大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术.pdf

钻井技术与装备大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术王 维1,2 韩金良1,2 王玉斌1,2 杨 干1,2 苗 强1,2 辛 江1,2 李 猛3(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司 2.中石油煤层气有限责任公司 3.重庆科技学院石油与天然气工程学院)王维,韩金良,王玉斌,等.大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术 J.石油机械,2023,51(11):70-78.Wang Wei,Han Jinliang,Wang Yubin,et al.Drilling technology for deep coal rock gas horizontal wells in Daning-Jixian block J.China Petroleum Machinery,2023,51(11):70-78.摘要:为了解决鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块深层煤岩气先导性试验区大平台钻井轨道设计困难、长裸眼段反复漏失、泥灰互层可钻性差、泥岩和煤岩易坍塌、水平段固井质量差等技术难题,从先导性试验区煤岩储层特征和岩石力学特性入手,开展了井眼轨道优化设计、防漏堵漏工艺技术、高性能 PDC 钻头设计、长裸眼段钻井液技术和固井工艺技术等关键技术的研究,形成大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术。在先导性试验区 25 口水平井中应用结果表明:高性能 PDC 钻头平均进尺、平均机械钻速明显提升,复杂时效有效降低,钻井周期明显缩短,防漏堵漏提升明显,固井质量合格率100%,提质提效效果明显。研究成果可为鄂尔多斯盆地东缘深层煤岩气的有效动用提供技术支持,对我国其他深层煤岩气区块勘探开发具有一定的借鉴意义。关键词:深层煤岩气;轨道优化设计;刘家沟井漏;井壁失稳;增韧防窜水泥浆中图分类号:TE242 文献标识码:A DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.11.009Drilling Technology for Deep Coal Rock Gas Horizontal Wells in Daning-Jixian BlockWang Wei1,2 Han Jinliang1,2 Wang Yubin1,2 Yang Gan1,2 Miao Qiang1,2 Xin Jiang1,2 Li Meng3(1.China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Co.,Ltd.;2.PetroChina Coalbed Methane Company Limited;3.School of Petroleum Engineering,Chongqing University of Science and Technology)Abstract:In order to solve the technical problems such as difficult drilling trajectory design of large platform,repeated lost circulation in long open hole section,poor drillability of marl interbed,easy collapse of mudstone and coal and poor cementing quality in horizontal section occurred in the deep coal rock gas pilot test area of Daning-Jixian block in the eastern margin of the Ordos Basin,starting from the reservoir characteristics and rock-mechanical properties of coals in the pilot test area,the key technologies such as optimized design of wellbore traj-ectory,lost circulation resistance and plugging technology,high-performance PDC bit design,long open hole sec-tion drilling fluid technology and cementing technology were studied,and horizontal well drilling technology for deep coal rock gas in the Daning-Jixian block was formed.The application results in 25 horizontal wells in the pi-lot test area show that the average footage of bit and average rate of penetration have been significantly improved,the complexity time has been effectively reduced,the drilling cycle has been significantly shortened,lost circula-tion resistance and plugging have been significantly improved,the cement acceptability is 100%,and the quality 07 石 油 机 械CHINA PETROLEUM MACHINERY2023 年 第 51 卷 第 11 期基金项目:中国石油天然气股份有限公司前瞻性、基础性科技项目“煤系地层 三气合采 立体开发技术研究”(2021DJ2304);中石油煤层气有限责任公司“研发一代”科技项目“深层煤层气效益开发关键技术研究及应用”(2021-KJ-04)。and efficiency improvement effect is obvious.The research results provide technical support for the effective produ-cing of deep coal rock gas in the eastern margin of the Ordos Basin,and have certain reference significance for the exploration and development of other deep coal gas blocks in China.Keywords:deep coal rock gas;optimized design of trajectory;lost circulation;wellbore instability;tough-ened anti-channeling cement slurry0 引 言2019 年以来,中石油煤层气有限责任公司在大宁-吉县区块以大于 2 000 m 的太原组 8 号煤储层为研究对象,设置深层煤岩气先导性试验区,对深层煤岩气开展勘探评价工作。历时 3 年,探明国内首个整装的千亿立方米大型深层煤岩气田。研究表明,该地区 8 号煤储层发育稳定,是鄂东缘煤岩气和煤系地层天然气重要的烃源岩,埋深 800 2 800 m,平均厚度 7.8 m,以亮煤和半暗煤为主。该煤储层具有“埋藏深度大、煤层厚度大、含气量高、割 理 裂 隙 发 育、基 质 渗 透 率 低”等 特点1-7。2022 年,在该深层煤岩气先导性试验区共部署水平井 34 口,其中每个井台部署井数 2 8口,井深 3 6004 300 m,水平段长 1 0001 700 m,全部采用二开井身结构和三维井眼轨道设计。但该深层煤岩气水平井在钻井过程中,存在井漏严重、泥页岩和煤岩井壁失稳、固井质量差、太原组机械钻速慢等技术难题。为此,本文开展了井眼轨道优化设计和井眼轨迹控制、防漏堵漏、高性能 PDC 钻头设计、长裸眼段钻井液和煤岩气水平井固井等技术攻关,形成了大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井配套技术。该技术在先导性试验区 25 口深层煤岩气水平井进行了应用,应用后钻完井周期大幅缩短,生产时效明显提高,可为后期规模开发提供技术支撑,也可为鄂尔多斯盆地东缘深层煤岩气水平井安全高效钻进提供借鉴。1 深层煤岩气地层特性及钻井难点1.1 地层特性大宁-吉县区块深层煤岩气水平井自上而下钻遇第四系、延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组、石千峰组、石盒子组、山西组、太原组和本溪组地层。其中,第四系地层岩性以黄土层为主,且存在漏层;刘家沟组和石千峰组地层岩性以灰绿色泥岩、细砂岩为主,易水化分散,地震预测该段地层发育纵向裂缝;石盒子组地层岩性以棕红色泥岩、含砾细砂岩为主,易水化膨胀;山西组-太原组地层岩性以灰黑色碳质泥岩、灰色泥岩、煤和中细砂岩为主。目的层太原组 8 号煤储层位于太原组底部、本溪组顶部,顶底板组合类型主要有灰岩-煤层-泥岩、灰岩-煤层-泥岩-煤层-泥岩 2 种。其中,煤层含气量高、割理发育、抗压强度低、泊松比大,易力学失稳;泥岩黏土矿物含量高、层理和微裂缝发育,易水化分散;灰岩抗压强度、黏聚力和内摩擦角均大于其他岩性,可钻性差。1.2 钻井难点在深层煤岩气先导性试验区开发之前,大宁-吉县区块仅完钻了 4 口煤岩气水平井,平均完钻井深 3 645 m,平均钻井周期 78.91 d,平均机械钻速5.83 m/h,平均水平段长 1 114 m,煤层钻遇率80.89%。对前期已完钻井和先导性试验区首轮完钻井分析可知,大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井主要存在以下难点:(1)每个井台部署 28 口井,井口距离仅有5 m,试验井排距 100200 m,且有 40%占比部署井偏垂比大于 0.2,属于中偏移距三维水平井8,不利于轨道设计。(2)据地震预测,在刘家沟组、石千峰组地层发育纵向裂缝带9-12。先导性试验区首轮 6 口井均在刘家沟组底部发生漏失,初始漏速 4 60 m3/h,堵漏次数 2 21 次/井,平均单井漏失量417.7 m3,平均单井损失时间 6.77 d。这表明常规桥堵浆和水泥堵漏效果差,钻井过程中容易反复发生井漏,导致钻井周期长、生产时效低。(3)山西组-太原组为增斜扭方位井段,滑动钻进进尺多、比例高,且会钻遇 150200 m 的灰岩,可钻性级值达到 7 级,钻井时机械钻速不足 2 m/h,需要 23 只钻头才能完成该段进尺,不利于钻井提速。(4)二开同一裸眼段存在多个易塌层位,泥页岩水化作用强13,煤岩割理发育、抗压强度低,均易发生井壁剥落掉块造成井下复杂情况。(5)深层煤岩含气量高,但固井时水泥浆候凝过程中气窜严重,影响固井质量。172023 年 第 51 卷 第 11 期王 维,等:大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术 2 钻井技术及主要技术措施2.1 井眼轨道优化设计2.1.1 上部井眼轨道优化设计先导性试验区均为丛式水平井组,优化设计为“直井段-二维增斜段-稳斜消偏段-三维增斜扭方位段-二维增斜入靶段-水平段”的六段制井身剖面14。其主要设计原则为:根据设计轨道的走向和老井轨迹进行井口灵活分配,要求井中心距离大于 15 m 或分离系数大于 1.5。造斜点选择应避开漏层,以纸坊组或石盒子组为宜,二维增斜段选择每 30 m 造斜 45,初始方位角选择应以降低扭方位工作量为原则。稳斜段井斜角应介于1540,避免堆积形成岩屑床15。三维增斜扭方位段轨道设计原则:为了兼顾降低钻井过程中的摩阻、扭矩和减少无效进尺,有效靶前距小于 340 m、偏垂比大于 0.2 的水平井,其余井设计为每30 m 增斜 56;本段轨道以扭方位为主,增斜为辅,确保在第一个标志层 5 号煤层之前扭方位至水平段方位,为入靶井段留足空间,降低入靶难度。2.1.2 水平段井眼轨道设计利用已钻井资料,结合大宁-吉县区块二维、三维地震数据,建立三维地质模型,以精细表征煤层及其顶底板不同岩性的空间变化规律,指导水平段轨道设计、入靶及水平段随钻跟踪16-18。分别设计 2 种顶底板组合类型:一分型煤层(见图 1a)中下部 8-2#煤层、8-3#煤层发育高 GR 标志线,上部 8-1#煤岩煤质好,发育原生结构煤,具有低GR、高气测、低灰分、高含气的特点,为地质甜点段分布区,井眼轨道设计在距顶板 35 m 位置;二分型煤层(见图 1b)8-1#煤层和 8-2#煤层具有气测高、煤体结构好、含气量高的特点,但 8-1#煤层厚度仅 13 m,从安全钻井来看,8-1#煤层和 8-2#煤层间的泥岩夹层长期浸泡易使井壁失稳。因此,综合考虑,将井眼轨道设计距泥岩夹层 34 m 的 8-2#煤层中。同时,根据水平段井眼轨道所钻遇的煤层微构造发育情况,逐段设置控制点,定位储层埋深,为该井段井斜选取提供依据,确保同时实现高钻遇率和井眼轨迹平滑。2.2 防漏堵漏工艺技术2.2.1 井身结构优化延长组本溪组地层压力系数为 0.851.10,属于正常压力梯度,为采用二开井身结构提供了先图 1 2 种类型煤层井眼轨道设计方案Fig.1 Wellbore trajectory design for two types of coal seams决条件。其中延长组 纸坊组地层压力系数为0.850.90,且地层胶结疏松,承压能力低,为必封井段,故将井身结构设计为:406.4 mm 钻头339.7 mm 导管+311.1 mm 钻头244.5 mm 套管+215.9 mm 钻头139.7 mm 套管,一开封固纸坊组。刘家沟组裂缝性地层漏失压力当量密度仅为1.121.15 g/cm3,为了稳定上部井段井壁,钻井液密度一般为 1.08 g/cm3,该井段密度窗口窄。采用标准 SY/T 52342016 中环空压耗计算公式计算可知,215.9 mm 井眼的环空压耗当量密度为0.057 g/cm3,311.1 mm 井眼的环空压耗压力梯度当量密度为 0.021 g/cm3(见图 2)。图 2 不同尺寸井眼环空压耗对比图Fig.2 Annular pressure loss in different sizes ofboreholes因大尺寸井眼可有效降低作用在漏层上的压力,故将一开表层套管下入层位由纸坊组优化至石千峰组,从而封隔刘家沟组、石千峰组裂缝性漏层(见图 3),为后期裸眼段施工提供良好井眼环境。2.2.2 自适应随钻防漏堵漏技术针对纵向裂缝漏失,优选一种自适应随钻防漏剂,其结构见图 4。该防漏剂主要由热塑型树脂、外包覆壳和凝胶颗粒内核两部分组成。其中凝胶颗粒包括内核丙烯酰胺凝胶、海藻酸鲺凝胶和充填粒子 3 部分,整体具备“内刚外柔”特性,可在井27 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 11 期图 3 优化前后水平井井身结构Fig.3 Horizontal well profile before and after optimization壁岩石表面和微裂缝中聚集形成颗粒胶束体,依靠聚合物胶束或胶粒界面吸力及其可变形性,封堵岩石表面较大范围的孔喉和微裂缝。从表 1 砂床滤失试验结果可以看出,该随钻防漏剂具有良好的防漏效果和抗老化性能。图 4 自适应随钻防漏剂的结构示意图Fig.4 Schematic structure of adaptive loss circulation material while drilling表 1 自适应随钻防漏剂砂床滤失评价Table 1 Evaluation on sand bed filtration of adaptive loss circulation material while drilling防漏剂浓度/%543老化前侵入深度/cm1011.513.5老化前漏失量/mL000老化后侵入深度/cm111314老化后漏失量/mL000注:老化条件为 120 条件下滚动 16 h。通过室内评价不同粒径自适应性随钻防漏剂与纤维堵漏剂、刚性堵漏剂配比的关系,优化形成不同漏速条件下的防漏堵漏配方,室内测得其最高承压能力可达 7.7 MPa,见表 2。表 2 自适应随钻堵漏配方性能评价Table 2 Evaluation on performance of adaptive sealing formula while drilling编号配 方裂缝宽度/mm 承压能力/MPa1井浆0.5/2井浆+3.0%防漏剂(4080 目)0.53.63井浆+1.0%防漏剂(4080 目)+1.0%防漏剂(80120 目)+1.0%防漏剂(120200 目)0.54.34井浆+1.0%防漏剂(4080 目)+1.0%防漏剂(80120 目)+1.0%防漏剂(120200 目)+1%纤维堵漏剂0.56.75井浆+1.0%防漏剂(4080 目)+1.0%防漏剂(80120 目)+1.0%防漏剂(120200 目)+1%纤维堵漏剂+1%刚性堵漏剂0.57.72.3 高性能 PDC 钻头设计为了解决山西组-太原组增斜扭方位井段机械钻速慢、钻头进尺少的技术难点,开展大宁-吉县区块的岩石力学和钻头磨损情况分析。山西组-太原组砂岩抗压强度高、内摩擦角大,地层吃入性较差,研磨性高,地层可钻性差,起出的钻头以肩部和保径齿磨损为主;灰岩抗压强度高、内摩擦角大,地层难吃入、研磨性高,地层可钻性最差,起出的钻头以肩部和心部切削齿崩齿为主;煤岩抗压强度极低、内摩擦角小,地层研磨性低、可吃入性好,可钻性好,钻头磨损轻微。山西组和太原组地层岩石力学参数见表 3。表 3 山西组和太原组地层岩石力学参数Table 3 Rock-mechanical parameters of Shanxi and Taiyuan Formations岩性抗压强度/MPa内摩擦角/()可钻性级值砂岩72.0134.0(平均值 108.4)38.241.5(平均值 40.17)56泥岩9.968.3(平均值 27.8)28.738.4(平均值 32.52)34灰岩144.8224.0(平均值 178.5)40.944.1(平均值 42.70)67煤岩7.014.3(平均值 9.9)25.029.1(平均值 27.00)23372023 年 第 51 卷 第 11 期王 维,等:大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术 根据以上分析,钻头的优化方向为:针对致密砂岩,要求钻头具有更强的抗研磨性;针对穿越硬夹层(以太原组灰岩夹层为代表),要求钻头具有更强的抗冲击性,从而提高单只钻头的钻速和进尺。因此,主要从以下几方面进行适用于多岩性高性能 PDC 优化设计:(1)钻头不平衡力优化。PDC 钻头心部齿的线速和切削量均较低,理论上磨损和崩损的概率均较低,而心部齿常出现明显损伤的钻头,多是由于钻头不平衡力较大,引起其在井底不规则运动造成的。本文通过力学模型计算,优化刀翼位置角为0、71、143、225、290,将钻头在钻进中的不平衡力从 10%降低至 2%以内,以提升钻头稳定性。(2)钻头抗研磨性优化。优化切削齿圆弧半径为 44 mm,可有效增加布齿密度,将外肩部切削齿间隙从 3.0 mm 减小到 2.7 mm,单齿切削量极值点单圈岩石切削体积由 1 823.85 mm3减少至 1 658.80 mm3,在相同进尺下,将能有效抑制复合片磨损。2.4 长裸眼段钻井液技术2.4.1 井壁失稳机理研究山西组-太原组泥岩、煤岩极易失稳,是导致井壁剥落掉块的最主要原因。泥岩和煤岩井壁失稳机理主要有:(1)室内浸泡试验(见图 5)结果表明,在清水中浸泡 7 d 后,由于泥岩黏土矿物含量高,水化作用强,将导致岩块本体发生破碎;而煤岩以有机质为主,黏土矿物含量低,水化作用弱,故岩块本体保持完整。(2)采用扫描电镜观察和接触角测定,泥岩和煤岩均发育微裂缝(见图 6),但润湿性不同。其中,泥岩的润湿性表现为强亲水性,自吸水效应强;煤岩为强疏水性,自吸水效应弱。故泥岩易与入井流体发生水化作用,导致井壁失稳。图 5 清水浸泡前后泥岩和煤岩破碎情况Fig.5 Fragmentation of mudstone and coal rock before and after soaking in clear water图 6 泥岩和煤岩微裂缝发育情况Fig.6 Development of microcracks in mudstone and coal rock(3)力学试验表明,煤岩抗压强度远低于泥岩、砂岩和灰岩(见表3),如遇井底压力波动、钻具碰撞、钻井液冲刷等外力作用,极易引起煤岩井壁失稳。2.4.2 钻井液体系设计及性能评价通过提出“强封堵、合理抑制、适宜流变、低滤失”的防塌钻井液措施,室内评价优选出了复合盐钻井液体系,其基础配方为:(12)%土粉+(0.10.2)%XC+(23)%降滤失剂+2%白沥青+3%乳化沥青+2%超细钙+(23)%成膜封堵剂+(35)%NaCl+(57)%KCl+3%极压润滑剂+重晶石+烧碱,该体系常规性能见表 4。表 4 钻井液常规性能评价Table 4 Evaluation on conventional properties of drilling fluid条件表观黏度/(mPas)塑性黏度/(mPas)动切力/Pa动塑比/Pa(mPas)-16/3/(Pa/Pa)API 滤失量/mL高温高压滤失量/mL滚前41.02813.00.463.4/23.27.8滚后41.53011.50.384/2.62.48.8注:老化条件为 80 滚动 16 h;高温高压滤失量测定温度为 80。该复合盐钻井液体系以构建广谱封堵为主要思路,优选的封堵剂包含柔性封堵剂和刚性封堵剂,封堵粒径范围为 0.081 100 m,可确保钻井液滤饼光滑而致密。其中,成膜封堵剂是一种纳米-微47 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 11 期米级高分子聚合物乳液处理剂,可通过滤失在孔隙性地层表面形成致密的高分子膜,粒径范围为0.087 90.536 0 m,有效封堵割理缝和微裂缝,强化钻井液物理封堵能力;同时,在体系中加入(35)%NaCl+(57)%KCl 可提高钻井液滤液矿化度,确保与地层水矿化度实现近平衡,弱化泥页岩毛细管作用力和渗透压差,抑制泥页岩的水化分散,以提高钻井液的化学防塌能力。2.5 水平井固井工艺技术2.5.1 增韧防窜水泥浆体系根据深层煤岩气水平井固井防气窜19-20和大规模压裂增产的技术要求,室内评价形成一套适用于深层煤岩气水平井的常规密度增韧防窜水泥浆体系。该体系优选 3 种不同尺寸的两亲聚合物弹性体颗粒,按照一定比例混合成增韧防窜剂,该防窜剂平均粒径接近 50100 m,满足紧密堆积设计要求。并以增韧防窜剂为核心,根据固井技术参数要求中提出的常规密度水泥浆性能要求,配合配套外加剂,配制密度范围在 1.851.90 g/cm3的增韧防窜水泥浆体系。(1)增韧防窜剂性能评价。不同加量增韧防窜剂水泥石力学性能测试结果如表 5 所示。从表 5 可以看出,在水泥浆中加入不同比例增韧防窜剂后,在抗压强度和抗拉强度基本不变的前提下,弹性模量下降了 21.8%35.7%,表明加大增韧防窜剂可改善水泥石韧性,提高加载环境下水泥环的完整性。表 5 不同加量增韧防窜剂水泥石力学性能测试结果Table 5 Test results of mechanical property of hardened cement with different dosages of toughened anti-channeling agents序号 密度/(gcm-3)水泥浆配方7 d 抗压强度/MPa7 d 抗拉强度/MPa7 d 弹性模量/GPa泊松比11.85水泥+降失水剂+水39.132.788.250.17121.85水泥+5%增韧防窜剂+降失水剂+水33.422.126.450.18331.85水泥+10%增韧防窜剂+降失水剂+水30.172.515.880.18741.85水泥+15%增韧防窜剂+降失水剂+水29.032.745.300.199 根据行业标准 油井水泥外加剂评价方法第 5部分:防气窜剂 SY/T 5504.52010 规范要求,利用水泥浆气窜分析仪器,在 50 和 80 温度条件下进行了水泥浆防窜试验,试验结果如表 6 所示。由表 6 可见,当增韧防窜剂含量高于 2.5%时,水泥浆静胶凝过渡时间短于 14 min,且未发生气窜。表 6 掺有增韧防窜剂的水泥浆防窜试验结果Table 6 Anti-channeling test results of cement slurry with toughened anti-channeling agent序号温度/增韧防窜剂加量/%UCA 过渡时间/min气窜量/mL150014气窜2501.512气窜3502.514未气窜4504.56未气窜5801.512气窜6802.510未气窜7804.58未气窜注:试验配方为 G 级水泥/100 g+水/44 g+降失水剂/2 g+增韧防窜剂/变量。(2)增韧防窜水泥浆体系性能评价。通过在体系中加入防气窜剂,优化形成水泥浆配方:G 级水泥+10%增韧防窜剂+5%防气窜剂+0.2%缓凝剂+1.5%减阻剂,测定其常规性能(见表 7)和稠化曲线(见图 7)。由表 7 和图 7 可以看出,该水泥浆体系具有直角稠化特征,静胶凝强度过渡时间为 10 min,气窜量为 0,表明该体系具有良好的防气窜性能。图 7 水泥浆稠化曲线Fig.7 Thickening curve of cement slurry表 7 水泥浆体系常规性能Table 7 Conventional properties of cement slurry system项目密度/(gcm-3)稠化时间/minUCA 过渡时间/min失水量/mL24 h 抗压强度/MPa 气窜量/mL流型指数稠度系数数值1.90164104021.100.8460.569572023 年 第 51 卷 第 11 期王 维,等:大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术 2.5.2 驱油冲洗液体系通过对以往使用的前置液体系进行评价,发现其冲洗井壁残留的钻井液效果不理想,导致固井界面胶结质量差。室内评价优选了一种由阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、清洗助剂组成的冲洗液体系,该体系中的离子表面活性剂具有很强的润湿渗透功能,使冲洗液能够很好地渗透到钻井液的内部,可以有效提高固井界面的亲水性。其中,非离子表面活性剂防止地层基质及套管表面再污染的能力强,有利于清洗固井界面油膜和钻井液,该冲洗液的冲洗效果如表 8 所示。从表 8 可以看出,在60 条件下,采用六速旋转黏度计评价冲洗液对含油量达到 10%的水基钻井液的冲洗效率时,当冲洗液质量分数8%,接触时间为 1 min,冲洗效率95%。表 8 驱油冲洗液的冲洗效果评价Table 8 Flushing effect evaluation of oil displacement flushing fluid冲洗液质量分数/%24681012冲洗效率/%758793969899注:60 的冲洗条件。2.5.3 配套固井工艺技术(1)套管安全下入措施。利用 Land Mark 软件分析气层套管的下入能力,并进行井眼净化效果评价21。下套管前至少进行 2 次通井作业。第一次采用不带扶正器的通井钻具组合:215.9 mm 牙轮+双母接头+浮阀+变扣接头+165 mm 钻铤 1 根+127 mm 加重钻杆 2 柱+127 mm 钻杆 65 柱+127 mm 加重钻杆 8 柱+127 mm 钻杆,刚度比不小于1.5;第二次采用带 210 mm 或 212 mm 螺旋扶正器通井钻具组合:215.9 mm 牙轮+双母接头+浮阀+变扣接头+165 mm 钻铤 1 根+变扣+210 mm扶正器+127 mm 加重钻杆 1 柱+127 mm 钻杆 65柱+127 mm 加重钻杆 8 柱+127 mm 钻杆,刚度比不小于 2.0。对于通井时摩阻超过正常钻进摩阻的井段,应通过划眼、循环携砂消除遇阻,下套管前应以振动筛无岩屑返出为起钻标准。(2)套管居中措施。采用 205.0 mm 的螺旋式滚珠刚性扶正器、滚轮刚性扶正器和刚性扶正器,确保套管居中。具体安放方法:套管串中使用旋转引鞋,第一根套管安放 1 只滚珠扶正器,确保套管抬头;水平段每 1 根套管安放一只滚珠扶正器;A 靶点-造斜点每 3 根套管安放 1 只滚轮扶正器;直井段每 5 根套管安放 1 只刚性扶正器。提高套管居中度可有效减少壁面附着钻井液,提高固井水泥浆顶替效率,保障固井质量。(3)浆柱结构和注替参数设计。前置液占环空高度长于 300 m,冲洗时间大于 7 min;油顶 300 m 以上使用 1.45 g/cm3高强低密度水泥浆,以降低液柱压力,降低漏失风险;冲顶 300 m 以下采用1.90 g/cm3增韧防窜水泥浆体系,提高水泥浆压稳效果和防气窜性能;采用清水顶替,以防止微环隙的出现。固井前调整钻井液流变参数,其中漏斗黏度5060 mPas、塑性黏度控制在 1530 mPas 之间、动切力小于 12 Pa;施工时采用双车注水泥浆,大排量施工,确保水泥浆在环空时返速范围在1.01.2 m/s,以提高固井顶替效率。3 现场应用效果2022 年,大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术在 25 口井进行了应用,与以往已完钻井相比,在平均井深、平均水平段长度增加的前提下,平均钻遇率提高了 16.27%,钻井周期缩短了30.97%,平均机械钻速提高了 22.01%,复杂事故时效降低了 6%,固井合格率达 100%。相关参数对比如表 9 所示。表 9 完钻水平井技术参数对比表Table 9 Comparison of technical parameters for drilled horizontal wells年份完钻井数/口平均井深/m平均水平段长/m平均钻遇率/%平均钻井周期/d平均完井周期/d平均机械钻速/(mh-1)复杂事故时效/%固井质量合格率/%2022253 761.81 251.9297.1646.7757.377.047100202043 645.01 114.2580.8967.7579.715.771325(1)山西组-太原组提速效果。通过采用高性能 PDC 钻头和强增钻具组合,优选钻井参数,优化增斜扭方位井段钻井液防塌和润滑性能,在 4口井进行了试验应用,均实现“一趟钻”钻穿山西组-太原组多套岩性,平均单只钻头进尺 491 m,平均机械钻速 4.68 m/h,平均进尺增加 52%,平67 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 11 期均机械钻速提高 144%。(2)防漏堵漏效果。先导性试验区第三轮 9口井应用了防漏堵漏工艺技术,其中 3 口井未发生漏失,漏失率由第一轮的 100%降低至 66.7%。漏失的 6 口井中,平均单井漏失量由 343.8 m3下降至 142.33 m3,漏失量同比减少 65.9%,平均单井损失时间由 6.77 d 缩短为 2.44 d,损失时间同比减少 63.9%。(3)现场应用驱油冲洗液体系、增韧防窜水泥浆体系和配套固井工艺技术,采用连续管传输测试固井,25 口深层煤岩气水平井固井质量均合格。4 结论与建议(1)针对大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术难点,开展了井眼轨道优化设计、防漏堵漏工艺技术、高性能 PDC 钻头设计、长裸眼段钻井液和固井等关键技术攻关研究,形成了深层煤岩气水平井钻井完井技术。(2)25 口井的现场应用效果表明,深层煤岩气水平井钻井技术能够有效提高钻速、降低井漏复杂时效和保证固井质量,可为大宁-吉县区块深层煤岩气的有效勘探开发提供技术支撑。(3)结合深层煤岩气储层特征和大规模储层改造工艺需求,建议持续深化水平段井壁稳定和提高二界面固井质量等技术研究,以保证水平段钻完井作业提效提质。参 考 文 献1 徐凤银,闫霞,李曙光,等.鄂尔多斯盆地东缘深部(层)煤层气勘探开发理论技术难点与对策J.煤田地质与勘探,2023,51(1):115-130.XU F Y,YAN X,LI S G,et al.Theoretical and technological difficulties and countermeasures of deep CBM exploration and development in the eastern edge of Ordos Basin J.Coal Geology&Exploration,2023,51(1):115-130.2 李曙光,王成旺,王红娜,等.大宁-吉县区块深层煤层气成藏特征及有利区评价 J.煤田地质与勘探,2022,50(9):59-67.LI S G,WANG C W,WANG H N,et al.Reservoir forming characteristics and favorable area evaluation of deep coalbed methane in Daning-Jixian Block J.Coal Geology&Exploration,2022,50(9):59-67.3 王成旺,甄怀宾,陈高杰,等.大宁-吉县区块深部 8 号煤储层特征及可压裂性评价 J.中国煤炭地质,2022,34(2):1-5.WANG C W,ZHEN H B,CHEN G J,et al.Assess-ment of coal No.8 reservoir features and fracturability in Daning-Jixian block deep part J.Coal Geology of China,2022,34(2):1-5.4 聂志宏,巢海燕,刘莹,等.鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气生产特征及开发对策:以大宁-吉县区块为例 J.煤炭学报,2018,43(6):1738-1746.NIE Z H,CHAO H Y,LIU Y,et al.Development strategy and production characteristics of deep coalbed methane in the East Ordos Basin:taking Daning-Jixian block for example J.Journal of China Coal Society,2018,43(6):1738-1746.5 黄红星,聂志宏,巢海燕,等.临汾区块深层煤层气井开发层系选择探讨 J.煤炭学报,2018,43(6):1627-1633.HUANG H X,NIE Z H,CHAO H Y,et al.Discus-sion of the selection for producing layers of deep CBM wells in Linfen Block J.Journal of China Coal Soci-ety,2018,43(6):1627-1633.6 匡立春,董大忠,何文渊,等.鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相页岩气地质特征及勘探开发前景 J.石油勘探与开发,2020,47(3):435-446.KUANG L C,DONG D Z,HE W Y,et al.Geolog-ical characteristics and development potential of transi-tional shale gas in the east margin of the Ordos Basin,NW China J.Petroleum Explo