淺談山西沁水盆地煤層氣定向叢式井施工工藝

謝宗茂，張小東

（江西省煤田地質局一九五地質隊，江西 南昌 330000）

山西沁水盆地是我國大型含煤盆地，其含煤面積約42 000 km2，盆地內構造簡單，石炭系太原組發育的3 號和15 號煤層賦存穩定， 煤層平均厚度分別為6 m 和4 m。 該盆地煤層氣資源儲量大，產業體系較完善，是我國目前前景較好的煤層氣區塊之一。 江西省煤田地質局一九五地質隊在該區塊施工煤層氣參數井、生產井多年，積累了較多的經驗。

1 工程概況

為獲取石炭系山西組3 號煤的儲層參數（包括煤層埋深、厚度，煤巖及煤質特征），須在地面施工多口定向叢式井。 本次研究以TS83C 井為例，該井為煤層氣叢式井組，位于山西省東南部，太行山西麓，沁水盆地南部，距離山西省沁水縣柿莊鎮上算峪村東約2.5 km，見圖1。 區域地層從上到下分別是第四系（Q），三疊系下統劉家溝組（T1l）、二疊系上統石千峰組（P2sh）、上盒子組（P2s），二疊系下統下盒子組（P1x）、山西組(P1s)，石炭系太原組（C3t）。TS83C 井組為四口定向叢式井， 井號分別為：TS83-1D、TS83-2D、TS83-3D、TS83-4D，井間距為5 m，見圖2。

圖1 井位

圖2 TS83C 平臺水平投影及立體投影

2 鉆井設備

鉆井設備包括TSJ-2000 鉆機、TWB1200 鉆井泵、6135 柴油機、WD-20 發電機，鉆具包括Φ159 mm無磁、Φ159 mm 鉆鋌、Φ127 mm 鉆桿等（見圖3、表1）。

圖3 施工現場

表1 主要設備和器具配備

3 鉆井工藝及技術措施

本次煤層氣叢式井施工分為四個階段： 直井段、造斜段、增斜段、穩斜段。 以TS83-1D 井為例，設計井深1 041.00 m，井徑Φ215.9 mm，全角變化率不大于3.0°/25.00 m，設計位移187.97 m，設計方位74.80°，靶心距20.00 m，完鉆層位為石炭系太原組（3 號煤層底板以下50 m）。

1）直井段施工（0～118 m）

直井段揭露地層為第四系（Q）、三疊系下統劉家溝組 （T1l）， 其中第四系巖性以淺黃色黃土層為主，偶夾少量礫石，穩定性差，易跨孔和偏斜。 第四系與三疊系下統劉家溝組（T1l）呈不整合接觸，接觸面易形成導水通道。

（1） 鉆具組合： 一開采用Φ311.15 mm 鉆頭+Φ159 mm 鉆鋌+Φ127 mm 鉆桿+ 立軸；二開采用Φ215.9 mm 鉆頭＋Φ159 mm 鉆鋌+立軸。

（2）鉆井參數：鉆壓60 kN，轉速80 r/min，泵量28 L/S。

（3）技術措施：一開使用低固相泥漿鉆井循環液介質，采用Φ311.15 mm 牙輪鉆頭鉆進至三疊系下統劉家溝組（超過風化帶10.00 m 后）方可停鉆，口袋長度不大于0.50 m，下入Φ244.5 mm 套管并固井水泥返至地面， 管內留足10.00 m 水泥塞，井口平面保證水平[1]；二開鉆頭采用Φ215.9 mm 加鉆具組合，使用低固相泥漿鉆井循環液介質，嚴格控制鉆壓、轉速、泵量，及時清理返漿巖粉，每50 m 單點測斜，斜度超過設計應及時矯正，換徑、下定向組合鉆具前測斜。

2）造斜段（118～175 m）

該段揭露地層為三疊系下統劉家溝組（T1l），巖性主要為深灰色泥巖、淺灰色粉砂巖、細砂巖組成，其巖層軟硬交替，容易造成全角變化率增大和井眼軌跡偏離。

（1）鉆具組合：采用Φ215.9 mm 鉆頭+Φ159 mm螺桿+1.25°單彎接頭+Φ165 mm 無磁鉆桿+Φ159 mm鉆鋌+Φ127 mm 鉆桿+立軸

（2）鉆井參數：采用1.25°單彎接頭造斜每30 m增斜率1.5°～2°，鉆壓80 kN、轉速120 r/min、泵量28 L/S。

（3）技術措施：鉆具下到造斜點調整彎頭對應靶點方位角，利用沖洗液循環介質清理孔底殘留巖粉，每鉆進10 m～30 m 單點測斜，為確保定向造斜作業順利進行，保證中靶，預留方位提前角10°～15°[2]。

3）增斜段施工（175～404 m）

該段揭露地層為二疊系上統石千峰組（P2sh）、上石盒子組（P2s），主要巖性由淺灰色細砂巖、深灰色泥巖組成，其巖層軟硬交替明顯，宜采用輕壓吊打模式，防止井下管材斷裂和井眼軌跡偏離。

（1）鉆具組合：采用Φ215.9 mm 鉆頭+Φ214 mm穩定器+Φ165 mm 無磁鉆桿+Φ214 mm 穩定器+Φ159 鉆鋌+Φ127 鉆桿+立軸。

（2）鉆井參數：鉆壓140 kN、轉速80 r/min、泵壓2 MPa、泵量28 L/S。

（3）技術措施：加大測斜密度，獲取鉆深施工延伸軌跡數據，及時獲取井斜、方位、垂深軌跡參數，防止井下管材斷裂和井眼軌跡偏離。 每延深30 m單點測斜一次，方位增斜率達不到要求時，充分清潔井眼，根據地層變化適當調整鉆井循環液以控制含砂量。

4）穩斜段施工（404～1 053 m）

該段揭露地層為二疊系下統下盒子組（P1x）、山西組(P1s)，石炭系太原組（C3t），其巖性主要泥巖、粉砂巖和煤層。 在煤系地層中使用PDC 鉆頭，其使用壽命大于金剛石鉆頭，有效提高鉆井效率[3]。

（1）鉆具組合：Φ215.9 mm 鉆頭+Φ159 mm 螺桿+1°單彎接頭+159 mm 短鉆挺+Φ214 mm 穩定器+Φ165 mm 無磁鉆桿+Φ159 mm 鉆鋌＋Φ127 mm鉆桿。

（2）鉆井參數：鉆壓100 kN、轉速120 r/min、泵壓2.5 MPa、泵量28 L/S。

（3）技術措施：下入直徑適中的扶正器，保證井眼軌跡圓滑及不產生較大的全角變化率。 每30 m測單點一次并及時繪制井身軌跡圖，保證井眼軌跡按設計軌跡鉆進，一旦產生漂移及時下螺桿調整井斜、方位。

5）井身質量

TS83-1D 井最大井斜為18.96°， 方位為72.87°，位于井深875.00 m 處；最大全角變化率為3.79°/25 m，位于井深150.00 m 處，井斜及全角變化率均符合設計及規范要求。 叢式井組井底最大水平位移為226.01 m，總方位為69.69°，符合設計及規范要求（見圖4～圖7）。

圖4 TS83-1D空間軌跡及垂直剖面投影

圖5 TS83-2D 空間軌跡及垂直剖面投影

圖6 TS83-3D 空間軌跡及垂直剖面投影

圖7 TS83-4D 空間軌跡及垂直剖面投影

4 結語與建議

通過山西沁水盆地煤層氣鉆井實踐，對該煤層氣鉆井技術進行了分析：

1）定向井施工須根據巖性組合、鉆井規律，做好井眼軌跡預判，防止全角變化率過大，提高中靶精度。

2）定向井施工利用螺桿和鉆具組合可有效提高鉆井效率。

3）煤層氣鉆井對鉆井液要求較高，特別是煤層的影響；對于埋深較淺煤層，應大力推廣空氣鉆井技術。