山西ZP02-1H井煤层气定向钻井工艺

李武生 刘银凤 王永昌 杜 晶 李薇然 孙 斌

1.中国石油渤海钻探定向井技术服务分公司，河北 任丘 062550；

2.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318

0 前言

煤层气是一种以吸附状态赋存于煤层中的非常规天然气，又名煤矿瓦斯，其中甲烷含量大于90%，它是天然气最现实的接替能源[1]。在热值上，煤层气与常规天然气相当，发热量在33.452 8×106J/m3以上，每1 000 m3煤层气相当于1 t石油或1.25 t标准煤[2]。我国是世界上煤层气资源最丰富的国家之一。2 000 m以浅地质资源量约36×1012m3，目前已探明储量 1 130×108m3，山西沁水地区已实施20×108m3建设工程[3]。沁水盆地位于山西省东南部，煤层气资源相当丰富，该盆地含煤地层主要为上石炭统太原组和下二叠统山西组，煤层总厚度为1.2～23.6 m，埋深一般小于1 500 m，大部分地区适合于煤层气的勘探与开发[4]。

1 山西PZ02-1H全井概况

山西ZP02-1H井是中国石油华北油田分公司在沁水煤层气田郑庄区块内设计施工的多分支水平井，其目的是试验多分支水平井在郑庄区块的适应性，评价该区水平井产能。全井基础数据及井眼剖面关键数据见表1～2。

表1 ZP02-1H井主要技术指标

2 定向施工概况

山西ZP02-1H多分支水平井分为一开直井段、二开上直井段、二开造斜段和三开两井连通四种施工方式，连通作业程序如下：

表2 主井眼剖面关键数据

a）直井下入强磁接收仪；

b）水平井接收信号，判断与洞穴的相对位置；

c）每钻进3 m测斜一次，根据定向井工程师的预测数据，连通工程师发出井斜和方位调整指令；

d）定向井工程师依据指令，完成井斜和方位的调整；

e）距洞穴5 m，直井起出强磁接收仪；

f）水平井导向钻进连通，连通后钻进至井深688 m，起钻甩强磁接头。

3 定向技术措施及施工难点

3.1 水平井与洞穴井连通

煤层气的特点是压力低，单井产量低。要增加煤层气的产量，最有效的办法是增大井眼轨迹与煤层的接触面，沿煤层走向或倾角钻分支水平井。这种形式的水平井需要解决两个技术难题：分支井与主井接合点必须密封；分支井相互间要连通，必要时钻具能从主井中重新进入选定的分支井中[5]。

3.1.1 连通工具

两井连通过程中采用的技术为近钻头电磁测距法，国外通常称为Rotating Magnet Ranging Service（缩写RMRS）。RMRS的硬件构成包括永磁短节和强磁计或探管。永磁短节的长度约为40 cm，由横行排列的多个永磁体组成，主要用来提供一个恒定的待测磁场，电磁信号的有效传播距离为50 m。探管由三部分组成：扶正器、传感器组件、加重杆，其长度约为3 m。当旋转的永磁短节通过洞穴井附近区域时，探管可采集永磁短节产生的磁场强度信号，通过采集软件可准确计算两井间的距离和当前钻头的位置，测量不受套管的影响，而且每次测量都与之前的测量相互独立，使它不会受到常规的累计测量错误的影响。连通作业时RMRS与MWD和马达等配合使用，钻具组合通常为：钻头＋永磁短节＋马达＋无磁钻挺＋MWD＋钻杆。RMRS的测量精度随着传感器与钻头之间距离的缩短而提高。

3.1.2 RMRS仪器技术参数

a）RMRS的探测精度等于传感器与钻头之间距离的2%～3%；

b）传感器位于非磁环境中时，RMRS传感器能够检测到大约50 m范围的旋转式磁接头的磁信号；

c）传感器位于套管中时，RMRS传感器能够检测到大约20～30 m范围的旋转式磁接头的磁信号。

钻塞完毕后，水平井下入强磁发射工具，洞穴直井下入强磁接收仪。为保证顺利与洞穴井连通，定向井工程师根据实际施工要求加大测斜密度，依据实钻的轨迹数据，及时精确预测井底的井斜、方位、垂深等轨迹参数。

3.2 煤层气侧钻点的选择

a）侧钻点选在钻时小的增斜井段或者井斜大于90°的稳斜井段，尽量不要选择在降斜井段和钻时较大井段；

b）侧钻点尽量避开泥岩，选择在位于煤层中上部的井段；

c）侧钻点选择在井眼规则、无复杂情况的井段；

d）选择侧钻点时还要参考定向施工记录与钻时记录，综合考虑选择出最有利的侧钻点。

3.3 悬空侧钻

a）起钻至侧钻点上部，活动钻具，使钻具的扭力完全释放；

b）摆工具面在G160或者G210左右，慢慢上提下放钻具8～10 m，反复划槽5～8次，将钻头放至侧钻点，开始侧钻；

c）侧钻时控制钻速1 m/h钻进2 m，钻速2 m/h钻进4 m，钻速4 m/h钻进5 m，根据工具面的变化，及时调整工具面；

d）确定钻出一个钻头的深度后，调整工具面角到90～100°滑动钻进 10 m，再将工具面角调整到 80～90°，滑动钻进20 m（前40 m以扭方位为主）；

e）悬空侧钻结束后，地质导向师根据随钻测井数据超前预测和识别钻头在煤层中位置，然后根据地质导向师的要求调整井斜方位，定向井工程师要详细记录每个单根的施工过程以及测斜记录，计算造斜工具的造斜率，并为选择合适的侧钻点提供依据。

4 MWD仪器现场故障解决

4.1 钻进过程中信号丢失

这是施工过程中最常见的故障，具体表现为司显无波形显示，只有一条直线。首先检查远程数据处理器压力门限，无问题就再换个远程数据处理器，如果仍无变化，则可以要求井队停泵后重开一次泵，看远程数据处理器上有无开泵起始波，如果没有则是压力传感器出了问题应该立即更换，如果有则对其他地面设备进行逐一检查[6]。

4.2 空气包的影响

空气包的用途就是减少压力变化和机械震动，使泥浆流动平稳。同时空气包也会衰减井下脉冲发生器传上来的有用泥浆脉冲信号，通常情况不会有显著的衰减，不至于造成信号接收问题。当条件恶劣时，例如井较深、地层复杂，就很有必要考虑它。解决的关键是调节空气包，遵循的原则是空气包充压压力应为立管压力的1/4～1/3。 同时，用一个泵时，其它的泵应被隔离[7]。

4.3 伽马探管测试伽马值为0

伽马探管由伽马探头和电子组件组成，当地层中的放射性核素（主要有：铀、钍、钾）发生核衰变时，放射出伽马射线，部分的伽马射线被伽马探头探测到并转化为电脉冲信号，由电子组件进行测量和处理即得到地层的自然伽马放射性强度。根据地球物理、地球化学以及岩层沉集、油气运移、储积与岩层的相关性等理论，结合其他测井参数来推出被测岩层的岩性及油气田储藏情况。山西ZP02-1H井的施工过程中在进行侧钻时，地面测试伽马值为0，其他各个参数均正常，究其原因是伽马探管内部的耐高温、高抗振光电倍增管在井下温度过高或者震动很剧烈的情况下导致光电倍增管损坏，致使探管不能将伽马探头探测到的伽马射线转化为电脉冲信号。这种情况在现场只能更换伽马探管来解决，填写好仪器故障报告后送去维修。

4.4 关于防脱键的问题

HL-MWD+Gamma仪器采用的是下坐键方式。最上部安装的是打捞头，不能与其上部的钻杆或钻铤母扣紧密贴合，在井斜角大于70°的施工中极易造成仪器脱键，不能正常解码。所以在大井斜角或者水平井的施工中，一般在打捞头的上部安装一个合适长度的顶杆和电子多点托盘，这样就能和上钻杆的母扣紧密贴合在一起有效防止脱键情况的发生。在实际施工中，由于顶杆长度要根据实际钻杆的长度进行调整，现场施工人员必须对顶杆进行切削，极为不便。为解决这一问题借鉴国内其他定向井公司的先进经验，提出了较为合理的解决方案。在山西ZP02-1H井的施工过程中，首次采用防脱键的仪器下坐方式，效果良好。引鞋上加工的防脱键槽见图1；与防脱键槽相对应，在循环套内部加工一道槽见图2。

需要注意的是，由于机械厂在加工过程中的加工误差，加工的槽可能较浅，密封圈露出本体会较多，使得坐键困难，需要施工人员在仪器入井之前检验引鞋坐键问题，以免耽误施工。

图1 引鞋防脱键槽

图2 循环套内防脱键槽

4.5 双电池使用和整体导通性测试

山西煤层气与其他油井不同之处在于：钻进过程中，煤层极易垮塌，仪器在入井之后为确保侧钻成功，打够预定的煤层进尺，要求测斜仪器使用持续时间长，故障率低。为此，在平时使用的基础上多加一节电池，使电池理论工作时间达到600 h，在加伽马的情况下能够工作300 h以上。为确保仪器故障率比较低，在地面测试时需要对仪器进行整体导通性测试，方法如下：将BJ-1部件检测器的插针一端接入打捞头，另一端接入电池插针，将部件检测器上开关1-3、5-9全部处于接通状态，4和10处于断开状态，在上4和下4插入1Ω电阻，使用万用表测量上4和下4之间电流，确定脉冲、探管、伽马、扶正器、电池筒、电池状态，仪器串工作电流接Gamma时小于120 mA，发脉冲时小于320 mA；不接Gamma时小于100 mA，发脉冲时小于300 mA。

5 结论

a）在煤层里钻进极易垮塌，多注意钻井参数的变化，及时作出正确的判断。

b）采用短螺杆，缩小伽玛的测量盲区。

c）研制可退式仪器打捞矛。

d）主井眼在煤层钻进过程中，要及早预留好侧钻点。

e）井壁稳定和井眼规则是保证侧钻成功的基础。

f）在煤层气钻进过程中，需与地质导向技术人员密切配合。而且HL-MWD不能很好判断煤层底出还是顶出，这是HL-MWD不足之处。

[1]钱伯章，朱建芳.煤层气开发与利用新进展[J].天然气与石油，2010，28（4）：29-34.Qian Bozhang，Zhu Jianfang.New Progressin Coalbed Methane Development and Utilization[J].Natural Gas and Oil，2010，28（4）：29-34.

[2]谢传礼，涂 乙，涂 辉，等.我国煤层气开发对策及前景展望分析[J].天然气与石油，2011，29（6）：40-45.Xie Chuanli，Tu Yi，Tu Hui，et al.Coalbed Methane Development in China and its Prospect[J].Natural Gas and Oil，2011，29（6）：40-45.

[3]李士富，王曰燕，王 勇.山西沁水煤层气液化HYSYS软件计算模型[J].天然气与石油，2010，28（4）：22-25.LiShifu，WangYueyan，WangYong.HYSYS Software Calculation Model for Shanxi Qinshui Coalbed Methane Liquefaction[J].Natural Gas and Oil，2010，28（4）：22-25.

[4]乔 磊.沁水盆地南部低成本煤层气钻井完井技术[J].石油勘探与开发，2008，35（4）：482.Qiao Lei.Well Drilling and Completion Technology for Low CostCoalbedMethaneinSouthernQinshuiBasin[J].Petroleum Exploration and Development，2008，35（4）：482.

[5]向军文.定向钻进技术发展与展望[J].探矿工程，1998，（6）：8.Xiang Junwen.Development and Prospect of Directional Drilling Technology[J].Mineral Exploration Engineering，1998，（6）：8.

[6]姬战民.YST-48R无线随钻测斜仪常见故障的处理方法[J].企业家天地，2010，（03）：250.Ji Zhanmin.Handling Methods for Common Faults in YST-48R Wireless Inclinometer[J].Enterpriser World，2010，（03）：250.

[7]李 健.浅析无线随钻仪脉冲信噪比[J].石油仪器，2001，15（5）：51.Li Jian.Simple Analysis on Pulse SNR（Signal to Noise Ratio）in Wireless Inclinometer[J].Oil Instrumentation，2001，15（5）：51.