烏魯木齊礦區(qū)1號(hào)井鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化及施工工藝研究

湯建江 黃建明 劉蒙蒙

(新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì), 新疆 830009)

烏魯木齊礦區(qū)1號(hào)井鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化及施工工藝研究

湯建江 黃建明 劉蒙蒙

(新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì), 新疆 830009)

烏魯木齊礦區(qū)是新疆煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的有利區(qū)塊，但該區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，老礦區(qū)較多，地表填方多，采空多，井位限制多，具有“高傾角、多煤層、大厚度”地質(zhì)特點(diǎn)，給煤層氣鉆井施工帶來(lái)多項(xiàng)難題。本文以烏西礦區(qū)1號(hào)井為例，探討1號(hào)井設(shè)計(jì)優(yōu)化及難點(diǎn)與對(duì)策研究，以此指導(dǎo)和推進(jìn)本區(qū)塊鉆井工程的實(shí)施。

烏魯木齊礦區(qū) 煤層氣 設(shè)計(jì)優(yōu)化 鉆井工程

1 鉆井工程部署設(shè)計(jì)難點(diǎn)

通過(guò)對(duì)以往資料以及2015年施工的1號(hào)參數(shù)井取得參數(shù)分析，礦區(qū)煤層厚度大，含氣量較高，滲透性好，其他煤層氣參數(shù)也較好，根據(jù)我隊(duì)在阜康區(qū)塊施工的順煤層L型與U型井、普通定向井對(duì)比分析，L型井具有投入成本低、施工工藝較U型井水平井簡(jiǎn)單，產(chǎn)氣量較常規(guī)定向井高的特點(diǎn)，決定在1號(hào)井進(jìn)行順煤層井試驗(yàn)。如圖1，1號(hào)井目的煤層在深部被斷層切失，而1號(hào)井理想孔位為居民區(qū)無(wú)法部井位，西邊為一停產(chǎn)煤礦受采空的限制無(wú)合適場(chǎng)地，經(jīng)多方協(xié)調(diào)在距離理想孔位150m處征得一塊空地可做井場(chǎng)，由于井場(chǎng)的限制，且避免鉆至斷層影響鉆完井作業(yè)，普通三段制順煤層井無(wú)法保證600m的煤層鉆遇長(zhǎng)度，以此必須考慮合適入煤點(diǎn)、鉆遇煤層段長(zhǎng)度、鉆井、壓裂、排采等因素，大大增加設(shè)計(jì)難度,為此我們大膽提出S型負(fù)位移L井型。

圖1 1號(hào)井設(shè)計(jì)剖面圖

2 鉆井方案(井眼軌跡數(shù)據(jù)及投影圖等)

2.1 三種鉆井方案特點(diǎn)

根據(jù)地質(zhì)要求和不同方案增產(chǎn)效果，并考慮鉆井、壓裂、排采等工程因素，提出主要三種方案，具體如下：

(1)方案1：S型井(完全順煤層)

特點(diǎn)：入煤點(diǎn)(著陸點(diǎn))垂深在600m(可調(diào)整)；鉆遇目的煤層井段長(zhǎng)395.37m，目的煤層中完鉆，淺中部煤層控制程度高；井眼軌跡較復(fù)雜，定向施工難度較高。

(2)方案2：S型井(順傾向斜穿煤層)

特點(diǎn)：入煤點(diǎn)(著陸點(diǎn))垂深在660.76m(可調(diào)整)；順傾向斜穿過(guò)目的煤層，鉆遇煤層井段長(zhǎng)141.81m，完鉆口袋55m，完鉆層位在目的煤層底板以下55m。目的煤層主要由兩個(gè)薄煤層及一個(gè)主力煤層構(gòu)成，斜穿過(guò)三層煤壓裂可選方案較多。

(3)方案3：L型井(完全順煤層)

特點(diǎn)：入煤點(diǎn)(著陸點(diǎn))垂深754.14m，鉆遇煤層井段長(zhǎng)249.86m；目的煤層中完鉆，完鉆井深距離斷層較近，下部斷層受控程度較低；后期排采管柱偏磨較輕，定向施工較容易。

此三種方案壓裂改造均選擇連續(xù)油管壓裂或橋塞分層壓裂工藝。

2.2 鉆井方案優(yōu)選

根據(jù)三種鉆井方案特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)(表1)，綜合地質(zhì)、鉆井、壓裂及排采等因素，通過(guò)對(duì)比優(yōu)選，方案1作為本次鉆井最終實(shí)施方案，后期壓裂擬采用連續(xù)油管壓裂和橋塞分段壓裂兩種工藝。

方案1著陸點(diǎn)淺，可兼顧淺部含氣量較好煤層段；調(diào)整余地大；淺部煤層埋深控制程度高，著陸點(diǎn)控制較準(zhǔn)確；可選壓裂井段長(zhǎng)。

針對(duì)方案1的缺點(diǎn)采用其他技術(shù)手段解決，解決辦法如下：

(1)針對(duì)井眼軌跡復(fù)雜，定向施工難度高的特點(diǎn)，要求投入定向技術(shù)過(guò)硬的技術(shù)及施工人員，采用性能可靠、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的定向設(shè)備。

(2)針對(duì)排采偏磨，通過(guò)減小造斜狗腿度，優(yōu)化排采管柱結(jié)構(gòu)或選用其他非機(jī)械往復(fù)式排采設(shè)備減小偏磨。

表1 三種方案對(duì)比表

3 施工難點(diǎn)與對(duì)策

根據(jù)我單位以往在該區(qū)塊工作記錄及工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了鉆固井方面的主要施工難點(diǎn)，并針對(duì)本項(xiàng)目的施工難點(diǎn)制定了相應(yīng)的對(duì)策。

3.1 完井方案優(yōu)選

我隊(duì)在阜康區(qū)塊施工類似井L型井及U型井，后期排采結(jié)果顯示，篩管完井及裸眼完井增產(chǎn)效果差，套管固井完井加以射孔壓裂增產(chǎn)措施產(chǎn)氣效果好，井眼穩(wěn)固程度高。故采用套管完井。

3.2 鉆井施工難點(diǎn)與對(duì)策

針對(duì)相關(guān)的施工難點(diǎn)，在工程技術(shù)方案設(shè)計(jì)中分別對(duì)井眼軌跡井身結(jié)構(gòu)、鉆頭及鉆具組合、鉆井液等方面做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并制訂了質(zhì)量控制、煤層保護(hù)、各井段施工重點(diǎn)等相關(guān)措施及要求。

(1)軌跡控制困難及對(duì)策

本項(xiàng)目所在區(qū)塊地層傾角大多在70°以上，井斜及方位控制困難，為保證井眼軌跡符合設(shè)計(jì)要求，要求使用隨鉆測(cè)斜儀(MWD)+單彎螺桿鉆具實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制井眼軌跡。

(2)鉆進(jìn)效率低及對(duì)策

本區(qū)塊地層屬于中硬巖層，常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率低，周期長(zhǎng)。根據(jù)以往該區(qū)塊鉆井經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，全面鉆進(jìn)井段采用井下動(dòng)力鉆具螺桿馬達(dá)+PDC鉆頭組合，能很大程度提高鉆進(jìn)效率。

(3)煤系地層井壁坍塌掉塊、井徑擴(kuò)大率超標(biāo)、井內(nèi)復(fù)雜事故多發(fā)及對(duì)策

根據(jù)我單位近年來(lái)多個(gè)項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)該區(qū)塊儲(chǔ)層巖石(煤)物理特性的認(rèn)識(shí)，過(guò)低的鉆井液密度無(wú)法平衡地層坍塌壓力，易造成井徑擴(kuò)大率超標(biāo)，煤層坍塌掉塊，粘度低巖屑攜帶困難等復(fù)雜情況，從而導(dǎo)致鉆井事故多發(fā)，影響固井及射孔質(zhì)量，增大儲(chǔ)層傷害。因此經(jīng)過(guò)試驗(yàn)總結(jié)及分析，對(duì)鉆井液性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，鉆井液密度設(shè)計(jì)在1.10～1.15g/cm3，粘度在40～50s，嚴(yán)格控制失水量，失水量控制在5mL以下，盡量減少對(duì)煤層的傷害。

3.3 固井施工難點(diǎn)與對(duì)策

(1)固井難點(diǎn)

① 煤層段井壁容易垮塌或掉塊，且易發(fā)生漏失；

② 由于漏失壓力較低，難以采取大排量頂替措施，不利于提高頂替效率。

(2)針對(duì)施工難點(diǎn)對(duì)策

① 表層固井加足速凝劑，保障凝固快和凝固質(zhì)量。若環(huán)空無(wú)水泥漿返出，再?gòu)沫h(huán)空罐水泥漿，保證水泥漿返至地面，確保井口地層封固良好。

② 為保證井底清潔和下套管作業(yè)順利，電測(cè)完成后采用原鉆具通井。通井時(shí)對(duì)鉆井阻卡井段應(yīng)認(rèn)真劃眼。通井到底后泵入稠泥漿段塞清掃井底，并以鉆進(jìn)時(shí)最大排量循環(huán)鉆井液至少2周。循環(huán)結(jié)束的標(biāo)志為井口壓力穩(wěn)定，不再降低，出口和入口鉆井液的排量和密度一致。

③ 為防止固井過(guò)程中發(fā)生井下漏失，井眼準(zhǔn)備期間，采取井口蹩壓的方式進(jìn)行地層承壓試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到施工要求后才進(jìn)行下步工作。

④ 下套管前適當(dāng)提高泥漿粘切，建議屈服值大于8Pa。控制下套管速度不小于30s/根，下套管期間每150m灌滿泥漿一次。下完套管后，小排量頂通并逐步將排量提高到鉆井時(shí)排量循環(huán)至少洗井兩周，循環(huán)期間應(yīng)泵入稠泥漿段塞清掃井底。循環(huán)結(jié)束的標(biāo)志為井口壓力穩(wěn)定，不再降低，出口和入口鉆井液的排量和密度一致。

⑤ 固井前合理調(diào)整鉆井液性能。根據(jù)實(shí)際情況，鉆井液性能應(yīng)滿足以下指標(biāo)：屈服值不大于5.0Pa，漏斗粘度小于50s，其他性能滿足鉆井設(shè)計(jì)要求。

⑥ 采用低密度漂珠水泥漿密度1.60g/cm3、API失水小于50mL、抗壓強(qiáng)度大于14MPa的API-G級(jí)水泥固井；適當(dāng)提高水泥漿粘切，以便在低排量下達(dá)到固井所需要的壁面剪應(yīng)力。

⑦ 為了確保井底動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度不超過(guò)鉆井時(shí)的最大動(dòng)態(tài)當(dāng)量密度，固井前可先注一定數(shù)量的輕質(zhì)泥漿以平衡施工壓力，防止漏失。

⑧ 注水泥前注清水4m3作為前置液，排量20L/s。

⑨ 確保施工連續(xù)進(jìn)行，控制水泥漿密度波動(dòng)范圍在±0.02g/cm3。

⑩ 替漿排量為15L/s。碰壓前降低頂替排量，碰壓15MPa左右。

3.4 復(fù)雜地層鉆進(jìn)難點(diǎn)與對(duì)策

根據(jù)以往該區(qū)施工情況和地質(zhì)資料分析，本井可能發(fā)生井漏、井涌和坍塌掉塊的可能。因此應(yīng)嚴(yán)格按鉆進(jìn)規(guī)程要求操作，防止人為因素造成涌、漏、坍塌。

泥漿工應(yīng)隨時(shí)觀察井口返漿情況，按時(shí)測(cè)定鉆井液性能，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)采取措施處理。遇涌、漏水時(shí)，記錄涌、漏水層位、深度及水位變化情況。做好充分的壓涌、堵漏的物質(zhì)準(zhǔn)備。

(1)漏水處理

根據(jù)不同的漏失層位和漏失情況，選用適合的堵漏方法，目前常用和行之有效方法有惰性材料堵漏、粘彈性材料堵漏和水泥堵漏等。可用鋸沫堵漏、鋃嵌劑堵漏、801堵漏劑、191樹(shù)脂堵漏及高壓注水泥漿堵漏等項(xiàng)措施，確保施工順利進(jìn)行。

(2)坍塌和縮孔處理

① 嚴(yán)格控制鉆井液失水量，保持鉆井液穩(wěn)定，按鉆井液配方，配制鉆井液。

② 注意觀察地層構(gòu)造和鉆井液性能變化，隨時(shí)調(diào)正鉆井液性能指數(shù)。

③ 備足鉆井防坍劑、降失水劑，迂翻坍，縮徑地層，及時(shí)調(diào)正鉆井液性能。

④ 低固相采煤，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重坍塌、掉塊，需加防塌劑，制止塌孔，保證正常鉆進(jìn)。

⑤ 不穩(wěn)定地層鉆進(jìn)，提升鉆具需回灌鉆井液，保持鉆井壓力平衡，防止坍塌。

⑥ 適當(dāng)控制升降鉆具速度，減少壓力激動(dòng)對(duì)井壁的破壞。

(3)涌水處理

處理涌水前首先必須測(cè)定涌水壓力，計(jì)算出所需泥漿的密度。壓住涌水后，控制適當(dāng)?shù)哪酀{密度，保持平衡鉆進(jìn)，直至鉆穿含水層。

4 關(guān)鍵技術(shù)措施

(1)確保準(zhǔn)確入煤(著陸)措施

本井軌跡分為7段(直-增-穩(wěn)-降-直-增-穩(wěn))，以往在阜康大傾角地層施工時(shí)出現(xiàn)過(guò)目的煤層變淺或加深情況，導(dǎo)致無(wú)法著陸，或著陸時(shí)井斜太小鉆穿儲(chǔ)層進(jìn)入下部地層，為防止此情況發(fā)生，主要采取以下兩方面措施：

① 造斜率適中，使造斜強(qiáng)度有提高余地，同時(shí)較小狗腿減小排采桿柱偏磨。

② 打?qū)а?/p>

在著陸前的直井段垂直打下去，直至鉆遇目的煤層，以此判斷目的煤層埋深，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整軌跡，保證著陸要求。

(2)擬投入MWD及LWD技術(shù)

使用MWD及LWD技術(shù)及儀器，保證井眼軌跡按設(shè)計(jì)進(jìn)行，同時(shí)在著陸后使用LWD保證始終延目的煤層鉆進(jìn)。

(3)由于目的煤層深部被逆斷層切失，斷層深部受控程度低，若鉆遇斷層，為保證固井水泥漿不會(huì)在斷層附近漏失，對(duì)斷層進(jìn)行承壓試驗(yàn)或封固至斷層以上10～20m。

[1] 陳金剛,秦勇,桑樹(shù)勛,等. 準(zhǔn)噶爾盆地煤層氣勘探前景[J]. 天然氣工業(yè),2003,(02):127-129.

[2] 李瑞明. 新疆準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)層特征[J]. 中國(guó)西部科技,2009,(16):1-3.

(責(zé)任編輯 劉 馨)

Drilling Program Optimization and Operation Technique of No.1 Well in Urumqi Mining Area

TANG Jianjiang, HUANG Jianming, LIU Mengmeng

(NO. 156 Exploration Team, Xinjiang Bureau of Coalfield Geology, Xinjiang 830009)

Urumqi Mining Area is one of the most promising blocks for coalbed methane development. Testing of exploration projects has been done in recent years. The geologic structure is very complex and there’re many coal mines which have been developed for many years, with large areas of surface filling and goaf and limitations of the well locating. This area is characterized by “high inclination, multiple and thick coal beds”, which is challenging for the drilling operation of CBM wells. This paper discusses the drilling program optimization and operation technique of No. 1 well, a representative well in this block. The result can be applied in the future development of this block.

Urumqi Mining Area; coalbed methane; program optimization; drilling engineering

國(guó)家科技重大專項(xiàng)大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“新疆準(zhǔn)噶爾、三塘湖盆地中低階煤層氣資源與開(kāi)發(fā)技術(shù)”.

湯建江，男，煤層氣工程中心科長(zhǎng)，鉆探工程師，全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)芦@得者。