TL-L-12507煤層氣水平井鉆井技術

薛 磊

(西山煤電集團 礦業管理有限公司鉆探分公司， 山西 太原 030053)

“L”型鉆井抽采瓦斯技術是我國近年來發展起來的一種新型高效瓦斯抽采技術，具有廣闊的應用前景。在水平鉆井技術已在煤層氣開采中廣泛應用的前提下，確定水平鉆井水平段合理位置成為“L”型鉆井抽采瓦斯的一個關鍵點[1]. 國內外相關單位采用“L”型水平鉆井技術實現煤與瓦斯共采，取得了良好的安全效果和經濟效益[2，3]. 西山礦區煤層瓦斯含量高，治理難度大，雖然采取了本煤層抽放、地面預抽等瓦斯抽放方法，但由于工作面瓦斯涌出量大，在工作面回采過程中回風瓦斯濃度仍然較高，影響了工作面的安全生產。為解決屯蘭礦12507工作面在回采過程中上隅角瓦斯問題，同時實現高產高效條件下的采煤采氣一體化，決定在該工作面地面施工“L”型煤層氣井。

1 TL-L-12507井地質概況

12507工作面長1 669～1 702 m，寬220 m，2#、3#煤層合并開采，煤巖層總厚為3.2～5.0 m，平均3.98 m. 工作面標高為661～726 m，地面標高為1 123～1 251 m，蓋山厚度433～586 m.

該工作面區域地表以山地地形為主，切割強烈，溝谷縱橫，主要溝谷為肚肚溝。經對地表調查走訪，該區大部被黃土覆蓋，地表施工有T35和T42兩個煤田鉆孔及XST-B15和XST-B16兩個煤層氣鉆孔，地表肚肚溝為季節性溝谷，雨季間歇性匯集少量積水。

TL-L-12507煤層氣孔鉆遇地層依次為第四系、二疊系上石盒子組、下石盒子組，水平段鉆遇地層巖性為砂質泥巖，中間夾0.8 m厚細砂巖,終孔層位在2#煤頂板上約40 m.

2 TL-L-12507井設計

2.1 井位設計

根據地面踏勘情況，并結合井下選定區域，選擇地形較為平緩，交通較為便利的位置確定井位，以方便施工、運輸及后期的瓦斯抽采。選定孔位在對坡村西，孔位坐標由該礦提供，孔口的井下位置在12507工作面距回風巷70 m處(圖1). 井位設計數據見表1.

表1 TL-L-12507井設計井位數據表

圖1 TL-L-12507井上下對照圖

2.2 井身結構設計

該井采用三開井身結構，目的層水平段采用裸眼完井方式。

1) 一開采用d311.15 mm牙輪鉆頭，鉆穿基巖風化帶10 m 后(預計井深 40.00 m以實鉆地層為準)，下入鋼級 J55的d273.1 mm表層套管，封固地表疏松層。下入深度約40 m，注油井水泥全封固。

2) 二開采用d241.3 mm鉆頭鉆進至2#煤層頂板上40 m，下入鋼級J55的d193.7 mm技術套管，注油井水泥固井返至地面。

3) 三開采用d171.5 mm 鉆頭從著陸點鉆至靶點，裸眼完井[4，5].TL-L-12507井結構示意圖見圖2.

圖2 TL-L-12507井結構示意圖

2.3 軌跡設計

TL-L-12507井的特點是垂深淺、水平位移大。因此，在井眼軌跡設計時，要重點考慮以下兩個因素: 1) 井眼軌跡的控制。由于煤層氣井埋藏較淺，著陸前可供控制的井段較短，因此，設計的井眼軌道必須有利于井眼軌跡控制，確保準確著陸。2) 水平段托壓問題。由于該井水平段位移大，在水平段鉆進時鉆柱能提供的鉆壓有限，使得水平段施工存在加壓難問題，特別是滑動鉆進時更加困難。因此，所設計的水平井井眼軌跡必須盡可能光滑，以最大限度減少摩阻[6,7].

TL-L-12507井設計采用“單弧剖面”(直-增-水平)三段制剖面形式，造斜率取9°/30 m，確保井眼的光滑，以利于水平段的施工。

TL-L-12507井的井眼軌跡設計參數見表2.

表2 TL-L-12507井軌跡設計主要參數表

2.4 鉆井液設計

由于砂質泥巖吸水水化膨脹，所以在施工水平井時容易發生坍塌卡鉆事故。

針對上述難點，該井采用以下設計方案：

1) 一開設計使用膨潤土鉆井液，解決大井眼的攜巖問題。

2) 二開設計使用低固相鉆井液體系，提高鉆井液密度，并通過封堵劑封堵地層的層理裂隙，有效防止地層垮塌。

3) 三開水平段設計使用無固相鉆井液體系，提高鉆井液的穩定性，嚴格控制鉆井液濾失量≤8 mL. 水平段為生產層位，需要進行儲層保護[8].

施工過程中采用固控設備，加強鉆井液凈化工作，嚴格控制固相含量，確保水平段不受鉆井液固相污染。

3 現場施工工藝

3.1 井眼軌跡控制

1) 一開井段。

一開井段(0～52.99 m)易井斜，采用滿眼鉆具組合：d311.15 mm鉆頭+630×410雙母接手+d178 mm鉆鋌5根+d127 mm鉆桿，鉆壓控制在10～60 kN，輕壓鉆進。

2) 二開直井段。

二開直井段(52.99～152.79 m)重點是控制井斜，采用滿眼鉆具組合：d241.3 mm鉆頭+630×4A10雙母接手+d159 mm鉆鋌3根+4A11×410公母接手+d127 mm鉆桿，鉆壓控制在40～60 kN，井斜控制在0.8°以內，為后續井段施工創造了良好的條件。

3) 二開造斜段。

造斜段(152.79～579.78 m)重點是確保螺桿的造斜率能夠達到設計要求，采用“單彎螺桿鉆具+MWD”的常規導向鉆具組合：d241.3 mm鉆頭+d185 mm×1.5°單彎螺桿+4A11×410公母接手+411×410定向接頭+411×4A10公母接手+d165 mm無磁鉆鋌1根+4A11×410公母接手+d127 mm鉆桿，定向鉆進至579.78 m處著陸，井斜85.56°，垂深476.02 m，水平位移198.89 m.

4) 三開水平段。

水平段 (579.78～1 117.92 m) 重點是確保井眼軌跡在目的層的穿透率。采用 “單彎螺桿鉆具+MWD”的導向鉆具組合: d171.5 mm鉆頭+d127 mm×1.25°單彎螺桿+311×310定向接頭+d121 mm無磁鉆鋌+d89 mm加重鉆桿2根+d89 mm鉆桿89根+d89 mm加重鉆桿22根+d89 mm鉆桿，在參考區域資料、鄰井柱狀圖等資料，結合本井的巖屑錄井的基礎上，利用伽馬測量儀確定目的層位置準確地鉆入設計目的層并在其層位中有效地延伸。

3.2 鉆井液維護

1) 一開井段。

在鉆進至5 m、12 m、18 m、25 m處均鉆遇地表風化基巖(厚層砂巖裂隙帶)不返水，隨鉆隨漏(耗水量不小于110 m3/h)，使用惰性堵漏材料堵漏(共消耗膨潤土25 t、黃原膠0.5 t，火堿1 t、纖維素5 t、紅土10 t、大裂隙隨鉆堵漏劑3 t、大堵隨鉆惰性材料3 t、白灰3 t、鋸末40袋以及就地取材風化巖土8 t). 鉆進至52.99 m，一開結束，調整泥漿漏斗黏度至50 s，循環排渣，確保下套管，固井作業順利。

2) 二開井段。

二開在一開膨潤土鉆井液的基礎上，加入羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺和潤滑劑，提高鉆井液的抑制、防塌和攜帶巖粉能力，減少固相含量，鉆井液性能控制在：密度1.05～1.10 g/cm3，含沙量0.2%～0.3 %. 二開完鉆后，必須進行順井，確保測井、下套管和固井作業順利。

3) 三開井段。

三開鉆進前，換掉二開使用的鉆井液，重新配置無固相泥漿，配方：清水+0.5%～0.6% NaOH +0.1%～0.5% CMC+0.1%～0.5% PAM+5%～6%潤滑劑，鉆井液性能控制在：密度1.05 g/cm3以內，含沙量0.1 %以內，黏度20～30 s. 三級固控裝置要同時使用，確保鉆井液中的有害固相能夠及時排出，保障水平段施工安全。

4 實鉆效果

TL-L-12507井2019年5月30日開鉆，2019年7月8日完井，鉆井周期40天。鉆孔結構圖見圖3，鉆孔軌跡圖見圖4.

圖3 TL-L-12507鉆孔結構圖

該井完鉆井深1 117.92 m，井斜角87.10°，方位角141.29°，垂深503.27 m，水平位移737.40 m，靶點距離2#煤層頂板38.19 m，實鉆軌跡平滑，與設計軌跡吻合，滿足設計要求。

5 經 驗

1) 地層的可鉆性比較適宜二開和三開鉆進。在進入二開施工后，地層以細粒砂巖和砂質泥巖為主，巖層相對完整，沒有發生漏失、塌孔，地層可鉆性較好，鉆進比較安全。

2) 高性能泥漿是水平井鉆進的新鮮“血液”。通過合理配置泥漿，使泥漿比重控制在1.05 g/cm3，黏度控制在20～30 s，有利于攜帶井內巖粉，減少鉆頭反復研磨，提高鉆效；有利于保護井壁、潤滑鉆具，保證孔內安全；有利于無線測斜探管可靠傳輸數據。

3) 在造斜段和穩斜段采用“單彎螺桿鉆具+MWD”定向技術，該技術是比較先進且成熟的定向鉆進技術，有很好的理論支撐。MWD定向儀器測量精度高，誤差小，可以控制螺桿鉆具準確的在目的層中鉆進，為成功完井提供了技術保證。

6 建 議

1) 西山煤系地層鋁泥質含量高，屬于造漿地層，鉆進過程中發生泥漿密度升高過快，短時間不能降低的現象。建議采取以下措施：提前預制新漿，采取稀釋泥漿措施；選擇可以快速降低泥漿密度的離心機。

2) 由于造斜段距離較短，發生托壓增斜現象。建議采取以下措施：將造斜點提前；配置對應尺寸的加重鉆桿。