余德望 李風(fēng)雷

摘? ? ? 要： LU1112井是陸9區(qū)侏羅系西山窯組一次性成功實施的小井斜過煤層側(cè)鉆定向井。在側(cè)鉆過程中發(fā)生了多次井漏，并且成功的實施了堵漏。對西山窯組的煤層坍塌機(jī)理做了研究。從鉆穿煤層時泥漿性能的調(diào)整，鉆進(jìn)參數(shù)的有效控制，及多項防止煤層坍塌措施等多個方面進(jìn)行了論述。對此次過煤層側(cè)鉆技術(shù)及難點進(jìn)行了思考，并展望了大井斜過煤層側(cè)鉆技術(shù)的發(fā)展趨勢。對陸梁陸9井區(qū)侏羅系西山窯組的煤層側(cè)鉆有很好的參考意義。

關(guān)? 鍵? 詞：西山窯煤層側(cè)鉆;坍塌機(jī)理;井漏堵漏;技術(shù)難點;煤層側(cè)鉆展望

中圖分類號：TE242? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-2020-04

Abstract： Well LU1112 is a small borehole deviation sidetracking directional well successfully implemented in the Jurassic Xishanyao formation in Lu9 area. In the process of sidetracking， several leakages occurred， and the leakage stoppage was successfully implemented. The coal seam collapse mechanism of Xishanyao formation was studied. The adjustment of slurry performance， effective control of drilling parameters and several measures to prevent coal seam collapse were discussed in this paper. The technology and difficulties of sidetracking through coal seam were analyzed， and the development trend of sidetracking technology for large borehole deviation wells through coal seam was prospected. This paper has good guidance and reference significances for sidetracking of Jurassic Xishanyao formation coal seam in Lulianglu 9 well area.

Key words： Xishanyao coal seam sidetracking; Collapse mechanism; Lost circulation plugging; Technical difficulties; Coal seam sidetracking prospect

1? LU1112井概述

過煤層側(cè)鉆是陸梁油田目前所需求的一項側(cè)鉆技術(shù)。LU1112井是陸9井區(qū)侏羅系西山窯組（J2×4）首次一次性成功實施的一口小井斜過煤層側(cè)鉆定向井。該井側(cè)鉆區(qū)域油層發(fā)育較好，但依據(jù)地質(zhì)資料及側(cè)鉆軌跡設(shè)計，在側(cè)鉆方位124°，垂深2 216～2 220 m時會遇到煤層發(fā)育。該井下固定斜向器于1 960 m，由1 960 m開窗至1 963.6 m。由1 963.6 m穩(wěn)斜鉆進(jìn)至1 990 m，由1 990 m開始造斜鉆進(jìn)至井深2 267 m完鉆。井底井斜：18°，方位：124°，垂深：2 258.02 m，視位移：34.55m。

2? 過煤層側(cè)鉆經(jīng)過及技術(shù)難點

2.1? 過煤層側(cè)鉆經(jīng)過

根據(jù)地質(zhì)資料及中靶要求，首先優(yōu)化了該井的軌跡設(shè)計：造斜鉆具組合鉆至煤層垂深前80 m，就以5.37 °/30 m的造斜率達(dá)到后期中靶要求的井斜15.44 °。在鉆遇煤層時全段采用復(fù)合鉆具組合：117.5 mm PDC鉆頭+Φ73 mm加重鉆桿2根+? ? ?Φ73 mm直角鉆桿串。最終通過兩趟增斜鉆進(jìn)和一次穩(wěn)斜鉆進(jìn)，側(cè)鉆軌跡按設(shè)計要求中靶[1-2]。施工經(jīng)過如表1。

2.2? 煤層段鉆進(jìn)防塌控制技術(shù)

1）對煤層段采取煤樣的研究分析得知，煤層坍塌機(jī)理可以概括為以下幾點：

①由于構(gòu)造應(yīng)力、地層壓力的作用，鉆開煤層后鉆井液液柱壓力不能平衡地層壓力和構(gòu)造應(yīng)力，使井壁巖石受力不平衡，導(dǎo)致掉塊坍塌，尤其是該井這種帶井斜穿過煤層的井，煤層受重力及上覆地層的壓力作用坍塌更為嚴(yán)重[3-4]。

②由于煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，膠結(jié)疏松。當(dāng)鉆井液濾液沿裂隙滲入時，會削弱煤巖之間的連結(jié)，進(jìn)一步降低膠結(jié)強(qiáng)度，誘發(fā)坍塌。

③煤層節(jié)理、裂縫及微裂隙發(fā)育，膠結(jié)差、脆性大，在鉆具碰撞震動、鉆井液沖刷等外力作用下容易碎裂坍塌（圖1）。

2）防止煤層防塌控制技術(shù)。在該井過煤層鉆進(jìn)中，為防止煤層坍塌，主要從鉆井液性能及施工參數(shù)做了相應(yīng)的改善：

①首先要選擇合理的鉆井液密度。煤層的巖石往往強(qiáng)度偏低，當(dāng)受到鉆井液、濾液浸泡后，煤巖強(qiáng)度會進(jìn)一步的降低，因此，當(dāng)遇到煤巖層，鉆井液的密度不能過大，否則會將煤層破壞。當(dāng)然鉆井液的密度也不能過小，過小密度的鉆井液會使得應(yīng)力釋放，煤層會沿節(jié)理或者裂縫崩裂，發(fā)生坍塌。在該井鉆進(jìn)中采用鉆井液密度范圍在? ? ? ?1.04～1.1 g·cm-3。

②鉆井液要具備較強(qiáng)的封堵能力和優(yōu)良的造壁性：鉆開煤層前調(diào)整鉆井液性能為防塌鉆井液體系，一次性加足封堵材料[5-7]?；诿簩庸?jié)理及裂縫發(fā)育特點，當(dāng)鉆井液濾液進(jìn)入煤層后，使得煤層強(qiáng)度進(jìn)一步降低，加劇煤層的崩塌，因此具有良好封堵能力的鉆井液，是支撐井壁并降低濾液進(jìn)入煤層的必備條件。

③鉆井液要具有良好的潤滑性，減小井下復(fù)雜情況的發(fā)生可能性。潤滑性良好的鉆井液，可降低井壁與鉆具間摩擦力，同時減少起下鉆遇卡的幾率，預(yù)防井下事故發(fā)生。

④對鉆井施工參數(shù)提出如下幾點要求。

限速鉆進(jìn)：鉆具選用加重鉆桿2根帶PDC鉆頭穿煤層;10～15 min·m-1，參數(shù)：鉆壓20 kN，轉(zhuǎn)數(shù)30 r·min-1，排量一般控制在30 L·s-1（83沖左右），鉆速小于5 m·h-1，可根據(jù)鉆時實際情況適當(dāng)小范圍調(diào)整鉆井參數(shù)，同時鉆進(jìn)過程中如果出現(xiàn)鉆時、扭矩等異常情況，應(yīng)立即停鉆，上提觀察[8-9]。

逐段劃眼：煤層段每鉆進(jìn)1 m，上提（上提過程中轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)10～15 r·min-1）倒劃眼，循環(huán)2～3 min觀察泵壓，泵壓正常的情況下，緩慢劃眼到底，加壓恢復(fù)鉆進(jìn)后檢查扭矩、泵壓是否正常。

充分造壁：由于煤層段抗拉強(qiáng)度低、彈性模量很小、裂縫發(fā)育好、脆性大、水敏性差、水化能力低，在地層應(yīng)力及其他應(yīng)力作用下易失去穩(wěn)定而坍塌。因此，我們需要鉆井液有良好的潤滑性、造壁性，盡可能低的濾失量，經(jīng)充分的循環(huán)鉆井液可穩(wěn)定煤層。

2.3? 井漏處理技術(shù)

鉆遇煤層前共發(fā)生了3次井漏，具體情況見表2。

第三次井漏后，參照前兩次的堵漏失敗經(jīng)驗，補(bǔ)充泥漿量，將泥漿密度將至1.08 g·cm-3，加入1 t隨鉆堵漏劑+0.15 t PWD變形活塞凝膠堵漏劑，循環(huán)堵漏劑，此時漏速將至2 m3·h-1。循環(huán)洗井2周后，循環(huán)正常無漏失，堵漏成功，調(diào)整性能后恢復(fù)鉆? ?進(jìn)[10-11]。

該井漏失為地層擴(kuò)張性裂縫漏失，地層裂縫不大，前期使用綜合堵漏劑堵漏，由于裂縫不大堵漏劑在漏失點井壁表面很快形成橋塞，使堵漏劑不能較多進(jìn)入地層中有效封堵漏層，只是暫時的堵住地層裂縫，造成地層可以暫時承受較高壓力的假象。但是，洗井過程中，經(jīng)過鉆井液沖刷，橋塞很快被沖開，裂縫又暴露出來，造成前兩次堵漏不成功。

最后堵漏成功是通過降低泥漿密度降低泥漿對地層產(chǎn)生液柱壓力，并加入了隨鉆堵漏劑和變形顆粒有效地進(jìn)入到地層封堵住裂縫，堵漏成功。

鉆遇煤層時發(fā)生井漏。第二趟造斜鉆具組合鉆進(jìn)至2 217.91 m時，根據(jù)井眼軌跡預(yù)測井底垂深達(dá)到2 211 m。提鉆換穿煤層鉆具：Φ117.5 mm PDC造斜鉆頭+Φ73 mm加重鉆桿2根+Φ73 mm斜坡鉆桿14根+Φ73mm直角鉆桿串+方鉆桿。（此鉆具組合較螺桿鉆具組合對煤層構(gòu)造應(yīng)力的傷害較小，在實際鉆進(jìn)時取得了預(yù)期的效果）[12-13]。

初步將過煤層時的泥漿密度提至1.11 g·cm-3。當(dāng)鉆進(jìn)至2 218.5 m時，鉆速加快， 鉆開煤層。此時發(fā)生井漏。

煤層段堵漏成功后，及時降泥漿密度至? ? 1.09 g·cm-3，黏度48 s。煤層段漏失得到成功控制，繼續(xù)鉆進(jìn)。通過陸梁陸9區(qū)塊的井漏堵漏效果，我們認(rèn)識到若發(fā)生失返性漏失可采用綜合堵漏劑進(jìn)行橋堵堵漏。若漏失量大于20 m3·h-1的漏失，可采用隨鉆堵漏劑堵漏。

固井時發(fā)生井漏。本次固井注入前置液清水? ?2 m3、注入r =1.89 g·cm-3的灰漿3.2 m3，頂替液清水6.7 m3。頂替結(jié)束后，上體鉆具循環(huán)洗井，出口不見灰漿。

鉆進(jìn)時：循環(huán)立壓-螺桿壓耗+鉆井液液柱壓力=井底壓力。

12 MPa-6 MPa+24.6 MPa=30.6 MPa。

固井時：循環(huán)泵壓+鉆井液與灰漿液柱壓力差=井底壓力。

10 MPa+2 MPa=37 MPa。

經(jīng)過計算，可見固井時井底的最高壓力超過了鉆進(jìn)時發(fā)生井漏的井底壓力，必然會導(dǎo)致井漏。該井井漏堵漏處理材料如表4。

3? 過煤層側(cè)鉆井的難點分析與對策

通過過煤層側(cè)鉆井的實踐，我們認(rèn)識到煤層坍塌和漏失是過煤層側(cè)鉆的主要難題。在面對大井斜煤層側(cè)鉆井時，這個難題應(yīng)從鉆井液性能和鉆井工藝兩方面研究解決[14]。

3.1? 防生絨囊鉆井液技術(shù)

目前，國內(nèi)應(yīng)對煤層側(cè)鉆井最為領(lǐng)先的鉆井液技術(shù)為仿生絨囊鉆井液技術(shù)。絨囊鉆井液堵漏機(jī)理是根據(jù)漏失地層開度、裂縫縫寬和溶洞高度自動調(diào)節(jié)形狀和性能，或者利用鉆井液高黏度，全面封堵地層，提高漏失地層的承壓能力。其有以下幾方面的優(yōu)越性：

1）當(dāng)遇到的漏失尺寸比氣囊大時，氣囊通過膨脹進(jìn)行封堵作用，或堆積成橫放的圓錐狀，如此可以把鉆井液液柱壓力分解成樹枝狀的分布，減小地層流體的壓力作用，控制漏失量。這被稱為“等壓封堵理論”。而當(dāng)前許多封堵理論都是形成封堵“墻”，讓整個墻承壓，難度較大，成功率不高。

2）當(dāng)遇到的漏失尺寸與氣囊接近時，氣囊被低壓的漏失層吸入，氣囊被拉長，增大了流入阻力，起到封堵漏失層的作用。這被稱為“耗壓封堵理論”，而當(dāng)前難度主要是集中在剛性堵漏粒子級配方面。

3）遇到比氣囊尺寸小得多的漏失通道時，聚合物和表面活性劑吸附地層表面形成高黏度薄膜，封堵漏失地層。稱為“承壓封堵理論”。而目前的剛性粒子則不能封堵這么小的微裂縫。

這種防生絨囊鉆井液完全能夠滿足過煤層側(cè)鉆井井筒內(nèi)地層、煤層兩種不同漏失的窄密度窗口的堵漏，也可以起到保護(hù)煤層，促使煤層受力均勻，有效地防治煤層坍塌及漏失（圖2）。

3.2? 隨套鉆井技術(shù)

隨套鉆井技術(shù)是指在鉆進(jìn)過程中，直接采用套管傳遞機(jī)械能量和提供循環(huán)通道，邊鉆進(jìn)邊下套管，完鉆后投球丟手，提出鉆具套管留在井內(nèi)。這種隨套鉆井技術(shù)，在過煤層時可以直接抑制煤層段的膨脹和坍塌（圖3）。

具體實施步驟：在鉆遇到煤層時，提出原鉆具組合，對裸眼段通井劃眼暢通。更換隨套鉆具：普通鉆桿串+投球式丟手接頭+套銑管+套銑鉆頭。套管段長度根據(jù)煤層斜深匹配，套管規(guī)格可結(jié)合井眼尺寸、井眼曲率及后續(xù)鉆具組合協(xié)調(diào)選擇[15]。

隨套鉆井對前期的井眼軌跡有較高的要求，隨套鉆井前要保證前期軌跡要達(dá)到設(shè)計中靶的井斜和方位，隨套鉆進(jìn)之后就不能有效地調(diào)整軌跡。這種鉆井技術(shù)多適用于增—穩(wěn)型的定向井井眼軌跡，且對井眼狗腿有較高的要求。

4? 結(jié)論

1）在30°井斜范圍內(nèi)穿越陸9區(qū)西山窯組（J2×4）垂深在2 216～2 220 m的煤層時，安全鉆井液密度取值為1.08 g·cm-3。

2）陸9區(qū)失返性漏失的井可用15%的隨鉆堵漏劑+PWD變形活塞膠凝堵漏劑配制堵漏劑循環(huán)洗井，便可堵漏成功。

3）煤層鉆進(jìn)時采用限速鉆進(jìn)、充分造壁、逐段劃眼的控制措施能夠有效地防治煤層坍塌。

4）大井斜側(cè)鉆煤層井必須從鉆井液技術(shù)與鉆井工藝兩個方面做出新的研究與應(yīng)用。

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