張 強

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，是保障我國能源供給的重要資源之一。自2003年首次煤層氣地面井商業(yè)性生產到2019 年底，全國已鉆煤層氣井超過19500口，累計探明煤層氣地質儲量6445×108m3，探明率約2.1%；全國累計煤層氣產量 402.5×108m3，動用率約 6.2%[1]。

沁水盆地煤層氣資源儲量具有得天獨厚的條件，尤其沁水盆地南部晉城地區(qū)作為我國煤層氣的開發(fā)的主產區(qū)，一直走在全國煤層氣開發(fā)的前列[2]。隨著我國對清潔能源需求的增加及山西省煤層氣“增儲上產三年行動規(guī)劃”的啟動。近年來山西煤層氣開發(fā)企業(yè)加大了煤層氣的開發(fā)力度。煤層氣水平井具有單井抽采范圍大、產量高、區(qū)塊內布井數(shù)量少，便于集輸?shù)膬?yōu)勢，近年來逐漸受到了煤層氣開發(fā)企業(yè)的青睞。煤層氣水平井具有煤體揭露面積廣，壓裂裂縫延展范圍大，煤層泄壓供氣能力強，產氣潛力高等優(yōu)勢。為了提高煤層氣的單井產量，降低開發(fā)成本，提高企業(yè)的經濟效益，近年來鄭莊區(qū)塊開始大面積部署3#煤、15#煤L型水平井。15#煤層埋深大，地應力較大，煤層薄，厚度不穩(wěn)定，以碎裂煤為主，煤體結構較差，煤層傾角變化急劇。因此，在15#煤煤層氣L型水平井鉆完井施工中井壁不穩(wěn)定、鉆時長、著陸不合格、煤層鉆遇率低、三開下套管遇阻等技術難題，筆者通過現(xiàn)場工程實踐，采取優(yōu)化井眼軌跡設計、優(yōu)選鉆具組合、優(yōu)選鉆井液配方，精準著陸控制，地質導向，水平段井眼軌跡控制，精細化通洗井作業(yè)等關鍵技術措施，有效地解決了鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井鉆完井技術難題。

1 鄭莊區(qū)塊地質概況

鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地南部，位于寺頭斷層西側，地層傾角平緩，多發(fā)育褶曲構造，以NNE-NE方向延伸的背向斜為主，兩翼為較緩的寬緩褶曲。斷裂構造相對不發(fā)育，主要為NE-SW方向的斷層，以正斷層為主，規(guī)模較小，且發(fā)育有一定數(shù)量的陷落柱。區(qū)域地層自下而上包括：寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新近系、第四系。主采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3#煤層和石炭系上統(tǒng)太原組15#煤層，在鄭莊區(qū)塊廣泛分布，保存較完整。15#煤層埋深800～1000m，地應力梯度1.99×10-2MPa/m，地應力較大，煤層總厚度2.07～6.40m，厚度不穩(wěn)定，平均4.63m，以碎裂煤為主，煤體結構較差，煤層傾角變化急劇。主要受埋深變化以及構造破碎影響，儲層明顯存在不均一性。煤層頂板一般為石灰?guī)r、砂質泥巖、粉砂巖，老頂為石灰?guī)r(K2)，一般為弱含水性，滲透性差到中等，厚度0.22～9.60m，平均6.50m左右。底板以泥巖及砂質泥巖為主，少數(shù)為鋁土質泥巖，厚度0.25～25.79m，含水性弱，滲透性差[3-5]。

2 井身結構設計

為滿足后期壓裂排施工要求，優(yōu)化井身結構，鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井一開采用?347.6mm鉆頭鉆至基巖以下10m，下入J55鋼級?273.05mm表層套管，固井候凝，水泥漿返至地面；二開采用?241.3mm鉆頭鉆進至進入15#煤層2m處中完，下入J55鋼級?193.7mm技術套管后固井候凝，固井高密度水泥返至15#煤層上500～600m，低密度水泥返至地表；三開采用?171.5mm鉆頭鉆進，進入15#煤層后沿煤層鉆進至設計井深完鉆，下入N80鋼級?139.7mm套管，不固井[6]。具體井身結構設計參數(shù)見表1，井身結構如圖1所示。

表1 鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井井身結構設計參數(shù)

圖1 鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井井身結構

3 鉆井設備選擇

鄭莊區(qū)塊15#煤垂深800～1000m，水平井設計井深1800～2000m，考慮處理井內復雜時鉆機的提升力及水平段鉆進時鉆機需提供下壓力，綜合選擇提升力大于等于90t帶頂驅的雪姆T200XD鉆機[7]。二開井眼尺寸?241.3mm，需?185mm螺桿，根據(jù)其對排量要求，選擇F-1000泥漿泵。為保證鉆井液良好的性能同時控制鉆井液固相含量防止儲層污染，選擇四級固控。三開為保證煤層鉆遇率選擇帶方位伽馬的電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)(E-MWD)。主要配套設備見表2。

表2 鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井鉆井主要設備

4 鉆完井關鍵技術

4.1 井眼軌跡設計

煤層氣水平井在后期壓裂改造中，裂縫主要沿著煤層與最小主應力方向垂直，為增加水平段的控制面積，煤層氣水平井水平段盡量與煤層最小主應力方向平行。

井口位置受地形地貌限制，水平段的延伸長度及方位受煤層最小主應力方向、煤層含氣量分布、煤層傾角及煤礦井下采掘工作面的布置等因素限制，導致L型水平井井口、A靶點(著陸點)及B靶點水平投影不在一條線上，以鄭莊ZH-L49-1井為例(如圖2所示)，形成三維水平井(如圖3所示)。為保證下套管作業(yè)，壓裂前的通洗井作業(yè)及后期排采作業(yè)順利進行，水平井井眼軌跡設計時，全角變化率(狗腿度)控制在6°/30m之內，在井斜70°位置設計30m穩(wěn)斜段(螺桿泵所處位置)。防止三開井眼軌跡起伏較大容易引起的水鎖現(xiàn)象，而影響產氣量，三開在保證煤層鉆遇率的同時，盡可能的保證井眼軌跡平滑，三開水平段每100m設計1個控制點，全角變化率小于等于4°/30m[8-10]。以ZH-L49-1井為例，井眼軌跡設計參數(shù)見表3。

圖2 ZH-L49-1井平面布置圖

圖3 ZH-L49-1井三維軌跡

表3 鄭莊區(qū)塊ZH-L49-1井井眼軌跡設計參數(shù)

4.2 井眼軌跡控制

4.2.1 導眼預探目的層

二開造斜段至井斜35°時，穩(wěn)斜鉆進穿過15#煤層底板20m，保證E-MWD儀器可以完整的測出頂?shù)装宓馁ゑR及電信號值。35°導眼完鉆后進行測井，解釋獲取煤層的深度、特征參數(shù)及煤體結構數(shù)據(jù)作為三開煤層段鉆進時伽馬值及電信號的基礎參考值。隨后固井回填導眼至井斜35°往上20m，侯凝48h后側鉆下部主井眼，在鉆進過程中根據(jù)鉆遇的3#煤層、K3、K2標志層與周圍鄰井地層資料對比，不斷修正著陸點的垂深及煤層傾角，優(yōu)化井眼軌跡設計。主井眼鉆進至井斜70°時進行更換?215.9mm鉆頭進行降斜鉆進，降斜至60°后穩(wěn)斜鉆穿15#煤層底板20m，保證E-MWD儀器可以完整的測出頂?shù)装宓馁ゑR及電信號值，控制60°導眼入煤點與著陸點平面位移在30m之內。60°導眼固井回填后24h后，可直接側鉆剩余部分主井眼。35°導眼及60°導眼設計如圖4所示。

圖4 鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井導眼設計

4.2.2 精準著陸

二開著陸成功與否決定了三開水平段的鉆遇率、井眼軌跡平滑度及井內安全，決定的整個三開施工的難易程度。利用兩次導眼見煤點垂深及周圍鄰井煤層垂深可推算著陸點的垂深及煤層傾角，優(yōu)化井眼軌跡設計。二開精準著陸要求眼軌跡與煤層角差β≤3°(如圖5所示)，實際著陸點位于設計著陸點平面位移20m范圍內，在鉆進煤層2m后，待鉆時、氣測、煤層的垂深綜合對比分析確定為目的煤層(15#煤層)后即可二開中完。

圖5 著陸軌跡與煤層角差

4.2.3 三開井眼軌跡控制

鄭莊區(qū)塊15#煤平均厚度4.6m，煤層偽頂是一層平均厚度0.2m的炭質泥巖，老頂為平均厚度10m的石灰?guī)r，底板為砂質泥巖。15#煤層伽馬值15～30API，炭質泥巖伽馬值100～150API，石灰?guī)r伽馬值20～30API，砂質泥巖伽馬值80～100API。E-MWD測量的15#煤層與石灰?guī)r的電信號值差距較大，石灰?guī)r電信號值非常低。三開水平段鉆進，導向工程師利用方位伽馬及電信號值變化，提前預測軌跡與煤層的相對變化趨勢，進一步優(yōu)化井眼軌跡，避免出層，提高煤層鉆遇率。一般在15#煤層水平段鉆進中，遇到上伽馬值較下伽馬值先變大，可以判斷為軌跡靠近煤層頂板，下伽馬值先于上伽馬值增長，可以判斷為靠近底板，以ZH-L49-1為例，在鉆進至1435m時判斷井眼軌跡向煤層氣頂板靠近，如圖6所示。

圖6 ZH-L49-1井水平段方位伽馬曲線

有時因地質構造的存在，煤層急劇變化，出層后利用方位伽馬變化趨勢難以準確判斷，就需要利用地層伽馬值、電信號值、氣測值、巖屑錄井、鉆時曲線、區(qū)域底板等值線圖及鄰井地層資料綜合判斷，例如電信號極低、鉆時較慢、巖屑滴酸反應劇烈即可判斷為進入煤層頂板灰?guī)r地層。

4.3 鉆進工藝

4.3.1 鉆具組合

一開：?347.6mm鉆頭+雙母接頭(擋板)+?165mm鉆鋌×6根。

二開直井段：?241.3mm三牙輪鉆頭/PDC鉆頭+?185mm 0.75°單彎螺桿鉆具×1根+431×4A10轉換接頭+4A11×4A10座鍵接頭+?127mm無磁承壓鉆桿×2根+4A11×410轉換。

二開定向段：?241.3mm三牙輪鉆頭/PDC鉆頭+?185mm 1.5°單彎螺桿鉆具×1根+431×4A10轉換接頭+4A11×4A10座鍵接頭+?127mm無磁承壓鉆桿×2根+4A11×410轉換接頭+?127mm加重鉆桿串+?127mm鉆桿串。

三開水平段：?171.5mm三牙輪鉆頭/PDC鉆頭+?127mm 1.5°單彎螺桿鉆具×1根+311×310轉換接頭+座鍵接頭+?89mm無磁承壓鉆桿×2根+?89mm鉆桿串+?89mm加重鉆桿串。

4.3.2 鉆進參數(shù)

1)一開為防斜保直，采用塔式鉆具組合，輕壓慢轉大排量。

2)二開直井段為防斜保直提高機械鉆速，采用的?185mm(0.75°)螺桿+PDC鉆頭復合鉆進，隨鉆監(jiān)測井斜，大鉆壓高轉速，大排量提高噴嘴壓降，發(fā)揮水力破巖作用。

3)二開定向井段選擇與地層相適應的螺桿馬達，保證動力鉆具的造斜能力，嚴格按照井眼軌跡設計施工，同時提高鉆壓，轉速不超40r/min，在滿足螺桿正常工作的情況下，適當加大排量，提高機械鉆速。

4)三開水平段選擇與地層相適應的螺桿馬達，保證動力鉆具的造斜能力，嚴格按照井眼軌跡設計施工，同時提高鉆壓，轉速不超40r/min，排量與螺桿設計排量保持一致，確保井下安全。

鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井鉆進參數(shù)見表4。

4.3.3 鉆井液配方

1)一開鉆井液配制以防塌、防漏為目的，保證正常鉆進，提高鉆效。

2)二開鉆井液采用聚合物體系鉆井液，要求鉆井液具有低固相、低失水、強抑制、防縮徑的性能，具有良好的流動性及攜帶巖屑性能。

3)三開采用低固相聚合物體系鉆井液，要求鉆井液有良好的流動性及攜帶巖屑性能，同時具有一定密度，通過井筒內液柱壓力平衡地層壓力，同時加入一定量的成膜劑，在井壁形成連續(xù)穩(wěn)定的屏蔽暫堵性泥皮，保持井壁穩(wěn)定[11-13]。

適合鄭莊區(qū)塊煤層氣水平井的鉆井液配方及性能參數(shù)要求見表5。

4.3.4 完井工藝

鄭莊區(qū)塊15#煤儲層地應力較大，滲透率較低，為提高儲層滲透率增加滲透面積，水平井后期全部采用連續(xù)油管分段壓裂的方式對儲層進行改造。因此要求煤層段全部下N80鋼級的?139.7mm×7.72mm的套管。為保證水平段壓裂段數(shù)，要求套管下至距離井底5m以內。為保證套管順利下到位，完鉆后首先利用原鉆具組合通井一趟，隨后利用?168mm球型扶正器通井第二趟，最后用?168mm球型扶正器+?168mm螺旋扶正器組合通井第三趟。通井完成后，在水平段注入提前配置好的加有玻璃微珠的高粘度鉆井液，充填滿整個水平段，隨后起鉆下套管。套管下至出技術套管底部后，每100m小排量開泵循環(huán)5～10min，防止浮鞋前端淤砂導致下套管遇阻。套管下井底后，用井筒容積3倍的清水注入井內洗井[14-17]。

5 應用效果

應用文中論述的鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井鉆完井關鍵技術，2020年度在鄭莊區(qū)塊順利完成9口15#煤L型水平井，套管下深、煤層鉆遇率、工期等主要參數(shù)全部合格，見表6。

6 結 論

1)為保證鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井完鉆后的后續(xù)作業(yè)順利進行，保證產氣量，二開井段全角變化率小于等于6°/30m，70°穩(wěn)斜段長30m，三開水平段全角變化率小于等于4°/30m，每100m設置1個控制點。

2)對比35°導眼及60°導眼鉆進過程中標志層與煤層的變化，可以準確推算出著陸點的垂深及煤層傾角，能夠保證二開精準著陸。

3)綜合地層伽馬值、電信號值、氣測值、巖屑錄井、鉆時曲線的變化，參考區(qū)域底板等值線圖及鄰井地層資料能夠準確判斷水平段鉆進過程中軌跡相對煤層的變化趨勢，進一步優(yōu)化軌跡可保證煤層鉆遇率。

4)三開采用低固相聚合物鉆井液體系能夠保證鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井的水平段安全高效鉆進施工。

5)鄭莊區(qū)塊15#煤L型水平井采用下套管后洗井作業(yè)，后期經壓裂改造后儲層滲透率恢復良好，可廣泛推廣。