動(dòng)力頭鉆機(jī)在煤層氣鉆井工程中的應(yīng)用

摘要：新疆的煤層氣地面鉆井抽采項(xiàng)目大都是非油氣行業(yè)單位承建，這些企事業(yè)單位存在設(shè)備嚴(yán)重落后老化、配套不全等問題，無(wú)法滿足煤層氣鉆井施工對(duì)鉆井效率、井深、復(fù)雜地層鉆進(jìn)、處理復(fù)雜能力、定向鉆井的要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。文章對(duì)動(dòng)力頭鉆機(jī)在煤層氣鉆井工程中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：鉆井設(shè)備；鉆井事故；空氣潛孔垂鉆井；EMWD無(wú)線隨鉆；動(dòng)力頭鉆機(jī) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD421 文章編號(hào)：1009-2374（2016）19-0152-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.073

我隊(duì)以往在新疆各地施工的8口煤層氣井使用的均是水源SPS2000M鉆機(jī)，這臺(tái)設(shè)備搬遷安裝費(fèi)時(shí)長(zhǎng)、設(shè)備能力差、老化等嚴(yán)重影響鉆井效率，水源鉆機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足提高鉆井工程效率的要求。2014年國(guó)家礦山救援中心給156隊(duì)分撥了一套礦山救援鉆機(jī)（ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機(jī)），鉆機(jī)屬于車載動(dòng)力頭鉆機(jī)，156隊(duì)成立了救援鉆井隊(duì)（106鉆井隊(duì)），經(jīng)過培訓(xùn)及鍛煉，此動(dòng)力頭鉆機(jī)在新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用先導(dǎo)性示范工程中共鉆井施工5口，其中2口煤層氣定向井、1口儲(chǔ)層空氣動(dòng)力改造井、1口參數(shù)井+生產(chǎn)井、1口水井，通過施工大幅提高了156隊(duì)煤層氣鉆井施工的能力和技術(shù)，培養(yǎng)了一支合格的煤層氣施工隊(duì)伍。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機(jī)車是由中煤科工集團(tuán)西安研究院生產(chǎn)的針對(duì)地面礦山應(yīng)急救援孔和地面煤層氣抽采孔的施工需要研制的一款專用鉆機(jī)，適用于500m（Φ711mm）以內(nèi)直孔段的快速成孔和1500m以內(nèi)的煤層氣抽采定向鉆井的施工，具有主軸制動(dòng)功能，能夠施工多分支煤層氣抽采孔。

ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機(jī)主要由主機(jī)、控制臺(tái)總成、泵站、車體等組成。

2 設(shè)備參數(shù)及優(yōu)點(diǎn)

鉆機(jī)型號(hào)的含義如圖2所示：

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1至表4所示：

2.2 設(shè)備施工優(yōu)點(diǎn)

ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機(jī)屬于車載動(dòng)力頭鉆機(jī)，并配有空壓機(jī)一臺(tái)、QF-500泥漿泵一臺(tái)，由于此鉆機(jī)屬于救援鉆機(jī)，其越野性能好，搬遷、安裝周期短；由于配有空壓機(jī)及空氣潛孔錘，所以一開采用以空氣為循環(huán)介質(zhì)的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，一開開鉆、完鉆快；設(shè)備安裝調(diào)試完畢可立即開鉆，當(dāng)天開鉆當(dāng)天完鉆當(dāng)天固井。鉆機(jī)可操性強(qiáng)，全液壓控制，鉆壓穩(wěn)定。

3 施工作業(yè)區(qū)塊地層情況

施工地點(diǎn)位于新疆阜康白楊河礦區(qū)黃山-二工河倒轉(zhuǎn)向斜北翼，為一南傾單斜構(gòu)造，走向近東西，地層傾角為45°～53°，巖性主要由泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、砂礫巖、薄煤線和煤層組成，個(gè)別井場(chǎng)第四紀(jì)覆蓋層為礫石層，礫石為黏土與細(xì)沙膠結(jié)，部分層段有漏失現(xiàn)象。

區(qū)內(nèi)含煤地層中的39、40、41、42、43和44號(hào)煤層因自然嚴(yán)重，形成了一條近東西向的燒變巖帶。火燒后的煤層呈灰褐色、黑褐色松散或膠結(jié)在一起的渣狀物，其含水和透水性很強(qiáng)，煤層火燒影響強(qiáng)烈的圍巖，呈紅、褐、黑褐色熔融狀物質(zhì)，具有致密堅(jiān)硬、氣孔發(fā)育之特征。由于受烘烤后巖石（層）受重力作用，裂隙較為發(fā)育，有較強(qiáng)的透水性及儲(chǔ)水性。根據(jù)前期鉆探驗(yàn)證和磁法勘探的結(jié)果，區(qū)內(nèi)煤層自然形成的燒變巖深度大部地段在垂深250～500m。由于以上特殊的地層情況，在施工過程中極易造成鉆孔彎曲、坍塌、涌水等事故，給成孔帶來(lái)較大困難。

4 鉆井施工實(shí)例

2014年4月，156隊(duì)組織人員參加關(guān)于設(shè)備和工藝的廠家培訓(xùn)；ZMK5530TZJ60型鉆機(jī)施工前期由廠家現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)工人操作鉆機(jī)設(shè)備，在示范工程的整個(gè)施工過程廠家全程駐井服務(wù)，共施工5口井。

4.1 第一口定向井的施工

本設(shè)備接到的第一個(gè)任務(wù)為叢式井臺(tái)兩口井的鉆井施工，分別為FS-44、FS-45井，其中FS-45井為一口直井、FS-44井為一口定向井。

FS-45井一開試驗(yàn)使用空氣潛孔錘開孔，井口坍塌嚴(yán)重，放棄空氣鉆進(jìn)，一開改用泥漿鉆進(jìn)，順利完鉆，一開井深35m，下入244.5mm套管34.7m。二開開鉆已進(jìn)入基巖20～30m，地層穩(wěn)定，試驗(yàn)空氣鉆進(jìn)，使用空氣潛孔垂鉆進(jìn)到150m后進(jìn)入含水地層，不再適用空氣鉆進(jìn)，井壁不穩(wěn)定，屑巖效果差，井口噴出大量地層水，改用常規(guī)泥漿鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程因井壁掉塊嚴(yán)重使用水泥封孔，加固井壁，后透孔作業(yè)。鉆穿涌水層后，使用MWD隨鉆測(cè)斜鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)300m后由于定向短節(jié)與螺桿連接處扣損壞導(dǎo)致工具角差錯(cuò)誤，測(cè)斜工具面錯(cuò)誤，致使降斜失誤，井斜超標(biāo)嚴(yán)重，井底井斜有5°，設(shè)計(jì)要求1°。報(bào)項(xiàng)目部，經(jīng)研究決定填井側(cè)鉆，將FS-45井改為同井臺(tái)的FS-44井定向井。按照施工措施，用水泥封固至表套，透孔至65m處進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)，側(cè)鉆成功。全井段進(jìn)行定向施工。完鉆井深684.86m。井身結(jié)構(gòu)示意圖見圖4：

4.2 空氣動(dòng)力井施工

FKQ-1井為空氣動(dòng)力井，鉆井目的為儲(chǔ)層空氣動(dòng)力改造提供高質(zhì)量的井眼。設(shè)計(jì)鉆井工程為三開，一開表套244.5mm鋼級(jí)J55壁厚8.94mm，二開技術(shù)套管177.8mm鋼級(jí)N80壁厚8.05mm。三開鉆頭152.4mm，鉆開浮箍與浮鞋之間的水泥塞不下套管。

表層為卵石層2～21.62m，一開表套45.4m。Φ311.1mm牙輪鉆至17m處不進(jìn)尺，換Φ215.9mm牙輪鉆穿卵石層，換Φ311.1牙輪鉆頭擴(kuò)孔，擴(kuò)至18.27m處動(dòng)力頭損壞，更換動(dòng)力頭后用Φ311.1mm空氣潛孔錘鉆至45.4m完鉆。0～21.62m卵石層井段，純鉆時(shí)間25小時(shí)30分鐘，機(jī)械鉆速0.85m/h；21.62～45.4m非卵石層井段純鉆時(shí)間3小時(shí)50分鐘，機(jī)械鉆速6.21m/h；一開合計(jì)純鉆時(shí)間26小時(shí)20分鐘，機(jī)械鉆速1.72m/h，一開生產(chǎn)時(shí)間34小時(shí)，非生產(chǎn)時(shí)間566小時(shí)（停待、維修設(shè)備），非生產(chǎn)時(shí)間占比94.3%。

施工難點(diǎn)：卵石層進(jìn)尺慢，礫石堅(jiān)硬且膠結(jié)差，鉆進(jìn)過程震動(dòng)大，憋車，對(duì)動(dòng)力頭損傷大。三開鉆進(jìn)需更換鉆具及鉆頭，鉆水泥塞困難，浮箍浮鞋處易脫扣，建議以后施工將浮箍浮鞋及之間的套管改為反扣。

4.3 水井鉆井施工

水-1井完鉆井深290.13m，使用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，Φ346mm鉆頭，鉆至70m處由于地層裂隙發(fā)育供氣量達(dá)不到排渣要求，改用螺桿鉆進(jìn)；在沒有參考經(jīng)驗(yàn)的情況下，使用Φ165mm螺桿+Φ315.9mm牙輪鉆頭施工，鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深后使用Φ165mm螺桿+Φ394mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔完鉆，并使用空氣反循環(huán)進(jìn)行高效洗井作業(yè)，省去了拉水洗井的成本，效率高、成井快。

4.4 參數(shù)井施工及直井糾斜的必要性

FS-58井為參數(shù)井+生產(chǎn)井，完鉆井深771m，一開使用空氣鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速10.36m/h；二開572.77～714.70m取芯鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速1.25m/h，全面鉆進(jìn)井段機(jī)械鉆速12.42m/h。

取芯鉆具組合為：Φ215mmPDC取芯鉆頭+Φ127mm取芯鉆具+Φ127mm鉆桿。

非取芯井段使用EMWD全井段實(shí)時(shí)測(cè)斜糾斜，井斜保證在1°之內(nèi)，取芯井段因無(wú)法下入隨鉆儀器，因此在大傾角地層很難保證井斜，572～714m井斜由1°增加到14°。因此在本區(qū)塊直井必須使用定向手段主動(dòng)降斜，被動(dòng)降斜工藝在本區(qū)塊達(dá)不到降斜效果。

ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機(jī)鉆井累計(jì)有效進(jìn)尺2466.12m，2014年該鉆機(jī)已經(jīng)在幾種類型的鉆孔中進(jìn)行了試驗(yàn)施工，施工中和廠家配合對(duì)鉆機(jī)的一些不合理部位進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)動(dòng)力頭鉆機(jī)在煤層氣復(fù)雜地層鉆井工藝有了較高的掌握，總結(jié)出了本隊(duì)施工技術(shù)，培養(yǎng)了一支煤層氣鉆井優(yōu)秀的隊(duì)伍。

5 設(shè)備存在問題

在使用過程中由于各種因素，導(dǎo)致配件損壞影響了鉆井周期。在FKQ-1井的施工中，一開卵石層鉆進(jìn)時(shí)動(dòng)力頭損壞，廠家給予了無(wú)償更換及安裝；副卷?yè)P(yáng)由原來(lái)的2噸吊臂換成了4噸吊臂；由于鉆機(jī)提升能力只有60噸，所以只施工了800m以內(nèi)的淺井；下套管速度慢，冬季施工液壓油溫度低導(dǎo)致動(dòng)力、扭矩、反應(yīng)速度降低。

6 結(jié)語(yǔ)

通過動(dòng)力頭鉆機(jī)及配套鉆井、定向設(shè)備在阜康白楊河礦區(qū)煤層氣項(xiàng)目中的施工應(yīng)用，學(xué)習(xí)和掌握了煤層氣鉆井、空氣鉆井、定向鉆進(jìn)、修井作業(yè)等方面的技術(shù)工藝，培養(yǎng)了一支復(fù)合型技術(shù)全面的施工隊(duì)伍。此鉆機(jī)增強(qiáng)了單位煤層氣鉆井的設(shè)備能力。

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作者簡(jiǎn)介：鄧雪峰（1973-），男，新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)工程師，研究方向：煤田地質(zhì)及煤層氣鉆探。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）