彬长矿区煤层气水平井钻井与完井技术

杜新锋 田振林 赵永哲

(1．中煤科工集团西安研究院，陕西 710054;2．陕西彬长矿业集团有限公司，陕西 712000)

2011年3月，陕西彬长矿业集团有限公司开始在彬长矿区大佛寺井田实施煤层气项目参数井勘察工程，主要包括垂直井、多分支水平井、远端对接井、“V”型井共四组煤层气勘察井的钻井、完井及参数测试，其中后三口井 (组)为煤层气水平井。在钻井和完井过程中涉及到针对该矿区的防塌堵漏、随钻导向、远端连通、变密度固井、煤层造穴、玻璃钢套管入井方案等多项技术，本文以“V”型井 (组)为例对其中的一些钻井和完井技术进行分析总结。

1 彬长矿区地质特征及水平井井身结构

1.1 地层特征及可钻性分析

彬长矿区属于华北地层区鄂尔多斯盆地分区正宁－佳县小区，区内地表绝大部分被第四系黄土覆盖。据地质填图和钻孔揭露，本区地层由老至新依次为三叠系胡家河组、侏罗系富县组、延安组、直罗组、安定组、白垩系宜君组、洛河组、华池环河组、新近系、第四系。以大佛寺井田为例，钻遇主要地层特征及可钻性分析见表1。

表1 钻遇主要地层特点及可钻性分析

1.2 井身结构

水平井一般至少由一口斜井和一口排采直井组成。“V”型井 (组)是由两口斜井DFS－C04－H1、DFS－C04－H2和一口直井DFS－C04－V1形成的“V”型水平联通井，井身结构见图1，井身结构具体数据见表2。

2 钻井和完井技术

2.1 防塌堵漏技术

针对不同的漏失状况和地层特点有不同的堵漏方式，一般采用两种:静止堵漏和动态堵漏。静止堵漏针对较小的漏失以及横向裂隙状况，而动态堵漏一般用于较大漏失以及纵斜向裂隙。

图1 “V”型水平连通井井身结构

表2 “V”型水平连通井井身结构数据

彬长矿区钻井中的防塌堵漏主要集中在洛河组砂岩和煤层水平段。洛河组富含古风化壳，岩石破碎严重，裂隙非常发育，易发生掉块和漏失。在DFS－CO4－H2井二开钻进至洛河组时，出现较大漏失，致使无法正常钻进。通过现场分析，判断裂隙较大，为纵斜向裂隙，分别采用了高粘防塌剂、瞬间堵漏剂、膨胀堵漏剂、锯末、棉籽、红色胶泥以及水泥等材料。在整个堵漏过程中，静止堵漏效果均较好，但动态堵漏效果较差。另外，目标煤层裂隙比较发育，DFS－CO4－V2井注入/压降试井时8小时的注入量达到9.22m3。从煤体结构来分析，煤层上段为原生结构的煤，而中下部有部分碎裂煤。防塌的措施一方面降低泥浆密度，调高钻效，另一方面尽可能在煤层上部钻进。

2.2 随钻导向

水平井眼造斜及水平段采用“导向马达+随钻录井 (LWD)”的常用定向钻具组合，依据煤层上、下顶板泥岩或砂岩及煤层中所夹的薄层夹矸在自然伽玛、上下伽玛和电阻率参数上的不同特征，实时解释评价所钻地层是否在煤层中，从而指引钻具在煤层中钻进的方向。本次钻井中砂岩的自然伽玛值为5～30API，泥岩为130～185API，煤层为20～50API。DFS－C04－H1井、DFS－C04－H2与DFS－C04－V1井的对接轨迹处于祁家背斜与师家店向斜的转折端，煤层起伏较大，采用这种随钻导向技术，DFS－C04－H1井钻遇煤层段长852.73m，煤层钻遇率达到了100%，DFS－C04－H2井钻遇煤层段长 769.50m，非煤层段长23.00m，煤层钻遇率97.1%。

2.3 远端连通

在DFS－C04－H1和DFS－C04－H2井与DFS－C04－V1井连通的过程中，采用近钻头电磁测距法、随钻测量 (MWD)和马达等配合使用的方法，钻具组合为:钻头+旋转强磁短节+马达+无磁钻挺+MWD+钻杆。连通过程中以旋转磁测距系统接收钻进参数信号，根据传送的信息判定钻头钻进方向与直井连通点位置的偏差，通过连续滑动钻进的方式增斜、降斜和复合钻进的方式稳斜，从而控制井眼轨迹，直至水平井与垂直井的造穴段连通。

2.4 变密度固井

为了尽可能减少固井对煤储层的伤害，工艺上采用变密度水泥浆，即上部为低密度水泥浆，密度1.50～1.60g/cm3，下部为常规水泥浆。水泥浆配方采用G级油井水泥+减轻剂+降失水剂+早强剂+膨胀剂+调凝剂+消泡剂。水泥浆性能要求低失水、高早强、微膨胀、浆体稳定性好、过渡时间短。另外稠化时间不小于注水泥时间+1小时，抗压强度24小时不小于8MPa，48小时不小于14MPa。

2.5 玻璃钢套管入井方案

DFS－C04－V1井采用套管完井，其中煤层段选用玻璃钢套管。该井终孔深度576.00m，目标煤层厚度11.30m。顶板深度499.45m，以上7m为泥岩、粉砂岩和一层厚度0.45m的薄煤层;底板深度510.75m，为铝质泥岩。根据设计要求，下入2根玻璃钢套管，长度16.37m。考虑到底板铝质泥岩易缩径、定向位置必须远离钢质套管3m以上等因素，该井玻璃钢套管下深定在510.25m～493.88m处 (玻璃钢套管下端在煤层底板以上0.50m)。

2.6 煤层造穴技术

采用国土资源部勘探技术研究所生产的专业煤层气扩穴钻头，其操作原理是用液压控制方式使造穴工具的刀杆在煤层中张开，并在钻具的带动下旋转，切削煤层形成满足实际需要的洞穴。钻头分为两组，张开后直径分别为300mm和500mm，前者主要切削玻璃钢套管，后者切削煤层，形成洞穴。实际在切削煤层时，现场对钻头进行了改造，在两端刀片上各镶了两颗合金片，洞穴直径超过550mm。

3 结论及建议

彬长矿区采用“V”型水平井开采煤层气的钻井完井工艺可行，经过技术研究和现场试验，能够解决井壁不稳定与煤层不稳定问题，可以实现随钻导向钻进、远距离水平井连通、保护储层的变密度固井及完井工艺。

彬长矿区煤层气水平井虽然在水平井钻完井与储层保护方面取得了一些经验，但在储层保护方面还有很多值得思考的地方。煤层段孔隙压力低且裂隙发育，极易受钻井液和完井液中固相颗粒及滤液的污染，但在钻井和完井过程中，为安全钻穿煤层，防止井壁坍塌，又要适当提高钻井液的密度，保持一定的过平衡，从而导致实施煤储层保护更为困难。因此，建议在以后的钻完井过程中尝试采用空气泡沫欠 (近)平衡钻进技术。空气泡沫密度低，煤储层地层压力高于孔内泥浆液柱压力，钻井过程中煤层处于负压差欠 (近)平衡状态，有利于防止高压差液体对煤层造成“水锁”破坏效应。采用这一技术，既能解决彬长矿区施工缺水、含煤地层坍塌掉块和火烧岩段泥浆漏失等难题，又可以减少传统泥浆对煤储层的破坏。

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