顏智華，胡海洋，2，婁 毅，陳 捷，何連穩(wěn)

（1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550081；2.貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院，貴州 貴陽 550081；3.貴州盤江煤層氣開發(fā)利用有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081）

貴州省煤層氣資源豐富，2 000 m 以淺煤層氣資源總量達(dá)3.05 萬億m3，居全國第2 位[1-2]，煤層氣開發(fā)潛力較高。自2010 年以來，先后在貴州六盤水煤田、織納煤田等開展多個(gè)煤層氣開發(fā)項(xiàng)目[3-4]，產(chǎn)氣效果逐漸好轉(zhuǎn)，但距工業(yè)氣流及工業(yè)化開發(fā)的目標(biāo)差距較大，截止2020 年6 月底，全省累計(jì)施工煤層氣井270 口，形成年產(chǎn)能8 900 萬m3，2020 年上半年累計(jì)產(chǎn)氣1 098 萬m3，平均單井產(chǎn)氣226 m3/d，產(chǎn)氣量偏低。研究發(fā)現(xiàn)，煤層氣井鉆井施工過程中的鉆壓、排量、泥漿黏度等參數(shù)會(huì)影響巖屑上返、井徑擴(kuò)大率及井斜角，井斜角、泥餅厚度、井徑擴(kuò)大率等參數(shù)會(huì)影響煤層氣井固井質(zhì)量[5-6]。煤層氣近井部位鉆完井液侵入形成的煤縫壁面濾餅結(jié)構(gòu)，對(duì)壓裂裂縫的起裂和延展具有較為復(fù)雜的制約關(guān)系，影響壓裂裂縫擴(kuò)展及壓裂改造效果[7-8]。貴州省煤層多、煤層薄，構(gòu)造相對(duì)發(fā)育，增加煤層氣鉆完井及壓裂施工難度，鉆井施工過程中產(chǎn)生的泥漿侵入傷害及固井水泥漿侵入傷害會(huì)造成近井地帶的裂隙封堵，影響壓裂改造效果及增加排采過程中流體產(chǎn)出阻力。貴州省淺層溶洞及漏失性裂隙較發(fā)育，造成鉆井周期延長，對(duì)地層鉆井過程中的漏失規(guī)律、控制措施及鉆井工藝技術(shù)研究相對(duì)較多[9-10]，對(duì)鉆井過程中的儲(chǔ)層傷害及控制措施研究相對(duì)較少。因此，以金佳礦區(qū)煤層氣井為例，總結(jié)龍?zhí)督M復(fù)雜地層條件下的鉆完井技術(shù)及施工參數(shù)控制，為貴州省復(fù)雜地層煤層氣井快速、低傷害鉆井提供應(yīng)用指導(dǎo)。

1 金佳礦區(qū)復(fù)雜地層鉆完井風(fēng)險(xiǎn)

1.1 金佳礦區(qū)復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)模型

金佳礦區(qū)煤層氣勘查區(qū)位于六盤水煤田盤關(guān)向斜東翼中段，構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造，地層走向NE30～50°，傾向NW，傾角11°～39°，一般為20°～24°。含煤地層傾角稍陡，24°左右，其淺部斷層較發(fā)育，構(gòu)造較復(fù)雜；勘查區(qū)中、深部，傾角逐漸變緩，一般20°左右，構(gòu)造較簡單。根據(jù)勘查區(qū)范圍內(nèi)參數(shù)井JV-1 井獲取的參數(shù)，煤層含氣量在9 m3/t 以上，最大為18-1#煤的21.12 m3/t，各煤層的氣體解吸率在45%～81%之間，含氣量整體上隨著煤層埋深增加而增加。JV-1 井煤層煤樣壓汞實(shí)驗(yàn)的平均孔隙度為3.34%，平均孔容為0.023 cm3/g，平均比表面積為5.89 m2/g，平均孔徑為15.22 nm，各煤層均以微小孔為主，大孔和中孔含量相對(duì)較少，微小孔占比約70%～80%，勘查區(qū)內(nèi)各煤層吸附能力較強(qiáng)，而滲流能力相對(duì)偏弱，相對(duì)而言有利于煤層吸附甲烷氣體，含氣量相對(duì)較高，不利于煤層氣井儲(chǔ)層降壓、解吸、擴(kuò)散、滲流、產(chǎn)氣。

勘查區(qū)范圍內(nèi)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為主要含煤地層，厚220～260 m，平均230 m，共含煤層29～44 層，含煤層總厚度36.24～48.11 m，平均42.18 m；含煤系數(shù)為17.95%。含可采煤層15 層，可采煤層總厚21.86 m。其中，全區(qū)可采煤層6 層，均屬較穩(wěn)定煤層，大部分可采5 層，包括較穩(wěn)定煤層和不穩(wěn)定煤層，局部可采4 層，均屬不穩(wěn)定煤層。金佳礦區(qū)煤層頂?shù)装逡陨皫r、泥巖為主，包括炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖等?；诮鸺训V區(qū)煤層氣勘查區(qū)煤層及頂?shù)装鍘r性變化規(guī)律，認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)煤層分布可以分為5 種結(jié)構(gòu)模型。金佳礦區(qū)含煤地層分布結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 金佳礦區(qū)含煤地層分布結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Distribution structure model of coal-bearing strata in Jinjia Mining Area

1.2 復(fù)雜地層鉆完井風(fēng)險(xiǎn)及控制

根據(jù)金佳礦區(qū)含煤地層分布結(jié)構(gòu)模型可以看出，含煤地層變化大，煤層之間存在多種巖性變化的情況，同時(shí)煤層存在夾矸，增加煤層分布結(jié)構(gòu)類型，使得地層結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，增加了鉆井施工過程中的井身質(zhì)量控制難度，也增加了多煤層及含夾矸煤層的壓裂施工難度。工程試驗(yàn)及研究結(jié)果表明，軟硬地層頻繁互層鉆井施工過程中，增加了鉆頭選型、鉆具組合的難度，鉆井過程中鉆頭泥包、鉆桿憋鉆嚴(yán)重[11]，難以有效保障井身質(zhì)量，采取低鉆壓、低鉆速保障井身質(zhì)量措施，鉆井機(jī)械鉆速較低，致使施工周期延長，井壁垮塌、擴(kuò)徑及鉆井液侵入傷害的風(fēng)險(xiǎn)增加。

針對(duì)砂巖-煤互層的煤系地層結(jié)構(gòu)模型，適宜采取中高鉆壓、中高鉆速的鉆井控制方式，有效保證井身質(zhì)量。砂巖層脆性強(qiáng)，膠結(jié)致密，孔喉細(xì)小，煤層塑性強(qiáng)，鉆井過程中重點(diǎn)控制鉆井液性能，降低鉆井液侵入地層造成的固相損害和液相損害，控制鉆井液固相顆粒，降低鉆井液對(duì)地層的傷害[12]。

針對(duì)泥巖-煤互層的煤系地層結(jié)構(gòu)模型，適宜采取中低鉆壓、中低鉆速的鉆井控制方式。泥巖層黏土礦物中含有伊利石、蒙脫石等遇水膨脹礦物，鉆井液中加入適量的黏土穩(wěn)定劑，防止伊利石、蒙脫石遇水膨脹造成井眼縮徑、塌孔及鉆頭泥包、鉆桿憋鉆等異常情況發(fā)生。

針對(duì)泥巖-砂巖-煤、砂巖-泥巖-煤及泥巖砂巖頻繁互層-煤的煤系地層結(jié)構(gòu)模型，鉆井施工過程中應(yīng)加強(qiáng)鉆井巖屑錄井、鉆時(shí)錄井、鉆井液錄井工作的分析研究，加強(qiáng)鉆井過程管理，強(qiáng)化對(duì)鉆遇泥巖、砂巖、煤層的分析識(shí)別[13]，采取低鉆壓、低鉆速的鉆井控制方式，重點(diǎn)控制鉆井液固相顆粒，鉆井液中加入適量的黏土穩(wěn)定劑，防止鉆井過程中的泥漿侵入傷害及井眼縮徑及塌孔情況，避免固井出現(xiàn)大段“糖葫蘆串”的情況，保證完鉆完井身結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

2 金佳礦區(qū)煤層氣鉆完井工藝技術(shù)

煤層氣井鉆井技術(shù)日趨成熟，逐步實(shí)現(xiàn)了直井、定向井及水平井的高效鉆井，實(shí)現(xiàn)煤層氣井快速鉆井和儲(chǔ)層保護(hù)。貴州地區(qū)煤層、頂?shù)装遘浻不宇l繁，增加鉆井技術(shù)難度，在鉆井技術(shù)上應(yīng)優(yōu)化煤層氣井的井身結(jié)構(gòu)、鉆井液，合理選擇井下鉆具、鉆壓、轉(zhuǎn)速等施工參數(shù)。

2.1 井型及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

勘查區(qū)前期施工了煤層氣參數(shù)井，未施工煤層氣排采井，此次施工的煤層氣井為311.1 mm+215.9 mm 鉆頭、244.5 mm+139.7 mm 套管完井的生產(chǎn)井。基于該地區(qū)前期未施工煤層氣排采井及降低開發(fā)成本的原因，為確保鉆完井工程質(zhì)量，此次施工的2 口煤層氣井采取直井二開套管完井的井身結(jié)構(gòu)方案，降低施工難度?？辈閰^(qū)煤層氣井井身結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 勘查區(qū)煤層氣井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Borehole structure diagram of CBM well in exploration area

2.2 快速鉆井及完井技術(shù)

由于含煤地層巖性變化大，煤層存在夾矸，鉆井施工過程中，不同巖性的軟硬程度差異大，鉆井井身質(zhì)量控制的難度增加，需要及時(shí)控制合理施工鉆壓，避免鉆壓過大造成井斜過大及鉆壓過小造成的鉆井周期延長，增大煤層段井眼垮塌、擴(kuò)徑的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)金佳礦區(qū)含煤地層的復(fù)雜情況及鉆井施工過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，為確保煤層氣井快速成孔及降低含煤地層的施工風(fēng)險(xiǎn)，在含煤地層頂部（飛仙關(guān)組）采取30～60 kN 的中高鉆壓、20～30 L/s 的大排量、高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，在含煤地層（龍?zhí)督M）采取20～30 kN 的中低鉆壓、15～20 L/s 的小排量、中高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中及時(shí)測斜，確保井斜角不超標(biāo)。金佳礦區(qū)2 口煤層氣井鉆井質(zhì)量數(shù)據(jù)表見表1。

表1 金佳礦區(qū)2 口煤層氣井鉆井質(zhì)量數(shù)據(jù)表Table 1 Drilling quality data table of two CBM wells in Jinjia Mining Area

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，對(duì)照《煤層氣鉆井工程質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)級(jí)規(guī)范》可知，JP-1 井井身質(zhì)量合格，JP-2 井最大井斜角、水平位移、全角變化率參數(shù)超標(biāo)，井徑擴(kuò)大率均為優(yōu)秀。隨著鉆壓增加，鉆井質(zhì)量參數(shù)中的最大井斜角、水平位移、全角變化率均增大，全井及煤層井徑擴(kuò)大率均減小，且煤層井徑擴(kuò)大率顯著減小，表明煤層氣井鉆井工程中，合理控制鉆壓，縮短煤系地層鉆井時(shí)間，能夠降低鉆井液對(duì)地層的侵入傷害。

金佳礦區(qū)2 口煤層氣井實(shí)際鉆井過程中，JP-2井在一開鉆井過程中采取空氣鉆井技術(shù)，處理一開井段地層漏失問題。二開鉆井過程中，JP-2 井鉆壓比JP-1 井鉆壓（20～30 kN）高10 kN 左右，JP-2 井在二開鉆進(jìn)至777 m 處，接近完鉆井深，最大井斜角達(dá)到9.02°，井底水平位移36.58 m，2 口井純鉆進(jìn)的鉆井時(shí)效在6.5～8.5 m/h 之間，縮短鉆井周期。根據(jù)JP-2 井二開鉆井深度777 m 處的地層巖性情況分析，該段為泥巖、煤層、砂巖結(jié)構(gòu)模式，在高鉆壓、高鉆速鉆井參數(shù)下，泥巖、煤層鉆時(shí)較高，井下鉆具在承壓狀態(tài)下導(dǎo)致井斜角逐漸增加，最終導(dǎo)致該段的井斜角較大。由于鉆壓相對(duì)較高，在煤層段的鉆井時(shí)間相對(duì)減少，降低煤層段鉆井過程的擴(kuò)徑風(fēng)險(xiǎn)及鉆井施工對(duì)煤層的污染，煤層段井徑擴(kuò)大率相對(duì)較小，確保煤層段固井質(zhì)量。2 口井的鉆井質(zhì)量參數(shù)對(duì)比可以看出，含煤地層巖性及軟硬程度頻繁變化的情況下，在高鉆壓條件下井筒井斜角及水平位移逐漸增大。煤層氣井在含煤地層鉆井過程中，應(yīng)控制合理施工鉆壓，確保井身質(zhì)量合格。

2.3 煤層低傷害鉆井技術(shù)

煤層氣井鉆井施工過程中，鉆井液的選擇主要滿足以下要求，實(shí)現(xiàn)煤層氣井快速鉆井及儲(chǔ)層保護(hù)。鉆井液與煤儲(chǔ)層要有良好的配伍性，降低鉆井液固相含量，抑制井筒井壁水化、膨脹，降低鉆井液密度，實(shí)行平衡或近平衡鉆井，避免泥漿侵入傷害。絨囊鉆完井流體對(duì)煤系地層三氣合采試驗(yàn)結(jié)果表明，絨囊鉆完井流體造成的儲(chǔ)層滲透率損害率在7%～12%，污染后不同尺度裂隙的平均長度和平均寬度均有所減小，且裂隙尺度越大，污染程度越高[14]。煤層氣井鉆井過程中鉆井泥漿材料及固井水泥漿侵入地層，堵塞井筒附近的原生孔裂隙，對(duì)儲(chǔ)層造成不可逆?zhèn)Αｃ@井施工應(yīng)重點(diǎn)控制含煤地層中合理使用泥漿材料，降低固相顆粒侵入地層造成的傷害，在固井過程中，合理控制固井水泥漿密度，避免水泥漿密度過大造成水泥漿壓入地層引起的傷害。

金佳礦區(qū)2 口煤層氣井鉆井過程中，含煤地層泥漿密度控制在1.02～1.04 g/cm3，黏度控制在36～39 s，含砂不超過0.2%。JP-1 井固井水泥漿相對(duì)密度最大1.89 g/cm3，最小1.85 g/cm3，平均1.87 g/cm3；JP-2 井固井水泥漿相對(duì)密度最大1.85 g/cm3，最小1.65 g/cm3，平均1.82 g/cm3。均使用G 級(jí)固井水泥，固井質(zhì)量均為良好及以上。根據(jù)2 口井壓裂施工初期壓力變化分析，JP-1 井第2 段（3#煤）壓裂初期施工壓力較高，比正常施工壓力高20 MPa 左右，表明井筒附近存在污染，堵塞裂隙通道，導(dǎo)致井筒附近壓裂液延伸、擴(kuò)展阻力很大，施工壓力高。JP-1 井第2段壓裂施工曲線如圖3。

圖3 JP-1 井第2 段壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing curves of the second stage of well JP-1

根據(jù)該井鉆完井施工參數(shù)分析，JP-1 井井筒附近污染的原因可能有以下2 個(gè)方面：①固井水泥漿密度偏高，造成固井過程中煤層處的壓力偏高，導(dǎo)致水泥漿壓入地層，造成井筒附近煤層裂隙被固井水泥漿堵塞；②煤層井徑擴(kuò)大率較高，井壁固井水泥環(huán)厚度偏大，射孔施工未完全穿透水泥環(huán)，導(dǎo)致壓裂初期裂縫在水泥環(huán)中延伸、擴(kuò)展阻力高，施工壓力高。對(duì)比JP-1 井、JP-2 井鉆井施工參數(shù)分析，JP-1 井井筒附近煤層污染的主要原因?yàn)楣叹酀{密度偏高，煤層井徑擴(kuò)大率較高對(duì)施工壓力偏高的影響相對(duì)較小，且影響施工壓力偏高的時(shí)間較短。

3 金佳礦區(qū)煤層氣鉆井與產(chǎn)氣效果

金佳礦區(qū)煤層氣勘查區(qū)施工2 口煤層氣井，鉆井取得較好的施工效果。2 口井均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，井徑擴(kuò)大率控制在10%以內(nèi)，2 口井固井質(zhì)量良好，滿足壓裂施工要求。JP-1 井、JP-2 井的產(chǎn)氣效果均達(dá)到預(yù)期產(chǎn)氣效果，穩(wěn)產(chǎn)期間的產(chǎn)氣量分別達(dá)到1 100、1 500 m3/d。金佳煤層煤層氣井排采曲線如圖4。

圖4 金佳煤層氣井排采曲線Fig.4 CBM well drainage curves in Jinjia Mining Area

通過該區(qū)塊2 口煤層氣井在鉆井及排采控制技術(shù)方面的實(shí)驗(yàn)研究成效及取得的良好產(chǎn)氣效果，為該地區(qū)煤層氣井在鉆井施工參數(shù)控制及多煤層合層排采控制等方面提供參考，提高煤層氣開發(fā)效果。

4 結(jié) 語

1）六盤水煤田金佳礦區(qū)含煤地層煤層層數(shù)多，部分煤層含有夾矸，含煤地層劃分為5 種不同的分布結(jié)構(gòu)模型，由于含煤地層巖性變化，鉆井施工過程中鉆遇軟硬不同的地層，增加了鉆井施工難度。

2）煤層氣井煤系地層不同結(jié)構(gòu)模型的地質(zhì)特征下，應(yīng)采取不同的鉆井施工參數(shù)，確保井身質(zhì)量，控制鉆井液性能參數(shù)，防止鉆井液侵入地層造成的傷害黏土礦物膨脹造成井眼縮徑、塌孔。

3）煤層氣井鉆井施工過程中應(yīng)控制合理的鉆井參數(shù)，避免鉆井施工參數(shù)不合理造成的井斜、井徑擴(kuò)大率、水平位移等參數(shù)超標(biāo)，同時(shí)避免對(duì)井筒附近的煤層造成傷害，影響固井質(zhì)量。

4）煤層氣井固井施工應(yīng)控制合理的固井水泥漿密度，避免水泥漿密度偏高引起的水泥漿侵入地層，造成水泥漿膠結(jié)后堵塞井筒附近裂隙通道，壓裂初期的施工偏高，影響壓裂液效率及改造效果。