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劉春梅?管少杰?周水源?張研蕾?劉婭飛

（中國石油渤海鉆探工程公司第二鉆井分公司，河北廊坊 065000）

摘?要非常規油氣煤巖氣勘探開采由中淺層逐步向中深層、深層發展。長慶油田石炭系本溪組深層8#煤巖氣勘探開發，從2022年開始已進入第三輪開發，通過論證、分析、實踐，完成部分關鍵環節的安全施工條件匹配，明確了鉆探進度目標，但在煤層水平段鉆探過程中還是會發生諸多煤層垮塌的卡鉆、套管下不到底、開泵困難及填井側鉆等復雜事故。2023年，渤鉆與川慶鉆探協作共同完成深8#煤巖氣雙4845YH4水平井水平段先導試驗，從設備設施配置、鉆井人員操作、井身結構、水平段軌跡控制、鉆井液體系等多方面進行優化，完成煤層水平段“一趟鉆”1562米，順利完成渤鉆首口深層煤巖氣鉆探任務。

關鍵詞：深層煤巖氣深8#；煤煤層水平；段安全條件

中圖分類號：TE254  文獻標識碼：A  文章編號：16712064（2024）23000704

0引言

鄂爾多斯盆地擁有豐富的煤炭資源，也包括富含天然氣的烴源巖，源內非常規古生界氣藏潛力和規模比頁巖氣更為巨大。開展盆地古生界源內氣藏先導試驗工作，部署實施盆地古生界源內氣藏水平井，可開創盆地古生界源內氣藏開發新局面，實現后備資源有序接替。長慶油田煤巖氣位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，盆地8#深層煤巖氣資源量約12.69萬億立方米。其中，長慶探區8#煤巖氣資源量10.32萬億立方米。近年來主力勘探開發的是綏德、納林、米脂北等三大區塊。2023—2030年三大區塊集中建產，產量規模110億立方米/年2031—2035年外圍規模建產，進一步推動產量攀升，2035年產量達到180億立方米/年。

1儲層地層特點及施工難點

1.1儲層地層特點

儲層蓋層厚度可達20～30m，主要是煤泥、煤灰和煤砂三種儲蓋組合。儲層厚度6～12m，平均8.2m，8#煤層厚度大，夾矸以0～1層為主。主要為均一塊狀的原生結構，孔隙度0.54～10.67%，平均4.80%滲透率0.001～ 14.6mD，平均2.448mD，裂縫發育，滲透率較高[1]。

1.2施工難點

綏德、米脂北、納林等三大區塊由東向西儲層埋藏深度逐步變深，施工難度也逐漸增大，主要是儲層隔層中的碳質泥巖、煤矸石等以及施工過程中出層的灰巖、泥巖形成了煤巖節理弱化變形垮塌（如圖1、圖2所示），導致卡鉆、下套管遇阻卡及泵開通困難。

2煤層水平段安全施工關鍵條件

2.1設計方面

2.1.1三開井身結構優化（如圖3所示）

（1）常規水平井井身結構 。二開入窗，鉆至石炭系本溪組，技術套管坐進本溪組三開為水平段施工。優點是煤層水平段專打。缺點是二開Φ311.2mm大井眼增斜難度最大，同時存在漏垮同層，施工周期長。

（2）小優化水平井井身結構。二開鉆至二疊系太原組10m，技術套管坐進太原組穩定地層三開為部分增斜段+水平段。優點是避開多層易垮塌煤層段，能封住大部分易漏易垮井段。缺點是二開Φ311.2mm大井眼增斜施工難度較大，井斜60°左右Φ244.5mm套管下入困難，同時存在漏垮同層。

（3）大優化水平井井身結構。二開鉆至二疊系石盒子組30m，技術套管坐進石盒子組穩定地層三開全部增斜段+水平段。優點是二開Φ311.2mm大井眼裸眼段短有利于提速且有效隔開漏垮同層。缺點是區塊石盒子組以下地層承壓能力不確定。該井身結構受區塊地層特性影響較大，但最終會向大優化井身結構方向發展。在米脂北東部佳縣區塊已成功進行了先導試驗，試驗效果較好。

2.2鉆井方面

2.2.1 主要設備設施匹配

（1）頂驅。優選功能齊全設備，能有效釋放扭矩，反扭矩釋放不了易造成人員和井下安全事故。

（2）送鉆電機。送鉆電機作為動力系統的輔助設施，能提供處理復雜事件時的勻速提升動力，有效減少起鉆所產生的抽吸壓力。

（3）電動鉆井泵。優選電動鉆井泵，能保持排量、泵壓穩定。

（4）循環罐。循環罐安裝前應盡可能墊高，保持循環罐液面高度，確保鉆井泵上水效率。

（5）真空除氣器。三開前做好設施的檢修、保養和更換，決不能帶著問題工作，處理能力不小于240m3/h。

以上設備設施在施工煤巖氣水平段過程中，為滿足水平段“一趟鉆”[2]，確保在煤層垮塌周期內完鉆，基本上是不停運轉的，所以對以上設備設施要求較高。

2.2.2 鉆井主要操作人員要求

（1）剎把操作。優選剎把操作熟練、技術過硬的人員2名，對不能滿足操作要求的人員，不允許操作剎把。

（2）鉆井泵管理。副司鉆專攻鉆井泵的管理，可匹配1人，保持2臺泵能有效倒換使用。

（3）循環罐人員匹配。除常規液面坐崗，負責鉆井液性能監測、維護，補充藥液的坐崗工、泥漿工2人外，需要從班組抽調補充1人，協助泥漿工完成對受污染泥漿處理及大量補充鉆井液。

2.3錄井方面

地質導向師由甲方指派，應保持在現場與甲方的密切聯系和有效溝通，而且要非常熟悉區塊產層走向趨勢及產層垂差比。

2.3.1錄井

對傳達的地質指令要明確。對不明確的地質指令，要進行核實，多次確認后發出，避免造成反復調整。

2.3.2氣測

鉆進過程中發現鉆井參數、全烴數值異常，要做好風險預警工作，發揮好地質工程一體化作用。

2.4定向井方面

定向井負責人要吃透區塊產層走向趨勢、產層垂差比及產生的角差數值，能與現場地質導向師進行有效溝通，在執行地質導向指令的同時能有自己獨立的軌跡控制觀點。

2.4.1定向井人員

匹配技術能力過硬、責任心強、具備預見性的技術人員。煤層水平段超過1000米后能通過所掌握的產層走向趨勢，利用鉆具組合特點控壓進行井眼軌跡控制[3]，減少滑動鉆進。

2.4.2工具、儀器優選

（1）螺桿工具優選。與廠家定制長壽命新螺桿（無扶或雙扶螺桿），工作時間不小于300小時。

（2）儀器優選。增斜段1.5°螺桿+MWD儀器煤層水平段1.25°螺桿+近鉆頭方位伽馬（匹配成像）+LWD儀器。儀器工作時間不小于300小時。

2.5鉆井液服務方面

鉆井液負責人職責。能根據地層巖性變化（碳質泥巖、煤矸石、泥巖及灰巖等），及時調整密度進行補壓，保持井筒壓力均勻、平衡。

鉆井液體系。優選“強封堵、強抑制、強護壁”鉆井液體系[4]。

重點性能控制。鉆井液性能密度1.40～1.45g/cm3、黏度70～100s、失水≤2mL、坂含量25～40g/L（如圖4所示）強化封堵引入纖維樹脂、封堵劑NAX50等完善體系配方，軟硬封堵劑粒徑級配進一步強化封堵強化抑制體系中鹽類抑制劑加量8%～15%，同時加入1%～2%多元聚合醇，提高鉆井液抑制性，減少地層水化作用強攜砂性能補充黃原膠、抗鹽土、提高動切力達到15Pa以上，Φ6讀值9～13（見表1）。

表1 不同濃度抗鹽土Φ6變化數值

配方	Φ600	Φ300	Φ200	Φ100	Φ6	Φ3	失水
4%抗鹽土	50	39	35	28	9	7	13
5%抗鹽土	68	55	50	42	26	24	10.4
6%抗鹽土	79	72	68	59	42	40	8.8

2.6輔助工具優選及匹配

隨鉆震擊器。優選進口隨鉆震擊器，安裝位置距鉆頭60～70m。

旋轉下套管工具匹配及試運轉。安裝前檢查工具是否配套齊全（如圖5所示），安裝完后檢查與頂驅配置是否運轉正常（如圖6所示），做好培訓及技術交底。

3現場應用及效果

3.1現場應用

3.1.1地質概述

雙4845YH4井位于陜西省榆林市榆陽區青云鎮果園塔村。儲層蓋層太原組本溪組為煤灰組合。煤巖層分布穩定，厚度6.8～8.9m，氣測峰值72.29%～91.46%，本溪組8#煤層展布穩定連續，且含氣性好，是有利的勘探開發領域。

3.1.2 井身結構

該井優選三開小優化井身結構（如圖7所示）。二開坐進太原組，三開增斜入窗+水平段施工。

圖 7 設計井身結構

3.1.3三開前準備工作

（1）井筒準備。Φ311.2mm鉆頭增斜鉆進至井深2825米，井斜67°，進入太原組灰巖5mΦ244.5mm技術套管安全順利坐入穩定地層2.77m（如圖8所示）。

（2）優選剎把操作人員。司鉆和帶班隊長操作剎把，其他人員不允許操作定向滑動由帶班隊長操作完成。

（3）設備設施準備。維護保養送鉆電機、ZLCQ240真空除氣器更換F1300鉆井泵匹配170mm×1+160mm× 2缸套等。

（4）泥漿轉型。配置CQSEAL強封堵鉆井液，密度1.31～1.35g/cm3黏度60～65s中壓濾失量4.0mL。

3.1.4 井眼軌跡控制

（1）產層走向趨勢。產層垂差11～12m，入窗后下傾、上挑、下傾再上挑持平。

（2）工具儀器準備。MWD、近鉆頭方位伽馬儀器各兩套定制1.25°單扶和無扶螺桿各一套、1.5°單扶螺桿一套。

（3）軌跡控制。①鉆具組合Φ215.9mmPDC+ 172mmLZ（型號7LZ172×7.0SF1.5°，下扶212mm）+

Φ168mm浮閥+Φ172mmMWD+Φ172mmNDC+Φ127mm無磁加重+Φ127mm HWDP×6根+Φ127mmDP×18根+ Φ127mm HWDP×26根+Φ127mmDP。單扶強增倒裝組合，完成由67°增斜至85°入窗，井深3024m。入窗井深2988m。②鉆具組合Φ215.9mmPDC+Φ172mm發射短節+Φ172mm螺桿（型號7LZ172×7.0SF1.25°，下扶210mm）+Φ168mm浮閥+Φ208mm螺扶+Φ174mm接收短節+Φ171mm承壓無磁鉆桿+Φ127mmHWDP×5根+Φ165mm隨鉆震擊器+Φ127mmHWDP×1根+Φ127mmDP×204根+Φ127mmWDP×45根+Φ127mmDP。雙扶正器欠尺寸微增倒裝鉆具組合，在井深4026米（水平段1023米）前，采取定3米完成軌跡調整，用時0.3～0.5小時/3米井深4026米后利用欠尺寸組合優勢，進行控壓（10～60KN）鉆進[5]。成功完成煤層水平段“一趟鉆”進尺1562米。

3.1.5 鉆井液體系優選及維護

（1）鉆井液體系優選。優選CQSHIELD微交聯封堵鉆井液體系。

（2）鉆井液維護。①入窗前密度逐步提至1.40g/cm3～ 1.42g/cm3，逐步提高至1.43～1.44g/cm3，完鉆后再提到1.45g/cm3，黏度保持60～85s，失水3.0mL以內鉆遇出層泥巖，密度控制在1.45～1.47g/cm3，平衡煤層中膠結性垮塌。②煤層鉆時快，鉆井液消耗量大[6]，配置的新鉆井液平均日補充量為40～50m3。鉆井液蒸發量大，每天溜2～3m3燒堿水或清水的方式，維護鉆井液密度和鉆井液流動性。③長水平段施工中煤巖容易形成巖屑床，定期采用CQSCF清掃漿進行清掃[7]。CQSCF清掃劑加量0.1%。尤其在起鉆前，保證井眼清潔，減少巖屑床的形成，必要時進行短起下。④每8小時做一套全套性能（見表2）。高全烴值泥漿返出，加密監測入口倉密度，防止污染泥漿侵入。

表2 鉆井液性能監測數值

井深	層位	P（g/cm3）	FV	Φ600	Φ300	Φ6	Φ3	FL	備注
2825	太原	1.32	60	82	52	5	4	3.2
2912	太原	1.34	63	80	51	5	4	3.2
2993	本溪	1.39	65	119	79	8	6	3.0
3042	本溪	1.40	65	122	81	8	6	2.8	2988m入窗
3132	本溪	1.43	69	116	78	7	5	2.8
3283	本溪	1.43	69	118	76	7	5	2.4
3352	本溪	1.43	72	120	79	8	6	2.2
3410	本溪	1.43	69	130	85	8	6	2.0
3540	本溪	1.43	68	128	84	8	6	2.0
3558	本溪	1.43	84	152	102	9	7	2.0
3739	本溪	1.43	82	154	108	8	5	1.8
3881	本溪	1.43	85	140	102	9	7	1.8
3917	本溪	1.44	82	145	94	10	7	1.6
4171	本溪	1.44	80	151	99	8	5	1.6
4369	本溪	1.45	82	155	101	8	6	1.6
4466	本溪	1.45	80	138	86	8	7	1.6

3.1.6 完井作業

（1）通井鉆具組合。Φ215.9mm3A+雙母+4A11*410+Φ168mm浮閥+Φ210mm扶正器+Φ127mmHWDP×5根+Φ165mm隨鉆震擊器+Φ127mmHWDP×1根+ Φ127mmDP×204根+Φ127mmWDP×45根+Φ127mmDP。

（2）通井方案。第一次長短起下拉進套管內60m，起下正常第二次短起下拉過泥巖出層段3900m，起下正常后效數值滿足下套管時間要求。

（3）存在不足。Φ139.7mm氣層套管下至井深4245m突然遇阻。主要是由于水平段煤層突然垮塌造成。設定扭矩15kN.m，以8min/圈旋轉套管仍未能解除。考慮長時間循環會造成煤層再次垮塌，被迫提前固井。

（4）安全順利完成高壓91Mpa套管試壓工作。

3.2 現場應用效果

雙4845YH4井，三開井段2825～4550m，段長1725米，其中煤層水平段2988～4550m，用時10.42天完成“一趟鉆”1562m。三開井段與鄰井周期縮短0.38～3.42天，同比縮短2.64%～19.59%，機械鉆速提高2.56～2.95m/h，同比提高38.96%～47.73%。

該井完鉆井深4550m，最大井斜92.8°，井底水平位移2059.5m，三開煤層水平段長1562m。鉆井周期71.96天，完井周期12.5天，鉆機月速1613.48m/臺月，機械鉆速8.84m/h。完成超高壓91MPa試壓合格，井筒質量合格率100%。安全順利完成渤鉆首口深層煤巖氣鉆探任務（見表3）。

表3 三開井段（增斜+水平段）對標情況

井號	三開井段	三開段長	煤層水平段長	三開周期	機械鉆速
	m	m	m	d	m/h
雙4845YH4	28254550	1725	1562	14.04	9.13
任南1H	27684787	2019	2065.6	17.46	6.57
米4530YH3	25383879	1341	1066	14.42	6.18
對比				(0.383.42)	+（2.562.95）
%				↓2.6419.59	↑38.9647.73

4結語

（1）通過從重點設備設施調整、關鍵操作人員控制、煤層水平段技術規范及管理、鉆井液體系優選等重點環節入手，結合地質工程定向井一體化應用，實現了渤鉆在長慶市場首口深層煤巖氣安全施工。

（2）通過優選人員管控操作，制訂《三開鉆進技術保障措施二十條》《通井下套管方案及安全技術保障措施》《試高壓91MPa安全技術要求》，實現安全生產及鉆井提速，未發生有責井下事故。

（3）優化欠尺寸螺桿鉆具組合，采取控壓鉆進，實現煤層水平段“一趟鉆”。

（4）量化下鉆、倒劃起鉆速度以及鉆井液密度補壓，保持井筒均勻穩壓，弱化煤層垮塌。

（5）規范了水平段安全施工的硬性條件，形成水平段施工技術模板，為今后深層煤巖氣水平段安全提速提供強有力技術支撐。

參考文獻

[1] 康毅力,孫琳娜,房大志,等.氧化處理緩解煤巖儲層煤粉堵塞損害實驗[J].天然氣工業,2020,40(11):6875.

[2] 楊金華,郭曉霞.一趟鉆新技術應用與進展[J].石油科技論壇, 2017,36(2):3840.

[3] 張金昭.水平井托壓問題原因分析及解決措施[J].化工管理, 2014,11(1):179.

[4] 孟祥娟,陳德飛,康毅力,等.高pH值流體對煤巖儲層的損害評價[J].煤田地質與勘探,2016,44(6):8591.

[5] 劉玉明.水平井鉆井巖屑運移特性及水力參數優化研究[D]. 青島: 中國石油大學(華東), 2015.

[6] 徐同臺,劉玉杰,申威.鉆井工程防漏堵漏技術[M].北京:石油工業出版社,1998.

[7]徐德行,長水平段水平井鉆井難點與技術對策探討[J].西部探礦工程,2017,29(7):5455. 

作者簡介劉春梅（1973—），男，四川富順縣人，研究方向鉆井工程。

Discussion on the Technical Conditions of Safe Drilling in the Horizontal Section of the Deep 8# Coal Seam

LIU Chunmei,GUAN Shaojie,ZHOU Shuiyuan,ZHANG Yanlei,LIU Yafei

(NO.2 Drilling Engineering Company, BHDC，Langfang  Hebei065000)

Abstract:Unconventional oil and gascoal rock gas exploration has gradually developed from the medium and shallow layer to the medium and deep layer. The deep 8# coal gas exploration and development of the Benxi Group of Changqing Oilfield Coal System has entered the third round of development since 2022. Through demonstration, analysis and practice, the safety construction conditions matching of some key links have been completed, and the drilling progress goals have been clarified. However, many coal will still occur in the drilling process of the horizontal section of the coal seam. Accidents such as layer collapse stuck drill, casing down to the bottom, difficulty in opening the pump, and filling side drilling are complicated. In 2023, BHDC and Chuanqing Drilling cooperated to jointly complete the pilot test of the horizontal section of the deep 8# coal rock gas double 4845YH4 horizontal well, and optimised from the configuration of equipment and facilities, drilling personnel operation, well body structure, horizontal section trajectory control, drilling liquid system and other aspects to complete the "onetrip drilling" of the horizontal section of the coal seam. 1562 metres, safely and successfully completed the first deep coal gas drilling task in the BHDC.

Key words:deep coal seam gas;deep 8# Coal;horizontal section of the coal seam;safety conditions