施工方法與步驟，并結(jié)合往年其它水平井導(dǎo)向施工的經(jīng)驗(yàn)，形成了針對(duì)山西潘莊區(qū)塊15#煤煤層氣單分支水平井的著陸點(diǎn)的控制工藝。

1)通過(guò)鄰井的地層對(duì)比分析，確定縱向上距離目的煤層較近、沉積穩(wěn)定、易于識(shí)別的標(biāo)志層。潘莊區(qū)塊以15#煤層為目的煤層的水平井可以選擇3#煤層、太原組四套灰?guī)r作為標(biāo)志層；

2)實(shí)鉆中依靠錄井、隨鉆測(cè)井等手段卡準(zhǔn)標(biāo)志層，不斷計(jì)算每一個(gè)標(biāo)志層地層傾角，并以當(dāng)前標(biāo)志層傾角作為下伏標(biāo)志層及目標(biāo)煤層的傾角，計(jì)算預(yù)測(cè)下一標(biāo)志層深度和著陸點(diǎn)深度；

3)根據(jù)實(shí)際鉆遇結(jié)果，判斷標(biāo)志層和著陸點(diǎn)預(yù)測(cè)深度吻合程度。若吻合較好，則按設(shè)計(jì)軌跡施工；若吻合較差，結(jié)合剩余靶前距和工程施工工具軌跡控制能力，適時(shí)對(duì)著陸軌跡進(jìn)行調(diào)整，直至15#煤層著陸。

2.2 近煤層鉆井導(dǎo)向工藝優(yōu)化

以晉城潘莊區(qū)塊15#煤煤層氣單分支水平井為例，二開定向鉆井使用普利門脈沖MWD儀器作為測(cè)量工具，在鉆頭進(jìn)入目的層位(15#煤層)后二開中完。完成中完作業(yè)后(下套管固井)，進(jìn)入三開煤層水平段作業(yè)，常規(guī)的作業(yè)是直接下入EM-MWD電磁波儀器，但因電磁波儀器屬于電信號(hào)傳播，在靠近套管的位置，儀器與套管形成短路狀態(tài)，造成地面不能接收到儀器信號(hào)，存在15m的儀器使用盲區(qū)，由于煤層呈連續(xù)起伏狀，且15#煤層較薄，如果對(duì)煤層進(jìn)行15m的盲打鉆進(jìn)，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

二開施工進(jìn)入煤層，一定是當(dāng)前井斜小于地層傾角，才可以從煤層頂部進(jìn)入煤層，三開如果不及時(shí)調(diào)整井斜，很有可能在十幾米的鉆進(jìn)過(guò)程中鉆至底板；鉆頭進(jìn)入煤層，由于距離短，不能夠確定煤層的傾角，盲打鉆進(jìn)不能夠及時(shí)調(diào)整井斜以適應(yīng)地層傾角的變化；煤層起伏多變，鉆頭軌跡也可能在復(fù)合鉆進(jìn)施工過(guò)程中進(jìn)入煤層頂板。15#煤層頂板為致密性灰?guī)r，可鉆性比較差，往往進(jìn)入頂板灰?guī)r層位，只能后退側(cè)鉆，而在套管鞋附近位置側(cè)鉆又存在新的施工風(fēng)險(xiǎn)：①由于可側(cè)鉆的距離短，懸空側(cè)鉆成功率低，側(cè)鉆時(shí)間長(zhǎng)造成套管鞋井段形成“大肚子”結(jié)構(gòu)；②側(cè)鉆如果失敗，需要填井側(cè)鉆，造成費(fèi)用增加，工期增加；③由于煤層與非煤層的地層巖性差異大，兩者的井徑擴(kuò)大率不同，在頂?shù)装褰唤缑娴膸r屑運(yùn)移存在流速差異，容易形成巖屑聚集，嚴(yán)重的會(huì)形成砂橋卡鉆。

根據(jù)上述的施工缺陷，在三開初期先下入MWD儀器。MWD隨鉆儀器屬于泥漿脈沖儀器，它可以不受套管的干擾來(lái)實(shí)現(xiàn)定向作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)EM-MWD儀器的盲區(qū)實(shí)現(xiàn)覆蓋控制。使用MWD儀器鉆進(jìn)盲區(qū)15m的方案，可以最大限度的利用該井段調(diào)整井斜。

2.3 應(yīng)用效果

PZC52L-04井為開發(fā)15#煤層而布置的開發(fā)井。地理位置：山西省晉城市沁水縣馬莊鄉(xiāng)；構(gòu)造位置：沁水盆地南部晉城斜坡帶劉家腰向斜西翼；完鉆層位：太原組；完井方法：下入4 1/2″鋼篩管至井底不大于50m，并將篩管頂部懸掛在7″套管鞋以上30m內(nèi)。PZC46L-03井為開發(fā)15#煤層的已鉆相鄰參考井。

PZC52L-04井一開采用Ф311.5mm鉆頭鉆入基巖5～10m，下入Ф244.5mmJ55鋼級(jí)的表層套管。二開采用Ф215.9mm鉆頭，選擇3#煤層、太原組四套灰?guī)r作為標(biāo)志層，通過(guò)與鄰井PZC46L-03不斷比對(duì)分析以預(yù)測(cè)地層傾角，預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。二開最終以84°井斜順利著陸在目的煤層15#煤，下入Ф177.8mm生產(chǎn)套管。三開先下入MWD儀器定向鉆進(jìn)15.00m,調(diào)整井斜至89°，與煤層傾角基本一致，起鉆更換EM-MWD導(dǎo)向鉆具組合，繼續(xù)在15#煤層中水平鉆進(jìn)。

表1 地層傾角對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of strata dips

應(yīng)用上述方法，不斷預(yù)測(cè)地層傾角，PZC52L-04井實(shí)現(xiàn)了以合適的井斜角著陸；同時(shí)通過(guò)在三開初期先下入MWD儀器調(diào)整井斜，避免出現(xiàn)EM-MWD儀器導(dǎo)向盲區(qū)，有效提高了15#煤層鉆遇率，降低了井下風(fēng)險(xiǎn)，減少了井下復(fù)雜情況，縮短了施工周期。

3 水平段軌跡控制模型

3.1 15#煤層巖性特點(diǎn)

15號(hào)煤層的特征單元一般可以劃分為頂板灰?guī)r、煤層、夾矸、煤層、底板泥巖。煤層厚度在1.5～3m，具有含氣量低，以及煤層相對(duì)不穩(wěn)定的特性。

15#煤層所具有的總體特征為HLLD、HLLS高，SP低，GR伽瑪?shù)?，夾矸的總體特征為HLLD、HLLS低，SP相對(duì)煤層要高, GR相對(duì)煤層也較高。在本區(qū)塊15#煤頂板為灰?guī)r，底板為碳質(zhì)泥巖，頂板灰?guī)r特征為HLLD、HLLS較高，SP極低，GR低[3]，底板碳質(zhì)泥巖特征為HLLD、HLLS低，SP高，GR高，15#煤層電測(cè)曲線如圖1所示。

因?yàn)槊簩?、夾矸、頂?shù)装逶陔娦陨?、物性上存在著明顯的差異，全烴和巖屑可作為是否在煤層中鉆進(jìn)的主要衡量參數(shù)[4]，GR可作為鉆頭在煤層中位置判斷的依據(jù)，鉆時(shí)、鉆壓、扭矩可作為是否在煤層中鉆進(jìn)的參考依據(jù)。

圖1 15#煤層電測(cè)曲線Figure 1 Coal No.15 well logging traces

3.2 15#煤層水平段軌跡控制模型

根據(jù)15#煤煤層及頂?shù)装逄卣?，以?yōu)化井眼軌跡為原則，提高煤層鉆遇率為目的，建立了煤層內(nèi)軌跡控制模型、出煤層頂板軌跡控制模型和出煤層底板軌跡控制模型。

1)煤層內(nèi)軌跡控制模型。煤層內(nèi)軌跡控制主要以?shī)A矸為標(biāo)志層，在夾矸上部時(shí)，控制井斜角略小于地層傾角(一般小于1°，充分考慮復(fù)合鉆進(jìn)自然增降斜趨勢(shì))，向夾矸下部緩慢靠近，軌跡到達(dá)夾矸下部時(shí)，控制井斜角略大于地層傾角(一般大于0.5°)，向夾矸上邊界緩慢靠近，鉆至夾矸上部時(shí)定向鉆進(jìn)控制井斜角略小于地層傾角，如此反復(fù)，完成整個(gè)水平段鉆進(jìn)。煤層內(nèi)軌跡控制模型如圖2所示。

2)鉆遇煤層頂板軌跡控制模型。當(dāng)煤層軌跡從頂板出煤后，在保證井下安全和井眼軌跡質(zhì)量要求的前提下以最大造斜率降斜至井斜角小于地層傾角2°～4°，向下追蹤煤層，從頂板進(jìn)煤之后按煤層內(nèi)軌跡控制方法進(jìn)行水平段鉆進(jìn)(圖3)。

3)鉆遇煤層底板軌跡控制模型。當(dāng)煤層軌跡從底板出煤后，在保證井下安全和井眼軌跡質(zhì)量要求的前提下以最大造斜率增斜至井斜角大于地層傾角2°～3°，向上追蹤煤層，從底板進(jìn)煤之后按煤層內(nèi)軌跡控制方法進(jìn)行水平段鉆進(jìn)(圖4)。

3.3 應(yīng)用效果

PZC52L-04井15#煤層頂板為灰?guī)r，底板為碳質(zhì)泥巖，在15#煤層上部EM儀器信號(hào)較差，在15#煤層底板不穩(wěn)定，易發(fā)生煤層垮塌，導(dǎo)向軌跡盡量保持在15#煤層中下部。本井使用雙電池配制的EMWD導(dǎo)向儀器，信號(hào)快，精度高，通過(guò)煤層內(nèi)軌跡控制模型、鉆遇煤層頂板軌跡控制模型和鉆遇煤層底板軌跡控制模型對(duì)15#煤層中導(dǎo)向進(jìn)行指導(dǎo)，水平段有效煤層進(jìn)尺1 135.90m，有效純煤層進(jìn)尺1 055.60m，煤層鉆遇率92.9%，軌跡得到了明顯優(yōu)化，有效提高了鉆遇率。

圖2 煤層內(nèi)軌跡控制模型Figure 2 Trajectory control model within coal seam

圖3 鉆遇煤層頂板軌跡控制模型Figure 3 Trajectory control model of intersected coal roof

圖4 鉆遇煤層底板軌跡控制模型Figure 4 Trajectory control model of intersected coal floor

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)比泥漿脈沖儀器MWD+方向gamma，電磁波儀器EM-MWD+方向gamma，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)選雙電池配置的EM-MWD 作為導(dǎo)向儀器施工晉城潘莊區(qū)塊15#煤煤層氣單分支水平井，并形成了15#煤煤層氣單分支水平井的著陸點(diǎn)控制工藝。

2)針對(duì)三開初期近套管位置鉆井過(guò)程中MWD儀器存在盲區(qū)的問(wèn)題，提出了先下入MWD隨鉆儀器實(shí)現(xiàn)定向作業(yè)的方法，試驗(yàn)表明該方法可以最大限度調(diào)整井斜，綜合考慮巖屑、氣測(cè)、頂驅(qū)扭矩的變化，能夠有效的分析鉆頭在煤層中的相對(duì)位置，及時(shí)調(diào)整煤層軌跡。

3)根據(jù)15#煤煤層及頂?shù)装逄卣?，以?yōu)化井眼軌跡為原則，提高煤層鉆遇率為目的，建立了煤層內(nèi)軌跡控制模型、鉆遇煤層頂板軌跡控制模型和煤層底板軌跡控制模型，指導(dǎo)煤層水平段鉆進(jìn)，有效提高了煤層軌跡控制精度。