摘要
为提高煤层气资源开发利用效率，针对常规远端伽马和EMWD仪器判层不及时，薄煤层分辨率低，井眼轨迹易出层等难题，提出一种基于近钻头地质导向的高效钻进技术。以山西省沁水盆地某煤层气区块为工程实例，对区块内布置的多口水平井施工情况、应用特点及效果等进行阐述，总结出一套可推广、可复制的煤层气水平井高效钻进技术工艺，包括采用柔性钻具组合、选择合理钻进参数、结合井眼轨迹精细化控制技术等，为煤层气高效开发利用提供技术参考。
煤层气水平井是指最大井斜角达90°以及目标层有水平或近似水平段的煤层气井。近年来，利用L型水平井开发煤层气已成为普遍趋势和重要技术手段。煤层气水平井与直井和普通定向井相比，可高效导通煤储层裂隙，增大解析面积，提升气、水导流能力，提高单井产量和煤层气采收率，降低煤层气开采成本，缩短投资回收周期，利于开发沟壑山林等复杂地形条件地区受开发场地限制的煤层气，节约钻前工程和井场占地费用等。但目前煤层气水平井钻进时存在如下问题：（1）目的层顶底界面深度确定困难，往往采用先施工200~300 m长度的导眼，以便于水平井井身轨迹剖面的设计，而导眼钻进属于无效工程量；（2）水平段煤层钻遇率普遍比较低，钻进时容易发生穿层进入煤层顶板或底板，甚至找不到煤层位置等情况；（3）松软煤层水平井井壁稳定性差，钻完井过程中极易发生井壁坍塌掉块，引起卡钻、甚至埋钻等工程事故，成孔困难；（4）水平段钻进时拖压严重，定向时往往工具面较难稳定，钻进效率
针对煤层气水平井钻进时存在的上述问题，本文提出在山西晋城沁水盆地某煤层气区块，利用邻井钻探、测井等资料进行地层对比分析，筛选标志层，预测标志层、目的煤层的位置，通过钻井揭露情况验证预测结果，从而判识钻头与标志层、煤层的空间位置，及时更新轨道设计，最终达到无导眼一次准确入靶；从优化井身结构、优选钻进参数、防塌钻进技术等入手，总结出一套松软煤层高效钻进工艺技术；综合利用钻时录井、地质导向技术，使水平段轨迹处于煤层最佳部位，保证煤层钻遇率。该研究对提高煤层气水平井产能，节约钻井成本，降低投资风险具有重要借鉴作用，为煤层气水平井技术的推广提供指导建议。
沁水盆地在石炭系上统太原组和二叠系下统山西组发育多套煤层，是在奥陶系古风化壳之上发育的一套近海海陆交互相含煤沉积。其中，3号煤层和15号煤层在沁水盆地稳定分布且范围广，柿庄北区块内以这2套煤层为勘探开发对象。
（1）埋深、厚度：根据区块内完井资料及煤田钻孔资料，3号煤的埋深变化范围为716.54~1495.00 m，平均948.47 m；根据15号煤的完井资料，其埋深区域上变化范围为836.40~1574.06 m，平均1076.56 m。3号煤厚度变化范围3.78~7.31 m，平均5.77 m；15号煤厚度变化范围1.21~12.26 m，平均5.51 m，单层厚度变化较大。
（2）煤体结构、含气量：柿庄北地区煤体结构以碎裂结构煤为主。区内煤的变质程度高，属于无烟煤阶段，含气量高。柿庄北区块样品测试测定结果3号煤层含气量一般在3.81~21.60
（3）煤层顶底板特征：山西组3号煤层顶板主要由泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩等致密岩石组成，局部为细、中粒砂岩，垂直裂隙发育，方解石充填。底板多为泥岩和粉砂岩。太原组15号煤层伪顶多为薄层炭质泥岩、泥岩和含钙泥岩，K2灰岩常为其直接顶板，底板主要为泥岩、炭质泥岩。
（4）煤储层压力及温度：3号煤层储层压力梯度为0.81 MPa/100 m；15号煤层储层压力梯度为 0.58 MPa/100 m；总体上3、15号煤层储层压力均属于欠压储层。
合理的井身结构设计是保证钻井安全、高效的前提，同时也可降低钻井成本。勘探程度及钻井装备能力的不断提高及钻井工艺技术的发展，为完善井身结构、保证钻井施工安全和质量提供保
图1 井身结构示意
（1）一开采用Ø311.15 mm钻头钻入基岩10 m稳定地层，下入Ø244.5 mm表层套管，固井水泥返至地面。
（2）二开采用Ø215.9m m钻头钻进至完钻，下入Ø139.7 mm生产套管+筛管，水泥领浆返至井口，尾浆返至最上部气层以上200 m。
井身轨迹设计一般由直井段、造斜段和水平段组成，为满足后期下泵排采需要，需在井斜角75°~85°范围内预留30 m以上全角变化率<3°/30 m的稳斜段。以SX-XX井为例，入靶点处井斜角设计在90°左右，控制点K2、K3处的井斜角设计在93°以上。为满足以上需求，采用“怡恒阳光软件”中“水平井微增探油层模型”，自500 m处以4°/30 m狗腿度进行造斜，808.25 m处开始以6.2°/30 m狗腿度增斜，井斜达到81.19°时以3°/30 m狗腿度微增≮30 m，以保证后期下泵顺畅，井斜达85°后以3.5°/30 m狗腿度增斜至90°着陆，水平段调整轨迹时，设计狗腿度≯2°/30 m，其设计垂直投影图见
图2 SX-XX井垂直投影
| 测深/m | 井斜/(°) | 方位/(°) | 狗腿度/[(°)· （30 | 段长/m | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.00 | 0.00 | 179.75 | 0.00 | 0.00 | |
| 500.00 | 0.00 | 179.75 | 0.00 | 500.00 | 造斜 |
| 534.15 | 4.55 | 179.75 | 4.00 | 34.15 | 稳斜 |
| 808.25 | 4.55 | 179.75 | 0.00 | 274.10 | 增斜 |
| 1199.85 | 81.19 | 93.43 | 6.20 | 391.59 | 稳斜微增 |
| 1265.08 | 87.72 | 93.43 | 3.00 | 65.23 | 稳斜微增 |
| 1284.65 | 90.00 | 93.43 | 3.50 | 19.57 | 靶点 |
| 1368.39 | 93.42 | 95.84 | 1.50 | 83.74 | |
| 1413.75 | 93.42 | 95.84 | 0.00 | 45.36 | K1 |
| 1498.34 | 93.08 | 93.04 | 1.00 | 84.60 | |
| 1715.90 | 93.08 | 93.04 | 0.00 | 217.55 | K2 |
| 1728.02 | 93.09 | 93.44 | 1.00 | 12.12 | |
| 1932.92 | 93.09 | 93.44 | 0.00 | 204.90 | K3 |
| 1966.47 | 94.21 | 93.43 | 1.00 | 33.55 | |
| 2211.25 | 94.21 | 93.43 | 0.00 | 244.78 | 终靶点 |
根据不同井段设计要求，采取相应的定向钻具组合。为保证煤层水平段成井，采用柔性钻具组合进行防斜并及时纠斜。
（1）一开直井段：Ø311.2 mm钻头+转换接头+Ø203 mm螺杆+Ø172 mm钻铤+Ø127 mm钻杆。
（2）二开直井段+造斜段：Ø215.9 mm钻头+Ø172 mm螺杆+定向接头+Ø172m m无磁钻铤（MWD）+Ø127 mm加重钻杆+Ø127 mm钻杆。
（3）二开水平段：Ø215.9 mm钻头+近钻头发射短节+Ø172 mm螺杆+近钻头接收短节+定向接头+Ø172 mm无磁钻铤（MWD）+Ø127 mm加重钻杆+Ø127 mm钻杆。如
图3 水平段钻具组合结构示意
一开直井段采用防斜吊打方式，高转速，小钻压，大排量。二开直井段采用高转速，小钻压，大排量，提高喷嘴压降，充分发挥水力破岩作用。二开造斜段采用低转速，高钻压，适当加大排量，确保井下安全。二开水平段钻遇煤层段时采用低钻压、低转速、低排量、低射流冲击力的“四低”参数钻进。下钻到底提前2个单根开泵，小排量顶通后逐步增加至正常排
| 开次 | 钻头类型 | 钻头尺寸/mm | 钻压/kN | 转速/(r·mi | 排量/(L· |
|---|---|---|---|---|---|
| 一开 | PDC | 311.2 | 50~70 | 80 | 32 |
| 二开直井段 | PDC | 215.9 | 30~50 | 80 | 32 |
| 二开造斜段 | PDC | 215.9 | 40~60 | 40 | 30 |
| 二开水平段 | PDC | 215.9 | 30~40 | 35 | 28 |
根据地层情况，结合水平井储层保护要求，解决钻进施工面临漏失、坍塌、缩径等问题，进行钻井液设计。
（1）一开直井段为了防止黄土层、卵砾石层段发生坍塌、掉块等事故，使用大密度、高粘度的膨润土钻井液，有利于维持井壁稳定、携带岩屑。采用如下配方：5.0%~7.0%膨润土+0.1%~0.2%烧碱+0.1%~0.2%纯碱+0.1%~0.3%聚合物包被抑制剂+0.2%~0.5% CMC。开钻之前进行实验室水样分析，确定水中钙镁离子的含量。基于实验室数据采用Na2CO3和NaOH对钻井液进行适当处理； 调和出膨润土钻井液80
（2）二开水平段之前钻井液配制可将一开钻井液用清水稀释，采用如下配方：清水+0.5%~1% HMP21 + 0.4% ~ 0.6% Na2CO3 + 0.2% ~ 0.3% KPAM+0.3%~0.5% FT103+0.2%~0.5% CMC。加入KPAM、HMP21和Na2CO3搅拌均匀充分水化，混合成90
地质导向以随钻测井中方位GR数值、钻时、录井的岩屑及气测数据等作为综合评价依据。钻遇煤层顶底板，或者夹矸，GR值、钻时、岩屑、气测值均将发生变化，而钻时受多重因素影响，岩屑、气测等均受迟到时间影响，随钻方位GR将及时反映出钻头所处位置，及时指导钻井轨迹的调整，保证储层钻遇率。
井下随钻测量及地质导向仪器是石油钻井过程中为实时获取井底真实地质参数而研发的一种智能型的测量系统。井下随钻测量及地质导向仪器主要有近钻头发射短节、近钻头接收短节、定向接头、配套的随钻测量仪器（Measure while drilling，简称MWD）等部分组成。近钻头仪器包括安装在钻头与螺杆之间的近钻头测量短节（发射短节），在螺杆与无磁钻铤之间安装的近钻头接收短节，和配备无线接收短节的MWD。近钻头测量仪器实时测量的是近钻头井斜以及地层方位伽马等地质信息，通过跨螺杆通信传输给近钻头接收短节，再通过无线通信传输到MWD，MWD实时测量的井斜、方位、定向工具面等工程信息，需通过钻井液高、低脉冲压差传输到地表，供现场工程师进行轨迹调整决策，钻井液脉冲信号的产生是由井下MWD的脉冲器进行。近钻头仪器利用高精度加速度传感器动态测量钻头姿态，利用低频电磁波脉冲向接收工具传输近钻头处的实时测量数据，为伽马敏感地层地质导向提供参考。其测量的参数比常规MWD提前13 m以上，距离钻头只有0.6 m，可准确获取井下钻头处的动态方位伽玛数据和静态井斜数据，解决常规伽玛地质导向工具的不足。近钻头仪器主要适用于定向井、水平井和联通井，为复杂地层、薄油层的开发提供先进的工具，推动超薄油层及各类复杂油气层的开采，缩短钻井周期，降低钻井成
图4 近钻头导向工具连接示意
标志层具有分布范围广、层位稳定、岩性特征明显、易于鉴别的特点。对邻井测井、钻探资料进行地层对比分析，邻井煤层测井曲线图如
图5 临井15-2号煤层测井曲线
根据钻井揭露的地层信息验证标志层，利用钻时录井资料、钻进参数、MWD参数及煤层底板等高线图，及时判断钻头位置距离目的煤层的空间位置，通过及时调整井眼轨迹，保证入窗井斜角与地层倾角适配，最后顺利实现无导眼直接一次着陆入窗，水平段通过钻时录井、气测录井、钻进参数录井、尤其是近钻头地质导向工具跟踪实时监测。利用平均伽马曲线（GR）初步判断钻头进出煤层情况，根据上伽马（HiGm）、下伽马（LoGm）进一步判断煤层的顶底
图6 SX-XX井随钻伽马实时监测曲线
（1）在晋城沁水柿庄煤矿充分利用邻井资料和钻时、岩屑录井资料及地质导向随钻测量系统，选择合适标志层，实现水平井无导眼安全、高效着陆入靶，缩短了单井建井周期，降低了煤层气水平井施工成本。
（2）采用柔性钻具组合、选择合理钻进参数，结合井眼轨迹精细化控制技术，实现松软煤层安全高效钻进。
（3）采用近钻头地质导向技术，实现了100%的煤层钻遇率，提高单井产气量和煤层气采收率。
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