張傳鳳

(江蘇長江地質(zhì)勘查院,南京 210046)

0 國內(nèi)煤層多分支水平井應用現(xiàn)狀

自 2008 年，我國在煤礦瓦斯鉆井應用定向鉆進技術以來，據(jù)統(tǒng)計已在30多個礦區(qū)進行了廣泛的推廣應用[1-3]。利用定向技術進行多分支孔施工，鉆孔分支能均勻覆蓋整個工作面，具有鉆進效率高、一孔多用、集中抽采等優(yōu)點，顯著提高了煤層瓦斯治理效果，現(xiàn)已成為瓦斯高效抽采的有效途徑[4-5]。截至2015年國內(nèi)煤礦井下瓦斯定向鉆完成了最大孔深 1 881 m，終孔直徑98 mm 和孔深1 209 m，終孔孔徑 120 mm 的集束瓦斯抽采水平定向長鉆孔;最大孔深 1 026m，終孔直徑 153 mm 的頂板巖石高位定向長鉆孔[3]。

瓦斯抽放應用最多、技術最成熟的是集束定向鉆孔群。在一個鉆場內(nèi)施工多個定向分支鉆孔，其主孔相對集中，分支孔方位呈扇形、花束型或平行延伸，是與主孔深度基本相同的分支鉆孔集合。集束定向鉆孔群一般在煤層普氏硬度大于1，賦存條件好，地質(zhì)結構簡單，煤層易成孔的煤礦施工。普城寺河、陜西大佛寺和神華汝箕溝等條件較好的煤礦多采用此類井型，并取得良好的抽采效果。安徽兩淮地區(qū)由于煤層普氏硬度系數(shù)小于1，煤質(zhì)松軟，構造復雜，集束定向鉆孔群難以成孔，過去幾年有不少施工單位進駐但均未獲得成功。中煤科工集團西安研究院有限公司在焦煤集團九里山礦、淮北朱仙莊及楊柳多家煤礦因煤層松軟而施工梳狀鉆孔(圖1)代替集束定向鉆孔群進行瓦斯抽采。采用梳狀鉆孔比常規(guī)高位鉆孔出氣量大，有一定的優(yōu)勢[3]，從鉆孔與煤層接觸面積上看要比集束定向鉆孔群低。

1 工程概況

1.1 工作區(qū)構造

圖1 梳狀鉆孔布置示意圖(據(jù)參考文獻[6]，有修改)Figure 1 A schematic diagram of pectination layout of boreholes (after reference [6], modified)

工作區(qū)位于潘集背斜東段的陶王背斜北翼轉(zhuǎn)折端，總體形態(tài)呈弧形，近似一單斜構造，傾向NE， 地層傾角0～8°。切割陶王背斜的斷層分為平行于主導構造線的走向斷層和斜切斷層兩類。走向斷層大致平行于陶王背斜軸，走向長、落差大、為擠壓斷裂，受控于區(qū)域性斷層組，構成礦井的自然邊界。斜切斷層主要發(fā)生在背斜北翼，多屬中、小型斷層，是影響煤層的主要因素，有NE、NW向兩組，構成“X”剪切共軛斷層組， NE向斷層多，NW向斷層稀少，斜切地層走向。鉆孔水平段控制在F31斷層以東，F(xiàn)28斷層以西區(qū)塊，鉆孔軌跡大致平行于陶王背斜軸，與斜切斷層近似垂交(圖2)。

1.2 鉆孔結構

施工的多分支水平瓦斯抽放試驗孔，目的層為3號煤層，共設計3個分支L1、L2、L3，鉆孔總長2 400m，穿煤層分支總長度1 600m，煤層鉆遇率不低于80%，單分支最大孔深1 340余米(圖3)。

圖2 井田構造綱要圖[13]Figure 2 Structural outline map of minefield[13]

圖3 鉆孔空間軌跡簡圖Figure 3 Borehole spatial track sketch

2 地質(zhì)導向難點

石油系統(tǒng)一般以地質(zhì)、地震、測井研究成果，將構造、沉積和儲層信息融合于一體，建立精細地質(zhì)導向的目的層空間展布模型[6-10,16]。入靶前垂深剖面實時地層精細對比是中靶的關鍵；準確把握地質(zhì)規(guī)律，弄清鉆遇某個標志層的原因和應對方法能效地提高入靶成功率及有效儲層鉆遇率；地質(zhì)導向和隨鉆、錄井人員之間協(xié)調(diào)配合，將最新的地質(zhì)認識應用到地質(zhì)導向中，是鉆井成功的保障。實時的將隨鉆信息和鉆時、巖屑等錄井信息綜合應用起來，彌補盲區(qū)誤差，以便有效并及時提出調(diào)整建議[11，17-19]。在施工過程中及時更新導向模型，以指導水平段導向和調(diào)整；軌跡調(diào)整無論在入靶前還是在水平段鉆進過程中都要及時分析、充分綜合各方面信息。

煤層預測與導向又有其特殊性和復雜性，與石油有所區(qū)別，主要表現(xiàn)在：

①石油一般目標層為石油儲層(砂巖層)，巖層有一定的支撐強度和厚度。煤層強度相對較低，鉆進中容易塌孔埋鉆，成井難度大；

②為保護煤層氣體通道，對泥漿性能要求較高，泵排量也不宜過大，否則造成孔徑過大，鉆孔軌跡不平滑，為后續(xù)工作帶來困難。

③由于煤層相對較“軟”，一但進入水平段，鉆進速度比砂巖儲層快的多，施工先導井預探煤層頂部和底部邊界，需承當較大的風險，為減少施工風險，一但進入目的煤層需要盡量減少觸頂和觸底的次數(shù)；

④一般煤層相對石油的儲集層較薄，產(chǎn)狀有一定的變化，一但產(chǎn)狀變化，會觸頂和觸底，回到預想軌跡的難度較大，增井斜或降井斜的角度不易控制，過大和過小均會造成脫靶，糾偏后使鉆遇率難以達到要求。側(cè)鉆難度大，鉆孔報廢率高；

⑤隨鉆設備參數(shù)少,存在10m左右測量盲區(qū)，實時性差，PDC鉆頭巖屑細小且返漿滯后。以上因素為煤層預測與導向提出了更高的要求。

資料顯示，鉆孔水平覆蓋區(qū)3煤厚3.01～5.20m，平均3.87m，底板為泥巖，下距1煤平均距離1.5m，直接頂板為粉砂巖或泥巖，間接頂板為厚層狀中砂巖。1、3煤層宏觀煤巖類型以半暗淡-半亮煤為主，3煤層受構造擠壓，煤層上部為粉煤，下部稍完整。二維地震顯示構造復雜，小斷層發(fā)育，臨近鉆孔揭露3煤無夾矸，進入水平段后缺少輔助判別標志。由于上部煤層已被構造破壞呈粉狀，水平段鉆進中若中途停待，鉆孔井眼會出現(xiàn)“大肚子”為后續(xù)下管帶來困難或塌孔報廢；斜切斷層落差不甚可靠，為保證鉆遇率要在穿過斷層前有所預判，施工中應減少鉆頭觸頂或觸底脫靶；工作區(qū)位于背斜北翼的轉(zhuǎn)折附近，近似單斜構造，煤層厚度相對較薄，產(chǎn)狀可能有變化，不能簡單的看作單斜構造。

由于勘探和地震資料精度不夠，根據(jù)地震、鉆探、相鄰工作面開采資料僅能對鉆孔軌跡關鍵靶點進行大致預判，同時由于設計軌跡平面投影不與勘探線重合，煤層局部產(chǎn)狀變化，可能與最初設計相左。在鉆進過程中可能會出現(xiàn)由于資料誤差引起鉆孔軌跡偏離目的煤層，甚至難以找到目標，造成鉆遇率不夠。

石油系統(tǒng)錄井的核心任務是利用隨鉆過程獲得的巖性(巖屑)、電性、物性及含油氣性資料來進行“預測”和“導向”，所謂預測是指水平段前的地層對比與預測技術，導向指水平段后的地質(zhì)解釋與導向技術[12]。本次施工采用北京普利門公司的PMWD-C無線隨鉆測斜儀+方位伽馬，隨鉆自然伽瑪探測點距鉆頭約9m,方位測量點距鉆頭位置11.2m，測量范圍無法涵蓋到鉆頭處，有9～11m的盲區(qū)，使用PDC鉆頭巖屑細小[13-15]，泥巖段、上部煤層段易造成擴徑，造成巖屑遲到時間不確定，錄井精度低，煤層中鉆時快時達1min/m，進入水平段后巖屑/煤屑遲到時間在20min以上，一但發(fā)現(xiàn)脫靶，往往來不及糾正，本文采用幾何導向鉆進預測方法，對煤層鉆孔導向預測探討。

3 煤層地質(zhì)預測與導向預測

鉆孔軌跡是一個三維空間曲線。在鉆進過程中，在某個時間點或方位內(nèi)的鉆頭運動可以簡化為三維空間內(nèi)直線運動，若與預想的煤層產(chǎn)狀或厚度不一致，地質(zhì)人員要及時修正地質(zhì)模型，實際定向鉆孔軌跡可通過對鉆孔測點的孔深、傾角、方位角進行計算求得其空間三維坐標值，進而確定鉆孔軸線空間位置[20]。本文就集束定向鉆孔群在煤層地質(zhì)導向預測中做一探討。

3.1 著陸點后入煤孔斜預判與導向

如前所述在設計階段應充分利用已取得的地質(zhì)資料研究構造形態(tài)、標志層大概位置的地質(zhì)模型，利用勘探孔資料，先求取地層的大致視傾角θi，求取方法如下：設兩相鄰井Ji、Ji+1同一標志層在空間中坐標分別為Ji(Xi，Yi，Zi)，Ji+1(Xi+1，Yi+1，Zi+1)。

同一標志層之間距離：

式中：Xi:第i孔標志層橫坐標；

Yi:第i孔標志層縱坐標；

Zi:第i孔標志層垂深；

Xi+1:第i+1孔標志層橫坐標；

Yi+1:第i+1孔標志層縱坐標；

Zi+1:第i+1孔標志層垂深。

3.2 由頂板進入煤層，繼續(xù)鉆進脫靶時糾偏預判與導向

煤層在較小的三維空間范圍內(nèi)簡化為上傾，水平、下傾三種空間狀態(tài)。一般情況下初次入靶后鉆孔軌跡順利鉆入目的層，不需要干預繼續(xù)復合鉆進就可以實現(xiàn)鉆探的既定目標。實際工作中往往煤層產(chǎn)狀與理想狀態(tài)不一致，在鉆井過程中可能會出現(xiàn)鉆孔軌跡偏離目的層的情況，可能的情況有：

①地層傾角初步確定為下傾，煤層真實傾角比初步確定的大或小或煤層水平，從而造成脫靶(鉆頭運動軌跡脫離煤層)；

②地層傾角初步確定為上傾，煤層真實傾角比初步確定的大或小或煤層水平，從而造成脫靶。這時要重新判斷地層真實傾角，在判斷前先根據(jù)最新的鉆井、測井、錄井資料初步處理。處理方法如下：

第j個標志層與入煤點(j+1)的距離：

第j個標志層與出煤點(j+2)的距離：

式中：Xj:標志層j橫坐標；

Yj:標志層j縱坐標；

Zj:標志層j垂深；

Xj+1:入煤點j+1橫坐標；

Yj+1:入煤點j+1縱坐標；

Zj+1:入煤點j+1垂深；

Xj+2:出煤點j+2橫坐標；

Yj+2:出煤點j+2縱坐標；

Zj+2:出煤點j+2垂深。

3.2.1 煤層下傾情況

此種情況的輔助判斷標志(Zj+2-Zj+1>0)。主要有兩種形式的脫靶。

(1)鉆頭順利進入目的煤層，此后鉆頭又從煤層底板鉆出煤層而脫靶(圖4A)，可以用下式近似判斷真實煤層視傾角。

H真：煤層真厚度；

θi：煤層(地層)傾角。

(2)鉆頭順利進入目標煤層，此后鉆頭又從煤層頂板穿出煤層而脫靶(圖4B)，可以用下式判斷真實煤層視傾角。

3.2.2 煤層上傾情況

此種情況的定量輔助判斷標志(Zj+2-Zj+1-H<0)，也會出現(xiàn)兩種形式的脫靶。

(1)鉆頭順利進入目標煤層，此后鉆頭又從煤層底板穿出煤層而脫靶(圖4C)，可以用下式判斷真實煤層視傾角。

圖4 鉆頭脫靶后幾種形式Figure 4 Some forms after bit target miss

(2)鉆頭順利進入目標煤層，此后鉆頭又從煤層頂板穿出煤層而脫靶，定量輔助判斷標志(Zj+2-Zj+1<0)(圖4D)，可以用下式判斷真實煤層視傾角。

3.3 由底板進入煤層，繼續(xù)鉆進脫靶時糾偏預判與導向

當鉆孔軌跡已經(jīng)確定鉆穿煤層(脫靶)，地質(zhì)導向要迅速根據(jù)脫靶嚴重程度做出回撤側(cè)鉆或及時糾偏。由于煤層鉆探的特殊性，側(cè)鉆有很大風險，如果能保證煤層鉆遇率，糾偏可能是較好的選擇。根據(jù)鉆孔脫靶前后的狀態(tài)，采用下列方法做出判斷與預測。

3.3.1 煤層下傾情況

此種情況的定量輔助判斷標志(Zj+2-Zj+1>0)，也會有兩種形式的脫靶。

(1)當鉆頭從煤層底板進入煤層，而后又從頂板穿出煤層，脫靶而出(圖4E)，可以用下式判斷煤層真實視傾角。

(2)當鉆頭從煤層底板進入煤層，而后又從底板穿出煤層，脫靶而出(圖4F)，可以用下式判斷煤層真實視傾角。

3.3.2 煤層上傾情況

此種情況的定量輔助判斷標志(Zj+2+H-Zj+1<0)，也會有兩種形式的脫靶。

(1)當鉆頭從煤層底板進入煤層，而后又從頂板穿出煤層，脫靶而出(圖4G)，可以用下式判斷煤層真實視傾角。

(2)當鉆頭從煤層底板進入煤層，而后又從底板穿出煤層，脫靶而出(圖4H)，可以用下式判斷煤層真實視傾角。

4 應用情況

淮南礦區(qū)某煤礦施工了一組水平井，分析井田構造及煤層發(fā)育特征后決定先施工長度較短且煤層較厚的L3分支作為試驗分支。順利著陸后遇F203斷層，提前增井斜順利在目標層中穿過斷層，進入該斷層下盤煤層頂板。預判煤層下傾，經(jīng)井斜角計算定向降井斜后，開始穩(wěn)斜鉆進，鉆時達2min/m，鉆進3個單根后，發(fā)現(xiàn)宏觀煤巖有變化(煤屑較完整)判斷進入煤層中下部。由于煤層內(nèi)缺乏標志層判斷鉆頭具體位置困難。繼續(xù)穩(wěn)斜鉆進10余米后，進尺變慢，預判可能鉆頭進入3煤層底板。通知定向增井斜，由于隨鉆設備存在10m左右的盲區(qū)，巖屑返回井口后見泥質(zhì)成分，同時下伽瑪值增高，證實預判正確。由于擔心塌孔，快速增井斜后，復合鉆進，很快又見煤層，由于是夜晚施工無法判斷宏觀煤巖特征(此次實際上進入的是1煤)，鉆進速度又快，巖屑遲到時間約30min，待確認鉆遇1煤底板砂質(zhì)泥巖時，本次施工已出現(xiàn)嚴重脫靶。推斷資料可能有誤，重新對導向模型修正，于是通知定向迅速增井斜，在增井斜的過程中又見砂巖，判斷此時已進入1煤底板砂巖。于是在可控范圍內(nèi)盡快增井斜，穿過1煤底板砂巖、砂質(zhì)泥巖、1煤、3煤底板泥巖回到3煤時，L3分支已經(jīng)施工過半，最終L3分支施工用時6d，煤層鉆遇率僅50%，實際施工中Fx13不存在(圖5)，平均日進尺85m。總結L3分支施工經(jīng)驗后重新修正地質(zhì)模型加強預判，僅用7d順利結束L2和L1分支1 000余米的施工。L2分支煤層鉆遇率達94%(受F203斷層影響)，平均日鉆尺138m，L1分支煤層鉆遇率達100%，平均日鉆尺165m。

圖5 設計與實鉆以對比圖Figure 5 Contrast diagram of designed and real drilling

5 結論

(1)煤層地質(zhì)導向在鉆井前要結合地質(zhì)、地震、測井研究成果，將構造、沉積和標志層信息融合于一體，建立導向模型。在施工過程中要注意標志層特征的準確判斷，隨時根據(jù)最新信息修正地質(zhì)模型，應用中盡量將系統(tǒng)誤差消除，能極大提高鉆進效率和鉆井成功率。

(2)地質(zhì)導向應用中僅僅分析即時資料應用在煤層導向中是遠遠不夠的，一但出現(xiàn)脫靶，由于存在儀器盲區(qū)，巖屑遲到時間，增、降井斜操作執(zhí)行后，鉆孔軌跡空間動作存在滯后等造成的系統(tǒng)誤差，即使及時糾偏，也會大大降低煤層鉆遇率。加強導向預測，提前預判并指導隨鉆人員在脫靶前調(diào)整鉆頭姿態(tài)，可以大大降低脫靶情況的出現(xiàn)。

(3)總結出8種脫靶情況的半定量計算方法，經(jīng)驗證可以有效解決施工中的問題，現(xiàn)場工程試驗表明，通過加強預判不但能減少停待時間，減少井下風險，而且能節(jié)約施工成本。此外，應用中及時總結消除系統(tǒng)誤差的經(jīng)驗可以大幅提高鉆井效率，增加鉆井成功率。