“U”型井钻井技术的研究与应用

2016-09-20和鹏飞岳文凯

石油化工应用 2016年5期

关键词：直井伽马煤层气

谢　涛，和鹏飞，岳文凯

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津　300452；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津　300452；3.中国石油大学（北京），北京　102200）

“U”型井钻井技术的研究与应用

谢涛1，和鹏飞2，岳文凯3

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452；3.中国石油大学（北京），北京102200）

“U”型水平井由于具有排采同时进行，占地面积小、可最大限度的沟通煤层裂缝等特点而成为煤层气开发的主要类型井。本文在对“U”型水平井特点以及钻井难点深入分析的基础上，提出了精确地层对比、采用先进定向工具及导向技术、优选储层保护钻井液以及利用先进的连通工具等技术措施，解决了煤层气钻井轨迹控制难度高、钻井复杂情况高发、储层保护要求高、水平井与直井连通精度高等问题，有效降低了钻井成本，节省大量作业时间，为后续煤层气的深入开发提供了技术参考。

煤层气；“U”型水平井；钻具优选；储层保护

随着世界能源需求的不断增长，以煤层气为代表的非常规能源的开发、利用，可有效缓解石油、天然气等的消耗压力，具有深远的国家战略意义［1，2］。有数据显示，到2030年我国煤层气产量有望达到900亿m3，其节能效果与1个大庆油田的原油当量旗鼓相当。煤层气开发技术先后经历了早期常规直井、常规定向井、“U”型水平井技术（下文简称“U”型井）以及羽状分支井等阶段。其中“U”型井技术由于其诸多优点而逐步被广泛应用于煤层气开发。

1“U”型井的特点

（1）“U”型井用水平井与其远端的直井在井下连通，建立煤层流体循环系统，可以实现水平井排水和直井采气同时进行，直井利用重力排水采气［3］。能够充分发挥倾斜地层流体势能和各井的优势，能够提高排水和采气效率。

（2）占地面积小，减少井场建设。在某些作业区域，地表沟壑纵横、地形关系复杂，利用“U”型井开发可减少大量的钻前工程，能够节省地面井场占地费用，有利于提高工程的总体投资综合效益。一口“U”型井可合并减少4个井场的占地面积［4］。

（3）最大限度的沟通煤层割理裂缝，单井产量高。煤层具有低渗透率、低含气饱和度、低压力的特性，常规直井开发单井一般日产气2 000 m3［5］，而利用水平井可最大限度的沟通煤层裂缝系统，扩大降压范围，降低水排出的摩阻，大幅提高单井产量，利用“U”型水平井最高产量15 000 m3/d，约为直井的10倍［6］。

2“U”型井钻井难点

（1）轨迹控制难度大，着陆成功率低。某些区域地质资料较少，或者地层非均质性强，煤层的地层倾角、厚度、深度变化很大，导致水平井钻井作业时轨迹难度较大，着陆点不确定性强，轨迹的实时调整要求高［7］。

（2）煤层中钻进坍塌、井漏等复杂情况频发。由于割理、裂隙的存在，破坏了煤岩的完整性，使煤层具有易破碎垮塌、钻井液易漏失的特点，另外煤岩中大多存在泥页岩夹层，泥页岩水化膨胀后强度降低，钻井过程中易引起井下垮塌、卡钻，甚至井眼报废等复杂事故［8，9］。

（3）储层保护要求高。一方面煤基质有很强的吸附特性，当煤基质的割理被堵塞或者被液体吸附时容易造成储层伤害，另一方面钻井液中的固相颗粒容易充填、堵塞煤中裂缝通道，煤层的储层伤害几乎不可逆，因此钻井液必须要兼顾井壁稳定与储层保护［10］。

（4）水平井与直井远端对接难度较高。井眼轨迹由于受仪器测量误差、环境因素、轨迹计算等方面的影响存在一定的不确定性，在“U”型井作业时轨迹的不确定性对水平井与直井的远距离连通有一定的影响［11］。

表1　CLU-02V井煤层划分表

3　技术措施

针对上述情况，现场提出了一系列对应的技术措施，同时以这些措施在沁水盆地CLU-02和SN015-5井组应用为例进行技术阐述。

3.1精确地层对比

（1）深入了解直井地层情况，优选连通层。如某CLU-02井组中水平井原定4#煤层为目的层，直井完钻后经测井，4#煤层厚度仅1 m，与设计存在较大差异，而8#+9#煤层厚度达4.8 m，且煤层分布比较稳定，适合钻水平连通井，经研究决定以8#+9#煤层作为连通目的煤层（见表1）。根据邻井资料推测，8#+9#煤层从直井到水平井逐渐变薄并且煤层有局部起伏，所以实钻过程中要根据实际情况实时调整设计，保证煤层钻遇率。

图1　CLU-02V局部测井图

（2）标志层对比：①区域标识层，自然伽马测井曲线（见图1），4#煤层含夹矸（黄色虚线）可作为区域标识；②大段对比，抓大不放小，一丁点变化趋势都要死抓不放。

3.2采用先进定向工具及导向技术

水平井采用NOV EM-MWD+DRG、直井配置Vector连通仪器连通测量工具，EM-MWD工具通过低频电磁波信号将地下测量的井斜、方位、高边伽马、底边伽马、360°伽马、环空压力、钻头电信号等数据传输到地面。EM-MWD钻具组合：152.4 mm PDC钻头+ 120 mm（1.5°）螺杆+120 mm定向接头+120 mm无磁钻铤+120 mm无磁短节+120 mm Gap Sub+120 mm短无磁钻铤4 m+89 mm钻杆+89 mm加重钻杆。钻进参数：钻压30 kN～80 kN，排量12 L/s～15 L/s，复合转速40 r/min。通过增、降井斜的方式调整轨迹的垂深位置，钻时、岩屑、GR和EM仪器电压信号等实时资料判断轨迹在煤层中的位置，从而实时调整。如SN015-5H井水平段钻进过程中根据实钻计算平均倾角3.90°，分析随钻测井曲线，得出顶板灰黑色砂质泥岩、自然伽马100 API，底板黑灰色泥岩质、自然伽马大于140 API，井深1 292 m之前自然伽马位于50 API左右、钻速较快、气全量20%～40%，为煤岩特征，钻进至井深1 292 m，顶伽马比底伽马大，钻速降低、气全量10%以下，判断出现砂岩。

3.3优选储层保护钻井液

储层段钻井液选择原则为储层保护+保持井壁稳定，优选的无固相钻井液类型，主要成分：水+盐+聚合物。通过与知名院校联合研究，首次使用NaCl作为加重剂，用黄原胶、CMC、141等调节流变性和携岩能力，刚钻进煤层时采用低密度，当钻进出现掉块时逐渐提高钻井液密度。选取同一区域内的煤心进行清水和无固相盐水储层保护试验，结果（见表2），可以看出无固相盐水的储层损害率远低于清水。

钻井液性能维护方面密度与地层压力相匹配，尽量采用低密度钻井液，由低密度逐渐尝试，发现掉块，及时分析原因并采取相应的处理措施；防止压力激动，避免大排量冲刷煤层；保证固控设备运转良好及时清除钻井液中有害固相物质（见表3）。

表2　钻井液储层保护试验结果

表3　无固相盐水钻井液性能维护

3.4利用先进的连通工具

一般水平井钻头位置距离直井100 m左右时起钻下入磁短节，直接连接在钻头后面，在旋转过程中扰动地球磁场，下入直井中的探管在一定距离内接收到这种磁场变化，分析仪器检测出信号相对位置，进而引导钻头进入靶区。RMRS（Rotary Magnetic Ranging System）全称为旋转磁测距系统，具有近钻头设计，RMRS磁短节直接与钻头相接，可以直接探测钻头到目标井的距离，随着井深的增加不会产生累积误差，RMRS测量过程中无需停钻，节省了综合钻井时间。