刘春梅 管少杰 周水源 张研蕾 刘娅飞

（中国石油渤海钻探工程公司第二钻井分公司，河北廊坊 065000）

摘 要非常规油气煤岩气勘探开采由中浅层逐步向中深层、深层发展。长庆油田石炭系本溪组深层8#煤岩气勘探开发，从2022年开始已进入第三轮开发，通过论证、分析、实践，完成部分关键环节的安全施工条件匹配，明确了钻探进度目标，但在煤层水平段钻探过程中还是会发生诸多煤层垮塌的卡钻、套管下不到底、开泵困难及填井侧钻等复杂事故。2023年，渤钻与川庆钻探协作共同完成深8#煤岩气双4845YH4水平井水平段先导试验，从设备设施配置、钻井人员操作、井身结构、水平段轨迹控制、钻井液体系等多方面进行优化，完成煤层水平段“一趟钻”1562米，顺利完成渤钻首口深层煤岩气钻探任务。

关键词：深层煤岩气深8#；煤煤层水平；段安全条件

中图分类号：TE254  文献标识码：A  文章编号：16712064（2024）23000704

0引言

鄂尔多斯盆地拥有丰富的煤炭资源，也包括富含天然气的烃源岩，源内非常规古生界气藏潜力和规模比页岩气更为巨大。开展盆地古生界源内气藏先导试验工作，部署实施盆地古生界源内气藏水平井，可开创盆地古生界源内气藏开发新局面，实现后备资源有序接替。长庆油田煤岩气位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡，盆地8#深层煤岩气资源量约12.69万亿立方米。其中，长庆探区8#煤岩气资源量10.32万亿立方米。近年来主力勘探开发的是绥德、纳林、米脂北等三大区块。2023—2030年三大区块集中建产，产量规模110亿立方米/年2031—2035年外围规模建产，进一步推动产量攀升，2035年产量达到180亿立方米/年。

1储层地层特点及施工难点

1.1储层地层特点

储层盖层厚度可达20～30m，主要是煤泥、煤灰和煤砂三种储盖组合。储层厚度6～12m，平均8.2m，8#煤层厚度大，夹矸以0～1层为主。主要为均一块状的原生结构，孔隙度0.54～10.67%，平均4.80%渗透率0.001～ 14.6mD，平均2.448mD，裂缝发育，渗透率较高[1]。

1.2施工难点

绥德、米脂北、纳林等三大区块由东向西储层埋藏深度逐步变深，施工难度也逐渐增大，主要是储层隔层中的碳质泥岩、煤矸石等以及施工过程中出层的灰岩、泥岩形成了煤岩节理弱化变形垮塌（如图1、图2所示），导致卡钻、下套管遇阻卡及泵开通困难。

2煤层水平段安全施工关键条件

2.1设计方面

2.1.1三开井身结构优化（如图3所示）

（1）常规水平井井身结构 。二开入窗，钻至石炭系本溪组，技术套管坐进本溪组三开为水平段施工。优点是煤层水平段专打。缺点是二开Φ311.2mm大井眼增斜难度最大，同时存在漏垮同层，施工周期长。

（2）小优化水平井井身结构。二开钻至二叠系太原组10m，技术套管坐进太原组稳定地层三开为部分增斜段+水平段。优点是避开多层易垮塌煤层段，能封住大部分易漏易垮井段。缺点是二开Φ311.2mm大井眼增斜施工难度较大，井斜60°左右Φ244.5mm套管下入困难，同时存在漏垮同层。

（3）大优化水平井井身结构。二开钻至二叠系石盒子组30m，技术套管坐进石盒子组稳定地层三开全部增斜段+水平段。优点是二开Φ311.2mm大井眼裸眼段短有利于提速且有效隔开漏垮同层。缺点是区块石盒子组以下地层承压能力不确定。该井身结构受区块地层特性影响较大，但最终会向大优化井身结构方向发展。在米脂北东部佳县区块已成功进行了先导试验，试验效果较好。

2.2钻井方面

2.2.1 主要设备设施匹配

（1）顶驱。优选功能齐全设备，能有效释放扭矩，反扭矩释放不了易造成人员和井下安全事故。

（2）送钻电机。送钻电机作为动力系统的辅助设施，能提供处理复杂事件时的匀速提升动力，有效减少起钻所产生的抽吸压力。

（3）电动钻井泵。优选电动钻井泵，能保持排量、泵压稳定。

（4）循环罐。循环罐安装前应尽可能垫高，保持循环罐液面高度，确保钻井泵上水效率。

（5）真空除气器。三开前做好设施的检修、保养和更换，决不能带着问题工作，处理能力不小于240m3/h。

以上设备设施在施工煤岩气水平段过程中，为满足水平段“一趟钻”[2]，确保在煤层垮塌周期内完钻，基本上是不停运转的，所以对以上设备设施要求较高。

2.2.2 钻井主要操作人员要求

（1）刹把操作。优选刹把操作熟练、技术过硬的人员2名，对不能满足操作要求的人员，不允许操作刹把。

（2）钻井泵管理。副司钻专攻钻井泵的管理，可匹配1人，保持2台泵能有效倒换使用。

（3）循环罐人员匹配。除常规液面坐岗，负责钻井液性能监测、维护，补充药液的坐岗工、泥浆工2人外，需要从班组抽调补充1人，协助泥浆工完成对受污染泥浆处理及大量补充钻井液。

2.3录井方面

地质导向师由甲方指派，应保持在现场与甲方的密切联系和有效沟通，而且要非常熟悉区块产层走向趋势及产层垂差比。

2.3.1录井

对传达的地质指令要明确。对不明确的地质指令，要进行核实，多次确认后发出，避免造成反复调整。

2.3.2气测

钻进过程中发现钻井参数、全烃数值异常，要做好风险预警工作，发挥好地质工程一体化作用。

2.4定向井方面

定向井负责人要吃透区块产层走向趋势、产层垂差比及产生的角差数值，能与现场地质导向师进行有效沟通，在执行地质导向指令的同时能有自己独立的轨迹控制观点。

2.4.1定向井人员

匹配技术能力过硬、责任心强、具备预见性的技术人员。煤层水平段超过1000米后能通过所掌握的产层走向趋势，利用钻具组合特点控压进行井眼轨迹控制[3]，减少滑动钻进。

2.4.2工具、仪器优选

（1）螺杆工具优选。与厂家定制长寿命新螺杆（无扶或双扶螺杆），工作时间不小于300小时。

（2）仪器优选。增斜段1.5°螺杆+MWD仪器煤层水平段1.25°螺杆+近钻头方位伽马（匹配成像）+LWD仪器。仪器工作时间不小于300小时。

2.5钻井液服务方面

钻井液负责人职责。能根据地层岩性变化（碳质泥岩、煤矸石、泥岩及灰岩等），及时调整密度进行补压，保持井筒压力均匀、平衡。

钻井液体系。优选“强封堵、强抑制、强护壁”钻井液体系[4]。

重点性能控制。钻井液性能密度1.40～1.45g/cm3、黏度70～100s、失水≤2mL、坂含量25～40g/L（如图4所示）强化封堵引入纤维树脂、封堵剂NAX50等完善体系配方，软硬封堵剂粒径级配进一步强化封堵强化抑制体系中盐类抑制剂加量8%～15%，同时加入1%～2%多元聚合醇，提高钻井液抑制性，减少地层水化作用强携砂性能补充黄原胶、抗盐土、提高动切力达到15Pa以上，Φ6读值9～13（见表1）。

表1 不同浓度抗盐土Φ6变化数值

配方	Φ600	Φ300	Φ200	Φ100	Φ6	Φ3	失水
4%抗盐土	50	39	35	28	9	7	13
5%抗盐土	68	55	50	42	26	24	10.4
6%抗盐土	79	72	68	59	42	40	8.8

2.6辅助工具优选及匹配

随钻震击器。优选进口随钻震击器，安装位置距钻头60～70m。

旋转下套管工具匹配及试运转。安装前检查工具是否配套齐全（如图5所示），安装完后检查与顶驱配置是否运转正常（如图6所示），做好培训及技术交底。

3现场应用及效果

3.1现场应用

3.1.1地质概述

双4845YH4井位于陕西省榆林市榆阳区青云镇果园塔村。储层盖层太原组本溪组为煤灰组合。煤岩层分布稳定，厚度6.8～8.9m，气测峰值72.29%～91.46%，本溪组8#煤层展布稳定连续，且含气性好，是有利的勘探开发领域。

3.1.2 井身结构

该井优选三开小优化井身结构（如图7所示）。二开坐进太原组，三开增斜入窗+水平段施工。

图 7 设计井身结构

3.1.3三开前准备工作

（1）井筒准备。Φ311.2mm钻头增斜钻进至井深2825米，井斜67°，进入太原组灰岩5mΦ244.5mm技术套管安全顺利坐入稳定地层2.77m（如图8所示）。

（2）优选刹把操作人员。司钻和带班队长操作刹把，其他人员不允许操作定向滑动由带班队长操作完成。

（3）设备设施准备。维护保养送钻电机、ZLCQ240真空除气器更换F1300钻井泵匹配170mm×1+160mm× 2缸套等。

（4）泥浆转型。配置CQSEAL强封堵钻井液，密度1.31～1.35g/cm3黏度60～65s中压滤失量4.0mL。

3.1.4 井眼轨迹控制

（1）产层走向趋势。产层垂差11～12m，入窗后下倾、上挑、下倾再上挑持平。

（2）工具仪器准备。MWD、近钻头方位伽马仪器各两套定制1.25°单扶和无扶螺杆各一套、1.5°单扶螺杆一套。

（3）轨迹控制。①钻具组合Φ215.9mmPDC+ 172mmLZ（型号7LZ172×7.0SF1.5°，下扶212mm）+

Φ168mm浮阀+Φ172mmMWD+Φ172mmNDC+Φ127mm无磁加重+Φ127mm HWDP×6根+Φ127mmDP×18根+ Φ127mm HWDP×26根+Φ127mmDP。单扶强增倒装组合，完成由67°增斜至85°入窗，井深3024m。入窗井深2988m。②钻具组合Φ215.9mmPDC+Φ172mm发射短节+Φ172mm螺杆（型号7LZ172×7.0SF1.25°，下扶210mm）+Φ168mm浮阀+Φ208mm螺扶+Φ174mm接收短节+Φ171mm承压无磁钻杆+Φ127mmHWDP×5根+Φ165mm随钻震击器+Φ127mmHWDP×1根+Φ127mmDP×204根+Φ127mmWDP×45根+Φ127mmDP。双扶正器欠尺寸微增倒装钻具组合，在井深4026米（水平段1023米）前，采取定3米完成轨迹调整，用时0.3～0.5小时/3米井深4026米后利用欠尺寸组合优势，进行控压（10～60KN）钻进[5]。成功完成煤层水平段“一趟钻”进尺1562米。

3.1.5 钻井液体系优选及维护

（1）钻井液体系优选。优选CQSHIELD微交联封堵钻井液体系。

（2）钻井液维护。①入窗前密度逐步提至1.40g/cm3～ 1.42g/cm3，逐步提高至1.43～1.44g/cm3，完钻后再提到1.45g/cm3，黏度保持60～85s，失水3.0mL以内钻遇出层泥岩，密度控制在1.45～1.47g/cm3，平衡煤层中胶结性垮塌。②煤层钻时快，钻井液消耗量大[6]，配置的新钻井液平均日补充量为40～50m3。钻井液蒸发量大，每天溜2～3m3烧碱水或清水的方式，维护钻井液密度和钻井液流动性。③长水平段施工中煤岩容易形成岩屑床，定期采用CQSCF清扫浆进行清扫[7]。CQSCF清扫剂加量0.1%。尤其在起钻前，保证井眼清洁，减少岩屑床的形成，必要时进行短起下。④每8小时做一套全套性能（见表2）。高全烃值泥浆返出，加密监测入口仓密度，防止污染泥浆侵入。

表2 钻井液性能监测数值

井深	层位	P（g/cm3）	FV	Φ600	Φ300	Φ6	Φ3	FL	备注
2825	太原	1.32	60	82	52	5	4	3.2
2912	太原	1.34	63	80	51	5	4	3.2
2993	本溪	1.39	65	119	79	8	6	3.0
3042	本溪	1.40	65	122	81	8	6	2.8	2988m入窗
3132	本溪	1.43	69	116	78	7	5	2.8
3283	本溪	1.43	69	118	76	7	5	2.4
3352	本溪	1.43	72	120	79	8	6	2.2
3410	本溪	1.43	69	130	85	8	6	2.0
3540	本溪	1.43	68	128	84	8	6	2.0
3558	本溪	1.43	84	152	102	9	7	2.0
3739	本溪	1.43	82	154	108	8	5	1.8
3881	本溪	1.43	85	140	102	9	7	1.8
3917	本溪	1.44	82	145	94	10	7	1.6
4171	本溪	1.44	80	151	99	8	5	1.6
4369	本溪	1.45	82	155	101	8	6	1.6
4466	本溪	1.45	80	138	86	8	7	1.6

3.1.6 完井作业

（1）通井钻具组合。Φ215.9mm3A+双母+4A11*410+Φ168mm浮阀+Φ210mm扶正器+Φ127mmHWDP×5根+Φ165mm随钻震击器+Φ127mmHWDP×1根+ Φ127mmDP×204根+Φ127mmWDP×45根+Φ127mmDP。

（2）通井方案。第一次长短起下拉进套管内60m，起下正常第二次短起下拉过泥岩出层段3900m，起下正常后效数值满足下套管时间要求。

（3）存在不足。Φ139.7mm气层套管下至井深4245m突然遇阻。主要是由于水平段煤层突然垮塌造成。设定扭矩15kN.m，以8min/圈旋转套管仍未能解除。考虑长时间循环会造成煤层再次垮塌，被迫提前固井。

（4）安全顺利完成高压91Mpa套管试压工作。

3.2 现场应用效果

双4845YH4井，三开井段2825～4550m，段长1725米，其中煤层水平段2988～4550m，用时10.42天完成“一趟钻”1562m。三开井段与邻井周期缩短0.38～3.42天，同比缩短2.64%～19.59%，机械钻速提高2.56～2.95m/h，同比提高38.96%～47.73%。

该井完钻井深4550m，最大井斜92.8°，井底水平位移2059.5m，三开煤层水平段长1562m。钻井周期71.96天，完井周期12.5天，钻机月速1613.48m/台月，机械钻速8.84m/h。完成超高压91MPa试压合格，井筒质量合格率100%。安全顺利完成渤钻首口深层煤岩气钻探任务（见表3）。

表3 三开井段（增斜+水平段）对标情况

井号	三开井段	三开段长	煤层水平段长	三开周期	机械钻速
	m	m	m	d	m/h
双4845YH4	28254550	1725	1562	14.04	9.13
任南1H	27684787	2019	2065.6	17.46	6.57
米4530YH3	25383879	1341	1066	14.42	6.18
对比				(0.383.42)	+（2.562.95）
%				↓2.6419.59	↑38.9647.73

4结语

（1）通过从重点设备设施调整、关键操作人员控制、煤层水平段技术规范及管理、钻井液体系优选等重点环节入手，结合地质工程定向井一体化应用，实现了渤钻在长庆市场首口深层煤岩气安全施工。

（2）通过优选人员管控操作，制订《三开钻进技术保障措施二十条》《通井下套管方案及安全技术保障措施》《试高压91MPa安全技术要求》，实现安全生产及钻井提速，未发生有责井下事故。

（3）优化欠尺寸螺杆钻具组合，采取控压钻进，实现煤层水平段“一趟钻”。

（4）量化下钻、倒划起钻速度以及钻井液密度补压，保持井筒均匀稳压，弱化煤层垮塌。

（5）规范了水平段安全施工的硬性条件，形成水平段施工技术模板，为今后深层煤岩气水平段安全提速提供强有力技术支撑。

参考文献

[1] 康毅力,孙琳娜,房大志,等.氧化处理缓解煤岩储层煤粉堵塞损害实验[J].天然气工业,2020,40(11):6875.

[2] 杨金华,郭晓霞.一趟钻新技术应用与进展[J].石油科技论坛, 2017,36(2):3840.

[3] 张金昭.水平井托压问题原因分析及解决措施[J].化工管理, 2014,11(1):179.

[4] 孟祥娟,陈德飞,康毅力,等.高pH值流体对煤岩储层的损害评价[J].煤田地质与勘探,2016,44(6):8591.

[5] 刘玉明.水平井钻井岩屑运移特性及水力参数优化研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2015.

[6] 徐同台,刘玉杰,申威.钻井工程防漏堵漏技术[M].北京:石油工业出版社,1998.

[7]徐德行,长水平段水平井钻井难点与技术对策探讨[J].西部探矿工程,2017,29(7):5455. 

作者简介刘春梅（1973—），男，四川富顺县人，研究方向钻井工程。

Discussion on the Technical Conditions of Safe Drilling in the Horizontal Section of the Deep 8# Coal Seam

LIU Chunmei,GUAN Shaojie,ZHOU Shuiyuan,ZHANG Yanlei,LIU Yafei

(NO.2 Drilling Engineering Company, BHDC，Langfang  Hebei065000)

Abstract:Unconventional oil and gascoal rock gas exploration has gradually developed from the medium and shallow layer to the medium and deep layer. The deep 8# coal gas exploration and development of the Benxi Group of Changqing Oilfield Coal System has entered the third round of development since 2022. Through demonstration, analysis and practice, the safety construction conditions matching of some key links have been completed, and the drilling progress goals have been clarified. However, many coal will still occur in the drilling process of the horizontal section of the coal seam. Accidents such as layer collapse stuck drill, casing down to the bottom, difficulty in opening the pump, and filling side drilling are complicated. In 2023, BHDC and Chuanqing Drilling cooperated to jointly complete the pilot test of the horizontal section of the deep 8# coal rock gas double 4845YH4 horizontal well, and optimised from the configuration of equipment and facilities, drilling personnel operation, well body structure, horizontal section trajectory control, drilling liquid system and other aspects to complete the "onetrip drilling" of the horizontal section of the coal seam. 1562 metres, safely and successfully completed the first deep coal gas drilling task in the BHDC.

Key words:deep coal seam gas;deep 8# Coal;horizontal section of the coal seam;safety conditions