陳 峰

(江蘇煤炭地質(zhì)勘探三隊，江蘇常州 213022)

多分支水平井是指在一口水平井主井眼中鉆出多個進入目的層的分支井眼，作為國內(nèi)外勘探開發(fā)領(lǐng)域先進鉆井技術(shù)之一，廣泛用于油氣田以及煤層氣開發(fā)領(lǐng)域。此外，隨著國家對采礦安全的愈發(fā)重視，采用地面施工鉆孔的方式對地下采礦區(qū)含水層實施注漿改造成為采礦區(qū)水患超前治理的重要方式[1-4]。在東龐礦區(qū)多分支水平井施工中，四開水平裸眼是工程重難點集中段，井眼軌跡復(fù)雜，高水垂比井身結(jié)構(gòu)對施工定向段及水平段的井眼軌跡控制造成很大難度，且所鉆目的層斷裂、隱伏陷落柱發(fā)育，作業(yè)風險很大。本文擬通過對礦區(qū)鉆井地質(zhì)條件、井下鉆具摩阻等因素進行詳細的理論分析，開展一系列工藝措施研究以保證水平段鉆進層位，實現(xiàn)大位移水平段成井，延伸單個分支的探查距離，擴大單孔治理范圍。

1 研究背景

河北省邢臺市東龐礦區(qū)地處太行山東麓與華北盆地的接觸帶上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層非常發(fā)育，部分斷層切割深度大(已達奧灰，破壞了本溪組隔水層)。其煤田煤系基底為巨厚的奧陶系灰?guī)r，巖溶陷落柱發(fā)育，煤系本身又有多層厚度不一的薄層灰?guī)r，屬典型的華北巖溶型煤田，受奧灰強巖溶承壓水威脅嚴重。其下組煤9號煤與下伏奧灰之間的隔水保護層厚度為25～40m，存在斷裂普遍發(fā)育，突水系數(shù)高，隱伏奧灰?guī)r溶陷落柱隨機分布且數(shù)量眾多等不良充水條件。項目通過在9400采區(qū)地面布置2口多分支水平井實施注漿治理，設(shè)計共施工31個水平分支，各分支孔以約70m的水平間距覆蓋治理區(qū)域(圖1)。

圖1 工作區(qū)鉆孔軌跡分布示意

單口多分支水平井采用四開井身結(jié)構(gòu)(圖2)，探尋9400采區(qū)下組9號煤下伏奧灰隔水保護層斷裂、隱伏奧灰?guī)r溶陷落柱等導(dǎo)水通道并實施注漿改造，封堵斷層等構(gòu)造薄弱區(qū)，強化底板抗水壓能力，降低井下采掘期間水害風險，實現(xiàn)安全采煤。

圖2 單井井身結(jié)構(gòu)示意

2 工程難點分析

工程難點集中于四開裸眼井段，工區(qū)地質(zhì)情況和軌跡特點直接影響軌跡的順層情況和延伸距離，從而直接影響探查效果。

1)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，層位跟蹤難度大。井田內(nèi)斷裂、褶皺、陷落柱均有發(fā)育，以斷裂構(gòu)造發(fā)育為主，且以張性及張扭性斷裂為主。截止到2015年底，根據(jù)井下、鉆探及三維地震成果等，東龐礦包括邊界斷層共有83條落差大于5m斷層，其中大于等于20m的大中型斷層35條，占42%。設(shè)計要求水平段軌跡保持進入奧陶系灰?guī)r頂面下25m左右延伸，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造使得層位跟蹤難度大，可能會造成在高位移、高摩阻、大水垂比軌跡的情況下，不得不滑動鉆進以調(diào)整井斜方位；水平段鉆遇各種張性斷裂，斷裂帶附近地層破碎易漏，此外，資料顯示，峰峰組巖溶裂隙相對發(fā)育，可能鉆遇各種隱伏陷落柱及風化裂隙帶，復(fù)雜的地質(zhì)條件將帶來井下各種隱患。

2)造斜率高，水平段長，井眼凈化能力差。以DB2井為例，直井段段長324m，造斜段段長345.65m，自著陸點后實施側(cè)鉆開分支，分支段長最短234.68m，最長1 264.75m，平均長度703.64m。超長的水平分支井段即要求鉆井液具有良好的攜巖和防塌能力，還要求鉆井低固相或者無固相以不堵塞裂隙導(dǎo)水通道，鉆井液體系需具有充分平衡各項需求的能力。

3)水垂比大，鉆具摩阻大，壓力傳導(dǎo)困難。以DB2井為例，共施工15個分支，各分支水垂比均>1，最大達到1.95，共7個分支水垂比達到1.8以上。在滑動鉆進中鉆具躺在下井壁，鉆具與井壁接觸面積大，致使鉆井施工過程中摩阻很高，起鉆負荷大，下鉆阻力大；由于完鉆垂深較淺，鉆具重力不足，滑動鉆進時加不上鉆壓，鉆速低，若遇到地層變化必須調(diào)整井斜方位，將會為持續(xù)鉆進帶來極大困難，此外，由于造斜段短且造斜率大，鉆柱與技術(shù)套管摩擦，套管易磨損。

3 井下鉆具摩阻分析

定向井、水平井鉆井施工中鉆具受力非常復(fù)雜[5]，若不考慮鉆進及方位變化情況，鉆具摩阻主要包括造斜段鉆具自重產(chǎn)生的摩阻、直井段附加的力作用在斜井段產(chǎn)生的摩阻、水平井段起下鉆或滑動鉆進時所受的摩阻，經(jīng)理論計算分析推導(dǎo)出：

+μgqsinθmaxL水平

(1)

式中：F阻力為鉆具在井內(nèi)所受到的摩阻，kN；μ為摩擦系數(shù)；g為重力加速度，9.8N/kg；q為鉆具線密度，此處取Ф89mm鉆桿19.84kg/m；R為軌跡的曲率半徑，m；θmax為最大井斜角，(°)；L斜為軌跡斜井段長度，m；L垂直為軌跡垂直段長度，m；L水平為軌跡水平段長，m。

直井段以及斜井段鉆具自重提供下滑力，理論推導(dǎo)公式：

F下滑=gqL垂直(cosβ-μsinβ)m+gqRsinθmax

(2)

式中：F下滑為鉆具在井內(nèi)的下滑力，kN；m為造斜段鉆具節(jié)數(shù)；β為每段鉆具所對應(yīng)的圓心角，(°)。

若使得鉆進有進尺，鉆壓能夠傳導(dǎo)到井底，必須使得F下滑>F阻力。

1)使用鉆具組合：Φ152.4mmPDC鉆頭+1.5°Φ121mm螺桿(MWD)+Φ121mm無磁鉆鋌+Φ89mm鉆桿+Φ108mm方鉆桿。

不考慮方位因素，按原設(shè)計，取直井段0～360.3m，段長L垂直=360.3m；造斜段360.3～670m，段長L斜=350m，水平段670～1 796.15m，段長L水平=1126.15m，鉆桿q=19.84kg/m，平均造斜率K=7.5°/30m，曲率半徑R=229.3m，摩擦系數(shù)μ=0.3，θmax=86.23°，鉆桿外徑d0取Φ88.9mm，內(nèi)徑d1取70.2mm。m=37，β=2.33°。代入(1)、(2)式得：F阻力≈91kN，F(xiàn)下滑≈88kN，F(xiàn)下滑

2)若采用倒裝鉆具組合：Ф152.4mmPDC鉆頭+1.25°Ф121mm螺桿(MWD)+Ф121mm無磁鉆鋌+Ф89mm鉆桿+16根Ф121mm鉆鋌+Ф89mm鉆桿+Φ108mm方鉆桿。

取直井段段長L垂直=360.3m；造斜段段長L斜=350m，水平段段長L水平=1126.15m，Φ88.9mm鉆桿q=19.84kg/m，Φ121mm鉆挺q＂=74.5kg/m，上部Φ121mm鉆挺總長度150m，平均造斜率K=7.5°/30m，曲率半徑R=229.3m，摩擦系數(shù)μ=0.3，θmax=86.23°，鉆桿外徑d0取Φ88.9mm，內(nèi)徑d1取70.2mm。m=37，β=2.33°。代入(1)、(2)式得：F′阻力≈108.1kN，F(xiàn)′下滑≈137.1kN，以上計算結(jié)果顯示，F(xiàn)′下滑>F′阻力，說明即使在考慮下部水平段鉆鋌的情況下，采用倒裝鉆具組合所提供的下滑力依然能夠為鉆頭提供鉆壓，完成施工任務(wù)。

4 水平段鉆井關(guān)鍵技術(shù)措施

4.1 水平段鉆進

1)優(yōu)化軌跡設(shè)計。通過廣泛查閱工區(qū)地層、構(gòu)造資料，石炭系上統(tǒng)太原組9號煤組在全區(qū)穩(wěn)定可采，厚度大，是本區(qū)奧陶系灰?guī)r以上最近的主要可采煤層，可作為推斷下古生界奧陶系中統(tǒng)峰峰組頂界面的主要標志層。參考9號煤層底板等高線圖，以垂直于奧灰頂界面走向的主孔為分析對象了解奧灰頂界面地層延伸規(guī)律，對井眼軌跡進行優(yōu)化設(shè)計(圖3)。

圖3 奧灰頂界傾角計算示意

2)巖屑、鉆時錄井。水平層段目的層系奧陶系中統(tǒng)峰峰組，巖性主要為灰色、灰白色泥質(zhì)、泥晶灰?guī)r以及灰白色、灰黃色的白云質(zhì)成分的泥質(zhì)灰?guī)r與鋁土巖的混合巖石構(gòu)成，上覆石炭系本溪組灰白色鋁土巖、灰色、灰白色砂質(zhì)泥巖、灰色細砂巖、中砂巖。在水平段鉆進過程中，進行巖屑錄井和鉆時錄井工作，巖屑錄井間距為1m/次，鉆時錄井間距為1m/點，根據(jù)返出巖屑情況、鉆時情況分析是否出層，若判斷已鉆出峰峰組及時分析原因進行調(diào)整。

3)隨鉆自然伽馬。鉆進過程中采用PMWD-C+GAMMA無線隨鉆測斜儀進行軌跡控制，在獲得井眼軌跡數(shù)據(jù)的同時，可獲得鉆遇地層自然伽馬測井信息，在碳酸鹽巖剖面中，黏土巖、泥巖呈現(xiàn)自然伽馬高值，而純的石灰?guī)r、白云巖的自然伽馬呈現(xiàn)低值，依據(jù)這一特征，通過隨鉆自然伽馬曲線，可以直觀地判斷出軌跡總體是否順層在奧陶系灰?guī)r內(nèi)延伸，以及鉆遇的裂隙、風化帶、隱伏陷落柱的充填情況。

將軌跡的平面展布情況、剖面情況與隨鉆伽馬情況進行比對(如圖4 E2分支)，通過設(shè)計軌跡平面上垂直奧灰頂界面走向展布，剖面上保證軌跡在位于奧灰峰峰組內(nèi)順層延伸，并通過對自然伽馬數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合對巖屑、鉆時的分析，對井下軌跡鉆進的層位情況進行跟蹤、驗證，能夠有效保證軌跡在目標段的鉆遇率，進而提高軌跡的探查質(zhì)量。

圖4 E2分支設(shè)計、實鉆軌跡綜合分析對比

4.2 大位移水平段成井

1)鉆井液體系。水平段位移大，主要鉆遇峰峰組灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r與鋁土巖的混合巖石，鉆井液性能具有防塌性及較好的攜巖性，減小虛泥餅厚度，另外，要求鉆井液擁有較好的潤滑性，同時，為了保證不堵塞裂隙通道，使用無固相鉆井液體系。其配方為：0.1%～0.2%包被劑+0.5%～1%防塌減阻劑+1%～2%潤滑劑+0.2%～0.4%增黏劑。性能指標：漏斗黏度18～40s，密度1.01～1.10g/cm3，pH值7～9。按水平段長度及時補充潤滑劑，降低井下鉆具摩阻，潤滑劑加量原則見表1。

表1 水平段潤滑劑加量

2)鉆具組合。根據(jù)理論研究及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，結(jié)合所鉆遇地層及定向施工需要，四開水平分支段前期采用Φ152.4mmPDC鉆頭+1.5°Φ121mm螺桿(MWD)+Φ121mm無磁鉆鋌+Φ89mm鉆桿鉆具組合鉆至著陸點后，實現(xiàn)增方位(開分支)， 開出分支進入水平段后采用Φ152.4mmPDC鉆頭+1.25°Φ121mm螺桿(MWD)+Φ121mm無磁鉆鋌+Φ89mm鉆桿+16根Φ121mm鉆鋌+Φ89mm鉆桿倒裝鉆具組合進行水平段鉆進，通過在直井段加Φ121mm鉆鋌串，增加垂直段鉆具自重，促使鉆壓傳遞，提高水平段克服托壓的能力，待鉆鋌串達到近造斜段時，提鉆將鉆鋌柱重新加到垂直段，重復(fù)操作直至鉆完分支。施工中盡量以復(fù)合鉆進為主，保證鉆進效率，必要時采用滑動鉆進調(diào)整部分井段軌跡。利用PMWD-C+GAMMA無線隨鉆測斜儀器，隨時調(diào)整井下軌跡參數(shù)，并可結(jié)合隨鉆GAMMA數(shù)據(jù)、鉆進情況及實鉆返出的巖屑情況對地層進行對比分析，及時掌握地層信息，確保分支井段覆蓋質(zhì)量。

3)鉆進方式。水平層段鉆進方式主要分為滑動鉆進和復(fù)合鉆進，滑動鉆進時方鉆桿不轉(zhuǎn)，以動力鉆具定向調(diào)整軌跡為主，水平段鉆具摩阻較大，鉆壓傳遞困難，復(fù)合鉆進時轉(zhuǎn)盤與動力鉆具同時工作，鉆具在井底處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，可以降低鉆具的相對摩阻，增加鉆壓傳遞能力，提高鉆進效率，使分支軌跡的延伸范圍達到最大。

通過優(yōu)化軌跡設(shè)計，盡量減少水平層段的軌跡調(diào)整，增加復(fù)合鉆進層段。在實際水平分支段施工中發(fā)現(xiàn)，目的層段峰峰組中復(fù)合鉆進過程中，每鉆進1根井斜增加0.3°～0.5°的趨勢，方位角具有微降的趨勢，在設(shè)計水平段軌跡的時候，如果目的層段厚度較大，可考慮入靶前將井斜設(shè)計稍低一些，方位設(shè)計稍高一些，進入目的層段后，在保證順層延伸的同時，增加復(fù)合鉆進距離，充分利用地層的自然造斜特征，達到延長分支、快速成井的目的。

5 應(yīng)用成果

1)礦區(qū)水平目的層峰峰組斷裂、隱伏陷落柱發(fā)育使得施工軌跡順層延伸難度極大，往往發(fā)生穿層、丟層的情況，影響治理效果。施工中通過采用水平段鉆進層位保證設(shè)計的相關(guān)技術(shù)措施，各水平分支均能夠在目的層峰峰組內(nèi)順層延伸。通過地層綜合分析對比，施工完成的15個分支共53個控制點距奧灰頂界面的距離基本能夠維持在25～40m，達到最優(yōu)治理效果。

2)前期施工中由于水平段長的增加，逐漸出現(xiàn)摩阻大、托壓嚴重的問題，表現(xiàn)為進尺緩慢或無進尺的現(xiàn)象，導(dǎo)致單個分支無法完成設(shè)計工作量，嚴重影響工程的持續(xù)進行。利用大位移水平段成井技術(shù)，成功解決壓力傳導(dǎo)困難這一問題，最長分支水平長度達1 264.75m，最大水垂比達到1.95左右，探明漏失點(段)26個，單孔累計共注入水泥28 805.47t，粉煤灰5 198.84t，最終完成該井的全部施工任務(wù)。