平頂山首山一礦煤層氣鉆井施工工藝的實踐及應用

杜貴亭

(河南省煤田地質局四隊,河南 467000)

平頂山首山一礦煤層氣鉆井施工工藝的實踐及應用

杜貴亭

(河南省煤田地質局四隊,河南 467000)

用鉆井手段形成煤層氣生產井并通過技術手段抽取煤層中的煤層氣,既可以為今后的煤礦生產降低安全隱患,又可以提供一種清潔的新型能源,同時也能夠緩解能源緊張的局面,本文介紹了平頂山礦區首山一礦的煤層氣抽放情況及根據其特點所采取的措施。

首山一礦 煤層氣 鉆井 鉆具組合

Abstract:The means of building CBM production wells by drilling wells and draining CBM in the coal seam with special technique will not only reduce the safety risks during coal mining process,but also will provide a type of new clean energy,which can at the same time ease the energy crisis.The paper introduces CBM recovery in Shoushan No.1 Mine and the meaeures taken by its situations.

Keywords:Shoushan No.1 Mine;CBM;Well drilling;BHA

近年來,煤層氣作為一個新型的能源、越來越受到人們的關注和重視,對其開發利用和綜合治理的工作力度也在逐年加大并取得了一定的成果。據有關資料顯示,僅河南省埋深在2000m以淺的煤層氣資源總量約10427.61億m3、1500m以淺的約為7140.38億m3。由此可見,大力開展煤層氣的開發和綜合利用前景可觀,潛力巨大。如何開展煤層氣鉆井并順利完成地質鉆井施工任務,為煤層氣開發利用提供技術上的支持和保障就顯得十分重要。河南省煤田地質局四隊在平頂山礦區首山一礦進行的煤層氣鉆井施工中,運用現有的鉆探技術和鉆探設備對煤層氣的鉆井施工工藝進行了有益嘗試,取得了較好的實踐效果。

1 地層概況

平頂山礦區首山一礦地層自上而下為第四系、二疊系上統上石盒子組、二疊系下統下石盒子組、二疊系下統山西組、石炭系太原組。

第四系:層厚68.00m左右。頂部為耕植土,其下為黃灰色粘土、亞粘土,局部夾砂礫石,松散易垮塌。與下伏地層呈角度不整合接觸。

二疊系上統上石盒子組:層厚250.00m左右。上部為灰色泥巖,灰綠色砂質泥巖,夾薄層淺灰色細粒砂巖;中部為灰色、灰綠色泥巖,夾薄層淺灰色細粒砂巖;下部為灰綠色、深灰色泥巖,淺灰色細粒砂巖。

二疊系下統下石盒子組:層厚330.00m左右。上、中部以灰色、深灰色泥巖、砂質泥巖,淺灰色細粒砂巖,夾薄煤層;下部為灰色、深灰色泥巖,淺灰色、灰色砂質泥巖,淺灰色細粒砂巖及煤層。三9-10煤位于該組中下部。

二疊系下統山西組:層厚80.00m左右。本組巖性為淺灰色、灰色砂質泥巖,深灰色泥巖,淺灰色中、細粒砂巖及煤層。二1煤位于該組底部,是煤層氣井的主要抽采目的煤層。

石炭系太原組:層厚35.00m左右(未鉆穿)。巖性以灰色石灰巖為主,夾灰色砂質泥巖、泥巖及細粒砂巖。本組地層未鉆穿。

2 施工目的和難點

2.1 施工目的

本區煤系地層為石炭二疊系,目標煤層為二疊系下統下石盒子組三9-10煤層與山西組二1煤層,鉆井目的是了解本區煤層氣賦存條件及含氣量,獲取區內與煤層氣地質及生產相關的數據,主要包括:煤層埋深與厚度、煤巖及煤質特征、完成下套管及固井工作,為該區煤層氣的綜合治理和開發利用奠定基礎。

2.2 施工難點

平頂山首山一礦煤層氣生產試驗井位于東南-西北走向的白石山背斜兩側,其中SY-002井位于背斜南,SY-003井、SY-004井位于背斜北,據相關資料顯示,此區域地層傾角大,平頂山砂巖硬度大,鉆井施工極易向背斜軸方向偏斜,預防井斜是該區塊鉆井施工的重點。

該地區一開施工井段地層復雜,含多層流砂及礫石層,井內安全隱患大且由于地層裂隙多,易造成井內涌漏,增加了鉆井的施工難度。礦區地層泥頁巖水敏性較強,遇水易水化膨脹,造成縮徑,可能發生井下復雜情況,因此防卡也是鉆井施工中不可忽視的工作。

由于該地區地層相對復雜,且不穩定,在二開采用清水鉆進的過程中易產生坍塌、掉塊等不安全因素,造成施工難度加大。

3 設備的選擇

鑒于煤層埋藏深度接近1000m,且地層變化往往會導致鉆孔延深,因此在選擇鉆探設備上,應充分考慮到這些因素,以使鉆探鉆井順利達到施工目的。

鉆機:TSJ-2000型鉆機

柴油機:6v135柴油機

泥漿泵:3NB35型泥漿泵

鉆塔:JJ50-24A以及其它配套設備

4 鉆進方法及鉆具組合

4.1 鉆進方法

一開:0～70m采用φ311.1mm牙輪鉆頭鉆進。二開:70m至目的層位非取芯井段采用φ215.9mmPDC鉆頭或牙輪鉆頭無芯鉆進,取芯井段采用φ215.9mmPDC取芯鉆頭鉆進。

4.2 鉆具的組合:

(1)一開鉆具結構:φ311.1mm鉆頭+φ178mm扶正器+φ159mm鉆鋌+φ127mm鉆桿

圖1 一開鉆具組合示意圖

(2)二開鉆具結構:φ215.9mm鉆頭+φ178mm扶正器+φ178mm鉆鋌+φ159mm扶正器+φ159mm鉆鋌+φ127mm鉆桿

圖2 二開鉆具組合示意圖

5 泥漿的選擇

(1)第三、四系地層(一開井段):采用聚丙烯酰胺低固相鉆井液,用優質膨潤土配置基漿,用CMC、鈉土粉、純堿調整泥漿性能。由于第三、第四系地層不穩定(見表1),流砂與卵石互層,泥漿應加入適量防塌劑,以提高泥漿防塌能力,同時起下鉆具要慢、穩,防止井內壓力激動,引起井壁坍塌。

表1 第三、四系泥漿性能

(2)非煤系地層段地層(見表2):采用低固相鉆井液鉆進,鉆進時可適當加入鉀鹽、胺鹽等防塌處理劑,加入絮凝劑提升巖屑上返能力,達到安全鉆進的目的。

表2 非煤系地層段鉆井液性能

(3)煤系地層段鉆井液性能(見表3):煤系地層至完鉆為保護煤層,嚴格按要求使用清水鉆進。

表3 煤系地層段鉆井液性能

6 安全施工保障措施

6.1 防斜措施

把好設備安裝質量關,保證天車、轉盤中心、井口一條線。采用合理的防斜鉆具組合,確保井斜不超限。一開輕壓吊打,控制鉆速,在鉆遇礫石層時為防止井斜突然增大,將鉆壓降為3K N。二開鉆進應適當控制鉆壓且給壓要均勻,鉆壓、轉速、水量三個主要參數要科學合理,三班保持一致,防止打斜。在換徑或傾角大的地層中鉆進時,考慮到鉆孔比較深,即便是在正常鉆進情況下、也必須加帶同徑導向,以確保鉆孔的垂直度、保證孔斜達到設計目的。要認真檢查鉆具連接后的同心度,不同心或彎曲和不合格的鉆具不得下入孔內。嚴格按設計要求跟蹤測斜,每50m測斜一次,及時監測井斜情況,確保井身質量。當發現井斜有加大的趨勢時,要下入糾斜鉆具進行糾斜。

6.2 防漏措施

地表層可提高泥漿粘度以防漏,靜置以堵漏。鉆井至易漏層段,可在泥漿中加谷殼、核桃殼、鋸沫、屏蔽暫堵劑等材料以防止井漏。遇漏失時,認真記錄其漏失量、漏失速度、漏失層位和泥漿性能。漏速超過10m3/h的大漏,須及時向相關部門請示匯報并商議解決方案后,方可進行施工。控制合理的泥漿密度,防止加重過度而壓漏地層。

6.3 防塌措施

堅持做好隨起鉆隨灌泥漿的工作,以確保鉆具起完井內灌滿鉆井液,保持井內地層壓力平衡。嚴格控制鉆井液相對密度及性能變化的范圍,控制失水,仔細觀察巖屑返出情況。若發現井下垮塌,必須嚴密注視井下情況,保持鉆井液性能的相對穩定,避免大起大落。禁止在易坍塌井段高速起下鉆,嚴重坍塌段禁止轉盤卸扣。不能長時間在同一深度大排量循環泥漿,以防沖垮井壁。防止加重過猛,壓漏地層面引起井下壓力失去平衡,造成更嚴重的坍塌漏失。

6.4 防卡措施

加強設備的維護與保養,確保鉆具入井期間設備始終保持正常運轉狀態。調整維護好泥漿性能,確保泥漿性能一直處于優質狀態。合理控制泥漿密度、做到近平衡壓力鉆進,防止壓差卡鉆。根據井下情況,適當提高鉆井液密度,以平衡地層壓力,抑制塑性地層向井眼方向蠕動。對于頁巖膨脹地層,抑制失水,加入抑制泥頁巖膨脹的處理劑。對于易縮徑地層,每打完一個單根都應反復劃眼。起鉆過程如有遇卡現象嚴禁強力提拔,要反復劃眼,直至暢通無阻。

6.5 防掉落物措施

起下鉆前應檢查大鉗鉗牙固定是否牢固,吊卡手柄等是否完好,吊卡擋銷保險繩是否合格。下鉆轉盤面要干凈,嚴禁轉盤上放工具。當使用卡瓦時井口操作工應仔細檢查卡瓦固定是否牢靠,卡瓦有無斷裂,如有斷裂的應及時更換。空井作業時應蓋住井口。在井口作業時,所有工具都要系保險繩。

6.6 防鉆頭事故措施

鉆頭入井前進行“三級”檢查,在確認尺寸、型號、扣型、水眼安裝、鉆頭質量無問題后方可入井。新鉆頭下到井底后按規定跑合牙輪,待牙輪活動好后再加到設計鉆壓鉆進。采取有效措施,杜絕溜鉆、墩鉆的發生。

6.7 實際應用

按照本文所述鉆井工藝和各項技術保障措施,我單位在該礦區共施工3口煤層氣生產試驗井,分別為:SY-002井、設計井深760m、實際井深753.38m。SY-003井、設計井深850m、實際井深851m。SY-004井、設計井深848m、實際井深756m。由于鉆探施工設計合理且技術保障措施得力有效,三口井全部實現了一次成井。

7 結論

(1)通過該礦區的鉆井工作,對獲得的鉆井技術資料進行分析,基本上查清了該礦區目的層煤層氣賦存條件并獲取了與煤層氣地質及生產相關的數據,達到了鉆探鉆井施工的預期目的。

(2)通過對三口煤層氣生產試驗井的鉆井施工,科學運用當前現有的鉆探技術裝備,對該礦區開展煤層氣鉆井施工進行了有益的嘗試并取得了成功經驗。

(3)在煤層氣勘探施工中,鉆井技術及與之相對應的技術保障措施、是確保實現鉆井目的的重要因素。依據現有的鉆井施工技術是很難與快速發展的煤層氣的綜合開發利用相適應的,已遠遠不能滿足煤層氣綜合開發利用的步伐和需求,對煤層氣鉆井施工技術的研究仍是一個需要長期研究的課題,所以,加強地質鉆井技術手段的研究和對施工技術的進一步探索,對今后更好地利用和開發煤層氣有著至關重要的現實意義。

[1] 李元建.河南省煤層氣勘查開發現狀及前景分析.[J]中國煤層氣.2009(6):35-38.

[2] 趙運興等.煤田地質勘探技術手冊[M].北京:煤炭工業出版社.

Practice and Application of CBM Well Drilling Technique of Shoushan No.1 Mine in Pingdingshan

Du Guiting
(Henan Provincial Bureau of Coalfield Geology,Henan 467000)

杜貴亭,男,鉆探工程師,浙江長興煤田地質學校煤田地質鉆探專業,長期從事煤田地質鉆探技術工作。

(責任編輯 黃 嵐)