柯柯亞深層煤巖氣水平井鉆井實(shí)踐

趙前進(jìn) 楊立軍 李慎越 任 凱 秦新德

中國(guó)石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院 新疆哈密 839009

0 引言

“十三五”以來，吐哈油田缺乏優(yōu)質(zhì)天然氣資源發(fā)現(xiàn)，天然氣產(chǎn)量一路走低，進(jìn)入“十四五”，錨定油氣當(dāng)量再上年產(chǎn)300×104t戰(zhàn)略目標(biāo)，其中天然氣貢獻(xiàn)要超過1/3。吐哈盆地侏羅系含煤地層面積9 600 km2，煤層厚度大、資源量大，西山窯組煤巖儲(chǔ)層具備形成大氣藏的資源基礎(chǔ)及高產(chǎn)條件，有望為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)增添資源底氣。為探索柯柯亞背斜構(gòu)造帶煤系地層天然氣成藏新模式，實(shí)現(xiàn)吐哈盆地侏羅系煤系地層天然氣的商業(yè)突破，2022年在臺(tái)北凹陷柯柯亞構(gòu)造帶J2x2柯新1號(hào)構(gòu)造圈閉部署煤巖氣水平井柯新1H，該井自上而下鉆遇新生界、侏羅系齊古組、七克臺(tái)組、三間房組、西山窯組（未穿），西山窯組（2 000～3400 m）發(fā)育多套煤層，目的層煤層埋深3 400 m左右，為國(guó)內(nèi)陸上埋藏最深的煤巖氣藏，與新疆油田準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起煤巖氣藏相比，地質(zhì)構(gòu)造、目的層埋深、地層壓力、地層傾角、煤層分布等方面對(duì)標(biāo)分析，鉆井技術(shù)難題更加突出[1]，有必要開展相關(guān)鉆完井技術(shù)研究，為打成打好首口煤巖氣水平井提供技術(shù)支撐。

1 工程技術(shù)難點(diǎn)

1）位于山前高陡構(gòu)造，地層傾角40°～50°，鉆壓受限被動(dòng)吊打，大尺寸井眼防斜與打快矛盾突出。

2）造斜段大尺寸井眼定向效果差，機(jī)械鉆速低，同時(shí)受煤層坍塌應(yīng)力大、煤矸石、煤巖水化等因素疊加影響，井壁易失穩(wěn)坍塌，安全定向難度大。

3）千米水平段煤層起伏變化大，易出層，軌跡頻繁調(diào)整，巖屑床清潔難度大，導(dǎo)致摩阻扭矩大，軌跡控制與安全鉆井矛盾突出。

4）目的層煤質(zhì)脆、煤層割理、裂縫發(fā)育，鉆井液易侵入導(dǎo)致煤巖強(qiáng)度降低，對(duì)鉆井液封堵防塌性能提出了更高的要求。

2 鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過前期鉆井資料分析和地層三壓力剖面研究結(jié)果可知，地層為正常壓力系統(tǒng)，七克臺(tái)組以上地層坍塌壓力略低于地層壓力，三間房至西山窯地層坍塌壓力系數(shù)變化大（0.40～1.53），是預(yù)防復(fù)雜事故發(fā)生的關(guān)鍵井段（表1）。通過分析，柯新1H井存在2個(gè)必封點(diǎn)：①齊古組底約700 m，上部存在礫石層及疏松地層，下部七克臺(tái)組存在淺層氣，為井控提供井口條件；②目標(biāo)煤層頂部。技術(shù)套管下至煤層頂部，主要封固上部潛在的塌、卡、漏井段，為三開水平段煤層專打提供井筒保障[2]。綜合考慮安全鉆井和后期壓裂改造需求，水平井設(shè)計(jì)大三開井身結(jié)構(gòu)，即一開采用?444.5 mm鉆頭鉆至700 m，二開采用?311.2 mm鉆頭導(dǎo)眼完鉆，水平井回填至造斜點(diǎn)，采用?311.1 mm鉆頭造斜至煤層頂部，下入?244.5 mm技術(shù)套管，三開采用?215.9 mm鉆頭，下入? 139.7 mm套管完井。

表1 柯新1H地層三壓力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

2.2 大尺寸井眼防斜打快

該井直導(dǎo)眼二開至完鉆設(shè)計(jì)井眼尺寸? 311.1 mm，2 500 m以淺地層傾角大，控制井身質(zhì)量是關(guān)鍵所在。西山窯地層中下部煤層分布多、層厚、砂泥巖互層，通過不同的控斜技術(shù)適應(yīng)性分析，煤上地層優(yōu)選Power-V垂直鉆井工具，解決鉆壓受限導(dǎo)致的防斜與打快的矛盾。

煤下地層優(yōu)選低成本全壓控斜鉆具，解決煤層鉆進(jìn)阻卡頻發(fā)的問題。結(jié)合鐘擺防斜、動(dòng)力學(xué)防斜理論，形成一種適合大傾角地層復(fù)合鉆進(jìn)的全壓控斜技術(shù)，該技術(shù)采用特殊構(gòu)型穩(wěn)定器的螺桿、個(gè)性化尺寸與安裝位置的新型組合，是通過穩(wěn)定器的數(shù)量、構(gòu)型、尺寸大小及安裝位置的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)防斜打快[3]，形成了“兩短一長(zhǎng)+外徑遞增”特殊三穩(wěn)定器“0—1—2”組合設(shè)計(jì)（圖1），達(dá)到鐘擺力最大化，實(shí)現(xiàn)全壓復(fù)合鉆井條件下自主控斜的功效，該鉆具輔助配套MWD隨鉆跟蹤，實(shí)現(xiàn)“防、穩(wěn)、糾”多功能于一體，可精確控制井斜與方位走勢(shì)；同時(shí)優(yōu)化配置具有井壁修復(fù)功能的新型穩(wěn)定器，實(shí)現(xiàn)易塌、易縮井段井壁隨鉆修復(fù)，保障起下鉆、短拉過程中鉆具起下順暢。自下而上穩(wěn)定器外徑由308 mm減少至305 mm，穩(wěn)定器長(zhǎng)度由250 mm增加至600 mm，構(gòu)造形式為三翼對(duì)稱螺旋型，有效增加與井壁的支撐點(diǎn)，保證下部鉆鋌的鐘擺力效果，增強(qiáng)防斜效果，3個(gè)欠尺寸穩(wěn)定器外徑自下而上為階梯式依次增加設(shè)計(jì)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，1 000 m調(diào)整段長(zhǎng)小于等于40 m，最大井斜控制精度小于等于3°，全壓復(fù)合鉆進(jìn)比例大于等于95%，鉆壓在40～120 kN范圍內(nèi)可調(diào)，有效解決了前期常規(guī)鉆具輕壓吊打、頻繁糾斜、鉆井效率低的技效性經(jīng)濟(jì)性的和諧統(tǒng)一。

圖1 低成本強(qiáng)穩(wěn)斜鉆具組合示意圖

2.3 水平井井眼軌道優(yōu)化

2.3.1 目標(biāo)方位優(yōu)選

本井西山窯組地層最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼?0°，區(qū)塊最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差10.2～11.9 MPa，造斜段沿設(shè)計(jì)方位預(yù)計(jì)坍塌壓力系數(shù)0.90～1.42，對(duì)應(yīng)柯191井垂深3 268 m、井斜角75°左右時(shí)坍塌壓力系數(shù)最高為1.42。水平段預(yù)計(jì)本井在鉆遇水平段過程中，垂深3 350 m、井斜85°左右，沿設(shè)計(jì)方位101°鉆進(jìn)最大坍塌壓力系數(shù)是1.45，考慮水平段井壁穩(wěn)定性，優(yōu)選水平井軌跡方向與最大主應(yīng)力夾角優(yōu)為59°，且 A、B點(diǎn)海拔高差相對(duì)較小，有利于軌跡控制[4]，故水平段方位優(yōu)化為101°（表2、表3）。

表2 預(yù)計(jì)不同井斜角處的坍塌壓力表

表3 水平段不同垂深處坍塌壓力變化統(tǒng)計(jì)表

2.3.2 井眼軌道設(shè)計(jì)

為降低二開大井眼定向的難度，A點(diǎn)靶前距設(shè)計(jì)449 m，垂深約3 277 m。造斜段平均造斜率不宜超過4.5°/30 m，根據(jù)直導(dǎo)眼煤層實(shí)鉆情況，造斜段避免在煤層中定向，設(shè)計(jì)穩(wěn)斜穿越3套厚煤層，垂直厚度分別為7 m、16 m、7 m，狗腿度控制范圍（3.3°～4.3°）/30 m。三開出套管鞋設(shè)計(jì)穩(wěn)斜段約15 m，以規(guī)避導(dǎo)向盲區(qū)，為提高水平段煤層鉆遇率[5-6]，在A、B靶點(diǎn)間增加3個(gè)控制點(diǎn)（表4）。

表4 柯新1H水平井井眼軌道設(shè)計(jì)表

2.4 強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵鉆井液

2.4.1 煤層坍塌機(jī)理

礦物組分分析：X射線衍射分析結(jié)果顯示，煤系地層井段黏土礦物含量在16%～29%，以伊/蒙混層為主，容易發(fā)生井壁失穩(wěn)[7]（表5）。地層較易水化分散、脆性剝落和坍塌，鉆井液應(yīng)加強(qiáng)對(duì)裂縫、微裂縫的封堵和對(duì)黏土礦物的抑制性。煤層割理較發(fā)育，孔隙類型主要為微孔和微縫，礦物組分膠結(jié)性差，鉆井液濾液侵入后膠結(jié)物水化分散、脆性剝落和坍塌引起井壁不穩(wěn)定。

表5 鄰井巖石礦物組分分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從裂隙構(gòu)造分析可知，煤層裂隙發(fā)育是其坍塌的主要原因，煤層中割理、大孔和中孔幾乎占據(jù)了煤裂隙體積的54%，裂隙半徑0.06～16.10 μm，一般鉆井液體系由于顆粒較大難以針對(duì)煤層裂隙尺寸進(jìn)行有效封堵。從電鏡掃描和巖心外觀特征來看，巖石擠壓變形嚴(yán)重，表明此處存在構(gòu)造地應(yīng)力且分布不均，地層微裂隙、孔喉發(fā)育，為濾液進(jìn)入提供了便利通道。

2.4.2 技術(shù)對(duì)策與性能評(píng)價(jià)

針對(duì)煤/泥互層井壁易垮塌、易井漏、長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)托壓等地質(zhì)工程難點(diǎn)，在做好封堵的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化防漏堵漏措施，提高承壓能力，拓展安全鉆進(jìn)密度窗口，同時(shí)強(qiáng)化鉆井液的抑制性和潤(rùn)滑性，二開與三開采用胺基有機(jī)鹽鉆井液[8-9]（表6）。

表6 柯新1H水平井鉆井液性能展示表

二開造斜段鉆井液配方：0.2%～0.5%包被劑+1%～1.5%胺基抑制劑+10%～30%鹽類抑制劑+0.2%～0.5%生石灰+2%～3%降濾失劑+4%～6%防塌劑+3%～5%封堵劑+1%～1.5%固壁劑+2%～3%隨鉆堵漏劑+0.2%～0.3%提切劑。

三開水平段鉆井液配方：0.2%～0.5%包被劑+1%～1.5%胺基抑制劑+10%～30%鹽類抑制劑+0.2%～0.5%生石灰+2%～3%降濾失劑+0.5%～1%抗溫降濾失劑+4%～6%防塌劑+3%～5%封堵劑+1%～1.5%固壁劑+2%～3%隨鉆堵漏劑+2%～4%潤(rùn)滑劑+1%～2%石墨粉+0.2%～0.3%提切劑。

1）封堵性評(píng)價(jià)：通過納米分散態(tài)和微米聚集態(tài)封堵材料的優(yōu)化使用，進(jìn)一步改善泥餅質(zhì)量，提升多級(jí)封堵效果，優(yōu)化封堵劑粒徑級(jí)配，對(duì)易塌地層孔喉、微裂隙進(jìn)行有效封堵。優(yōu)選軟化點(diǎn)與井底溫度相匹配的防塌瀝青FT-401，提高煤巖膠結(jié)強(qiáng)度[10-11]。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表明，F(xiàn)T-401軟化點(diǎn)100℃～110 ℃。選用JHS-01等納米封堵材料、聚合醇PGCS-1提高對(duì)巖石微孔隙和微裂縫的封堵作用，降低濾液滲透壓力，提高了井壁穩(wěn)定性，封堵效率由基漿的71.8%提高到90.2%（表7）。

表7 不同鉆井液配方封堵效率評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2）承壓能力評(píng)價(jià)：煤系地層裂縫發(fā)育，漏失風(fēng)險(xiǎn)大，且存在返吐、復(fù)漏等突出難題，通過優(yōu)化可膠結(jié)橋堵材料，大幅提升雙向承壓能力。開展常規(guī)橋堵配方與可膠結(jié)橋堵配方室內(nèi)承壓能力實(shí)驗(yàn)，對(duì)2～4 mm楔形縫板80 ℃加熱5 h，兩組配方顆粒粒徑及加量一致的實(shí)驗(yàn)條件下，常規(guī)橋堵配方歷時(shí)320 s最高承壓6 MPa左右，之后快速降至0 MPa，說明其封堵層被剪切破壞[12-13]；可膠結(jié)橋堵配方歷時(shí)1 200 s正反向承壓能力大于等于15 MPa，說明其封堵層完整致密，優(yōu)于同粒徑常規(guī)橋堵配方承壓能力[11]。

3）抑制性評(píng)價(jià)：煤系地層黏土礦物含量高，水化能力強(qiáng)，易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，通過優(yōu)化鹽類抑制劑、胺基抑制劑的使用濃度，大幅提升鉆井液的抑制性能[14]。100 ℃滾動(dòng)老化16 h后煤系頁巖巖屑成型，回收率大于98%。加入抑制劑FTYZ后，膨潤(rùn)土線性膨脹率有明顯降低，其抑制性優(yōu)于單純的甲酸鹽（表8）?，F(xiàn)場(chǎng)處理漿回收率大于100%原因：煤系頁巖一般質(zhì)地硬度高，熱滾后的巖屑基本上都是不碎不分散，成型很好；同時(shí)測(cè)試樣品水分未完全烘干。

表8 不同鉆井液測(cè)試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4）潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)：基于傳統(tǒng)液體潤(rùn)滑劑、特種極壓潤(rùn)滑劑、固體潤(rùn)滑劑的多元組合，有效提升高密度、高礦化度鉆井液的極壓潤(rùn)滑性能，通過對(duì)3種不同鉆井液密度潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)[15]，說明當(dāng)復(fù)合型潤(rùn)滑劑加量為2%時(shí)，與未加潤(rùn)滑劑相比，潤(rùn)滑系數(shù)降低率在80%左右（表9），可在水平段增加用量以降低長(zhǎng)水平段鉆具的摩阻扭矩。

表9 復(fù)合型潤(rùn)滑劑在不同密度鉆井液中的潤(rùn)滑性能統(tǒng)計(jì)表

2.5 長(zhǎng)水平段鉆完井

針對(duì)常規(guī)通井方法通井效率差、阻卡頻發(fā)、易劃出新井眼的問題，研發(fā)適合?311 mm、?216 mm井眼的通井鉆具組合，其核心工具是雙向通井器，主要由領(lǐng)眼器、連接管、修復(fù)器、連接管四部分組成（圖2），具備正反向來回修復(fù)井壁、大排量清潔井眼、模擬下套管等功能。雙向通井器通過上部鉆具地帶動(dòng)在井筒內(nèi)部繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，領(lǐng)眼器可保證工具順利進(jìn)入井眼，規(guī)避產(chǎn)生新井眼的風(fēng)險(xiǎn)。修復(fù)器外壁上的PDC切削齒在井筒內(nèi)壁切削，起到二次修復(fù)變形井壁的作用，實(shí)現(xiàn)縮徑處井眼擴(kuò)徑，同時(shí)其斜坡帶布置的尖錐合金齒可擊碎井壁掉塊，避免出現(xiàn)因井壁垮塌造成的阻卡問題[16]。其通井鉆具自下而上依次為雙向通井器、鉆鋌1～2根、隨鉆井壁修復(fù)器、加重鉆桿、隨鉆震擊器，根據(jù)井下工況組裝不同通井鉆具和執(zhí)行相應(yīng)工藝流程（圖3）。

圖2 雙向通井器示意圖

圖3 不同工況下通井鉆具組合與流程示意圖

3 實(shí)施效果

柯新1H完鉆井深4 531 m，其中二開直井段試驗(yàn)Power-V垂直鉆井工具，應(yīng)用井段700～2 200 m，平均井斜0.1°，平均機(jī)速為8.96 m/h，施工周期9.25 d，防斜打直效果顯著。水平段進(jìn)尺1 016 m，鉆遇煤層段513 m（5套煤層），煤層鉆遇率50.5%。

三開自井深3 514.78m開始鉆進(jìn)，剛出技術(shù)套管就出層，綜合判斷未鉆至J2x2主力煤層，按照地質(zhì)要求降斜追層，鉆至3 644 m時(shí)由于煤泥交界面坍塌導(dǎo)致卡鉆，處理未果后回填至3525 m開始側(cè)鉆，從水平段軌跡控制情況來看，共5次進(jìn)入煤層，4次出煤層（圖4），軌跡調(diào)整過程中結(jié)合元素錄井、GR、氣測(cè)規(guī)律等參數(shù)研判每次為底出煤層，并通過返算真實(shí)地層傾角對(duì)井斜進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。側(cè)鉆后于井深3 592 m井斜78.25°進(jìn)入煤層（入煤點(diǎn)1)，鉆至3 710 m底出煤層(出煤點(diǎn)C1）。增斜鉆至井深3 762 m井斜87.17°進(jìn)入煤層（入煤點(diǎn)2)，地質(zhì)判斷鉆至Ⅰ煤層，繼續(xù)增斜找層，于3 79 0 m鉆出Ⅰ煤層（出煤點(diǎn)C2），于井深3 932 m井斜91.42°重新進(jìn)入主力Ⅱ號(hào)煤層（入煤點(diǎn)3），接地質(zhì)通知預(yù)計(jì)鉆遇斷層，需降斜走煤層底部，4 200 m井斜降至88.09°，于4 216 m底出煤層（出煤點(diǎn)C3）。按地質(zhì)要求增斜至90°以上找層，鉆至井深4 260 m井斜89.47°進(jìn)入煤層（入煤點(diǎn)4），分2個(gè)井段4 260～4 263 m與4 271～4 283 m短暫進(jìn)入煤層，鉆至4 283 m底出煤層（出煤點(diǎn)C4），隨后穩(wěn)斜至井深4 449 m井斜90.58°進(jìn)入煤層（入煤點(diǎn)5），鉆至井深4 531m完鉆。

圖4 柯新1H水平段軌跡與井斜關(guān)系圖

4 結(jié)論

1）柯新1H井通過煤層水平井鉆完井技術(shù)實(shí)踐，首次鉆成了國(guó)內(nèi)陸上最深的煤巖氣水平井，完鉆垂深3 316 m，水平段進(jìn)尺1 016 m，可為國(guó)內(nèi)外煤層水平井鉆井提供技術(shù)借鑒。

2）煤上地層采用垂直鉆井技術(shù)可為高陡地層防斜打快提供技術(shù)保障，而煤層水平段集成應(yīng)用多靶點(diǎn)軌道設(shè)計(jì)、隨鉆巖性追蹤、安全鉆完井工具、強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵鉆井液等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜煤層產(chǎn)狀的安全穿越，確保了千米長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)與下套管作業(yè)順利實(shí)施。

3）從實(shí)鉆情況來看，大三層井身結(jié)構(gòu)可以滿足煤巖水平井安全鉆進(jìn)，但機(jī)械鉆速低，鉆井周期偏長(zhǎng)，建議后期探索試驗(yàn)小三開井身結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低鉆井成本。

4）技術(shù)套管下入深度的確定是水平段能否成功實(shí)施的基本條件。要確保技術(shù)套管完全封固煤層以上泥巖和碳質(zhì)泥巖易塌井段，還需進(jìn)一步論證技術(shù)套管下入的準(zhǔn)確位置，是煤層頂部泥巖還是進(jìn)入煤層以及進(jìn)入煤層多少。