煤层气水平井煤层判识技术的研究与应用

张绍雄 张 媛

1.中国石油山西煤层气勘探开发分公司 （山西 晋城 048000）

2.中国石油华北油田分公司 第一采油厂 （河北 任丘 062552）

煤层气水平井煤层判识技术的研究与应用

张绍雄1张 媛2

1.中国石油山西煤层气勘探开发分公司 （山西 晋城 048000）

2.中国石油华北油田分公司 第一采油厂 （河北 任丘 062552）

通过几十口井的钻探实践，总结出了一套通过各种技术手段对煤层进行判断、识别的方法，可为今后利用多分支水平井钻井技术开发煤层气提供经验。

煤层气 煤层 多分支水平井 判识

应用多分支水平井钻井技术开发煤层气，是提高单井产气量和采收率、降低综合成本、缩短投资回收期的有效手段。在煤层气多分支水平井钻探过程中，如何对煤层进行正确识别与判断，保证井眼轨迹沿煤层穿行，减少非煤层段的无效进尺，提高煤层钻遇率是目前急需解决的问题。

1 煤层判识的意义

搞好煤层识别、判断，具有如下重要意义：

（1）实现开发目的的需要。应用多分支水平井钻井技术开发煤层气，其目的就是要通过扩大煤层泄滤面积，增加出气通道，从而提高单井产量。只有正确识别煤层，保证井眼沿煤层前进，才能达到这一目的。

（2）地质导向的需要。所谓地质导向，狭义讲就是引导井眼沿目的地层延伸。而煤层气水平井，对钻达地层岩性的识别，是否煤层以及在煤层的上下位置是地质导向技术人员的主要任务。

（3）提高钻井效率、防止复杂情况及事故的需要。山西沁水盆地煤层，可钻性级别为2～3级，性软易钻，而其上下顶底板地层，可钻性较差，其钻进机械钻速相差几倍以上，保证井眼沿煤层钻进，可大大提高钻井速度，缩短施工周期。若钻遇煤层与顶底板交界地层，不但降低钻进速度，还会由于交界面地层的不稳定，井壁垮塌造成复杂状况及事故。

（4）工程监督的职责。多分支水平井工程监督的一项重要内容与职责就是对井眼轨迹是否在煤层中穿行进行随钻监督，对完钻煤层进尺进行确认。因而了解并掌握如何收集与此相关的技术参数与信息并作出分析判断是至关重要的。

（5）工程结算的依据。一般承钻煤层气多分支水平井所签订工程承包合同，是以煤层进尺为考核依据的。钻井工程完成后，要对煤层进尺进行确认，根据实际完成的煤层进尺判定合同是否完成，进行设计任务的评价并结算工程款。

2 煤层判识的难点

山西沁水盆地煤层气开发的主要目的层是3#煤层，其埋深从450～850m，差距较大。由于煤层气开发时间短、上钻快，地震资料较粗 （一般二维地震），地质精细描述不够，认识也不够全面。在直井的钻探中，对于厚度5～6m的煤层的识别，是比较简单的问题，但是对于多分支水平井来说，对地层、尤其是煤层的识别并非易事，主要存在以下难点：

（1）樊庄、郑庄2个区块几百口开发直井的钻探实践证实，地下煤层并非“一马平川”，存在起伏、断层、破碎带甚至陷落柱，煤层变化趋势不确定。

（2）地层倾角变化较大。有的相邻2口直井距离不足300m，而煤层高差可达几十米，倾角10°左右。而多分支水平井的钻探中，在水平井段100～200m的范围内，地层倾角可从0°增加到10°，这给识别煤层及轨迹控制带来困难。

（3）多分支水平井靶区面积一般应达到0.4km2左右，主支及各分支方向不一。在这一较大区域范围内，煤层变化也较大且无规律可循，各分支可参照性差。

（4）煤层相对较厚但不均质，一般煤层都有夹矸。煤层顶、底、中部其可钻性、自然伽马值等存在差异，特别是夹矸的自然伽马值可能高于顶、底板泥砂岩。

（5）由于煤层气多分支水平井施工工艺的特殊性，判断煤层的各种直接、间接手段受其它因素的影响较大，难以仅凭某种方法判识是否煤层。

（6）为了引导水平井眼沿煤层钻进，还需对钻遇的上下煤层甚至顶、底板进行识别与判断，这就更增加了识别难度。

3 常用煤层判识方法及评价

在钻井过程中，通过“录井”对地层、岩性进行分析判断是地质技术人员的重要工作内容。对于煤层气多分支水平井，常用几种判层手段及局限性分析如下：

（1）在直井判层中岩屑录井，岩屑录井是最主要、直接、有效的方法。但对于多分支水平井，由于在长段煤层中钻进加之煤层垮塌、煤屑堆积、钻井工程措施、钻速快、钻屑返出滞后等影响，地面捞取的岩屑（煤屑）可能并不是某个井深处钻头钻出的岩屑，因此其可靠性较差。

（2）钻时录井是判断地层可钻性、识别地层岩性的间接方法之一。但在水平钻进时，由于钻井工艺复杂，各项钻井措施、钻井参数不断调整变化，水平长井段钻进时易产生“托压”现象等影响，所以钻时反应地层软硬的真实性下降。

（3）气测录井。由于煤层气的主要成份是甲烷，随钻测量地层（煤层）中甲烷气体的含量，对于判断是否煤层具有独特的优势，且气体随钻井液返出地面，较少受工程措施等影响，能够比较真实地反应钻头所钻达地层的含气情况，从而间接地判断是否是煤层。但由于煤层气水平井一般采取在洞穴直井注气的欠平衡钻井方式，注入空气从水平井井口返出就大大影响了气测的准确性。另外，气测录井也要测算迟到时间，考虑低排量循环时气体滑脱效应的影响。

（4）在水平井钻进中随钻测量的自然伽马、电阻率值。必须使用随钻测量仪器测取工程及地质参数，煤层气水平井一般应测取地层自然伽马及电阻率值（但多数只安放伽马短节测取伽马值）。由于煤层的自然伽马及电阻率值与砂泥岩地层有较大差别，所以随钻测取的伽马值、电阻率值是判识煤层的最有效方法之一。但应注意地是煤层中夹矸的伽马值也较高，有些砂岩的伽马值较低，判断时必须有所甄别；若使用EM-MWD随钻测量仪器，在煤层中钻进电磁信号时有“煤层屏蔽”现象，无数据信息传至地面，造成“测量盲区”；伽马测量短节离钻头有一定距离，测取数据滞后；使用普通伽马难以区分煤层的顶底板等不足，都会给煤层识别及导向钻进带来较大困难。

4 煤层判识技术的综合应用

在山西煤层气多分支水平井钻探中，经过多口井的分析研究，总结出一套煤层判识的方法，据此进行随钻煤层分析及完井煤层确认，实践证明是行之有效的。

（1）多分支水平井开钻前，广泛收集相关资料，初步确定煤层判别标准（模板）。主要是：①所钻井区的地震资料、地质构造资料、煤层厚度等值线图、煤层底板等值线图等，分析判断煤层倾角、倾向，断层性质、断距、断层走向及倾向等，结合钻井设计多分支井底形状，描绘出沿各主、分支轨迹的煤层剖面图（见图1）；②根据已完成的与多分支水平井配套的排采直井以及邻井的测井资料，分析确定煤层厚度、夹矸位置与厚度以及煤层、夹矸、顶底板的自然伽马值、电阻率或自然电位值、岩性特征等相关气测、钻井、录井、随钻测井等参数在煤层的响应；③根据本区块已钻多分支水平井气测全烃值及其变化情况、正常钻进时钻时（机械钻速）、伽马值、电阻率值以及钻出煤层时相关参数变化、出煤井段等资料，初步分析推断本井煤层钻进时钻时、自然伽马、气测全烃、电阻率等数值范围。

（2）煤层井段钻进时随钻监测，特别是地质录井、工程技术、地质导向、随钻测井、轨迹控制等技术人员要密切配合，互通情况，及时汇总相关数据信息，及时跟踪绘出相关曲线、图表。一般需要录取以下资料：①岩样：按测算好的迟到时间，每2～5m捞取一包，洗净顺序摆放好；②钻时：每米记录一点，连续记录；③伽马值：连续记录；④气测全烃值：连续记录；⑤井眼轨迹：跟踪作图；⑥作业工况：主要是钻进时的侧钻、增、降斜、导向钻进时滑动、旋转钻进、钻头、螺杆等工具使用、注气等情况等随钻记录。

以上参数、数据等最好绘制在同一深度比例的图纸上，便于分析对比（见图2）。

（3）综合分析判层。从几十口多分支水平井的钻探实践看，判断煤层最直接、简单、有效、常用的标准项目是钻时、伽马、气测全烃值，而岩屑、井眼轨迹、钻进工况等做为辅助项目，在标准值出现异常时考虑这些项目综合判断。

一般在煤层中钻进时，钻时、伽马、气测全烃值均在标准值范围内；返出钻屑为颜色一致的煤屑、井眼轨迹（重点是井斜、垂深）无起伏（顺滑）并沿煤层倾向延伸、无特殊钻井措施（旋转或滑动钻进）。

（4）单项标准值出现异常时的综合判断。在判煤时，只有伽马值一项可进行独立煤层判识，如在标准范围内时（如小于40APi）即可直接判断为煤层。除此之外其它单项或多项符合标准值要求时也不能直接判断为煤层，可遵循以下原则进行判断。①当伽马值高于标准值一定幅度（如40～60APi），但钻时、气测全烃值均在标准值范围内，井眼轨迹无调整（按预计的煤层走向前进）且井段长度小于30m时，应判断为煤层;②当伽马值高于标准值一定幅度 （如40～60 APi），但钻时明显高于在煤层中钻进的正常值（一般高一倍以上），井段长度大于30m，可判断为非煤层（一般为砂岩层）;③伽马值明显高于标准值（如60～100APi），但钻时与在煤层中钻进无异甚至还低，气测全烃值无明显变化，井眼轨迹未调整，井段长度小于30m且在一定长度范围内，若轨迹垂深变化大于1m时伽马值出现明显变化（变小），应判断为煤层（夹矸）；④伽马值明显高于标准值（60APi以上），钻时明显高于在煤层中钻进的正常值（一般高一倍以上），井段长度大于30m，可判断为非煤层（一般为泥岩层）;⑤伽马值大于该井区泥、砂岩一般响应值（如100APi）时，可直接判断为非煤层;⑥当确认岩性发生变化时，其界面应设在曲线半幅点处。

在实际判层工作中，出现的可能远不止上述例举的情况，所以搞好现场跟踪，将各参数响应结合钻井工况变化综合分析判断是至关重要的。

5 煤层判识实例

（1）实例1：F1井是某区块施工状况较好的一口多分支水平井，总进尺 4 750m，水平段进尺4 009m，施工方上报煤层钻遇率为100%。我们按照上述方法，以排采直井实钻资料、测井资料为依据，将随钻伽马、钻时（机械钻速）曲线、岩屑录井等资料结合井眼轨迹情况等进行综合判断，经过逐支逐段分析，判断出煤层555m，煤层钻遇率86.16%。减少钻井支出100余万元。

如本井主支M1钻进井段741～1 600m，进尺859m，在钻至井深1 326m时，随钻测井显示伽马值由33.52APi逐步上升到138.24APi，钻时由2min/m增加到8min/m，机械钻速明显下降，且波动剧烈，复查岩屑，灰色成分明显增多。对比定向资料、煤层构造图分析认为，由于增斜过快，钻头顶出煤层所致，因此判断井段1 326～1 417m，段长91m为非煤井段（见图3）。

（2）实例2：F2井L5（M1）分支钻进井段845～1 311m，进尺466m，当钻至井深956m时，随钻伽马值由60APi上升至107.74APi，最高达113.6APi，钻时由1～2min/m升至4min/m，机械钻速下降，且波动幅度大，电信号明显突出，井斜增加，井眼轨迹上倾，因而判断956～997m井段出煤（见图4）。

（3）实例3：Z3井在主支M1钻进时，从井深900～905m，随钻API伽马值由40APi升至110APi，已远远超出排采直井煤层及夹矸伽马值响应范围；全烃基值由17.39%下降到1.62%；钻时由2min/m升到8min/m以上；起出钻头损耗异常；岩屑由于细碎无法识别，但颜色由原来的黑色渐变为灰黑色，说明其它非煤成分所占比例在逐渐加大。施工方组织地质导向师、定向工程师、钻井工程师等召开技术分析会，认为是钻遇了煤层夹矸所致，但仍是在煤层中钻进。我们综合分析判断已钻出煤层，建议变更施工方案，但施工方未予采纳，仍坚持原来措施并调来优质钻头继续钻进。在钻进到968m时，由于钻速太慢起钻，起出钻头磨损更加严重。再次研究分析时认可了已出煤层的判断。从而采取了重新调整井眼轨迹、重新认识各参数煤层响应、调用方向伽马测量仪器等措施继续钻进。在钻至978m时，随钻伽马、全烃、岩屑等恢复到正常煤层响应值，伽马值回落到38APi，全烃基值上升到 10%以上，钻时下降到2min/m并保持平稳（见图5）。

6 总 结

多分支水平井煤层判识是一项理论和实践紧密联接、地质与工程密切结合、各种录井方法和工艺措施统筹分析的综合应用技术。在煤层气多分支水平井钻井实践中，只有搞好对地质构造、煤层特性的研究；加强钻井过程中相关气测、钻井、录井、随钻测井等参数在煤层的响应对比；密切跟踪水平段 （煤层段）钻进时各项施工参数的变化；才能使煤层判断更加科学、合理。

Through the drilling practice of several decades of wells,a set of methods of judging and identifying coal beds by different kinds of technological means is summarized,which can provide some experiences for exploiting coal-bed gas by utilizing the drilling technology for multi-branched horizontal well.

coal-bed gas;coal seam/coal bed;multi-branched horizontal well;judging and identifying

张绍雄（1957-），男，工程师，多年从事钻井工艺技术研究及管理工作。

尉立岗

2011-06-01