爾林兔勘查區(qū)煤層氣參數(shù)井鉆井技術(shù)探討

陳小軍，李鵬飛，惠 鵬，張 林

(陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司地質(zhì)研究院分公司，陜西西安 710065)

0 引言

煤層氣是一種以吸附狀態(tài)賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣。隨著世界能源短缺和環(huán)境問題的進一步加劇，開發(fā)清潔高效的能源對緩解能源供需矛盾、保護人類生存環(huán)境以及減少瓦斯對煤礦安全產(chǎn)生的災(zāi)害等問題都具有十分重要的意義，其市場前景十分廣闊。隨著煤氣層勘探與開采力度的不斷增大，對煤層氣鉆井技術(shù)的要求也越來越高，因此研究煤氣層鉆探技術(shù)對加快煤層氣的開發(fā)具有十分重要的意義。

煤層氣參數(shù)井能夠獲取目的煤層的埋深、厚度、結(jié)構(gòu)、煤巖及煤質(zhì)特征;含氣量、含氣飽和度、等溫吸附特征;滲透率、儲層壓力、閉合壓力、原地應(yīng)力等儲層參數(shù)，為煤層氣生產(chǎn)潛能評價、制定后期的鉆探與開采計劃提供充足的依據(jù)。文中以爾林兔勘查區(qū)三口煤層氣參數(shù)井的鉆探過程為例，對煤層氣參數(shù)井的鉆井技術(shù)進行探討。

1 地質(zhì)概況

爾林兔勘查區(qū)位于陜北侏羅紀煤田中部的榆神礦區(qū)，地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)，構(gòu)造單元處于鄂爾多斯寬緩的東翼—陜北斜坡上，區(qū)內(nèi)地層平緩，為一走向北東傾向北西的單斜，傾角小于1°，地質(zhì)構(gòu)造簡單。鉆井鉆遇地層自上而下為:第四系全新統(tǒng)以現(xiàn)代風(fēng)積沙為主，沖積層次之;上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)，灰黃、灰褐色亞沙土及粉沙;中更新統(tǒng)離石組(Q2l)，淺棕黃、褐黃色亞粘土及亞沙土，夾粉土質(zhì)沙層。新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)，棕紅色粘土及亞粘土，夾有鈣質(zhì)結(jié)核層，底部局部可見淺紅色礫巖。白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)，紫紅色中砂巖，夾雜紫紅的粗粒砂巖，紫紅色泥巖。侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)，為紫紅色、紫雜色砂質(zhì)泥巖，紫雜色細砂巖，紫紅色、灰色中砂巖;直羅組(J2z)，灰綠色泥巖、灰綠色砂質(zhì)泥巖、灰綠色中砂巖、灰色粗砂巖;延安組(J2y)，為勘查區(qū)的含煤地層(主采煤層為 2－2煤、5－2煤)，灰色、灰黑色細砂巖，灰色中砂巖，灰色粗砂巖，灰色、灰黑色砂質(zhì)泥巖。三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)，灰白、灰綠色粗粒砂巖，灰綠色砂質(zhì)泥巖(未鉆穿)。

爾林兔勘查區(qū)分為一、二、三號3個井田，本次在3個井田的先期可采地段分別部署一口煤層氣參數(shù)井 ZK7-3、ZK15-7、ZK13-4(圖 1)，井型均為垂直井。三口煤層氣井深618～736 m，目的煤層為2－2煤、5－2煤，其中 2－2煤厚度 3．8 ～8．4 m，5－2煤厚度6．5～10．8 m。取心井段從目的煤層頂?shù)装迳? m開始取心，至目的煤層底板下5 m。

2 鉆井質(zhì)量指標、設(shè)備及工具

2．1 鉆井質(zhì)量指標

水平位移:井底水平位移≤20 m。

井斜:全井最大井斜≤3°。

測點讀值:以測井連續(xù)測斜資料為準，測點讀值≤25 m，特殊情況要加密，最后一測點距離完鉆井底≤10 m。

擴孔率:非煤地層擴孔率≤20%，煤層井段擴孔率≤35%。

巖煤心采取率:巖心采取率≥85%，煤心采取率≥90%，直徑＞60 mm。

圖1 爾林兔勘查區(qū)煤層氣參數(shù)井部署圖

2．2 主要的鉆井設(shè)備及工具

TSJ-2000型鉆機，AT24型鉆井架，TBV-850/78型泥漿泵，6130型柴油機，固控設(shè)備(振動篩、除砂器)，防噴器，SQC-882型氣測儀，柴油機發(fā)電機組等。Ф311．15 mm、Ф215．9 mm 牙輪鉆頭，Ф190 mm、Ф173 mmPDC 取心鉆頭，Ф127 mm 鉆桿，Ф178 mm鉆鋌，Ф190 mm繩索取心鉆具，單點測斜儀，泥漿測試儀，可控變速絞車等。

3 鉆井工藝

3．1 井身結(jié)構(gòu)

以ZK13-4井為例，井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。一開采用Ф311．1 mm鉆頭鉆穿保德組地層，進入洛河組砂巖20 m且一開井深不少于60 m，下入Ф244．5 mm表層套管，采用常規(guī)密度水泥封固地表疏松層、黃土層，建立井口;二開采用Ф215．9 mm鉆頭，鉆至5－2煤層底板以下60 m完鉆，下入Ф139．7 mm生產(chǎn)套管，水泥固井返高至地表。其它兩口參數(shù)井與ZK13-4相似。

3．2 鉆具組合及其參數(shù)

一開井段:Ф311．10 mm 鉆頭 + Ф178．00 mm 鉆鋌+Ф127．00 mm鉆桿+方鉆桿;

二開井段:Ф215．90 mm 鉆頭 + Ф178．00 mm 鉆鋌+Ф127．00 mm鉆桿+方鉆桿;

2－2煤取心:Ф190 mmPDC 取心鉆頭 + Ф159．00 mm取心筒+Ф127．00 mm鉆桿+方鉆桿;

5－2煤取心:Ф173 mmPDC 取心鉆頭 + Ф159．00 mm取心筒+Ф127．00 mm鉆桿+方鉆桿。

3．3 鉆井液的選擇

圖2 ZK13-4井身結(jié)構(gòu)圖

作用與選配原則:鉆井液在鉆井作業(yè)中起著冷卻鉆頭、攜帶巖屑、保護孔壁、平衡地層壓力等作用。但對于煤層氣參數(shù)井而言，鉆井液還必須具備保護煤儲層的特性。因此，本次施工鉆井液的選配以保護煤儲層、穩(wěn)定井壁為原則，根據(jù)鉆遇不同的地層段調(diào)整鉆井液配方，以獲得鉆孔的高效率和安全性。

煤系上覆地層(非煤系)段:采用優(yōu)質(zhì)低固相鉆井液，鉆井液密度為 1．03～1．08 g/cm3，粘度為18～23 s，pH 值為7．5 ～9．0。

煤系地層段:采用優(yōu)質(zhì)無固相鉆井液，鉆井液密度為1．01 ～1．03 g/cm3，粘度為 15 ～17 s，pH 值為8．0 ～9.0。

目的煤層段:采用優(yōu)質(zhì)無固相或清水鉆井液鉆進，密度應(yīng)控制在1．03 g/cm3以下。

3．4 防斜技術(shù)措施

井斜在鉆井過程中是在所難免的，其直接影響著井身質(zhì)量和鉆井效率。井斜過大，不僅易發(fā)生卡鉆事故，而且還會造成下套管困難、影響固井質(zhì)量等問題，因此在鉆井過程中要采取有效措施嚴格控制好井斜。

嚴把設(shè)備安裝質(zhì)量:轉(zhuǎn)盤安裝必須平，確保天車、轉(zhuǎn)盤及井口在同一鉛垂線上，必要時可在適當(dāng)位置加裝扶正器。

開孔操作:開孔應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，嚴控鉆進速度保證一開井段的垂直度。

加壓:盡量不使用鉆桿自重加壓，避免增加鉆壓使鉆桿彎曲，造成井斜偏大。

專用加壓鉆具:采用專門的下部加壓鉆具(鉆鋌或加壓塊)，增大鉆具的剛性防斜。偏重的鉆鋌因為離心力的作用使其重邊在旋轉(zhuǎn)時總是貼向井壁，這樣就會使下部鉆柱具有公轉(zhuǎn)的運動特性，從而消除自轉(zhuǎn)時對井斜的影響。

二開操作:二開開始應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，防止偏眼及甩脫表層套管，給下步施工造成困難，當(dāng)鉆鋌進入裸井內(nèi)方可正常參數(shù)鉆進，加壓不得超過鉆鋌總重的80%。

鉆進:全井段采用鐘擺鉆具鉆進，降低鉆頭橫向造斜力的影響。增減鉆壓要適當(dāng)，送鉆均勻，采用低鉆壓較高轉(zhuǎn)速，確保井身垂直。

3．5 取心技術(shù)措施

(1)為使煤心中氣體損失量最小，本次采用繩索式半合管取心工具取心，并且要求從割心到提出井口時間每百米小于2 min，煤心從出井口到裝罐完成不超過10 min。

(2)取心作業(yè)前必須保證起下鉆暢通無阻，井眼干凈，井下正常無落物無掉塊。鉆井液性能良好穩(wěn)定，確保巖屑能夠及時排除。

(3)鉆具入井前須逐根通徑，以保證內(nèi)管順利出入井。對組裝好的取心工具外管在井口用大鉗逐一緊扣，放入內(nèi)管檢查裝配間隙是否合適。

(4)取心工具下至距井底2～3 m位置開始循環(huán)洗井。嚴格控制鉆具下放速度，以防止水眼堵塞。中途遇阻以沖為主轉(zhuǎn)動為輔，少劃眼或不劃眼，嚴重遇阻時應(yīng)改換牙輪鉆頭劃眼、通井，直至井眼暢通。

(5)投放內(nèi)管時必須保證井筒內(nèi)鉆井液面保持一定的高度，如果液面太低，可用繩索下放，到位后利用脫卡裝置將其脫開。

(6)取心鉆進時應(yīng)均勻送鉆，鉆壓增加要緩慢，嚴防頓鉆、溜鉆、點剎送鉆，嚴禁中途停泵提鉆、調(diào)整鉆井液性能，保證取心成功。

(7)鉆至預(yù)定進尺后，停轉(zhuǎn)盤停泵，低速上提鉆具0．5 m以上，實現(xiàn)割心。上提鉆具應(yīng)一次連續(xù)完成;割心時不許磨心，鉆壓也不需回落。

(8)將打撈器用鋼絲繩從鉆具水眼均勻送入，下至內(nèi)管頂以上50 m左右適當(dāng)加速下放，以保證打撈器卡住內(nèi)管打撈頭。上提內(nèi)管開始應(yīng)緩慢，待內(nèi)管完全進入鉆桿后，可逐漸提速。如果上提遇阻，可反復(fù)上提下放活動。若解阻無效，不得強拉硬拽，應(yīng)下放到原位，從井口投入脫卡管，將內(nèi)管留在鉆具內(nèi)，提出打撈器，起鉆處理。

3．6 井控技術(shù)措施

(1)選用密度、粘度合理的鉆井液。在進入煤層前，調(diào)整好鉆井液性能，盡可能采用粘度較低的鉆井液，以降低起下鉆過程中的抽吸力。

(2)需要加重鉆井沖洗液時，應(yīng)控制好鉆井沖洗液加重速度，防止因加重速度過快而壓漏地層。下鉆到底后控制好泵壓，防止憋漏地層。鉆遇煤層段要放慢鉆速，發(fā)現(xiàn)鉆井異常立即停鉆，上提鉆具，用小排量循環(huán);煤層取心時，采用低鉆壓、低鉆速和低泵壓作業(yè)。

(3)井場必須儲備高密度的鉆井材料，發(fā)生井噴征兆時，立即采用邊循環(huán)邊加重壓井法施工。

(4)如果發(fā)生溢流而未井噴，可以一邊循環(huán)一邊加重鉆井液，一邊除氣。鉆井液加重速度根據(jù)煤層氣活躍程度而定，每循環(huán)一周，鉆井液密度至少要提高 0．05 ～0．10 g/cm3以上。

3．7 鉆井施工效果評價

通過以上技術(shù)措施的實施，爾林兔勘查區(qū)煤層氣參數(shù)井鉆井施工取得了較好的效果。整個施工期間井控、安全無事故，三口參數(shù)井最大井斜角為2.1°，最大水平位移12．5 m，巖層段井徑擴大率為13%，煤層井段井徑擴大率23%，滿足后期目的煤層各項試驗工作的要求;煤心外徑68 mm，取心采取率均在97%以上，平均提升速度為每百米1．79 min，均達到了設(shè)計要求;采用的低密度鉆井液確保了煤層不污染，煤心結(jié)構(gòu)、產(chǎn)狀、夾矸清晰，利于各項煤心參數(shù)的獲取。這充分說明了本次鉆井施工設(shè)計合理，各項技術(shù)措施行之有效。

4 結(jié)語

(1)煤層氣參數(shù)井的施工對井斜要求相當(dāng)嚴格，在本次鉆井施工中發(fā)現(xiàn)，PDC鉆頭對控制井斜起到了較好的效果，因此建議在煤層氣鉆井施工中盡可能多使用PDC鉆頭，在不降低鉆井速度的前提下提高井身質(zhì)量。

(2)繩索取心技術(shù)具有采取率高、出心速度快、煤心質(zhì)量和原始狀態(tài)保持好、氣體散失少、取心費用低等特點，目前被廣泛應(yīng)用在煤層氣參數(shù)井施工中。但在實際工作中，應(yīng)根據(jù)實際情況，加強對實鉆地層巖性的識別和分析，并據(jù)此對取心工藝參數(shù)進行合理優(yōu)化和調(diào)整，保證取心采取率。

(3)煤層氣參數(shù)井鉆井施工是一項綜合性的工程。為了達到設(shè)計要求與較高的鉆井質(zhì)量，不僅要認真研究施工區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、含煤層系的巖性組合等特征，同時要結(jié)合相關(guān)設(shè)備儀器的工作原理及性能，制定出本區(qū)合理高效的鉆探技術(shù)工藝。在技術(shù)上做好充分的準備，才能產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益和社會效益。