浅谈煤层气大位移水平井轨迹控制方法

闫凯

摘  要：沁水盆地3#煤层埋深浅，该区块部署的水平井受工程、地质等条件的影响，设计水平段长度普遍在800-1200m。为降低开发成本、提高开采效率，增加单井水平段长度成为了新的突破口。在Z4-76-26L井组的3口井进行了煤层气大位移水平井现场试验，单支设计水平段长2000m。现场导向技术人员通过随钻建立地质模型、综合多参数分析判断、多次微调的轨迹控制思路，圆满完成了试验任务。其中郑4-76-32L井取得了煤层进尺2001m、煤层钻遇率91.75%的效果，创出国内煤层气215.9毫米井眼L形水平井单支完钻井深最深、水平段最长、纯煤进尺最多、水平位移最大、水垂比最大、套管下深最深等多项纪录。

关键词：煤层气 水平井 轨迹控制 方法研究

1 引言

Z4-76-26L井组位于沁水盆地南部晋城斜坡带郑庄区块，该区块3#煤层埋深浅，约600m左右，水平段长度超过1200m后，水垂比大于2.5，施工难度大，后期面临井底磨阻增大、托压严重、定向效果差以及后期套管不能下至井底的风险。如何合理优化井身轨迹、减少非煤层进尺是大位移水平井试验能否成功的关键。试验区域邻井资料少、构造落实程度低、煤层厚度及内部特征变化大、使用低端随钻测量工具等问题，增加了导向轨迹控制难度[1]。地质导向充分发挥多年现场施工经验，与钻井和定向相结合，通过随钻建立地质模型、综合多参数分析判断、多次微调轨迹控制思路等导向方法，在特殊工艺、复杂地层条件下，进行导向轨迹优化，满足煤层气水平井快速钻进及后期施工作业。

2 导向轨迹控制难点分析

2.1试验区域邻井资料少、井控程度低，地层产状预测难

沁水盆地区域内普遍发育小型褶曲和微型断层，地层倾向变化频繁，井眼轨迹需要不断进行大幅度调整；断层发育区，受断层倾向和断距影响，煤层深度和计算倾角突变，不仅水平追踪难度大，还易发生井下复杂情况。

2.2煤层厚度及层内特征变化大，低成本随钻仪器无法识别方向，不易精准判断钻头位置

通过分析邻井资料，该区块煤层厚度变化较大，约3-6m。煤层内部特征也不稳定，不利于开展微观层内特征对比判断钻头位置。同时受限于煤层气低成本开发，随钻仪器为常规MWD+GR测量工具，测量盲区长（测斜零长14.6m，伽马零长13.3m），不具备方向性，3#煤层顶底围岩均为灰黑色泥岩，岩性、电性上均无明显差异，顶底出不易判断。若判断失误，侧钻作业会影响轨迹质量，且为后期施工作业留下隐患。

2.3大位移水平井后期定向调整困难，轨迹控制难度大

大位移水平井设计水平段长2000m，由于该区块3#煤层埋深较浅，水垂比大于3.5，施工后期井下磨阻大，造成定向托压严重，轨迹调整困难，且效果往往达不到预期，一旦煤层发生倾向变化，增加出层风险。

3 技术措施

3.1建立施工区域地质模型，宏观认识煤层整体走势，对构造复杂井段进行轨迹优化

通过收集地震资料、邻井录井、测井资料，建立施工区域地质模型，对煤层整体走势形成宏观认识，再结合实钻动态资料，识别局部微构造，依托地质模型，指导现场施工。针对构造复杂井段，出层后不能使用常规轨迹控制方法追踪煤层，应根据煤层整体倾向趋势，选取合理井斜稳斜钻进（一般控制井斜与该井段平均地层倾角保持3°—4°的角差为宜），避免大幅度上下调整，造成轨迹质量差，规避施工中因地层突变而增加的工程风险。如图1所示，地层为一向斜构造，轨迹沿煤层穿行过程中，地层倾角发生变化，于a点顶出，通过出层点伽马形态分析，出层时角差较大，选择大角差向下追层，当钻至b点时回到煤层，因入层角差较大，很快又从c点出层，继续调整井斜追层，最终于d点回层。从a点到d点的追层过程，经历了两次大幅度的调整，轨迹质量差，影响后期施工，且损失了较多的煤层进尺。在获得了a、b、c、d几个控制点后，现场可通过在e点侧钻，重新设计轨迹，既提高了煤层钻遇率，又保证了较好的轨迹质量。

3.2优选导向区间，进行煤层轨迹精细控制

该区域3#煤层存在厚度及层内特征不稳定的情况，选取稳定的小层特征作为判断位置的依据。通过多井层内特征对比分析，层内夹矸分布无规律，厚度及位置均存在较大变化，而好煤厚度稳定，特征明显，容易识别（图3），故选取好煤作为导向区间。水平段施工中应尽量将轨迹控制在好煤内钻进，发生构造变化时，能够利用角差和伽马曲线形态及时做出判断，提前对轨迹进行微调，保证轨迹平滑延伸，避免过多大幅度调整。

3.3综合多参数分析判断，把握轨迹最佳调整时机

因伽马测量盲区长，工程、录井参数响应时间均快于随钻伽马数据，在水平井导向中，实时监控各项参数变化情况，起着非常重要的作用，可辅助判断地层变化。当出层时，根据工程、录井参数变化，第一时间发现，对轨迹进行及时调整，可减少非煤层进尺，降低追层轨迹变化幅度。一般情况下，出层后，钻压、扭矩和泵压升高，钻时变慢，气测全烃值逐渐降为基值；进入煤层后，钻压、扭矩和泵压降低，钻时明显变快，气测全烃值快速变大。在定向钻进时，需排除钻具托压对钻压造成的影响，避免造成误判。

3.4针对大位移水平井后期工程施工难度大，总结钻具组合复合井斜变化规律，优选钻头位置，保证后期轨迹平滑钻进

大位移水平井施工后期水垂比大，施工后期轨迹控制困难。后期钻进应以复合钻进为主，减少定向次数。通过分析前期数据，总结不同钻压下复合井斜变化规律（一般复合时控制钻压1-2t，井斜基本不变；钻压5-6t，单根能增斜0.5°—0.8°）。因此将轨迹控制在煤层中下部，使用小钻压复合稳斜钻进，在定向效果差、地层倾角变化的情况下便于轨迹调整。

（1）地层走势平缓时，控制轨迹在煤层中下部，使用小钻压复合稳斜钻进，避免定向调整；

（2）地层倾角变小时，轨迹上行，因位于煤层下部，距煤顶有一定厚度，可作为调整空间，采用多次分段的方法降斜；

（3）地层倾角变大时，有底部出层的风险，若底出后，可采用大钻压复合钻进，达到增斜追层的效果。

4、应用实例

4.1、Z4-76-30L井：钻遇局部微构造，合理选取井斜，稳斜平缓穿越

Z4-76-30L井钻至井深1380m底部出层，井深1440m钻遇3#煤层下部灰岩，距煤底约12m，实钻资料证实该段为一局部向斜构造，地层倾角由下倾5°变为上倾12°（图4、图5）。

侧钻后若全力增斜至105°追层能减少非煤层进尺，但底部回层后降斜难度大，有顶部出层风险，且轨迹大幅度上下调整，造成井身轨迹差，不利于后期水平段延伸，综合分析该井段平均地层倾角为上倾3°—4°，现场决定增斜至98°稳斜钻进，牺牲部分煤层进尺，平缓穿越构造复杂井段，回层后逐步降斜，优化轨迹（图6）。最终于井深1520m底部入层，井斜97.7°，出层段长140m。

4.2、Z4-76-32L井：末端煤层倾伏变化，控制轨迹位于煤层中下部复合钻进

Z4-76-32L井地震测线显示2300m后地层由上倾变为下倾（图7），因后期磨阻变大，定向困难，且效果达不到预期。

若后期顶部出层后降斜追层难度大，故将轨迹控制在煤层中下部钻进，底出后可通过复合自然增斜追层，尽量以复合为主，减少定向调整频率，保证轨迹顺利延伸，最终本井水平段达到2001m。

5、成果

煤层气大位移水平井在Z4-76-30L、Z4-76-31L、Z4-76-32L等三口井进行了现场试验，其中Z4-76-30L井、Z4-76-31L井施工后期钻遇断层破碎带，发生井下漏失的情况，为井下安全考虑，均提前完钻，未钻达设计井深，但也积累了宝贵的现场经验。最终Z4-76-32L井顺利钻达设计井深，取得了水平段长2001m、煤层进尺1836m、钻遇率91.75%的技术指标（表1），圆满完成大位移水平井试验任务。

6、结论与认识

⑴煤层气大位移水平井水垂比大于3，工程施工难度大，控制轨迹在煤层中钻进能有效降低钻具磨阻，但出层后需优化轨迹，避免大幅度调整，平滑的井眼轨迹是水平段顺利延伸的关键；

⑵水平段施工中准确判断钻头位置，减少侧钻次数，能缩短钻井周期，规避后期下套管作业进入老井眼的风险；

⑶选取构造落实程度高、构造简单的区域部署大位移水平井，能达到事半功倍的施工效果。

根据沁水盆地3#煤层煤层气勘探的实际钻孔资料及取得的部分成果，对煤层气水平井轨迹控制方法进行分析研究，得到以上结论与认识，以期能对贵州煤层气勘探有所借鉴。

参考文献

黎铖，姜维寨等。煤层气L型水平井录井综合导向技术应用研究[J]。中国煤层气，2016，4（2）：19-22。

（作者单位：贵州天然气能源投资股份有限公司）