沁水盆地煤层气水平井对接技术研究

2015-12-19樊文静闫昭圣刘秀婷韦乐乐

西部探矿工程 2015年3期

关键词：沁水井眼钻具

樊文静，董浩，闫昭圣，刘秀婷，韦乐乐

（西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，陕西西安710069)

沁水盆地煤层气水平井对接技术研究

樊文静*，董浩，闫昭圣，刘秀婷，韦乐乐

（西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，陕西西安710069)

首先对沁水盆地的地理位置、构造特征、煤层研究、沁水盆地钻井现状等作了阐述；对该区域煤层段井眼失稳机理进行了研究，从该区域的井身优化、钻井液的控制、相关的工程技术措施等方面进行了分析，为该区域煤层段井眼失稳做了必要准备。其次，对该区域的对接水平井的井身结构进行了优化设计、井眼轨道类型进行划分，对轨迹控制技术进行了分析，优选了钻具组合和钻进参数，为今后沁水盆地煤层气水平对接井的钻井技术提供了一定的借鉴。提出了在沁水盆地进行水平对接井钻井技术，为该技术在沁水盆地的应用提供了钻井技术方面的参考和支持。

煤层气钻井；水平对接井；轨迹控制

1 煤层气开采方式对比

1.1 开采方式

目前，国内外主要的煤层气开发方式有地面垂直井、羽状水平井、对接井。

近年来，水平对接井技术越来越多地应用在煤层气开发领域，并且已经取得了很大的成效。

1.2 适应条件

不同的煤层气开发方式对地形、地质和投资等条件的适应性不一样。

合理的煤层气开发方式会影响到项目的收益。煤层气开发方式的合理选择是煤层气开发需要重点考虑的内容，也是煤层气勘探开发成功的关键。所以，在生产时应结合研究区的试验条件选择适合研究区的煤层气开发方式。

2 沁水盆地煤层气开采方式选择

2.1 开采方式选择

煤层厚度5～6m，煤层结构简单，属较稳定煤层。垂直井开采方式不适合研究区单一煤层的煤层气开采；与水平井对接比较，水平对接井的技术工艺较简单，投资成本也较低，气井产量高，气井服务年限短，对煤矿安全生产的保障性强。

根据晋平x井的地质条件及煤储层条件，结合煤层气水平对接井技术在山西晋城潘庄实施所取得的成功经验，在晋平x井展开了煤层气地面水平对接井试验研究。

2.2 水平对接井技术的难点

沁水盆地煤层气水平对接井技术集成了垂直井、水平井、连通对接、欠平衡钻井、地质导向和储层保护等技术。在沁水盆地的地质环境和煤储层条件下，实现两井远距离对接的难点主要包括以下3个方面。

（1）井眼轨迹控制。沁水盆地煤储层埋深较浅，施工水平对接井的特点是井垂深较浅，而水平段在煤层中穿越一般较长，所以水平井段轨迹控制精度要求高，否则不能实现与洞穴井的对接。

（2）井壁稳定。煤比岩石容易压碎，在水平井段钻进时煤层被压碎以后，不能承受上覆地层的压力，容易造成井壁坍塌，从而造成埋钻、卡钻等井下复杂情况的出现，不利于安全、快速钻进，这样井壁会因为受到钻井液长时间浸泡而更易坍塌。

（3）储层保护。对煤储层损害机理进行了研究，煤储层的特点，决定了煤层比常规油气储层更容易受到伤害；另外，由于煤储层的压力低，钻井液中的固相颗粒在液柱压差作用下容易进入煤层孔隙和裂缝，破坏储层。

3 水平井对接井身结构优化研究

3.1 优化的原则

井身结构设计是钻井工程基础设计。水平对接井井身结构设计遵循以下原则。

（1）要满足直井井身结构设计的基本原则，既要满足地质勘探开发的要求、有效保护储层，又要满足钻井工程的各种条件、保障井下安全，为安全、优质和经济钻井创造条件；

（2）要满足水平井的特殊要求，应有利于井眼轨迹控制、精确中靶，满足完井、储层保护、井眼清洁的需要，并且保证套管柱能顺利地下至设计井深。

3.2 优化的关键问题

水平井井身结构优化设计的关键在于确定套管的下入层次和各层次套管的下入深度（特别是技术套管的下深）及钻头尺寸。

套管层次的确定主要受所钻井工区的地层岩性、地层孔隙压力、地层破裂压力、井深、造斜点位置、钻井成本和钻井周期等多种因素影响。技术套管的下深是水平井井身结构优化设计的关键。技术套管的下深有4种方案：直井段、小井斜角井段、较大井斜角井段和接近靶窗。

3.3 晋平x井井身结构优化设计

晋平x井进行水平井对接，需要综合考虑水平井与洞穴井的连通性、煤层段的井壁稳定性以及后期排水采气等因素，设计选用两层套管结构：一开下入D244.5mm×150m表层套管；二开下入D177.8mm× 500m技术套管；采用裸眼完井方式完井。

一开用Ø311.15mm牙轮钻头钻穿第四系表土层，进入稳定基岩10m后下入Ø244.5mm×150m表层套管并注水泥固井，水泥浆返至地面，封固地表松散层，防止钻进过程中掉块、漏失等复杂情况出现。

二开用Ø215.9mm三牙轮钻头钻至造斜点后，更换螺杆钻具造斜，钻进至煤系地层后，下入Ø177.8mm× 500m技术套管，套管下在3号煤煤层下部较稳定地层，并注水泥固井，水泥浆返至地面，封固煤层段以上地层，避免套管下入煤层中，以防固井时将煤层压裂，导致后续钻进过程中的井壁坍塌。

三开用Ø152.4mm三牙轮钻头（或PDC钻头）和螺杆钻具造斜，钻至3号煤层后及时调整井斜角与煤层倾角一致，继续钻进直至与排采洞穴井对接，采用裸眼完井方法。值得注意的是，考虑到煤层的井壁稳定性差，水平段在煤层中钻进时，井眼须处于煤层的下部位，以利于安全钻进。

4 井眼轨道设计方法

4.1 轨道设计方法

井眼轨道的基本设计参数是造斜点的位置、增斜段（或降斜段）的井眼曲率，以及稳斜段的最大井斜角。

目前，应用较为普遍的水平井井眼轨道设计计算方法有固定参数法和调整参数法两种。井眼轨道设计的前提是靶窗上目标点的垂深Ht、井斜角αH、水平段长度L及方位已经确定。

（1）固定参数法设计单增轨道。如图1所示，用固定参数法设计单增轨道，就是要确定造斜点位置和曲率半径，或者说要确定靶前位移SA、造斜点垂深HK和曲率半径R。固定参数法的设计自由度为l，即使在3个参数的组合中任意确定1个，其他2个参数值即可由计算确定。

图1 固定参数法设计单增轨道

①当曲率半径R选定时，有造斜点垂深：

给定参数要在实际问题允许的范围内选取，否则可能得不到符合工程要求的设计。变化给定参数，就可以得到不同的设计方案，设计井眼轨道应在多种方案中优选。

（2）调整参数法设计双增轨道。如图2所示，用调整参数法设计双增轨道，就是在工具造斜率有一定误差的条件下，用中间的稳斜段进行调整。

图2 用调整参数法设计双增轨道

联系造斜点垂深HK、靶前位移SA、曲率半径R1和R2，以及稳斜段的长度Lw和稳斜角αw等6个参数的是如下方程组：

式中：HK——造斜点垂深；

Ht——靶点垂深；

SA——靶前位移；

R1、R2——分别为第一、第二增斜段曲率半径；

Lw——稳斜段长度；

αw——稳斜角；

αH——水平段井斜角。

因此该设计问题有4个自由度，必须先确定其中任意4个参数值，才能够确定另2个待求的参数，即得到确定的设计方案。例如，在给定造斜点垂深HK、第一、二造斜段曲率半径R1、R2时，由上述方程组即可解出稳斜井段井斜角αw和稳斜井段长度Lw为：

式中：

第一、二造斜段的造斜率K1和K2与曲率半径R1和R2的关系为：

显然，当K1、K2存在偏差时，会引起Lw和αw的相应变化。所以，在实际的钻井过程中，就要通过及时调整Lw和αw值以适应K1、K2的偏差，确保准确中靶。

4.2 井眼轨道优化设计的关键问题

沁水盆地井晋平x井的特点是目的煤层浅、水平段在煤层钻进距离长。因此，在进行井眼轨道设计时，除了要考虑常规水平井须考虑的因素外，还要重点考虑井眼轨迹控制和水平井段加压2个因素。

4.3 沁水盆地钻井井眼轨道优化设计

（1）井眼轨道类型选择。由前面分析可知，设计的水平井井眼轨道应尽可能光滑，以最大限度减少摩阻。为了有效防止和及时调整由于工具造斜率的误差造成的轨道偏离，沁水盆地井的设计轨道是由直井段、第一增斜段、稳斜段、第二增斜段和水平段组成的“直—增—稳—增—水平”的5段制双增轨道。

（2）造斜点选择。造斜点的具体位置应选在岩性均匀且稳固的地层部位，以便于定向造斜。在预计有易漏、易塌等复杂地层的井内，造斜点应选在复杂地层以下部位，以便可在下套管封隔上部复杂地层后再定向造斜。

（3）井眼轨道参数计算。该井水平段井斜角αH= 90°，造斜点垂深HK=209m，第一增斜段曲率半径R1= 229m，第二造斜段曲率半径R2=229m，水平段长L= 1200m，靶前位移SA=250m，靶点垂深Ht=459m，把这些数据带入式（9）、（10）可得到稳斜段长度Lw=29.7m，稳斜角αw=45°，第一、二造斜段曲率K1=K2=7.5°/30m。

表1为沁水盆地晋平x井设计轨道参数。

5 钻具组合及钻进参数研究

钻具组合的钻进参数需要进合理的计算，下面以晋平x井为例，阐述钻进参数的优选过程。

5.1 沁水盆地晋平x井组钻具组合设计

本文对煤层气水平对接井技术的轨迹控制技术进行了研究，提出了不同井段轨迹控制的依据。根据研究情况，对晋平x井各井段钻具组合进行了优选,具体优选结果为：

（1）一开直井段（0～159.49m）采用塔式钻具组合：Ø311.2mm三牙轮钻头+Ø203mm无磁钻铤+Ø203mm钻铤+Ø127mm钻杆。本段最大井斜0.81°。

表1 沁水盆地晋平x井井设计轨道参数

（2)二开直井段（159.49～209m）采用塔式钻具组合：Ø215.9mm三牙轮钻头+Ø159mm无磁钻铤+Ø159mm钻铤+Ø127mm钻杆。本段最大井斜0.39°。二开造斜段（209～537m）采用“导向马达+MWD”常规导向钻具组合：Ø215.9mm三牙轮钻头/PDC钻头+ Ø165mm单弯螺杆钻具（1.5°）+Ø127mm无磁承压钻杆+MWD+Ø127mm无磁承压钻杆+Ø127mm加重钻杆+Ø114mm钻杆。

（3)三开水平段（537～1412.73m）采用“单弯螺杆钻具+LWD”地质导向钻具组合：Ø155.6mm牙轮钻头/PDC钻头+Ø121mm单弯螺杆钻具（1.5°）+ Ø96mm无磁承压钻杆+LWD+Ø88.9mm无磁承压钻杆+Ø73mm加重钻杆+Ø73mm钻杆。

两井对接时采用带RMRS的地质导向钻具组合：Ø149.2mm牙轮钻头+Ø120mmRMRS+ Ø120mm单弯螺杆钻具（1.5°）+Ø88.9mm无磁承压钻杆+LWD+Ø88.9mm无磁承压钻杆+Ø73mm加重钻杆+Ø73mm钻杆。

5.2 沁水盆地晋平x井组钻进参数

由于晋平x井采用裸眼完井，在钻进中根据不同钻具采用了相应的钻进参数。

在直井段为防斜，采用了小钻压吊打的方法；在钻入煤层后，为使螺杆钻具正常工作，泥浆泵排量控制在较小范围内；进入水平段，由于井壁没有泥皮，摩阻大，井壁托压严重，故采用大钻压、低转速，复合钻进和滑动钻进相结合的钻进方式，保证了煤层的稳定。在调整工具面及循环的过程中，不断活动钻具，防止定点循环。晋平x井各井段钻进参数见表2。