小井斜侧钻定向井过煤层技术难点与对策分析

余德望 李风雷

摘      要： LU1112井是陆9区侏罗系西山窑组一次性成功实施的小井斜过煤层侧钻定向井。在侧钻过程中发生了多次井漏，并且成功的实施了堵漏。对西山窑组的煤层坍塌机理做了研究。从钻穿煤层时泥浆性能的调整，钻进参数的有效控制，及多项防止煤层坍塌措施等多个方面进行了论述。对此次过煤层侧钻技术及难点进行了思考，并展望了大井斜过煤层侧钻技术的发展趋势。对陆梁陆9井区侏罗系西山窑组的煤层侧钻有很好的参考意义。

关  键  词：西山窑煤层侧钻;坍塌机理;井漏堵漏;技术难点;煤层侧钻展望

中图分类号：TE242          文献标识码： A       文章编号： 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

過煤层侧钻是陆梁油田目前所需求的一项侧钻技术。LU1112井是陆9井区侏罗系西山窑组（J2×4）首次一次性成功实施的一口小井斜过煤层侧钻定向井。该井侧钻区域油层发育较好，但依据地质资料及侧钻轨迹设计，在侧钻方位124°，垂深2 216～2 220 m时会遇到煤层发育。该井下固定斜向器于1 960 m，由1 960 m开窗至1 963.6 m。由1 963.6 m稳斜钻进至1 990 m，由1 990 m开始造斜钻进至井深2 267 m完钻。井底井斜：18°，方位：124°，垂深：2 258.02 m，视位移：34.55m。

2  过煤层侧钻经过及技术难点

2.1  过煤层侧钻经过

根据地质资料及中靶要求，首先优化了该井的轨迹设计：造斜钻具组合钻至煤层垂深前80 m，就以5.37 °/30 m的造斜率达到后期中靶要求的井斜15.44 °。在钻遇煤层时全段采用复合钻具组合：117.5 mm PDC钻头+Φ73 mm加重钻杆2根+     Φ73 mm直角钻杆串。最终通过两趟增斜钻进和一次稳斜钻进，侧钻轨迹按设计要求中靶[1-2]。施工经过如表1。

2.2  煤层段钻进防塌控制技术

1）对煤层段采取煤样的研究分析得知，煤层坍塌机理可以概括为以下几点：

①由于构造应力、地层压力的作用，钻开煤层后钻井液液柱压力不能平衡地层压力和构造应力，使井壁岩石受力不平衡，导致掉块坍塌，尤其是该井这种带井斜穿过煤层的井，煤层受重力及上覆地层的压力作用坍塌更为严重[3-4]。

②由于煤层节理、裂隙发育，胶结疏松。当钻井液滤液沿裂隙渗入时，会削弱煤岩之间的连结，进一步降低胶结强度，诱发坍塌。

③煤层节理、裂缝及微裂隙发育，胶结差、脆性大，在钻具碰撞震动、钻井液冲刷等外力作用下容易碎裂坍塌（图1）。

2）防止煤层防塌控制技术。在该井过煤层钻进中，为防止煤层坍塌，主要从钻井液性能及施工参数做了相应的改善：

①首先要选择合理的钻井液密度。煤层的岩石往往强度偏低，当受到钻井液、滤液浸泡后，煤岩强度会进一步的降低，因此，当遇到煤岩层，钻井液的密度不能过大，否则会将煤层破坏。当然钻井液的密度也不能过小，过小密度的钻井液会使得应力释放，煤层会沿节理或者裂缝崩裂，发生坍塌。在该井钻进中采用钻井液密度范围在       1.04～1.1 g·cm-3。

②钻井液要具备较强的封堵能力和优良的造壁性：钻开煤层前调整钻井液性能为防塌钻井液体系，一次性加足封堵材料[5-7]。基于煤层节理及裂缝发育特点，当钻井液滤液进入煤层后，使得煤层强度进一步降低，加剧煤层的崩塌，因此具有良好封堵能力的钻井液，是支撑井壁并降低滤液进入煤层的必备条件。

③钻井液要具有良好的润滑性，减小井下复杂情况的发生可能性。润滑性良好的钻井液，可降低井壁与钻具间摩擦力，同时减少起下钻遇卡的几率，预防井下事故发生。

④对钻井施工参数提出如下几点要求。

限速钻进：钻具选用加重钻杆2根带PDC钻头穿煤层;10～15 min·m-1，参数：钻压20 kN，转数30 r·min-1，排量一般控制在30 L·s-1（83冲左右），钻速小于5 m·h-1，可根据钻时实际情况适当小范围调整钻井参数，同时钻进过程中如果出现钻时、扭矩等异常情况，应立即停钻，上提观察[8-9]。

逐段划眼：煤层段每钻进1 m，上提（上提过程中转盘转数10～15 r·min-1）倒划眼，循环2～3 min观察泵压，泵压正常的情况下，缓慢划眼到底，加压恢复钻进后检查扭矩、泵压是否正常。

充分造壁：由于煤层段抗拉强度低、弹性模量很小、裂缝发育好、脆性大、水敏性差、水化能力低，在地层应力及其他应力作用下易失去稳定而坍塌。因此，我们需要钻井液有良好的润滑性、造壁性，尽可能低的滤失量，经充分的循环钻井液可稳定煤层。

2.3  井漏处理技术

钻遇煤层前共发生了3次井漏，具体情况见表2。

第三次井漏后，参照前两次的堵漏失败经验，补充泥浆量，将泥浆密度将至1.08 g·cm-3，加入1 t随钻堵漏剂+0.15 t PWD变形活塞凝胶堵漏剂，循环堵漏剂，此时漏速将至2 m3·h-1。循环洗井2周后，循环正常无漏失，堵漏成功，调整性能后恢复钻   进[10-11]。

该井漏失为地层扩张性裂缝漏失，地层裂缝不大，前期使用综合堵漏剂堵漏，由于裂缝不大堵漏剂在漏失点井壁表面很快形成桥塞，使堵漏剂不能较多进入地层中有效封堵漏层，只是暂时的堵住地层裂缝，造成地层可以暂时承受较高压力的假象。但是，洗井过程中，经过钻井液冲刷，桥塞很快被冲开，裂缝又暴露出来，造成前两次堵漏不成功。

最后堵漏成功是通过降低泥浆密度降低泥浆对地层产生液柱压力，并加入了随钻堵漏剂和变形颗粒有效地进入到地层封堵住裂缝，堵漏成功。

钻遇煤层时发生井漏。第二趟造斜钻具组合钻进至2 217.91 m时，根据井眼轨迹预测井底垂深达到2 211 m。提钻换穿煤层钻具：Φ117.5 mm PDC造斜钻头+Φ73 mm加重钻杆2根+Φ73 mm斜坡钻杆14根+Φ73mm直角钻杆串+方钻杆。（此钻具组合较螺杆钻具组合对煤层构造应力的伤害较小，在实际钻进时取得了预期的效果）[12-13]。

初步将过煤层时的泥浆密度提至1.11 g·cm-3。当钻进至2 218.5 m时，钻速加快， 钻开煤层。此时发生井漏。

煤层段堵漏成功后，及时降泥浆密度至    1.09 g·cm-3，黏度48 s。煤层段漏失得到成功控制，继续钻进。通过陆梁陆9区块的井漏堵漏效果，我们认识到若发生失返性漏失可采用综合堵漏剂进行桥堵堵漏。若漏失量大于20 m3·h-1的漏失，可采用随钻堵漏剂堵漏。

固井时发生井漏。本次固井注入前置液清水   2 m3、注入r =1.89 g·cm-3的灰浆3.2 m3，顶替液清水6.7 m3。顶替结束后，上体钻具循环洗井，出口不见灰浆。

钻进时：循环立压-螺杆压耗+钻井液液柱压力=井底压力。

12 MPa-6 MPa+24.6 MPa=30.6 MPa。

固井時：循环泵压+钻井液与灰浆液柱压力差=井底压力。

10 MPa+2 MPa=37 MPa。

经过计算，可见固井时井底的最高压力超过了钻进时发生井漏的井底压力，必然会导致井漏。该井井漏堵漏处理材料如表4。

3  过煤层侧钻井的难点分析与对策

通过过煤层侧钻井的实践，我们认识到煤层坍塌和漏失是过煤层侧钻的主要难题。在面对大井斜煤层侧钻井时，这个难题应从钻井液性能和钻井工艺两方面研究解决[14]。

3.1  防生绒囊钻井液技术

目前，国内应对煤层侧钻井最为领先的钻井液技术为仿生绒囊钻井液技术。绒囊钻井液堵漏机理是根据漏失地层开度、裂缝缝宽和溶洞高度自动调节形状和性能，或者利用钻井液高黏度，全面封堵地层，提高漏失地层的承压能力。其有以下几方面的优越性：

1）当遇到的漏失尺寸比气囊大时，气囊通过膨胀进行封堵作用，或堆积成横放的圆锥状，如此可以把钻井液液柱压力分解成树枝状的分布，减小地层流体的压力作用，控制漏失量。这被称为“等压封堵理论”。而当前许多封堵理论都是形成封堵“墙”，让整个墙承压，难度较大，成功率不高。

2）当遇到的漏失尺寸与气囊接近时，气囊被低压的漏失层吸入，气囊被拉长，增大了流入阻力，起到封堵漏失层的作用。这被称为“耗压封堵理论”，而当前难度主要是集中在刚性堵漏粒子级配方面。

3）遇到比气囊尺寸小得多的漏失通道时，聚合物和表面活性剂吸附地层表面形成高黏度薄膜，封堵漏失地层。称为“承压封堵理论”。而目前的刚性粒子则不能封堵这么小的微裂缝。

这种防生绒囊钻井液完全能够满足过煤层侧钻井井筒内地层、煤层两种不同漏失的窄密度窗口的堵漏，也可以起到保护煤层，促使煤层受力均匀，有效地防治煤层坍塌及漏失（图2）。

3.2  随套钻井技术

随套钻井技术是指在钻进过程中，直接采用套管传递机械能量和提供循环通道，边钻进边下套管，完钻后投球丢手，提出钻具套管留在井内。这种随套钻井技术，在过煤层时可以直接抑制煤层段的膨胀和坍塌（图3）。

具体实施步骤：在钻遇到煤层时，提出原钻具组合，对裸眼段通井划眼畅通。更换随套钻具：普通钻杆串+投球式丢手接头+套铣管+套铣钻头。套管段长度根据煤层斜深匹配，套管规格可结合井眼尺寸、井眼曲率及后续钻具组合协调选择[15]。

随套钻井对前期的井眼轨迹有较高的要求，随套钻井前要保证前期轨迹要达到设计中靶的井斜和方位，随套钻进之后就不能有效地调整轨迹。这种钻井技术多适用于增—稳型的定向井井眼轨迹，且对井眼狗腿有较高的要求。

4  结论

1）在30°井斜范围内穿越陆9区西山窑组（J2×4）垂深在2 216～2 220 m的煤层时，安全钻井液密度取值为1.08 g·cm-3。

2）陆9区失返性漏失的井可用15%的随钻堵漏剂+PWD变形活塞胶凝堵漏剂配制堵漏剂循环洗井，便可堵漏成功。

3）煤层钻进时采用限速钻进、充分造壁、逐段划眼的控制措施能够有效地防治煤层坍塌。

4）大井斜侧钻煤层井必须从钻井液技术与钻井工艺两个方面做出新的研究与应用。

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