王 維 韓金良 王玉斌 楊 干 苗 強 辛 江 李 猛

(1.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責任公司 2.中石油煤層氣有限責任公司 3.重慶科技學院石油與天然氣工程學院)

0 引 言

2019年以來，中石油煤層氣有限責任公司在大寧-吉縣區(qū)塊以大于2 000 m的太原組8號煤儲層為研究對象，設置深層煤巖氣先導性試驗區(qū)，對深層煤巖氣開展勘探評價工作。歷時3年，探明國內首個整裝的千億立方米大型深層煤巖氣田。研究表明，該地區(qū)8號煤儲層發(fā)育穩(wěn)定，是鄂東緣煤巖氣和煤系地層天然氣重要的烴源巖，埋深800～2 800 m，平均厚度7.8 m，以亮煤和半暗煤為主。該煤儲層具有“埋藏深度大、煤層厚度大、含氣量高、割理裂隙發(fā)育、基質滲透率低”等特點[1-7]。2022年，在該深層煤巖氣先導性試驗區(qū)共部署水平井34口，其中每個井臺部署井數(shù)2～8口，井深3 600～4 300 m，水平段長1 000～1 700 m，全部采用二開井身結構和三維井眼軌道設計。但該深層煤巖氣水平井在鉆井過程中，存在井漏嚴重、泥頁巖和煤巖井壁失穩(wěn)、固井質量差、太原組機械鉆速慢等技術難題。

為此，本文開展了井眼軌道優(yōu)化設計和井眼軌跡控制、防漏堵漏、高性能PDC鉆頭設計、長裸眼段鉆井液和煤巖氣水平井固井等技術攻關，形成了大寧-吉縣區(qū)塊深層煤巖氣水平井鉆井配套技術。該技術在先導性試驗區(qū)25口深層煤巖氣水平井進行了應用，應用后鉆完井周期大幅縮短，生產時效明顯提高，可為后期規(guī)模開發(fā)提供技術支撐，也可為鄂爾多斯盆地東緣深層煤巖氣水平井安全高效鉆進提供借鑒。

1 深層煤巖氣地層特性及鉆井難點

1.1 地層特性

大寧-吉縣區(qū)塊深層煤巖氣水平井自上而下鉆遇第四系、延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組和本溪組地層。其中，第四系地層巖性以黃土層為主，且存在漏層；劉家溝組和石千峰組地層巖性以灰綠色泥巖、細砂巖為主，易水化分散，地震預測該段地層發(fā)育縱向裂縫；石盒子組地層巖性以棕紅色泥巖、含礫細砂巖為主，易水化膨脹；山西組-太原組地層巖性以灰黑色碳質泥巖、灰色泥巖、煤和中細砂巖為主。目的層太原組8號煤儲層位于太原組底部、本溪組頂部，頂?shù)装褰M合類型主要有灰?guī)r-煤層-泥巖、灰?guī)r-煤層-泥巖-煤層-泥巖2種。其中，煤層含氣量高、割理發(fā)育、抗壓強度低、泊松比大，易力學失穩(wěn)；泥巖黏土礦物含量高、層理和微裂縫發(fā)育，易水化分散；灰?guī)r抗壓強度、黏聚力和內摩擦角均大于其他巖性，可鉆性差。

1.2 鉆井難點

在深層煤巖氣先導性試驗區(qū)開發(fā)之前，大寧-吉縣區(qū)塊僅完鉆了4口煤巖氣水平井，平均完鉆井深3 645 m，平均鉆井周期78.91 d，平均機械鉆速5.83 m/h，平均水平段長1 114 m，煤層鉆遇率80.89%。對前期已完鉆井和先導性試驗區(qū)首輪完鉆井分析可知，大寧-吉縣區(qū)塊深層煤巖氣水平井鉆井主要存在以下難點：

(1)每個井臺部署2～8口井，井口距離僅有5 m，試驗井排距100～200 m，且有40%占比部署井偏垂比大于0.2，屬于中偏移距三維水平井[8]，不利于軌道設計。

(2)據(jù)地震預測，在劉家溝組、石千峰組地層發(fā)育縱向裂縫帶[9-12]。先導性試驗區(qū)首輪6口井均在劉家溝組底部發(fā)生漏失，初始漏速4～60 m3/h，堵漏次數(shù)2～21次/井，平均單井漏失量417.7 m3，平均單井損失時間6.77 d。這表明常規(guī)橋堵漿和水泥堵漏效果差，鉆井過程中容易反復發(fā)生井漏，導致鉆井周期長、生產時效低。

(3)山西組-太原組為增斜扭方位井段，滑動鉆進進尺多、比例高，且會鉆遇150～200 m的灰?guī)r，可鉆性級值達到7級，鉆井時機械鉆速不足2 m/h，需要2～3只鉆頭才能完成該段進尺，不利于鉆井提速。

(4)二開同一裸眼段存在多個易塌層位，泥頁巖水化作用強[13]，煤巖割理發(fā)育、抗壓強度低，均易發(fā)生井壁剝落掉塊造成井下復雜情況。

(5)深層煤巖含氣量高，但固井時水泥漿候凝過程中氣竄嚴重，影響固井質量。

2 鉆井技術及主要技術措施

2.1 井眼軌道優(yōu)化設計

2.1.1 上部井眼軌道優(yōu)化設計

先導性試驗區(qū)均為叢式水平井組，優(yōu)化設計為“直井段-二維增斜段-穩(wěn)斜消偏段-三維增斜扭方位段-二維增斜入靶段-水平段”的六段制井身剖面[14]。其主要設計原則為：①根據(jù)設計軌道的走向和老井軌跡進行井口靈活分配，要求井中心距離大于15 m或分離系數(shù)大于1.5。②造斜點選擇應避開漏層，以紙坊組或石盒子組為宜，二維增斜段選擇每30 m造斜4°～5°，初始方位角選擇應以降低扭方位工作量為原則。③穩(wěn)斜段井斜角應介于15°～40°，避免堆積形成巖屑床[15]。④三維增斜扭方位段軌道設計原則：為了兼顧降低鉆井過程中的摩阻、扭矩和減少無效進尺，有效靶前距小于340 m、偏垂比大于0.2的水平井，其余井設計為每30 m增斜5°～6°；本段軌道以扭方位為主，增斜為輔，確保在第一個標志層5號煤層之前扭方位至水平段方位，為入靶井段留足空間，降低入靶難度。

2.1.2 水平段井眼軌道設計

利用已鉆井資料，結合大寧-吉縣區(qū)塊二維、三維地震數(shù)據(jù)，建立三維地質模型，以精細表征煤層及其頂?shù)装宀煌瑤r性的空間變化規(guī)律，指導水平段軌道設計、入靶及水平段隨鉆跟蹤[16-18]。分別設計2種頂?shù)装褰M合類型：一分型煤層(見圖1a)中下部8-2#煤層、8-3#煤層發(fā)育高GR標志線，上部8-1#煤巖煤質好，發(fā)育原生結構煤，具有低GR、高氣測、低灰分、高含氣的特點，為地質甜點段分布區(qū)，井眼軌道設計在距頂板3～5 m位置；二分型煤層(見圖1b)8-1#煤層和8-2#煤層具有氣測高、煤體結構好、含氣量高的特點，但8-1#煤層厚度僅1～3 m，從安全鉆井來看，8-1#煤層和8-2#煤層間的泥巖夾層長期浸泡易使井壁失穩(wěn)。因此，綜合考慮，將井眼軌道設計距泥巖夾層3～4 m的8-2#煤層中。同時，根據(jù)水平段井眼軌道所鉆遇的煤層微構造發(fā)育情況，逐段設置控制點，定位儲層埋深，為該井段井斜選取提供依據(jù)，確保同時實現(xiàn)高鉆遇率和井眼軌跡平滑。

圖1 2種類型煤層井眼軌道設計方案Fig.1 Wellbore trajectory design for two types of coal seams

2.2 防漏堵漏工藝技術

2.2.1 井身結構優(yōu)化

延長組～本溪組地層壓力系數(shù)為0.85～1.10，屬于正常壓力梯度，為采用二開井身結構提供了先決條件。其中延長組～紙坊組地層壓力系數(shù)為0.85～0.90，且地層膠結疏松，承壓能力低，為必封井段，故將井身結構設計為：?406.4 mm鉆頭×?339.7 mm導管+311.1 mm鉆頭×?244.5 mm套管+215.9 mm鉆頭×?139.7 mm套管，一開封固紙坊組。劉家溝組裂縫性地層漏失壓力當量密度僅為1.12～1.15 g/cm3，為了穩(wěn)定上部井段井壁，鉆井液密度一般為1.08 g/cm3，該井段密度窗口窄。采用標準SY/T 5234—2016中環(huán)空壓耗計算公式計算可知，?215.9 mm井眼的環(huán)空壓耗當量密度為0.057 g/cm3，?311.1 mm井眼的環(huán)空壓耗壓力梯度當量密度為0.021 g/cm3(見圖2)。

圖2 不同尺寸井眼環(huán)空壓耗對比圖Fig.2 Annular pressure loss in different sizes ofboreholes

因大尺寸井眼可有效降低作用在漏層上的壓力，故將一開表層套管下入層位由紙坊組優(yōu)化至石千峰組，從而封隔劉家溝組、石千峰組裂縫性漏層(見圖3)，為后期裸眼段施工提供良好井眼環(huán)境。

圖3 優(yōu)化前后水平井井身結構Fig.3 Horizontal well profile before and after optimization

2.2.2 自適應隨鉆防漏堵漏技術

針對縱向裂縫漏失，優(yōu)選一種自適應隨鉆防漏劑，其結構見圖4。該防漏劑主要由熱塑型樹脂、外包覆殼和凝膠顆粒內核兩部分組成。其中凝膠顆粒包括內核丙烯酰胺凝膠、海藻酸鲺凝膠和充填粒子3部分，整體具備“內剛外柔”特性，可在井壁巖石表面和微裂縫中聚集形成顆粒膠束體，依靠聚合物膠束或膠粒界面吸力及其可變形性，封堵巖石表面較大范圍的孔喉和微裂縫。從表1砂床濾失試驗結果可以看出，該隨鉆防漏劑具有良好的防漏效果和抗老化性能。

表1 自適應隨鉆防漏劑砂床濾失評價Table 1 Evaluation on sand bed filtration of adaptive loss circulation material while drilling

圖4 自適應隨鉆防漏劑的結構示意圖Fig.4 Schematic structure of adaptive loss circulation material while drilling

通過室內評價不同粒徑自適應性隨鉆防漏劑與纖維堵漏劑、剛性堵漏劑配比的關系，優(yōu)化形成不同漏速條件下的防漏堵漏配方，室內測得其最高承壓能力可達7.7 MPa，見表2。

表2 自適應隨鉆堵漏配方性能評價Table 2 Evaluation on performance of adaptive sealing formula while drilling

2.3 高性能PDC鉆頭設計

為了解決山西組-太原組增斜扭方位井段機械鉆速慢、鉆頭進尺少的技術難點，開展大寧-吉縣區(qū)塊的巖石力學和鉆頭磨損情況分析。山西組-太原組砂巖抗壓強度高、內摩擦角大，地層吃入性較差，研磨性高，地層可鉆性差，起出的鉆頭以肩部和保徑齒磨損為主；灰?guī)r抗壓強度高、內摩擦角大，地層難吃入、研磨性高，地層可鉆性最差，起出的鉆頭以肩部和心部切削齒崩齒為主；煤巖抗壓強度極低、內摩擦角小，地層研磨性低、可吃入性好，可鉆性好，鉆頭磨損輕微。山西組和太原組地層巖石力學參數(shù)見表3。

表3 山西組和太原組地層巖石力學參數(shù)Table 3 Rock-mechanical parameters of Shanxi and Taiyuan Formations

根據(jù)以上分析，鉆頭的優(yōu)化方向為：①針對致密砂巖，要求鉆頭具有更強的抗研磨性；②針對穿越硬夾層(以太原組灰?guī)r夾層為代表)，要求鉆頭具有更強的抗沖擊性，從而提高單只鉆頭的鉆速和進尺。因此，主要從以下幾方面進行適用于多巖性高性能PDC優(yōu)化設計：

(1)鉆頭不平衡力優(yōu)化。PDC鉆頭心部齒的線速和切削量均較低，理論上磨損和崩損的概率均較低，而心部齒常出現(xiàn)明顯損傷的鉆頭，多是由于鉆頭不平衡力較大，引起其在井底不規(guī)則運動造成的。本文通過力學模型計算，優(yōu)化刀翼位置角為0°、71°、143°、225°、290°，將鉆頭在鉆進中的不平衡力從10%降低至2%以內，以提升鉆頭穩(wěn)定性。

(2)鉆頭抗研磨性優(yōu)化。優(yōu)化切削齒圓弧半徑為44 mm，可有效增加布齒密度，將外肩部切削齒間隙從3.0 mm減小到2.7 mm，單齒切削量極值點單圈巖石切削體積由1 823.85 mm3減少至1 658.80 mm3，在相同進尺下，將能有效抑制復合片磨損。

2.4 長裸眼段鉆井液技術

2.4.1 井壁失穩(wěn)機理研究

山西組-太原組泥巖、煤巖極易失穩(wěn)，是導致井壁剝落掉塊的最主要原因。泥巖和煤巖井壁失穩(wěn)機理主要有：

(1)室內浸泡試驗(見圖5)結果表明，在清水中浸泡7 d后，由于泥巖黏土礦物含量高，水化作用強，將導致巖塊本體發(fā)生破碎；而煤巖以有機質為主，黏土礦物含量低，水化作用弱，故巖塊本體保持完整。

圖5 清水浸泡前后泥巖和煤巖破碎情況Fig.5 Fragmentation of mudstone and coal rock before and after soaking in clear water

(2)采用掃描電鏡觀察和接觸角測定，泥巖和煤巖均發(fā)育微裂縫(見圖6)，但潤濕性不同。其中，泥巖的潤濕性表現(xiàn)為強親水性，自吸水效應強；煤巖為強疏水性，自吸水效應弱。故泥巖易與入井流體發(fā)生水化作用，導致井壁失穩(wěn)。

圖6 泥巖和煤巖微裂縫發(fā)育情況Fig.6 Development of microcracks in mudstone and coal rock

(3)力學試驗表明，煤巖抗壓強度遠低于泥巖、砂巖和灰?guī)r(見表3)，如遇井底壓力波動、鉆具碰撞、鉆井液沖刷等外力作用，極易引起煤巖井壁失穩(wěn)。

2.4.2 鉆井液體系設計及性能評價

通過提出“強封堵、合理抑制、適宜流變、低濾失”的防塌鉆井液措施，室內評價優(yōu)選出了復合鹽鉆井液體系，其基礎配方為：(1～2)%土粉+(0.1～0.2)%XC+(2～3)%降濾失劑+2%白瀝青+3%乳化瀝青+2%超細鈣+(2～3)%成膜封堵劑+(3～5)%NaCl+(5～7)%KCl+3%極壓潤滑劑+重晶石+燒堿，該體系常規(guī)性能見表4。

表4 鉆井液常規(guī)性能評價Table 4 Evaluation on conventional properties of drilling fluid

該復合鹽鉆井液體系以構建廣譜封堵為主要思路，優(yōu)選的封堵劑包含柔性封堵劑和剛性封堵劑，封堵粒徑范圍為0.08～1 100 μm，可確保鉆井液濾餅光滑而致密。其中，成膜封堵劑是一種納米-微米級高分子聚合物乳液處理劑，可通過濾失在孔隙性地層表面形成致密的高分子膜，粒徑范圍為0.087 9～0.536 0 μm，有效封堵割理縫和微裂縫，強化鉆井液物理封堵能力；同時，在體系中加入(3～5)%NaCl+(5～7)%KCl可提高鉆井液濾液礦化度，確保與地層水礦化度實現(xiàn)近平衡，弱化泥頁巖毛細管作用力和滲透壓差，抑制泥頁巖的水化分散，以提高鉆井液的化學防塌能力。

2.5 水平井固井工藝技術

2.5.1 增韌防竄水泥漿體系

根據(jù)深層煤巖氣水平井固井防氣竄[19-20]和大規(guī)模壓裂增產的技術要求，室內評價形成一套適用于深層煤巖氣水平井的常規(guī)密度增韌防竄水泥漿體系。該體系優(yōu)選3種不同尺寸的兩親聚合物彈性體顆粒，按照一定比例混合成增韌防竄劑，該防竄劑平均粒徑接近50～100 μm，滿足緊密堆積設計要求。并以增韌防竄劑為核心，根據(jù)固井技術參數(shù)要求中提出的常規(guī)密度水泥漿性能要求，配合配套外加劑，配制密度范圍在1.85～1.90 g/cm3的增韌防竄水泥漿體系。

(1)增韌防竄劑性能評價。不同加量增韌防竄劑水泥石力學性能測試結果如表5所示。從表5可以看出，在水泥漿中加入不同比例增韌防竄劑后，在抗壓強度和抗拉強度基本不變的前提下，彈性模量下降了21.8%～35.7%，表明加大增韌防竄劑可改善水泥石韌性，提高加載環(huán)境下水泥環(huán)的完整性。

表5 不同加量增韌防竄劑水泥石力學性能測試結果Table 5 Test results of mechanical property of hardened cement with different dosages of toughened anti-channeling agents

根據(jù)行業(yè)標準《油井水泥外加劑評價方法第5部分：防氣竄劑SY/T 5504.5—2010》規(guī)范要求，利用水泥漿氣竄分析儀器，在50和80 ℃溫度條件下進行了水泥漿防竄試驗，試驗結果如表6所示。由表6可見，當增韌防竄劑含量高于2.5%時，水泥漿靜膠凝過渡時間短于14 min，且未發(fā)生氣竄。

表6 摻有增韌防竄劑的水泥漿防竄試驗結果Table 6 Anti-channeling test results of cement slurry with toughened anti-channeling agent

(2)增韌防竄水泥漿體系性能評價。通過在體系中加入防氣竄劑，優(yōu)化形成水泥漿配方：G級水泥+10%增韌防竄劑+5%防氣竄劑+0.2%緩凝劑+1.5%減阻劑，測定其常規(guī)性能(見表7)和稠化曲線(見圖7)。由表7和圖7可以看出，該水泥漿體系具有直角稠化特征，靜膠凝強度過渡時間為10 min，氣竄量為0，表明該體系具有良好的防氣竄性能。

表7 水泥漿體系常規(guī)性能Table 7 Conventional properties of cement slurry system

圖7 水泥漿稠化曲線Fig.7 Thickening curve of cement slurry

2.5.2 驅油沖洗液體系

通過對以往使用的前置液體系進行評價，發(fā)現(xiàn)其沖洗井壁殘留的鉆井液效果不理想，導致固井界面膠結質量差。室內評價優(yōu)選了一種由陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑、清洗助劑組成的沖洗液體系，該體系中的離子表面活性劑具有很強的潤濕滲透功能，使沖洗液能夠很好地滲透到鉆井液的內部，可以有效提高固井界面的親水性。其中，非離子表面活性劑防止地層基質及套管表面再污染的能力強，有利于清洗固井界面油膜和鉆井液，該沖洗液的沖洗效果如表8所示。從表8可以看出，在60 ℃條件下，采用六速旋轉黏度計評價沖洗液對含油量達到10%的水基鉆井液的沖洗效率時，當沖洗液質量分數(shù)≥8%，接觸時間為1 min，沖洗效率≥95%。

表8 驅油沖洗液的沖洗效果評價Table 8 Flushing effect evaluation of oil displacement flushing fluid

2.5.3 配套固井工藝技術

(1)套管安全下入措施。利用Land Mark軟件分析氣層套管的下入能力，并進行井眼凈化效果評價[21]。下套管前至少進行2次通井作業(yè)。第一次采用不帶扶正器的通井鉆具組合：?215.9 mm牙輪+雙母接頭+浮閥+變扣接頭+?165 mm鉆鋌1根+?127 mm加重鉆桿2柱+?127 mm鉆桿65柱+?127 mm加重鉆桿8柱+?127 mm鉆桿，剛度比不小于1.5；第二次采用帶?210 mm或?212 mm螺旋扶正器通井鉆具組合：?215.9 mm牙輪+雙母接頭+浮閥+變扣接頭+?165 mm鉆鋌1根+變扣+?210 mm扶正器+?127 mm加重鉆桿1柱+?127 mm鉆桿65柱+?127 mm加重鉆桿8柱+?127 mm鉆桿，剛度比不小于2.0。對于通井時摩阻超過正常鉆進摩阻的井段，應通過劃眼、循環(huán)攜砂消除遇阻，下套管前應以振動篩無巖屑返出為起鉆標準。

(2)套管居中措施。采用?205.0 mm的螺旋式滾珠剛性扶正器、滾輪剛性扶正器和剛性扶正器，確保套管居中。

具體安放方法：套管串中使用旋轉引鞋，第一根套管安放1只滾珠扶正器，確保套管抬頭；水平段每1根套管安放一只滾珠扶正器；A靶點-造斜點每3根套管安放1只滾輪扶正器；直井段每5根套管安放1只剛性扶正器。提高套管居中度可有效減少壁面附著鉆井液，提高固井水泥漿頂替效率，保障固井質量。

(3)漿柱結構和注替參數(shù)設計。前置液占環(huán)空高度長于300 m，沖洗時間大于7 min；油頂300 m以上使用1.45 g/cm3高強低密度水泥漿，以降低液柱壓力，降低漏失風險；沖頂300 m以下采用1.90 g/cm3增韌防竄水泥漿體系，提高水泥漿壓穩(wěn)效果和防氣竄性能；采用清水頂替，以防止微環(huán)隙的出現(xiàn)。

固井前調整鉆井液流變參數(shù)，其中漏斗黏度50～60 mPa·s、塑性黏度控制在15～30 mPa·s之間、動切力小于12 Pa；施工時采用雙車注水泥漿，大排量施工，確保水泥漿在環(huán)空時返速范圍在1.0～1.2 m/s，以提高固井頂替效率。

3 現(xiàn)場應用效果

2022年，大寧-吉縣區(qū)塊深層煤巖氣水平井鉆井技術在25口井進行了應用，與以往已完鉆井相比，在平均井深、平均水平段長度增加的前提下，平均鉆遇率提高了16.27%，鉆井周期縮短了30.97%，平均機械鉆速提高了22.01%，復雜事故時效降低了6%，固井合格率達100%。相關參數(shù)對比如表9所示。

表9 完鉆水平井技術參數(shù)對比表Table 9 Comparison of technical parameters for drilled horizontal wells

(1)山西組-太原組提速效果。通過采用高性能PDC鉆頭和強增鉆具組合，優(yōu)選鉆井參數(shù)，優(yōu)化增斜扭方位井段鉆井液防塌和潤滑性能，在4口井進行了試驗應用，均實現(xiàn)“一趟鉆”鉆穿山西組-太原組多套巖性，平均單只鉆頭進尺491 m，平均機械鉆速4.68 m/h，平均進尺增加52%，平均機械鉆速提高144%。

(2)防漏堵漏效果。先導性試驗區(qū)第三輪9口井應用了防漏堵漏工藝技術，其中3口井未發(fā)生漏失，漏失率由第一輪的100%降低至66.7%。漏失的6口井中，平均單井漏失量由343.8 m3下降至142.33 m3，漏失量同比減少65.9%，平均單井損失時間由6.77 d縮短為2.44 d，損失時間同比減少63.9%。

(3)現(xiàn)場應用驅油沖洗液體系、增韌防竄水泥漿體系和配套固井工藝技術，采用連續(xù)管傳輸測試固井，25口深層煤巖氣水平井固井質量均合格。

4 結論與建議

(1)針對大寧-吉縣區(qū)塊深層煤巖氣水平井鉆井技術難點，開展了井眼軌道優(yōu)化設計、防漏堵漏工藝技術、高性能PDC鉆頭設計、長裸眼段鉆井液和固井等關鍵技術攻關研究，形成了深層煤巖氣水平井鉆井完井技術。

(2)25口井的現(xiàn)場應用效果表明，深層煤巖氣水平井鉆井技術能夠有效提高鉆速、降低井漏復雜時效和保證固井質量，可為大寧-吉縣區(qū)塊深層煤巖氣的有效勘探開發(fā)提供技術支撐。

(3)結合深層煤巖氣儲層特征和大規(guī)模儲層改造工藝需求，建議持續(xù)深化水平段井壁穩(wěn)定和提高二界面固井質量等技術研究，以保證水平段鉆完井作業(yè)提效提質。