煤层气大位移水平井关键性技术研究

王利斌， 蔡旭梅， 汤 军， 何万通

(中煤浙江地质集团有限公司杭州分公司，杭州 310000)

0 概述

煤层气是煤层本身自生自储式的非常规天然气，中国煤层气资源储量丰富，但中国的煤层气具有低压、低渗、低饱和煤层非均质现象突出等地质特征[1-4]，这就决定中国的煤层气开发不能简单的应用常规直井，必须采用适合中国煤层气开发的新技术[5]。煤层气大位移水平井就能够避免常规直井的局限性，单井产量高经济效益好[6]。随着技术的不断创新和优化，煤层气开发必然朝着以大位移水平井和多分支井开发为主。

本次研究主要对山西保德区块进行煤层气大位移水平井关键性技术研究。承钻的山西保德区块煤层气项目，实施研究12口水平井，整体设计水平段至少1 000m以上，最长是1 305m，井深最深是2 577m，水垂比最大为3.69。

1 托压控制技术

拖压控制技术主要从顶驱设备、水力振荡器、钻具组合优化和钻井液性能等几个方面进行综合研究。

1.1 顶驱设备

由于水平井托压严重，考虑到井下安全以及解决托压问题，选择顶驱设备。顶驱设备可从二层台直接旋转钻杆[5]，由专用导轨向下送进，实现钻杆旋转钻进，循环钻井液，上卸扣和倒划眼、接立柱等多种钻井操作[7]。使用顶驱这种操作方式，对比于方钻杆钻井具有节省接单根时间、倒划眼防止卡钻、下钻划眼、设备安全和下套管优点。

保德区块保-平30井二开未采用顶驱设备，保-平25井-29井等5口井，二开采用顶驱设备，同时调整钻具组合，二开机械钻速明显提高，由之前未用顶驱设备的4m/h提高至8m/h，提高近一倍。

1.2 水力振荡器

水力振荡器产生的高频压力波能降低钻具与井壁之间的摩阻，是解决水平井托压严重的一种新的途径[8]。水力振荡器多与振荡短节连接配合使用，从而在钻柱中产生轴向运动。由振荡器产生的高频压力波中的每个压力脉冲都会使振荡短节延伸，从而通过降低井壁摩阻并在保德区块水平井施工中施工中，我们对水力振荡器在水平井中使用进行分析。在工具入井使用之前，通过利用专业设计软件结合钻井工程设计，可以计算出所需参数，确定最佳安放位置。在保-平30井施工中，计算得出最佳安放位置是在距钻头200m左右。

保-平30井三开采用水力振荡器，共使用二次。

第一次入井深度850.0m，出井井深1 306.0m。本次钻入井累计时间为79.5h，循环累计时间为41.5h。钻具组合：215.9mmPDC+171.45mm螺杆(1.5°)+浮阀+MWD接头+165.1mm无磁钻铤+转换接头+127mm钻杆+127mm加重钻杆+127mm钻杆+171.45mm水力振荡器+127mm钻杆串。本次钻定向钻进过程中不托压、工具面稳定，没有出现憋泵情况，钻时较快且稳定，水力振荡器和定向工具出井后检查正常。

第二次入井深度1 306.00m，出井井深1 951.0m。本次钻入井累计时间为73h，循环累计时间为56.0h。钻具组合：215.9mmPDC+171.45mm螺杆(1.5°)+浮阀+MWD接头+165.1mm无磁钻铤+转换接头+127mm钻杆+171.45mm水力振荡器+127mm钻杆串+127mm加重+127mm钻杆串。复合钻进时，随着水平段逐渐增长，扭矩由第一次的5～7 kN·m上升至8～10kN·m，但总体扭矩波动平稳，定向钻进过程中不托压，工具面稳定，没有出现憋泵情况，钻时较快且稳定，水力振荡器和定向工具出井后检查正常。

与未使用水力振荡器的水平井进行对比，保-平14井和保-平15井与保-平30井属同一构造：鄂尔多斯盆地东部晋西挠褶带北缘[9]。两口井直线距离约8km，目的层均为煤层，因此有很强的对比性(表1)。

表1 钻井参数对比Table 1 Drilling parameters comparison

从以上数据可以看出，相同井眼尺寸，保-平30井相比保-平14井提速99.5%；井眼尺寸不同，相比保-平15井提速73.9%，提速效果明显。

2 钻井液控制技术

由于其地层压力较低，且易破碎垮塌，在水平井钻进时多采用低固相钻井液，地层相对稳定的的区块使用清水钻井液。使用清水钻井液虽然对保护煤层比较好，但是对井壁的支撑和携屑不行，容易出现井下复杂。

通过研究保德区块前期资料，决定先用清水、氯化钾泥浆体系、瓜胶体系1和瓜胶体系2进行室内试验，以达到保护储层，防止煤层垮塌的目的。

为确保钻井液体系在同一温度环境，防止钻井液因温度变化发生参数变化，进行简易测温工作。测温资料表明，本井0～200m温度增加幅度极小，超过200m后温度缓慢增加，推测恒温带深度在150～200m。恒温带以下井温随深度增加而逐渐升高，且增加幅度变大。保德区块煤层垂深普遍在450～750m，煤系段平均地温梯度值为4.08℃/100m。因此井下煤层温度与地面温差别不是太大。

2020年6月18日至24日，在山西保德，进行了常温下不同介质的浸泡试验，试验结果如表2所示。

通过7d的试验对比，可以看出，加入抑制剂的三种配方煤岩心未发现掉块、状态保存良好。采用清水钻井液的，第1d附着较多气泡，第2d逐渐减少，第3d气泡消失，开始出现掉块，第5d局部出现坍塌。采用氯化钾泥浆体系，未发现掉块，煤岩心保存良好；使用瓜胶体系的第7d，黏度开始下降(45s下降至38s)，煤岩心表面只附着一层油膜。瓜胶体系1对储层保护较弱，瓜胶体系2达到保护储层的目的。

通过室内试验,决定煤层气水平井三开钻井液先采用氯化钾泥浆体系，再采用瓜胶体系2，进行实钻对比。

实钻过程中保-平30井采用氯化钾泥浆体系(水+KCl+液体润滑剂+石墨+聚丙烯酰胺钾盐+80A-51+CMC)，其他水平井采用瓜胶体系2(水+5%氯化钾+0.2%黄原胶+0.2%瓜尔胶+0.5%羧甲基淀粉+1%羟丙基淀粉+0.1%K-PAM +0.5% 80A-51+0.5%PAC141+ 2%多元聚合醇)(表3)。

表2 试验结果说明Table 2 Tested results explanation

表3 不同钻井液体系参数对比Table 3 Different drilling fluid system parameters comparison

通过实钻和室内试验得出以下结论：

1)采用氯化钾钻井液体系，滤失量、泥饼、含砂量等都比较高，钻井液难以控制，采用瓜胶体系2，钻井液各类参数容易控制，钻井液体系较稳定。

2)采用瓜胶体系7d之后黏度开始下降(45s下降至38s)，煤岩心表面只附着一层油膜，能够避免有害固相污染煤层通道，提高产气量。

3)为防止煤层垮塌，煤层内钻进钻井液中要加入抑制剂。

为保证井壁稳定和保护储层建议使用瓜尔胶钻井液体系：水+5%氯化钾+0.2%黄原胶+0.2%瓜尔胶+0.5%羧甲基淀粉+1%羟丙基淀粉+0.1%K-PAM +0.5% 80A-51+0.5%PAC141+ 2%多元聚合醇。

3 地质导向技术

3.1 目的层分析

保德区块主力煤层的顶面构造整体呈现向西倾斜的单斜构造，构造平缓，北部断裂不发育。根据邻井测井数据，预测4+5号煤底面距离8+9号煤顶面垂深40～50m，4+5号煤与8+9号煤之间自上而下发育3层稳定的1m左右的薄煤层，其中第3层薄煤层距离8+9号煤顶垂深7～10m，可以此作为8+9号煤的第一标志层；8+9号煤内部距离煤顶3～4m发育一层夹矸，自然伽马值在100～120API，可以此作为8+9号煤的第二标志层，作为判断水平钻进过程中出顶的依据；8+9号煤底下3m左右发育一层1～2m的炭质泥岩，自然伽马值在160API左右，可以作为判断出底的依据。

该区块作为地层对比卡取着陆点的标志主要有刘家沟组底、石千峰组底、盒8段砂岩、3号煤、4+5号煤。通过计算得出，目的层沿设计轨迹方向地层倾角，为使钻井轨迹以最佳角度入层，通过地层对比及时调整好井轨迹，避免进层后轨迹的频繁调整。

3.2 水平段层内控制

以保-平30井为例，钻进至井深930m，垂深520.5m，井斜97.3°，伽马值45API下降到30API为灰色砂岩。结合邻井资料和电测曲线对比分析，返出岩屑为浅灰色细砂岩、浅灰色泥质砂岩，录井与定向人员根据地层对比判断为轨迹从煤层中部5m直接断至煤层顶以上2m位置砂岩。经过降斜下探[10]，找到煤层后又下探至煤层8m，特征符合煤层8+9号煤。出层后各项资料统计：钻时，无明显变化，2～3min/m；全烃，自925m开始1.3%下降至0.4%；岩屑，见明显浅灰色细砂岩；伽马，无变化，维持在37API左右[11]。出层后地质导向要求在保证井下安全的前提下井斜尽快降斜回追煤层，钻至井深1 002m，垂深516m，井斜88.1°，岩屑见煤，回至目的层。地质导向要求：纵向继续下切探明煤层，寻找高气测层、显示好的储层进行施工。

定向回到煤层后各项资料统计：钻时，由999m处6.75 min/m下降至1 002m处2.8min/m；全烃，由1 000m处0.14%上升至1 006m处1.3%；岩屑，见明显煤样；伽马，49API上升至52API小幅度增加。

总体分析得出，顶出直接钻遇砂岩，回追过程钻遇泥岩煤层顶板在局部范围岩性有变化，并非单一岩性[12-13]。回层后地质导向在储层局部横向发育较稳定，层内存在泥质夹层的情况下，根据实钻及邻井资料及时分析判断，机动调整井斜，寻求气测有利部位，使轨迹在显示最好的中上位置横向推进，以90°～96°井斜钻探目的层钻至1 951m完钻[14]。

4 结论

1)水平井托压严重主要从顶驱设备、水力振荡器和钻井液性能等几个方面进行综合考虑。顶驱设备和水力振荡器的配合使用能够有效解决水平井托压严重问题。

2)为确保泥浆的性能能够在保证井壁稳定的条件下，保持润滑性，减少钻具与井壁的摩擦，减少钻具托压，钻井液中加入润滑剂。试验采用瓜胶体系7d之后黏度开始下降(45s下降至38s)，煤岩心表面只附着一层油膜，能够避免有害固相污染煤层通道，提高产气量。为保证井壁稳定和保护储层三开建议使用瓜尔胶泥浆体系：水+5%氯化钾+0.2%黄原胶+0.2%瓜尔胶+0.5%羧甲基淀粉+1%羟丙基淀粉+0.1%K-PAM +0.5% 80A-51+0.5%PAC141+ 2%多元聚合醇。

3)及时、准确标定标志层位置，实时预算到目的煤层垂深和地层倾角。实时预算着陆煤层位置和着陆井斜、方位。如果与设计出入过大，可提出修改，做出待钻轨迹满足着陆要求，实际导向时要在确认煤层上部地层倾角后实时修正，确保准确着陆。水平段钻进时，多根据岩性、物性、含气性、电性4个方面分析是否出煤层，及时调整。