淺談煤層氣大位移水平井軌跡控制方法

閆凱

摘? 要：沁水盆地3#煤層埋深淺，該區(qū)塊部署的水平井受工程、地質(zhì)等條件的影響，設(shè)計(jì)水平段長度普遍在800-1200m。為降低開發(fā)成本、提高開采效率，增加單井水平段長度成為了新的突破口。在Z4-76-26L井組的3口井進(jìn)行了煤層氣大位移水平井現(xiàn)場試驗(yàn)，單支設(shè)計(jì)水平段長2000m?，F(xiàn)場導(dǎo)向技術(shù)人員通過隨鉆建立地質(zhì)模型、綜合多參數(shù)分析判斷、多次微調(diào)的軌跡控制思路，圓滿完成了試驗(yàn)任務(wù)。其中鄭4-76-32L井取得了煤層進(jìn)尺2001m、煤層鉆遇率91.75%的效果，創(chuàng)出國內(nèi)煤層氣215.9毫米井眼L形水平井單支完鉆井深最深、水平段最長、純煤進(jìn)尺最多、水平位移最大、水垂比最大、套管下深最深等多項(xiàng)紀(jì)錄。

關(guān)鍵詞：煤層氣 水平井 軌跡控制 方法研究

1 引言

Z4-76-26L井組位于沁水盆地南部晉城斜坡帶鄭莊區(qū)塊，該區(qū)塊3#煤層埋深淺，約600m左右，水平段長度超過1200m后，水垂比大于2.5，施工難度大，后期面臨井底磨阻增大、托壓嚴(yán)重、定向效果差以及后期套管不能下至井底的風(fēng)險(xiǎn)。如何合理優(yōu)化井身軌跡、減少非煤層進(jìn)尺是大位移水平井試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。試驗(yàn)區(qū)域鄰井資料少、構(gòu)造落實(shí)程度低、煤層厚度及內(nèi)部特征變化大、使用低端隨鉆測量工具等問題，增加了導(dǎo)向軌跡控制難度[1]。地質(zhì)導(dǎo)向充分發(fā)揮多年現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，與鉆井和定向相結(jié)合，通過隨鉆建立地質(zhì)模型、綜合多參數(shù)分析判斷、多次微調(diào)軌跡控制思路等導(dǎo)向方法，在特殊工藝、復(fù)雜地層條件下，進(jìn)行導(dǎo)向軌跡優(yōu)化，滿足煤層氣水平井快速鉆進(jìn)及后期施工作業(yè)。

2 導(dǎo)向軌跡控制難點(diǎn)分析

2.1試驗(yàn)區(qū)域鄰井資料少、井控程度低，地層產(chǎn)狀預(yù)測難

沁水盆地區(qū)域內(nèi)普遍發(fā)育小型褶曲和微型斷層，地層傾向變化頻繁，井眼軌跡需要不斷進(jìn)行大幅度調(diào)整；斷層發(fā)育區(qū)，受斷層傾向和斷距影響，煤層深度和計(jì)算傾角突變，不僅水平追蹤難度大，還易發(fā)生井下復(fù)雜情況。

2.2煤層厚度及層內(nèi)特征變化大，低成本隨鉆儀器無法識別方向，不易精準(zhǔn)判斷鉆頭位置

通過分析鄰井資料，該區(qū)塊煤層厚度變化較大，約3-6m。煤層內(nèi)部特征也不穩(wěn)定，不利于開展微觀層內(nèi)特征對比判斷鉆頭位置。同時(shí)受限于煤層氣低成本開發(fā)，隨鉆儀器為常規(guī)MWD+GR測量工具，測量盲區(qū)長（測斜零長14.6m，伽馬零長13.3m），不具備方向性，3#煤層頂?shù)讎鷰r均為灰黑色泥巖，巖性、電性上均無明顯差異，頂?shù)壮霾灰着袛?。若判斷失誤，側(cè)鉆作業(yè)會影響軌跡質(zhì)量，且為后期施工作業(yè)留下隱患。

2.3大位移水平井后期定向調(diào)整困難，軌跡控制難度大

大位移水平井設(shè)計(jì)水平段長2000m，由于該區(qū)塊3#煤層埋深較淺，水垂比大于3.5，施工后期井下磨阻大，造成定向托壓嚴(yán)重，軌跡調(diào)整困難，且效果往往達(dá)不到預(yù)期，一旦煤層發(fā)生傾向變化，增加出層風(fēng)險(xiǎn)。

3 技術(shù)措施

3.1建立施工區(qū)域地質(zhì)模型，宏觀認(rèn)識煤層整體走勢，對構(gòu)造復(fù)雜井段進(jìn)行軌跡優(yōu)化

通過收集地震資料、鄰井錄井、測井資料，建立施工區(qū)域地質(zhì)模型，對煤層整體走勢形成宏觀認(rèn)識，再結(jié)合實(shí)鉆動態(tài)資料，識別局部微構(gòu)造，依托地質(zhì)模型，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。針對構(gòu)造復(fù)雜井段，出層后不能使用常規(guī)軌跡控制方法追蹤煤層，應(yīng)根據(jù)煤層整體傾向趨勢，選取合理井斜穩(wěn)斜鉆進(jìn)（一般控制井斜與該井段平均地層傾角保持3°—4°的角差為宜），避免大幅度上下調(diào)整，造成軌跡質(zhì)量差，規(guī)避施工中因地層突變而增加的工程風(fēng)險(xiǎn)。如圖1所示，地層為一向斜構(gòu)造，軌跡沿煤層穿行過程中，地層傾角發(fā)生變化，于a點(diǎn)頂出，通過出層點(diǎn)伽馬形態(tài)分析，出層時(shí)角差較大，選擇大角差向下追層，當(dāng)鉆至b點(diǎn)時(shí)回到煤層，因入層角差較大，很快又從c點(diǎn)出層，繼續(xù)調(diào)整井斜追層，最終于d點(diǎn)回層。從a點(diǎn)到d點(diǎn)的追層過程，經(jīng)歷了兩次大幅度的調(diào)整，軌跡質(zhì)量差，影響后期施工，且損失了較多的煤層進(jìn)尺。在獲得了a、b、c、d幾個(gè)控制點(diǎn)后，現(xiàn)場可通過在e點(diǎn)側(cè)鉆，重新設(shè)計(jì)軌跡，既提高了煤層鉆遇率，又保證了較好的軌跡質(zhì)量。

3.2優(yōu)選導(dǎo)向區(qū)間，進(jìn)行煤層軌跡精細(xì)控制

該區(qū)域3#煤層存在厚度及層內(nèi)特征不穩(wěn)定的情況，選取穩(wěn)定的小層特征作為判斷位置的依據(jù)。通過多井層內(nèi)特征對比分析，層內(nèi)夾矸分布無規(guī)律，厚度及位置均存在較大變化，而好煤厚度穩(wěn)定，特征明顯，容易識別（圖3），故選取好煤作為導(dǎo)向區(qū)間。水平段施工中應(yīng)盡量將軌跡控制在好煤內(nèi)鉆進(jìn)，發(fā)生構(gòu)造變化時(shí)，能夠利用角差和伽馬曲線形態(tài)及時(shí)做出判斷，提前對軌跡進(jìn)行微調(diào)，保證軌跡平滑延伸，避免過多大幅度調(diào)整。

3.3綜合多參數(shù)分析判斷，把握軌跡最佳調(diào)整時(shí)機(jī)

因伽馬測量盲區(qū)長，工程、錄井參數(shù)響應(yīng)時(shí)間均快于隨鉆伽馬數(shù)據(jù)，在水平井導(dǎo)向中，實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)參數(shù)變化情況，起著非常重要的作用，可輔助判斷地層變化。當(dāng)出層時(shí)，根據(jù)工程、錄井參數(shù)變化，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，對軌跡進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，可減少非煤層進(jìn)尺，降低追層軌跡變化幅度。一般情況下，出層后，鉆壓、扭矩和泵壓升高，鉆時(shí)變慢，氣測全烴值逐漸降為基值；進(jìn)入煤層后，鉆壓、扭矩和泵壓降低，鉆時(shí)明顯變快，氣測全烴值快速變大。在定向鉆進(jìn)時(shí)，需排除鉆具托壓對鉆壓造成的影響，避免造成誤判。

3.4針對大位移水平井后期工程施工難度大，總結(jié)鉆具組合復(fù)合井斜變化規(guī)律，優(yōu)選鉆頭位置，保證后期軌跡平滑鉆進(jìn)

大位移水平井施工后期水垂比大，施工后期軌跡控制困難。后期鉆進(jìn)應(yīng)以復(fù)合鉆進(jìn)為主，減少定向次數(shù)。通過分析前期數(shù)據(jù)，總結(jié)不同鉆壓下復(fù)合井斜變化規(guī)律（一般復(fù)合時(shí)控制鉆壓1-2t，井斜基本不變；鉆壓5-6t，單根能增斜0.5°—0.8°）。因此將軌跡控制在煤層中下部，使用小鉆壓復(fù)合穩(wěn)斜鉆進(jìn)，在定向效果差、地層傾角變化的情況下便于軌跡調(diào)整。

（1）地層走勢平緩時(shí)，控制軌跡在煤層中下部，使用小鉆壓復(fù)合穩(wěn)斜鉆進(jìn)，避免定向調(diào)整；

（2）地層傾角變小時(shí)，軌跡上行，因位于煤層下部，距煤頂有一定厚度，可作為調(diào)整空間，采用多次分段的方法降斜；

（3）地層傾角變大時(shí)，有底部出層的風(fēng)險(xiǎn)，若底出后，可采用大鉆壓復(fù)合鉆進(jìn)，達(dá)到增斜追層的效果。

4、應(yīng)用實(shí)例

4.1、Z4-76-30L井：鉆遇局部微構(gòu)造，合理選取井斜，穩(wěn)斜平緩穿越

Z4-76-30L井鉆至井深1380m底部出層，井深1440m鉆遇3#煤層下部灰?guī)r，距煤底約12m，實(shí)鉆資料證實(shí)該段為一局部向斜構(gòu)造，地層傾角由下傾5°變?yōu)樯蟽A12°（圖4、圖5）。

側(cè)鉆后若全力增斜至105°追層能減少非煤層進(jìn)尺，但底部回層后降斜難度大，有頂部出層風(fēng)險(xiǎn)，且軌跡大幅度上下調(diào)整，造成井身軌跡差，不利于后期水平段延伸，綜合分析該井段平均地層傾角為上傾3°—4°，現(xiàn)場決定增斜至98°穩(wěn)斜鉆進(jìn)，犧牲部分煤層進(jìn)尺，平緩穿越構(gòu)造復(fù)雜井段，回層后逐步降斜，優(yōu)化軌跡（圖6）。最終于井深1520m底部入層，井斜97.7°，出層段長140m。

4.2、Z4-76-32L井：末端煤層傾伏變化，控制軌跡位于煤層中下部復(fù)合鉆進(jìn)

Z4-76-32L井地震測線顯示2300m后地層由上傾變?yōu)橄聝A（圖7），因后期磨阻變大，定向困難，且效果達(dá)不到預(yù)期。

若后期頂部出層后降斜追層難度大，故將軌跡控制在煤層中下部鉆進(jìn)，底出后可通過復(fù)合自然增斜追層，盡量以復(fù)合為主，減少定向調(diào)整頻率，保證軌跡順利延伸，最終本井水平段達(dá)到2001m。

5、成果

煤層氣大位移水平井在Z4-76-30L、Z4-76-31L、Z4-76-32L等三口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，其中Z4-76-30L井、Z4-76-31L井施工后期鉆遇斷層破碎帶，發(fā)生井下漏失的情況，為井下安全考慮，均提前完鉆，未鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深，但也積累了寶貴的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。最終Z4-76-32L井順利鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深，取得了水平段長2001m、煤層進(jìn)尺1836m、鉆遇率91.75%的技術(shù)指標(biāo)（表1），圓滿完成大位移水平井試驗(yàn)任務(wù)。

6、結(jié)論與認(rèn)識

⑴煤層氣大位移水平井水垂比大于3，工程施工難度大，控制軌跡在煤層中鉆進(jìn)能有效降低鉆具磨阻，但出層后需優(yōu)化軌跡，避免大幅度調(diào)整，平滑的井眼軌跡是水平段順利延伸的關(guān)鍵；

⑵水平段施工中準(zhǔn)確判斷鉆頭位置，減少側(cè)鉆次數(shù)，能縮短鉆井周期，規(guī)避后期下套管作業(yè)進(jìn)入老井眼的風(fēng)險(xiǎn)；

⑶選取構(gòu)造落實(shí)程度高、構(gòu)造簡單的區(qū)域部署大位移水平井，能達(dá)到事半功倍的施工效果。

根據(jù)沁水盆地3#煤層煤層氣勘探的實(shí)際鉆孔資料及取得的部分成果，對煤層氣水平井軌跡控制方法進(jìn)行分析研究，得到以上結(jié)論與認(rèn)識，以期能對貴州煤層氣勘探有所借鑒。

參考文獻(xiàn)

黎鋮，姜維寨等。煤層氣L型水平井錄井綜合導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用研究[J]。中國煤層氣，2016，4（2）：19-22。

（作者單位：貴州天然氣能源投資股份有限公司）