平頂山首山一礦煤層氣鉆井施工工藝的實(shí)踐及應(yīng)用

杜貴亭

(河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì),河南 467000)

平頂山首山一礦煤層氣鉆井施工工藝的實(shí)踐及應(yīng)用

杜貴亭

(河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì),河南 467000)

用鉆井手段形成煤層氣生產(chǎn)井并通過技術(shù)手段抽取煤層中的煤層氣,既可以為今后的煤礦生產(chǎn)降低安全隱患,又可以提供一種清潔的新型能源,同時(shí)也能夠緩解能源緊張的局面,本文介紹了平頂山礦區(qū)首山一礦的煤層氣抽放情況及根據(jù)其特點(diǎn)所采取的措施。

首山一礦 煤層氣 鉆井 鉆具組合

Abstract:The means of building CBM production wells by drilling wells and draining CBM in the coal seam with special technique will not only reduce the safety risks during coal mining process,but also will provide a type of new clean energy,which can at the same time ease the energy crisis.The paper introduces CBM recovery in Shoushan No.1 Mine and the meaeures taken by its situations.

Keywords:Shoushan No.1 Mine;CBM;Well drilling;BHA

近年來,煤層氣作為一個(gè)新型的能源、越來越受到人們的關(guān)注和重視,對其開發(fā)利用和綜合治理的工作力度也在逐年加大并取得了一定的成果。據(jù)有關(guān)資料顯示,僅河南省埋深在2000m以淺的煤層氣資源總量約10427.61億m3、1500m以淺的約為7140.38億m3。由此可見,大力開展煤層氣的開發(fā)和綜合利用前景可觀,潛力巨大。如何開展煤層氣鉆井并順利完成地質(zhì)鉆井施工任務(wù),為煤層氣開發(fā)利用提供技術(shù)上的支持和保障就顯得十分重要。河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)在平頂山礦區(qū)首山一礦進(jìn)行的煤層氣鉆井施工中,運(yùn)用現(xiàn)有的鉆探技術(shù)和鉆探設(shè)備對煤層氣的鉆井施工工藝進(jìn)行了有益嘗試,取得了較好的實(shí)踐效果。

1 地層概況

平頂山礦區(qū)首山一礦地層自上而下為第四系、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系太原組。

第四系:層厚68.00m左右。頂部為耕植土,其下為黃灰色粘土、亞粘土,局部夾砂礫石,松散易垮塌。與下伏地層呈角度不整合接觸。

二疊系上統(tǒng)上石盒子組:層厚250.00m左右。上部為灰色泥巖,灰綠色砂質(zhì)泥巖,夾薄層淺灰色細(xì)粒砂巖;中部為灰色、灰綠色泥巖,夾薄層淺灰色細(xì)粒砂巖;下部為灰綠色、深灰色泥巖,淺灰色細(xì)粒砂巖。

二疊系下統(tǒng)下石盒子組:層厚330.00m左右。上、中部以灰色、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖,淺灰色細(xì)粒砂巖,夾薄煤層;下部為灰色、深灰色泥巖,淺灰色、灰色砂質(zhì)泥巖,淺灰色細(xì)粒砂巖及煤層。三9-10煤位于該組中下部。

二疊系下統(tǒng)山西組:層厚80.00m左右。本組巖性為淺灰色、灰色砂質(zhì)泥巖,深灰色泥巖,淺灰色中、細(xì)粒砂巖及煤層。二1煤位于該組底部,是煤層氣井的主要抽采目的煤層。

石炭系太原組:層厚35.00m左右(未鉆穿)。巖性以灰色石灰?guī)r為主,夾灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖及細(xì)粒砂巖。本組地層未鉆穿。

2 施工目的和難點(diǎn)

2.1 施工目的

本區(qū)煤系地層為石炭二疊系,目標(biāo)煤層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組三9-10煤層與山西組二1煤層,鉆井目的是了解本區(qū)煤層氣賦存條件及含氣量,獲取區(qū)內(nèi)與煤層氣地質(zhì)及生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù),主要包括:煤層埋深與厚度、煤巖及煤質(zhì)特征、完成下套管及固井工作,為該區(qū)煤層氣的綜合治理和開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

2.2 施工難點(diǎn)

平頂山首山一礦煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)井位于東南-西北走向的白石山背斜兩側(cè),其中SY-002井位于背斜南,SY-003井、SY-004井位于背斜北,據(jù)相關(guān)資料顯示,此區(qū)域地層傾角大,平頂山砂巖硬度大,鉆井施工極易向背斜軸方向偏斜,預(yù)防井斜是該區(qū)塊鉆井施工的重點(diǎn)。

該地區(qū)一開施工井段地層復(fù)雜,含多層流砂及礫石層,井內(nèi)安全隱患大且由于地層裂隙多,易造成井內(nèi)涌漏,增加了鉆井的施工難度。礦區(qū)地層泥頁巖水敏性較強(qiáng),遇水易水化膨脹,造成縮徑,可能發(fā)生井下復(fù)雜情況,因此防卡也是鉆井施工中不可忽視的工作。

由于該地區(qū)地層相對復(fù)雜,且不穩(wěn)定,在二開采用清水鉆進(jìn)的過程中易產(chǎn)生坍塌、掉塊等不安全因素,造成施工難度加大。

3 設(shè)備的選擇

鑒于煤層埋藏深度接近1000m,且地層變化往往會導(dǎo)致鉆孔延深,因此在選擇鉆探設(shè)備上,應(yīng)充分考慮到這些因素,以使鉆探鉆井順利達(dá)到施工目的。

鉆機(jī):TSJ-2000型鉆機(jī)

柴油機(jī):6v135柴油機(jī)

泥漿泵:3NB35型泥漿泵

鉆塔:JJ50-24A以及其它配套設(shè)備

4 鉆進(jìn)方法及鉆具組合

4.1 鉆進(jìn)方法

一開:0～70m采用φ311.1mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)。二開:70m至目的層位非取芯井段采用φ215.9mmPDC鉆頭或牙輪鉆頭無芯鉆進(jìn),取芯井段采用φ215.9mmPDC取芯鉆頭鉆進(jìn)。

4.2 鉆具的組合:

(1)一開鉆具結(jié)構(gòu):φ311.1mm鉆頭+φ178mm扶正器+φ159mm鉆鋌+φ127mm鉆桿

圖1 一開鉆具組合示意圖

(2)二開鉆具結(jié)構(gòu):φ215.9mm鉆頭+φ178mm扶正器+φ178mm鉆鋌+φ159mm扶正器+φ159mm鉆鋌+φ127mm鉆桿

圖2 二開鉆具組合示意圖

5 泥漿的選擇

(1)第三、四系地層(一開井段):采用聚丙烯酰胺低固相鉆井液,用優(yōu)質(zhì)膨潤土配置基漿,用CMC、鈉土粉、純堿調(diào)整泥漿性能。由于第三、第四系地層不穩(wěn)定(見表1),流砂與卵石互層,泥漿應(yīng)加入適量防塌劑,以提高泥漿防塌能力,同時(shí)起下鉆具要慢、穩(wěn),防止井內(nèi)壓力激動,引起井壁坍塌。

表1 第三、四系泥漿性能

(2)非煤系地層段地層(見表2):采用低固相鉆井液鉆進(jìn),鉆進(jìn)時(shí)可適當(dāng)加入鉀鹽、胺鹽等防塌處理劑,加入絮凝劑提升巖屑上返能力,達(dá)到安全鉆進(jìn)的目的。

表2 非煤系地層段鉆井液性能

(3)煤系地層段鉆井液性能(見表3):煤系地層至完鉆為保護(hù)煤層,嚴(yán)格按要求使用清水鉆進(jìn)。

表3 煤系地層段鉆井液性能

6 安全施工保障措施

6.1 防斜措施

把好設(shè)備安裝質(zhì)量關(guān),保證天車、轉(zhuǎn)盤中心、井口一條線。采用合理的防斜鉆具組合,確保井斜不超限。一開輕壓吊打,控制鉆速,在鉆遇礫石層時(shí)為防止井斜突然增大,將鉆壓降為3K N。二開鉆進(jìn)應(yīng)適當(dāng)控制鉆壓且給壓要均勻,鉆壓、轉(zhuǎn)速、水量三個(gè)主要參數(shù)要科學(xué)合理,三班保持一致,防止打斜。在換徑或傾角大的地層中鉆進(jìn)時(shí),考慮到鉆孔比較深,即便是在正常鉆進(jìn)情況下、也必須加帶同徑導(dǎo)向,以確保鉆孔的垂直度、保證孔斜達(dá)到設(shè)計(jì)目的。要認(rèn)真檢查鉆具連接后的同心度,不同心或彎曲和不合格的鉆具不得下入孔內(nèi)。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求跟蹤測斜,每50m測斜一次,及時(shí)監(jiān)測井斜情況,確保井身質(zhì)量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)井斜有加大的趨勢時(shí),要下入糾斜鉆具進(jìn)行糾斜。

6.2 防漏措施

地表層可提高泥漿粘度以防漏,靜置以堵漏。鉆井至易漏層段,可在泥漿中加谷殼、核桃殼、鋸沫、屏蔽暫堵劑等材料以防止井漏。遇漏失時(shí),認(rèn)真記錄其漏失量、漏失速度、漏失層位和泥漿性能。漏速超過10m3/h的大漏,須及時(shí)向相關(guān)部門請示匯報(bào)并商議解決方案后,方可進(jìn)行施工。控制合理的泥漿密度,防止加重過度而壓漏地層。

6.3 防塌措施

堅(jiān)持做好隨起鉆隨灌泥漿的工作,以確保鉆具起完井內(nèi)灌滿鉆井液,保持井內(nèi)地層壓力平衡。嚴(yán)格控制鉆井液相對密度及性能變化的范圍,控制失水,仔細(xì)觀察巖屑返出情況。若發(fā)現(xiàn)井下垮塌,必須嚴(yán)密注視井下情況,保持鉆井液性能的相對穩(wěn)定,避免大起大落。禁止在易坍塌井段高速起下鉆,嚴(yán)重坍塌段禁止轉(zhuǎn)盤卸扣。不能長時(shí)間在同一深度大排量循環(huán)泥漿,以防沖垮井壁。防止加重過猛,壓漏地層面引起井下壓力失去平衡,造成更嚴(yán)重的坍塌漏失。

6.4 防卡措施

加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng),確保鉆具入井期間設(shè)備始終保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。調(diào)整維護(hù)好泥漿性能,確保泥漿性能一直處于優(yōu)質(zhì)狀態(tài)。合理控制泥漿密度、做到近平衡壓力鉆進(jìn),防止壓差卡鉆。根據(jù)井下情況,適當(dāng)提高鉆井液密度,以平衡地層壓力,抑制塑性地層向井眼方向蠕動。對于頁巖膨脹地層,抑制失水,加入抑制泥頁巖膨脹的處理劑。對于易縮徑地層,每打完一個(gè)單根都應(yīng)反復(fù)劃眼。起鉆過程如有遇卡現(xiàn)象嚴(yán)禁強(qiáng)力提拔,要反復(fù)劃眼,直至?xí)惩o阻。

6.5 防掉落物措施

起下鉆前應(yīng)檢查大鉗鉗牙固定是否牢固,吊卡手柄等是否完好,吊卡擋銷保險(xiǎn)繩是否合格。下鉆轉(zhuǎn)盤面要干凈,嚴(yán)禁轉(zhuǎn)盤上放工具。當(dāng)使用卡瓦時(shí)井口操作工應(yīng)仔細(xì)檢查卡瓦固定是否牢靠,卡瓦有無斷裂,如有斷裂的應(yīng)及時(shí)更換?？站鳂I(yè)時(shí)應(yīng)蓋住井口。在井口作業(yè)時(shí),所有工具都要系保險(xiǎn)繩。

6.6 防鉆頭事故措施

鉆頭入井前進(jìn)行“三級”檢查,在確認(rèn)尺寸、型號、扣型、水眼安裝、鉆頭質(zhì)量無問題后方可入井。新鉆頭下到井底后按規(guī)定跑合牙輪,待牙輪活動好后再加到設(shè)計(jì)鉆壓鉆進(jìn)。采取有效措施,杜絕溜鉆、墩鉆的發(fā)生。

6.7 實(shí)際應(yīng)用

按照本文所述鉆井工藝和各項(xiàng)技術(shù)保障措施,我單位在該礦區(qū)共施工3口煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)井,分別為:SY-002井、設(shè)計(jì)井深760m、實(shí)際井深753.38m。SY-003井、設(shè)計(jì)井深850m、實(shí)際井深851m。SY-004井、設(shè)計(jì)井深848m、實(shí)際井深756m。由于鉆探施工設(shè)計(jì)合理且技術(shù)保障措施得力有效,三口井全部實(shí)現(xiàn)了一次成井。

7 結(jié)論

(1)通過該礦區(qū)的鉆井工作,對獲得的鉆井技術(shù)資料進(jìn)行分析,基本上查清了該礦區(qū)目的層煤層氣賦存條件并獲取了與煤層氣地質(zhì)及生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù),達(dá)到了鉆探鉆井施工的預(yù)期目的。

(2)通過對三口煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)井的鉆井施工,科學(xué)運(yùn)用當(dāng)前現(xiàn)有的鉆探技術(shù)裝備,對該礦區(qū)開展煤層氣鉆井施工進(jìn)行了有益的嘗試并取得了成功經(jīng)驗(yàn)。

(3)在煤層氣勘探施工中,鉆井技術(shù)及與之相對應(yīng)的技術(shù)保障措施、是確保實(shí)現(xiàn)鉆井目的的重要因素。依據(jù)現(xiàn)有的鉆井施工技術(shù)是很難與快速發(fā)展的煤層氣的綜合開發(fā)利用相適應(yīng)的,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足煤層氣綜合開發(fā)利用的步伐和需求,對煤層氣鉆井施工技術(shù)的研究仍是一個(gè)需要長期研究的課題,所以,加強(qiáng)地質(zhì)鉆井技術(shù)手段的研究和對施工技術(shù)的進(jìn)一步探索,對今后更好地利用和開發(fā)煤層氣有著至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 李元建.河南省煤層氣勘查開發(fā)現(xiàn)狀及前景分析.[J]中國煤層氣.2009(6):35-38.

[2] 趙運(yùn)興等.煤田地質(zhì)勘探技術(shù)手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社.

Practice and Application of CBM Well Drilling Technique of Shoushan No.1 Mine in Pingdingshan

Du Guiting
(Henan Provincial Bureau of Coalfield Geology,Henan 467000)

杜貴亭,男,鉆探工程師,浙江長興煤田地質(zhì)學(xué)校煤田地質(zhì)鉆探專業(yè),長期從事煤田地質(zhì)鉆探技術(shù)工作。

(責(zé)任編輯 黃 嵐)