周梓欣 王一兵 崔德廣 李瑞明

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局,新疆 830091;2.新疆科林思德新能源有限責任公司,新疆 831500)

“十二五”以來，新疆煤層氣進入快速發(fā)展的10年黃金期，使得準南煤田、庫拜煤田、三塘湖煤田煤層氣勘查程度和地質(zhì)認識大幅提高，其中準南煤田東段是煤層氣勘查和開發(fā)工作投入最多的地區(qū)，建成了烏魯木齊河東、阜康礦區(qū)四工河等煤層氣開發(fā)利用先導試驗，最高年產(chǎn)氣量8235×104m3。以準南煤田東段為研究對象，通過“十三五”國家科技重大專項的專題研究和勘查開發(fā)實踐，煤層氣勘查開發(fā)理論技術取得較大進步，初步形成了適應中低煤階、大傾角、多厚煤層地質(zhì)特點的理論和鉆壓排工藝技術體系，本文主要針對研究區(qū)的鉆完井技術開展研究。

1 概況

準南煤田東段地處北天山博格達山北麓，構造上位于準噶爾盆地南緣烏魯木齊山前坳陷帶，西起烏魯木齊河，東到吉木薩爾水西溝，主要包括烏魯木齊河東、阜康和吉木薩爾3個礦區(qū)(圖1)，面積約567.5km2，2000m以淺煤炭資源量約292×108t，煤層氣資源量約1920×108m3。

圖1 準南煤田東段位置及交通示意圖

烏魯木齊河東礦區(qū)目標煤層組可采厚度1.80～51.42m，結構復雜，阜康礦區(qū)煤層單層厚度3.67～34.27m，煤層結構簡單-較簡單，吉木薩爾水西溝礦區(qū)單層可采厚度1.47～18.54m，煤層結構簡單-復雜。各礦區(qū)目的煤層間距最小為3.32m，最大為120m；各礦區(qū)構造以向斜為主，地層傾角一般在30°～65°，局部倒轉，河東礦區(qū)北單斜為一急傾斜構造，地層傾角一般72°～85°，局部倒轉；阜康礦區(qū)煤類以氣煤為主，其余地區(qū)以低變質(zhì)的弱粘煤和長焰煤為主。

2 鉆井施工難點

準南東段煤層氣鉆井施工主要存在以下難點：由于地層傾角大，鉆頭在非均等面切削作用下，產(chǎn)生不平衡的鉆進狀態(tài)，導致鉆頭偏離原井眼軸線，產(chǎn)生“小變向器”作用，這一作用隨地層傾角增大而增強，井斜的程度也越大，因此定向井施工過程中存在著直井段井斜不易控制和穩(wěn)斜段井斜和方位漂移等問題；由于巖層軟硬交錯影響，對鉆頭產(chǎn)生“小變向器”作用，在軟硬界面處易形成“狗腿”；構造復雜，煤層產(chǎn)狀沿走向和傾向均是變化的，導致順煤層井以及水平井在沿儲層鉆進時易出頂?shù)装澹瑥亩鴮е旅簩鱼@遇率低，重新入煤困難，頂?shù)装迮袛嗖磺?。同時，煤層夾矸多影響目的煤層的判斷，無法判斷是否進入目的煤層。主力煤層間距大，井網(wǎng)間距控制困難。如阜康白楊河礦區(qū)39和42號煤層最大間距100m，要求在滿足排采要求的前提下入煤層段井斜角盡可能小，使各目的煤層水平位移不會相差太大，保證兩個主力煤層在開發(fā)過程中的井網(wǎng)間距均勻分布，滿足整體壓降，這就給鉆井施工帶來了挑戰(zhàn)。煤層段長，易垮塌，易受鉆井液污染，以往使用的鉆井液體系不能滿足井壁穩(wěn)定和儲層保護的目的。

3 鉆完井技術現(xiàn)狀及效果

3.1 井型

井型是從井眼的軌跡形狀出發(fā)去分類的，與地層傾角、煤層厚度及發(fā)育的穩(wěn)定性、滲透率等密切相關，目前，我國煤層氣開發(fā)多采用叢式井、多分支水平井、U型井等幾種井型。為適應新疆大傾角、多煤層、厚煤層的地質(zhì)特點，節(jié)約土地資源和方便管理，研究區(qū)形成以叢式井為主，水平井為輔的開發(fā)模式，其中，叢式井包括直井和定向井，水平井包括順煤層井、L型井單分支水平井、多分支水平井3種井型。

直井與定向井相結合形成叢式井組，是準南東段普遍采用的井型(圖2)，共施工生產(chǎn)井215口，其中包括20口五段制井。優(yōu)點是節(jié)約土地資源，減少鉆前費用，方便鉆井和壓裂統(tǒng)一作業(yè)，減少設備搬遷費用，便于統(tǒng)一進行排采、集輸及管理，可以在同一口井中同時開采縱向上的多個主力煤層(一般開采2～3層)的煤層氣資源。缺點是相比于水平井單井控制面積較小，同時，由于研究區(qū)地層傾角大，開發(fā)的多個主力煤層縱向間距大，要實現(xiàn)多個主力煤層等井距開采比較困難。通過重大專項攻關和試驗，創(chuàng)新研發(fā)了五段制定向井，并與直井相結合，解決了鄰井在多個目的煤層沿傾向上實現(xiàn)等井距分布的難題，增加了可利用煤層的層數(shù)。該種井型的開發(fā)效果創(chuàng)國內(nèi)同類井型產(chǎn)氣量之最，最高單井日產(chǎn)氣量達2.8×104m3，約有15口井單井日產(chǎn)氣量大于5000m3，多數(shù)井單井日產(chǎn)氣量大于1000m3。

圖2 叢式井組示意圖

順煤層井主要是針對大傾角煤層提出的順煤層傾向的井，采用直井段+增斜段+穩(wěn)斜段的井身軌跡，沿煤層下傾方向鉆進200m以上，增加沿傾向上儲層鉆遇長度，減少定向井數(shù)量，擴大儲層泄壓面積。該井型在烏魯木齊河東礦區(qū)煤層氣開發(fā)中得到應用，共施工5口井，其中篩管完井1口，套管固井射孔完井4口，最高單井日產(chǎn)氣量3500m3，平均單井日產(chǎn)氣量2000m3左右。

圖3 順煤層井示意圖

L型井主要是順煤層走向的水平井，經(jīng)研究分析，多采用沿煤層走向或沿走向小角度向上擺動的最佳水平井軌跡。該井型增加了單井儲層泄壓面積，降低滲流阻力，實現(xiàn)了對厚煤層的充分動用，解決了大傾角儲層不同深度解吸相互干擾的問題。該井型在研究區(qū)各礦區(qū)的煤層氣開發(fā)中均有應用，其中在烏魯木齊河東礦區(qū)應用最廣，共施工35口井，最大單井日產(chǎn)氣量大于3000m3，多數(shù)井單井日產(chǎn)氣量在1000m3以上。

圖4 L型井示意圖

多分支水平井在美國得到廣泛應用，在我國的多個地區(qū)也進行了試驗和應用。該井型主要在四工河礦區(qū)煤層氣開發(fā)中得到應用，為U型多分支水平井，如圖5所示，共施工2口井，位于淺部(1000m以淺)靠近煤礦采動區(qū)的高滲區(qū)，單井最高日產(chǎn)氣分別為3.35×104m3/d、0.52×104m3/d，其中CSP-1H井“十三五”期間累計產(chǎn)氣3701×104m3。該井型與單井多分支水平井相比雖然增加了一口工程井，工程成本相對較高，但直井作為生產(chǎn)井，排采設備相對簡單，生產(chǎn)成本相對較低。

圖5 U型多分支水平井井身結構示意圖

3.2 井身結構與完井方式

合理的井身結構能最大限度的避免漏、塌、卡等工程事故的發(fā)生，保證鉆井作業(yè)安全順利進行，降低鉆井成本。目前我國煤層氣開發(fā)井身結構多采用二開井身結構，復雜情況下采用三開井身結構。在準南煤田東段的煤層氣開發(fā)中，針對不同井型和鉆遇的地層、儲層條件，有針對性的采用二開或三開井身結構，配套套管射孔完井、篩管完井等不同完井方式，與沁水盆地相比既有借鑒性又有其自身特點。由于受博格達山前區(qū)域擠壓地應力場控制，地應力高，滲透性較差，煤體結構碎軟，煤巖力學強度低等原因，多采用套管固井射孔完井的方式，以長期支撐井壁穩(wěn)定。

叢式井組的直井、定向井和順煤層井多采用二開井身結構，一開φ311.1mm井眼×φ244.5mm套管，二開φ215.9mm井眼×φ139.7mm套管，生產(chǎn)套管固井水泥漿返至地面或目的層段頂面以上300m，遇復雜地層，采用三開結構。

L型水平井一般為三開井身結構，數(shù)據(jù)見表1，但在烏魯木齊河東礦區(qū)L型井施工中，根據(jù)對以往鉆井事故分析，在儲層以上井段未出現(xiàn)因地質(zhì)因素而發(fā)生鉆井事故，同時，通過井壁穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，地層壓力特性突變點在50～100m，此段為第四系不穩(wěn)定地層，易漏易塌，鉆井液安全窗口較小，需用套管隔離，進入穩(wěn)定基巖至完鉆井深，屬于同一坍塌與漏失壓力梯度，井壁穩(wěn)定性較好，鉆井液安全窗口幾乎重疊，因此，在這種情況下，井身結構由三開改為二開，大大縮短了工期，節(jié)約了成本。截至目前，共計以二開井身結構施工L型井33口，共節(jié)約成本2310×104元。

表1 L型水平井套管完井三開結構數(shù)據(jù)

U型多分支水平井由水平井和洞穴井組成，由于井位位于區(qū)內(nèi)地應力場低值區(qū)，煤體結構以原生結構和碎裂煤為主，水平井眼成孔和井壁穩(wěn)定性好，靠近煤礦采動區(qū)，地層壓力低，煤層滲透性好，不壓裂即可產(chǎn)氣，因此采用多分支水平井篩管完井技術。水平井作為工程井，采用三開井身結構復合完井方式，一開φ311.1mm井眼×φ244.5mm套管，表層套管下至穩(wěn)定基巖，封固上部不穩(wěn)定地層；二開φ215.9mm井眼×φ177.8mm套管，下至煤層或接近煤層的頂板地層，固井封固煤層上部地層；三開由1～2個主支和6～8個分支組成，主支φ152.4mm井眼×φ114.3mmPE篩管完井，有效維護井壁穩(wěn)定，防止煤層垮塌，提供穩(wěn)定生產(chǎn)通道，分支φ152.4mm井眼裸眼完井，最大限度的減少儲層流體滲流阻力。洞穴井作為生產(chǎn)井，采用二開井身結構，一開φ311.1mm井眼×φ244.5mm套管，下至穩(wěn)定基巖，封固上部不穩(wěn)定地層，二開φ215.9mm井眼×φ139.7mm套管固井完井，煤層段采用鋼套管或玻璃鋼套管，通過鍛銑在煤層段造洞穴。

3.3 井網(wǎng)形態(tài)與井間距

研究區(qū)煤層氣開發(fā)中對矩形井網(wǎng)和菱形井網(wǎng)布井方式進行了嘗試，并根據(jù)各礦區(qū)滲透率、資源豐度等特征，在借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗和產(chǎn)能模擬的基礎上，確定了不同的井間距。阜康四工河礦區(qū)叢式井組采用菱形井網(wǎng)布井(圖6)，根據(jù)地應力和主裂縫發(fā)育情況確定煤儲層主滲透方向，沿主滲透方向和垂直于主滲透兩個方向布井，主滲透方向井距適當加大，垂直于主滲透方向井距較小?？紤]深部煤層滲透性變差，適當減小井距提高產(chǎn)氣效果。埋深1000m以淺較高滲透區(qū)叢式井采用300～350m井距，埋深1000～1500m的較深部位中-低滲透區(qū)叢式井采用250～300m井距；阜康白楊河礦區(qū)采用矩形井網(wǎng)布井，主裂縫方向為北東-南西向，井網(wǎng)與主裂縫方向一致，沿主裂縫方向以250m間距布井，垂直主裂縫方向以210m間距布井；烏魯木齊河東礦區(qū)形成定向井、L型井空間立體井網(wǎng)，八道灣向斜北翼地層傾斜較緩區(qū)域，采用以L型水平井為主的開發(fā)井型，北單斜高陡區(qū)域以定向井為主，L型井以80×280m壓裂點間距布置，定向井、順煤層井以250m走向間距布置。

圖6 叢式井組菱形井網(wǎng)、矩形井網(wǎng)布井示意圖

3.4 鉆井液類型及特征

煤層具有低壓、低滲特征，過高的鉆井液密度易造成儲層傷害，甚至壓漏地層，同時，由于煤巖機械強度低、內(nèi)部裂縫系統(tǒng)發(fā)育，過低的鉆井液密度易導致井壁失穩(wěn)，甚至井筒坍塌，造成井下復雜事故，另外，鉆井液中流體與固相顆粒易侵入近井筒煤巖，對煤巖儲層造成傷害，直接影響煤層氣單井產(chǎn)量及采收率。因此，鉆井過程中既要確保鉆井安全施工和井身質(zhì)量又要最大程度的減少對儲層的污染。

研究區(qū)煤層氣開發(fā)中，針對不同儲層物理特性下鉆井液對煤層的傷害做了大量研究工作。通過儲層傷害試驗評價方法、煤樣滲透率傷害測定，評價鉆井液儲層傷害程度，優(yōu)化形成低固相低傷害強抑制水基/鉀基鉆井液和無固相低傷害鉆井液體系。針對水敏性不強的地層，低固相鉆井液配方為：水+納土+磺化瀝青+降失水劑+LV-CMC；針對坍塌嚴重的泥頁巖地層，即水敏性地層，優(yōu)選出低/無固相強抑制性鉀基鉆井液，配方為：水+納土+甲酸鹽+(+KCL)磺化瀝青+降失水劑+LV-CMC；無固相強抑制水基鉆井液(HP)體系，配方為：水+NaOH+HP-HIB+HP-VIS+LV-CMC+潤滑劑，主要由高性能流型調(diào)節(jié)劑HP-VIS、高性能包被抑制劑HP-HIB以及降濾失劑LV-CMC等關鍵處理劑組成。低固相鉆井液體系基本性能穩(wěn)定，溫度適應范圍寬，具有優(yōu)良的抗煤巖污染和極強的防塌能力，對煤巖的穩(wěn)定指數(shù)較好，不會造成垮塌現(xiàn)象，對煤巖的滲透率降低較小，不會影響后期的采氣過程，且能提高機械鉆速。無固相鉆井液體系具有無固相侵入傷害、流變性能好、防塌性能佳，提高機械鉆速等優(yōu)點，確保了斜井段、水平段的安全施工。

在實際應用中根據(jù)儲層特點選擇與之適用的鉆井液體系，并根據(jù)具體情況對鉆井液中主要成分含量優(yōu)化調(diào)整，同時，根據(jù)經(jīng)驗總結及分析研究，總結出鉆井液安全密度窗口。鉆井過程中，一開、二開采用低固相聚合物鉆井液保護井壁和保障快速鉆進，進入煤層段，為了加強儲層保護，采用強抑制性低密度無固相-低固相鉆井液體系，嚴格控制鉆井液密度和固相含量，防止井壁垮塌和近井筒儲層污染，減少鉆井液浸泡時間保護好儲層。

4 鉆井技術發(fā)展方向

經(jīng)過近10年的發(fā)展，在煤層氣開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)了很多還未解決的鉆井難題，為今后的鉆井攻關指明了方向。今后煤層氣開發(fā)中鉆完井技術要攻關的方向為：

(1)由于低階煤的煤體強度較高階煤低，低煤階儲層應力敏感性和滲透率損害率遠高于中高煤階且難以恢復，同時，施工中存在地層傾角、地應力變化大，地層可鉆性差異大等情況，現(xiàn)有鉆井液與地層的配伍性還需提高，因此需要更有針對性的開展儲層敏感性和儲層保護技術研究、鉆井液技術研究。

(2)由于新疆煤層氣富集區(qū)多位于山前構造擠壓帶，地質(zhì)條件復雜，煤層非均質(zhì)強，同一區(qū)塊，采用相同的理論和工藝技術，開發(fā)中也會出現(xiàn)不同的問題，不同井單井產(chǎn)量差別很大，因此，需進一步加強地質(zhì)與工程的一體化研究，精細化研究和分析，根據(jù)儲層實際條件選用合適的井型、井身結構和完井方式、井距及鉆井液等，提高鉆完井技術與儲層條件的適應性。

(3)鑒于當前形成的多種井型相結合的開發(fā)模式，需要開展混合井網(wǎng)優(yōu)化研究與試驗。