黔北礦區(qū)煤層頂板水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

胡焮彭，趙永哲，徐堪社，王林杰，李 鵬，段會(huì)軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

西南地區(qū)(指貴州省、云南省、四川省和重慶市)煤炭資源豐富，煤炭資源總量約占全國(guó)儲(chǔ)量的10%，是我國(guó)南方片區(qū)主要的產(chǎn)煤區(qū)域。該區(qū)域受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤與瓦斯突出礦井居多，是我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)[1]。黔北礦區(qū)地處貴州高原西北部，煤層具有“層數(shù)多、厚度薄、成群分布”的特點(diǎn)[2]，瓦斯含量豐富。自2009 年初在該區(qū)塊摸索煤層氣勘探開發(fā)工程模式以來(lái)，分析了各類煤層氣開發(fā)技術(shù)對(duì)該地區(qū)煤層氣地質(zhì)條件的適應(yīng)性，試驗(yàn)鉆進(jìn)了較多不同的地面煤層氣開發(fā)井型[3-4]，同時(shí)改進(jìn)鉆完井技術(shù)、壓裂排采工藝等，但并未取得顯著突破[5]。多數(shù)煤層氣井因地層條件復(fù)雜、松軟低滲煤層發(fā)育且塑性較強(qiáng)，依然存在井眼穩(wěn)定性較低、鉆孔效率和質(zhì)量有待提高、壓裂排采效果差等問(wèn)題，工程有效性和地質(zhì)適應(yīng)性難以適配，煤層氣資源“可見(jiàn)難取、有氣難出”[6]。針對(duì)此問(wèn)題，圍繞如何高效抽采區(qū)域煤層瓦斯，實(shí)現(xiàn)先抽后采目的，馬耕等[7]提出“虛擬儲(chǔ)層”的概念，即利用臨近煤層的巖層(頂?shù)装?部署水平長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行井下瓦斯抽采，并在煤礦井下成功應(yīng)用實(shí)施；劉貽軍等[8]針對(duì)貴州省煤儲(chǔ)層條件，提出了煤層氣儲(chǔ)層增產(chǎn)改造技術(shù)和排采工藝技術(shù)；張群等[9]通過(guò)科研攻關(guān)，提出頂板水平井分段壓裂高效抽采模式，取得了良好的工程試驗(yàn)效果，為碎軟低滲煤層地面瓦斯治理指明了方向。借鑒淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦頂板巖層水平井煤層氣開發(fā)技術(shù)[10]，以對(duì)江南煤礦為研究對(duì)象，本土化改進(jìn)工藝措施，施工一組U 型水平對(duì)接井，該井組由水平井H2 和排采直井V2 組成。通過(guò)將水平井H2 的水平段布置并控制在煤層頂板中，開展適用于同地區(qū)的煤層頂板水平井鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究，利于后期實(shí)施定向射孔和分段水力壓裂抽采煤層氣，為同地區(qū)煤層氣地面開發(fā)提供思路。

1 地層特征及技術(shù)難點(diǎn)

對(duì)江南煤礦主體處于大方背斜與落腳河向斜之間，地層傾角8°～15°。目的層位M78 煤層位于二疊系龍?zhí)督M下部，煤層氣資源量11.80～16.79 m3/t，占總資源量的28.14%。礦區(qū)內(nèi)地層切割嚴(yán)重、斷層縱橫交錯(cuò)。據(jù)地質(zhì)填圖和鉆孔揭露，主要鉆遇第四系(Q)、三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)、二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P3c)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)及二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P3β)等。地層主要特點(diǎn)：第四系為松軟黃土層，主要為殘積、坡積物、黏土等，易垮塌；煤系上覆地層石灰?guī)r和泥灰?guī)r段巖溶、溶蝕、裂隙現(xiàn)象發(fā)育；煤層頂板主要為泥巖、粉砂巖互層，底板為粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、黏土巖等，夾大量團(tuán)狀黃鐵礦；M78 煤層厚度1.70～2.10 m，平均厚度1.90 m，煤層起伏變化大，煤質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，易垮塌。

基于上述地層特征，H2 水平井主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

a.裂隙、巖溶發(fā)育，地層漏失問(wèn)題，制約著鉆井施工周期及定向井眼軌跡控制。

b.缺乏詳盡的地質(zhì)資料，復(fù)雜的地層條件及多煤層干擾，嚴(yán)重制約著精準(zhǔn)著陸。

c.目標(biāo)煤層起伏變化大，為了保證后期壓裂，設(shè)計(jì)要求精準(zhǔn)控制水平段軌跡在 M78 煤層頂板0.5～2.0 m 內(nèi)鉆進(jìn)，水平段井眼軌跡控制難度大。

d.水平段固井，水泥漿易通過(guò)連通通道壓入直井，或與直井井筒內(nèi)液體發(fā)生置換進(jìn)入直井，為后期壓裂排采作業(yè)增加了難度。

2 井眼軌道與井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 井眼軌道設(shè)計(jì)

綜合地質(zhì)資料和煤層氣水平井施工經(jīng)驗(yàn)，H2 水平井由于垂深限制，采用“直–增–水平”單增形軌道剖面[11-12](圖1)。造斜段設(shè)計(jì)垂深352～607 m，盡量避開裂隙、巖溶漏失地層。

圖1 固定參數(shù)法設(shè)計(jì)單增軌道Fig.1 Fixed parameter method for designing single-increasing track

如圖1 所示，當(dāng)造斜點(diǎn)垂深Hk選定時(shí)，根據(jù)軌道設(shè)計(jì)固定參數(shù)法計(jì)算：

式中R為曲率半徑，m；SA為靶前位移，m；K為造斜率，(°)/30 m；Ht為目標(biāo)點(diǎn)垂深，m；αH為井斜角，(°)；Hk為造斜點(diǎn)垂深，m；

H2 井設(shè)計(jì)井深1 672.09 m，當(dāng)造斜點(diǎn)位于井深352 m 處時(shí)，由此可計(jì)算出，造斜率半徑為260 m，靶前位移為261.61 m，著陸點(diǎn)位于井深766.47 m 處，全井最大狗腿度為6.26°/30 m，井眼軌跡的水平投影走向291.97°。

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)江南煤礦地層條件與構(gòu)造特征，結(jié)合鄰井資料，H2 井采用三開井身結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

一開采用Φ444.5 mm 鉆頭鉆入基巖以下20 m，下入Φ339.7 mm 表層套管封固地表易漏地層。

由于水平井布置區(qū)域鄰井資料較少，勘查精度相對(duì)較低，煤系存在多套煤層，且受區(qū)域構(gòu)造影響較大，為確保三開水平井段目標(biāo)靶區(qū)地層段的鉆遇率，二開需采用Φ215.9 mm 鉆先導(dǎo)孔的方式提前揭露著陸點(diǎn)，掌握目標(biāo)層段巖性及埋深相應(yīng)特征，為造斜段井眼軌跡精確著陸提供條件。隨后以Φ311.15 mm 鉆頭擴(kuò)孔完鉆，下入Φ244.5 mm 技術(shù)套管。

三開采用Φ215.9 mm 鉆頭沿煤層頂板水平鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深與V2 井進(jìn)行精準(zhǔn)偏心對(duì)接連通[11]，下入Φ139.7 mm 生產(chǎn)套管固井。

圖2 井身結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Wellbore structure diagram

3 關(guān)鍵技術(shù)

井組施工過(guò)程中問(wèn)題難點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)，通過(guò)單一技術(shù)手段或常規(guī)水平井技術(shù)方案難以取得良好的鉆進(jìn)效果。因此，必須依靠多種技術(shù)互相配合，才能提高H2水平井鉆進(jìn)速度與質(zhì)量，確保安全高效施工。

3.1 上部地層裂隙和巖溶漏失防漏堵漏

對(duì)江南煤礦上部巖層裂隙發(fā)育，多為連通性溶洞或嚴(yán)重漏失層，且與地下水系連通。采用常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)，往往是“有進(jìn)無(wú)出”[14]，會(huì)出現(xiàn)機(jī)械鉆速低、漏失嚴(yán)重或井口失返、污染水源等問(wèn)題?？紤]各方面因素，一開采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，可有效避免井漏失返等復(fù)雜情況。

一開空氣潛孔錘鉆具組合：Φ444.5 mm 潛孔錘+Φ178 mm 無(wú)磁鉆鋌+Φ178 mm 鉆鋌+Φ165 mm 鉆鋌+Φ127 mm 加重鉆桿。

鉆井工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速30 r/min，風(fēng)壓2.5 MPa，風(fēng)量120 m3/min。

原表層設(shè)計(jì)進(jìn)入基巖20 m 完鉆，表層設(shè)計(jì)深度約50 m。由于井場(chǎng)地處山谷河道區(qū)域，空氣鉆鉆進(jìn)過(guò)程中地層裂隙發(fā)育，出水嚴(yán)重，鉆進(jìn)至52 m 完鉆下套管，固井過(guò)程中水泥漿全部漏入裂隙。為探明下部地層裂縫發(fā)育情況，決定采用表層套管護(hù)壁，更換Φ311.1 mm 空氣潛孔錘繼續(xù)鉆進(jìn)。若下部地層無(wú)裂隙、巖溶發(fā)育，則采用井口回灌水泥漿封固表層；若下部裂隙、巖溶發(fā)育，則加深表層。鉆進(jìn)至198 m 處遇放空型溶洞，繼續(xù)鉆進(jìn)至243 m，起出護(hù)壁套管，擴(kuò)孔至243 m，再次下入表層套管，采用“穿鞋蓋帽”法固井，表層完鉆。

3.2 空氣潛孔錘鉆進(jìn)防斜打直技術(shù)

上部地層傾角大，軟硬地層互層，灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，鉆遇溶洞幾率較大，空氣潛孔錘鉆進(jìn)普遍存在井斜不易控制的問(wèn)題，需綜合考慮地層傾角、地層各向異性、巖屑在井壁形成墊層、鉆具組合及鉆壓等因素的影響[15]。采用塔式鉆具組合，輕壓吊打，最大限度地降低鉆具彎曲，減小鉆頭側(cè)向力。當(dāng)潛孔錘接觸溶洞底部新地層時(shí)，需降低鉆壓，上提下放反復(fù)劃眼，保證井眼軌跡中心線垂直，以求達(dá)到預(yù)期的井斜控制目的。

3.3 造斜段精準(zhǔn)著陸控制

為了精準(zhǔn)控制井眼軌跡，提高鉆具造斜能力，造斜段采用兩級(jí)施工，第一級(jí)采用Φ215.9 mm 動(dòng)力鉆具施工先導(dǎo)孔并控制精準(zhǔn)著陸，第二級(jí)采用Φ215.9 mm 鉆頭控制軌跡精準(zhǔn)著陸。

二開定向鉆具組合：Φ215.9 mm PDC 鉆頭+Φ172 mm 螺桿(1.5°)+Φ127 mm 無(wú)磁承壓鉆桿+Φ165 mm EMWD短節(jié)+Φ127 mm加重鉆桿+Φ127 mm鉆桿。

鉆井工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速30 r/min，鉆壓40 kN，排量30 L/s。

二開采用EMWD(Electric Measure While Drilling)定向鉆進(jìn)至井斜65°后進(jìn)行先導(dǎo)孔施工，穩(wěn)斜鉆穿煤系以下20 m。若電測(cè)不到底，則采用鉆桿傳輸測(cè)井，通過(guò)電測(cè)數(shù)據(jù)反推確定M78 煤層頂?shù)装逦恢茫鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)巖屑錄井、氣測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)，為精準(zhǔn)著陸提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)，降低著陸誤差，并對(duì)M78煤層及頂?shù)装暹M(jìn)行伽馬數(shù)據(jù)錄取，為水平段井眼軌跡控制提供參考。

根據(jù)先導(dǎo)孔掌握M78 煤層準(zhǔn)確垂深后，優(yōu)化造斜段井眼軌道，確定回填井段長(zhǎng)度，采用EMWD加密測(cè)量，利用已掌握的地層自然造斜規(guī)律和定向鉆具造斜能力，實(shí)現(xiàn)井眼軌道軟著陸[16]。

同時(shí)，由于EMWD 信號(hào)傳輸存在時(shí)間差導(dǎo)致實(shí)鉆過(guò)程中信息滯后，應(yīng)根據(jù)參數(shù)值預(yù)測(cè)當(dāng)前鉆頭信息及前進(jìn)方向趨勢(shì)[17]。通過(guò)調(diào)整工具面并注意反扭角的影響，將造斜井段方位嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)方位的(±2.0°)范圍內(nèi)，閉合方位偏差0.2°以內(nèi)。

軟著陸后起鉆，采用Φ311.15 mm 鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)后，下入Φ244.5 mm 技術(shù)套管封固。

3.4 水平段軌跡精細(xì)控制

三開鉆具組合：Φ215.9 mm PDC+Φ172 mm 螺桿(1.25°)+Φ210 mm 球形扶正器+Φ172 mm 定向接頭+Φ165 mm 無(wú)磁鉆鋌+Φ165 mm 短無(wú)磁+Φ127 mm鉆桿+Φ127 mm 加重鉆桿+Φ127 mm 鉆桿。

鉆井工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速30 r/min，鉆壓60 kN，排量23 L/s。

采用電磁波傳輸信號(hào)的隨鉆測(cè)量?jī)x器(EMWD)，利用環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)第一時(shí)間判斷井下異常情況，利用實(shí)測(cè)方位伽馬與二開M78 煤層及上下頂?shù)装遒ゑR值對(duì)比，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井眼軌跡偏離情況，確保井眼位于煤層以上0.5～2.0 m 范圍內(nèi)鉆進(jìn)。

水平段采用柔性鉆具組合，以復(fù)合鉆進(jìn)為主，滑動(dòng)鉆進(jìn)為輔。鉆進(jìn)過(guò)程中使用“倒裝”鉆具組合以減小井壁摩阻與扭矩，確保鉆壓的有效傳遞。

井底螺桿鉆具組合對(duì)水平井導(dǎo)向鉆進(jìn)至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)軌跡精細(xì)控制，應(yīng)充分考慮鉆具組合類型、井眼幾何參數(shù)、鉆井工藝參數(shù)、地層特性及鉆頭類型等影響單彎螺桿造斜趨勢(shì)的眾多因素[18]；需確保下部鉆具實(shí)際造斜率比設(shè)計(jì)造斜率至少高20%[19]。

由于下部鉆具組合的幾何參數(shù)影響造斜能力，根據(jù)“三點(diǎn)定圓”原理，采用幾何造斜率的計(jì)算方法計(jì)算下部螺桿鉆具的造斜率[20]。運(yùn)用上述原理可預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不同螺桿鉆具的造斜率，選擇合適的螺桿馬達(dá)鉆具組合入井導(dǎo)向鉆進(jìn)。

同時(shí)采用間斷性探煤頂?shù)姆椒?，精?xì)控制水平段井眼軌跡，通過(guò)設(shè)計(jì)探煤頂軌道，調(diào)整穩(wěn)斜角鉆進(jìn)直至發(fā)現(xiàn)目的煤層，以確保實(shí)鉆軌跡與煤層的距離處于掌控范圍內(nèi)[10]；并根據(jù)伽馬數(shù)據(jù)、巖屑錄井、鉆時(shí)錄井等資料，及時(shí)微調(diào)方位和井斜，控制狗腿度在(3°～5°)/30 m 范圍內(nèi)。

3.5 精準(zhǔn)偏心連通技術(shù)

H2 與V2 井為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)偏心連通，采用電磁測(cè)距法(Rotary Magnetic Ranging System，簡(jiǎn)稱RMRS)[21]。當(dāng)水平井定向鉆進(jìn)距V2 井100 m 左右時(shí)起鉆，下入Φ215.9 mm PDC+Φ165 mm 強(qiáng)磁短節(jié) +1.5°螺桿+MWD(Measure While Drilling)組合進(jìn)行連通作業(yè)，實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差分析，從MWD 數(shù)據(jù)和多點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)比較實(shí)鉆軌跡的偏移量，并根據(jù)ESS(Electronic Survey System)數(shù)據(jù)，校正至連通點(diǎn)的剖面，以確認(rèn)洞穴(目標(biāo)點(diǎn))在待鉆軌跡線偏差范圍內(nèi)。

鉆進(jìn)至距連通點(diǎn)70 m 后實(shí)時(shí)精確控制，根據(jù)每個(gè)測(cè)點(diǎn)方位變化，計(jì)算當(dāng)前測(cè)點(diǎn)閉合方位和預(yù)測(cè)鉆頭處方位變化，及時(shí)將井眼方向糾正至連通點(diǎn)位置。

每3～5 m 測(cè)斜一次，快速確定井底動(dòng)力鉆具的增降斜、增降方位的趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)井眼方向。接近洞穴時(shí)，根據(jù)防碰原理，專用的軌跡計(jì)算軟件進(jìn)行柱面法掃描，判斷水平井與洞穴中心的距離，從3D視圖上分析軌跡每接近洞穴一步時(shí)的變化趨勢(shì)。利用Vector 信號(hào)，判斷洞穴的位置和偏離情況，及時(shí)調(diào)整軌跡，以達(dá)到偏心連通的目的。

3.6 固完井技術(shù)

煤層氣頂板水平井為了實(shí)現(xiàn)分段壓裂，下完套管后水平段需全井段水泥封固，套管能否下至預(yù)定位置、水平段封固質(zhì)量及水泥漿易壓入直井問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

套管下深距洞穴越短越好，預(yù)留裸眼段越長(zhǎng)，后期排采過(guò)程中裸眼坍塌易堵塞連通通道，套管若下入洞穴，將會(huì)給直井后期修井和撈煤粉作業(yè)制造困難，因此，精準(zhǔn)丈量套管尤為重要，套管下深距洞穴距離1 m 范圍為宜。

為了保證套管下入預(yù)定位置和固井質(zhì)量，H2 井優(yōu)選彈性整體式扶正器[22]，如圖3 所示，套管串每?jī)筛尤胍恢环稣鳎瑫r(shí)，在水平段打入玻璃微珠，降低套管下入摩阻。

圖3 彈性整體性扶正器Fig.3 Elastic integral centralizer

為了防止水平井固井水泥漿進(jìn)入直井，對(duì)直井井口進(jìn)行關(guān)井處理，同時(shí)加工一根5 m 左右短套管，提前灌滿水泥漿，待完全凝固后放置在入井套管串下部第一和第二根中間，并提前在地面將下部第二根套管加工開孔使之形成水泥漿上返通道，通道距洞穴15 m 左右，能有效防止水泥漿進(jìn)入直井。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，保證了H2 水平井順利施工，該井一開鉆深243 m，表層套管下深236.38 m；二開鉆著陸井深778 m，技術(shù)套管下入井深776.38 m；三開鉆至井深1 671.5 m，生產(chǎn)套管下深1 671.02 m，水平段長(zhǎng)893.5 m，全井平均機(jī)械鉆速8.76 m/h。

在水平段鉆進(jìn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)核算1.25°單彎雙穩(wěn)螺桿在不考慮地層因素、鉆進(jìn)參數(shù)的情況下，造斜率為8.87°/30 m，故選擇1.25°螺桿鉆具完全能滿足于水平段鉆進(jìn)。

同時(shí)，以導(dǎo)眼孔M78 煤層(伽馬值20～50 API)、頂板(粉砂巖伽馬值70～108 API)、底板(泥巖伽馬值120～200 API)伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為依據(jù)，三開根據(jù)方位伽馬值、電阻率參數(shù)、巖屑、氣測(cè)等監(jiān)測(cè)手段，使水平段軌跡精細(xì)控制在距煤層頂板0.5～2.0 m 范圍內(nèi)。通過(guò)精細(xì)化施工防止井眼坍塌、卡鉆等井下事故，在井深1 661 m 處成功實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)偏心連通。

5 結(jié)論

a.針對(duì)對(duì)江南煤礦煤儲(chǔ)層條件，提出在巖性較為穩(wěn)定的煤層頂板中布置水平井，通過(guò)優(yōu)化井眼軌道設(shè)計(jì)、合理調(diào)整井身結(jié)構(gòu)、防漏堵漏技術(shù)、井眼軌跡精準(zhǔn)控制、偏心連通技術(shù)、固完井技術(shù)，攻關(guān)形成煤層氣頂板水平井優(yōu)快鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)?；窘鉀Q了對(duì)江南煤礦井壁與煤層不穩(wěn)定等水平井鉆進(jìn)技術(shù)困難，可為煤礦區(qū)煤層氣排采利用提供技術(shù)支撐，也為對(duì)江南煤礦今后煤層氣水平井鉆井施工提供借鑒意義。

b.利用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)綜合錄井信息分析，保證水平井在距煤層頂板最優(yōu)范圍內(nèi)延伸并順利完井，使水平井段鉆遇率為89%，為后期水平井定向射孔和分段壓裂儲(chǔ)層改造打下基礎(chǔ)。通過(guò)研究?jī)?yōu)化水平井鉆完井工藝技術(shù)，提高了井眼軌跡控制精度，有效避免了鉆進(jìn)過(guò)程中復(fù)雜事故的發(fā)生，大幅降低了鉆井成本，全井機(jī)械鉆速提高了約70%，鉆井周期整體縮短了40%。采用磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)精確連通水平井與垂直井，使排采單井產(chǎn)氣量明顯增加，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為井下巷道掘進(jìn)及采煤工作提供了安全保障。