晋城潘庄区块15#煤煤层气单分支水平井轨迹优化

2019-01-23历彦福

中国煤炭地质 2018年12期

历彦福

(中煤地质集团有限公司，北京 100040)

0 引言

潘庄区块15#煤层较薄，发育不均匀，且倾角变化较大，顶板为灰岩，屏蔽信号严重；夹矸标志层存在中途湮灭情况；局部存在断层。遇到倾角下倾急变带时易进入顶板灰岩，导致进尺变慢，影响钻进速度，为避开顶板灰岩，导向轨迹尽量靠中下部钻进；在钻遇倾角上倾急变带时，易钻遇底板泥岩，由于底板泥岩稳定性差，易掉块坍塌，对后期下筛管等作业造成很大难度。

煤层气单分支水平井比其它类型水平井轨迹控制精度要求更高。一方面，单分支水平井一般垂深浅、曲率半径小、设计水平段长达800～1 000m，钻至水平段后期往往出现井下钻具摩阻大、扭矩高、托压严重等现象而无法定向钻进的问题，造成井眼轨迹调整困难[1]；另一方面，15#煤煤层气单分支水平井一般采取下钢筛管的完井方式，与U型井下PE筛管、多分支井裸眼的完井方式相比，对井眼轨迹质量要求更高，导向轨迹调整与控制要求更严格。

1 钻井导向仪器的优选

目前在国内能够进行三开煤层段导向使用的仪器分为三大类：泥浆脉冲类、旋转导向类、电磁波类。泥浆脉冲类主要由泥浆脉冲仪器MWD+方向gamma组成，代表仪器是普利门生产的MWD仪器带方位gamma；旋转导向仪器代表仪器是斯伦贝谢生产的PD(power direction)旋转导向系统等；电磁波类主要由电磁波仪器EM-MWD+方位gamma构成，代表仪器是美国NOV生产的电磁波EM-MWD。对15#煤层中钻进导向仪器的优选应遵循以下原则：①信号传输快，信号参数满足15#煤层导向需求；②井下作业时间满足钻井需求；③安全可靠，可打捞；④经济性好。

根据15#煤层的特点和导向仪器的优缺点，优选双电池配置的EM-MWD 仪器作为导向仪器施工晋城潘庄区块15#煤煤层气单分支水平井。

2 钻井着陆点控制工艺与优化

2.1 着陆点控制工艺

着陆控制是指从直井段末端的造斜点(KOP)开始钻至目的层这一过程。通过总结近年来所钻单分支水平井的施工方法与步骤，并结合往年其它水平井导向施工的经验，形成了针对山西潘庄区块15#煤煤层气单分支水平井的着陆点的控制工艺。

1)通过邻井的地层对比分析，确定纵向上距离目的煤层较近、沉积稳定、易于识别的标志层。潘庄区块以15#煤层为目的煤层的水平井可以选择3#煤层、太原组四套灰岩作为标志层；

2)实钻中依靠录井、随钻测井等手段卡准标志层，不断计算每一个标志层地层倾角，并以当前标志层倾角作为下伏标志层及目标煤层的倾角，计算预测下一标志层深度和着陆点深度；

3)根据实际钻遇结果，判断标志层和着陆点预测深度吻合程度。若吻合较好，则按设计轨迹施工；若吻合较差，结合剩余靶前距和工程施工工具轨迹控制能力，适时对着陆轨迹进行调整，直至15#煤层着陆。

2.2 近煤层钻井导向工艺优化

以晋城潘庄区块15#煤煤层气单分支水平井为例，二开定向钻井使用普利门脉冲MWD仪器作为测量工具，在钻头进入目的层位(15#煤层)后二开中完。完成中完作业后(下套管固井)，进入三开煤层水平段作业，常规的作业是直接下入EM-MWD电磁波仪器，但因电磁波仪器属于电信号传播，在靠近套管的位置，仪器与套管形成短路状态，造成地面不能接收到仪器信号，存在15m的仪器使用盲区，由于煤层呈连续起伏状，且15#煤层较薄，如果对煤层进行15m的盲打钻进，存在较大的风险。

二开施工进入煤层，一定是当前井斜小于地层倾角，才可以从煤层顶部进入煤层，三开如果不及时调整井斜，很有可能在十几米的钻进过程中钻至底板；钻头进入煤层，由于距离短，不能够确定煤层的倾角，盲打钻进不能够及时调整井斜以适应地层倾角的变化；煤层起伏多变，钻头轨迹也可能在复合钻进施工过程中进入煤层顶板。15#煤层顶板为致密性灰岩，可钻性比较差，往往进入顶板灰岩层位，只能后退侧钻，而在套管鞋附近位置侧钻又存在新的施工风险：①由于可侧钻的距离短，悬空侧钻成功率低，侧钻时间长造成套管鞋井段形成“大肚子”结构；②侧钻如果失败，需要填井侧钻，造成费用增加，工期增加；③由于煤层与非煤层的地层岩性差异大，两者的井径扩大率不同，在顶底板交界面的岩屑运移存在流速差异，容易形成岩屑聚集，严重的会形成砂桥卡钻。

根据上述的施工缺陷，在三开初期先下入MWD仪器。MWD随钻仪器属于泥浆脉冲仪器，它可以不受套管的干扰来实现定向作业，实现对EM-MWD仪器的盲区实现覆盖控制。使用MWD仪器钻进盲区15m的方案，可以最大限度的利用该井段调整井斜。

2.3 应用效果

PZC52L-04井为开发15#煤层而布置的开发井。地理位置：山西省晋城市沁水县马庄乡；构造位置：沁水盆地南部晋城斜坡带刘家腰向斜西翼；完钻层位：太原组；完井方法：下入4 1/2″钢筛管至井底不大于50m，并将筛管顶部悬挂在7″套管鞋以上30m内。PZC46L-03井为开发15#煤层的已钻相邻参考井。

PZC52L-04井一开采用Ф311.5mm钻头钻入基岩5～10m，下入Ф244.5mmJ55钢级的表层套管。二开采用Ф215.9mm钻头，选择3#煤层、太原组四套灰岩作为标志层，通过与邻井PZC46L-03不断比对分析以预测地层倾角，预测结果见表1。二开最终以84°井斜顺利着陆在目的煤层15#煤，下入Ф177.8mm生产套管。三开先下入MWD仪器定向钻进15.00m,调整井斜至89°，与煤层倾角基本一致，起钻更换EM-MWD导向钻具组合，继续在15#煤层中水平钻进。

表1 地层倾角对比分析Table 1 Comparative analysis of strata dips

应用上述方法，不断预测地层倾角，PZC52L-04井实现了以合适的井斜角着陆；同时通过在三开初期先下入MWD仪器调整井斜，避免出现EM-MWD仪器导向盲区，有效提高了15#煤层钻遇率，降低了井下风险，减少了井下复杂情况，缩短了施工周期。

3 水平段轨迹控制模型

3.1 15#煤层岩性特点

15号煤层的特征单元一般可以划分为顶板灰岩、煤层、夹矸、煤层、底板泥岩。煤层厚度在1.5～3m，具有含气量低，以及煤层相对不稳定的特性。

15#煤层所具有的总体特征为HLLD、HLLS高，SP低，GR伽玛低，夹矸的总体特征为HLLD、HLLS低，SP相对煤层要高, GR相对煤层也较高。在本区块15#煤顶板为灰岩，底板为碳质泥岩，顶板灰岩特征为HLLD、HLLS较高，SP极低，GR低[3]，底板碳质泥岩特征为HLLD、HLLS低，SP高，GR高，15#煤层电测曲线如图1所示。

因为煤层、夹矸、顶底板在电性上、物性上存在着明显的差异，全烃和岩屑可作为是否在煤层中钻进的主要衡量参数[4]，GR可作为钻头在煤层中位置判断的依据，钻时、钻压、扭矩可作为是否在煤层中钻进的参考依据。

图1 15#煤层电测曲线Figure 1 Coal No.15 well logging traces

3.2 15#煤层水平段轨迹控制模型

根据15#煤煤层及顶底板特征，以优化井眼轨迹为原则，提高煤层钻遇率为目的，建立了煤层内轨迹控制模型、出煤层顶板轨迹控制模型和出煤层底板轨迹控制模型。

1)煤层内轨迹控制模型。煤层内轨迹控制主要以夹矸为标志层，在夹矸上部时，控制井斜角略小于地层倾角(一般小于1°，充分考虑复合钻进自然增降斜趋势)，向夹矸下部缓慢靠近，轨迹到达夹矸下部时，控制井斜角略大于地层倾角(一般大于0.5°)，向夹矸上边界缓慢靠近，钻至夹矸上部时定向钻进控制井斜角略小于地层倾角，如此反复，完成整个水平段钻进。煤层内轨迹控制模型如图2所示。

2)钻遇煤层顶板轨迹控制模型。当煤层轨迹从顶板出煤后，在保证井下安全和井眼轨迹质量要求的前提下以最大造斜率降斜至井斜角小于地层倾角2°～4°，向下追踪煤层，从顶板进煤之后按煤层内轨迹控制方法进行水平段钻进(图3)。

3)钻遇煤层底板轨迹控制模型。当煤层轨迹从底板出煤后，在保证井下安全和井眼轨迹质量要求的前提下以最大造斜率增斜至井斜角大于地层倾角2°～3°，向上追踪煤层，从底板进煤之后按煤层内轨迹控制方法进行水平段钻进(图4)。

3.3 应用效果

PZC52L-04井15#煤层顶板为灰岩，底板为碳质泥岩，在15#煤层上部EM仪器信号较差，在15#煤层底板不稳定，易发生煤层垮塌，导向轨迹尽量保持在15#煤层中下部。本井使用双电池配制的EMWD导向仪器，信号快，精度高，通过煤层内轨迹控制模型、钻遇煤层顶板轨迹控制模型和钻遇煤层底板轨迹控制模型对15#煤层中导向进行指导，水平段有效煤层进尺1 135.90m，有效纯煤层进尺1 055.60m，煤层钻遇率92.9%，轨迹得到了明显优化，有效提高了钻遇率。