煤層氣U 型井鉆完井工藝探討

王立峰 李亞輝

（1.河南豫中地質(zhì)勘察工程公司，河南 鄭州 450053；2.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450053）

1 U 型井鉆井技術(shù)簡介

煤層氣“U”型井一般由一口洞穴直井和一口定向水平井組成[1-2]，由于水平井在水平段的靶點(diǎn)末端與洞穴直井相連通，兩口井形成一個“U”字形的井筒結(jié)構(gòu)，因此形象地稱U 型井（圖1）。

圖1 典型煤層氣U 型井井身結(jié)構(gòu)圖

2 工程概況

2.1 地質(zhì)依據(jù)

井田位于太原西山煤田的南東部， 西山古交國家規(guī)劃礦區(qū)清交區(qū)的東南部一帶。 井田內(nèi)地表基巖出露良好，第四系中上更新統(tǒng)黃土零星覆蓋于溝坡、山梁之上。 出露地層主要為二疊系上統(tǒng)上石盒子組，東南部溝谷兩側(cè)局部出露二疊系下統(tǒng)下石盒子組，下部地層未出露。 地層由老至新為：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)、峰峰組(O2f)；石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）；石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）；二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）；二疊系上統(tǒng)上石盒子組 （P2s）； 第四系中上更新統(tǒng) （Q2+3）、 全新統(tǒng)（Q4）。

2.2 工程概況

YQ-01 井組是藍(lán)焰公司在煤礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行煤層氣地面抽采（瓦斯治理）工程，設(shè)計(jì)一組U 型對接井，水平井水平段在沿煤層頂板鉆進(jìn)。 資料表明，預(yù)施工區(qū)域內(nèi)15# 煤比較松軟，易發(fā)生坍塌，在煤層中施工鉆孔難度相當(dāng)大，成孔的概率極低。 鑒于此，將YQ-01 井組設(shè)計(jì)成由一口水平井YQ-01H1 和一口洞穴直井YQ-01V 組成的一個U 型井組。 設(shè)計(jì)中， 先鉆一口垂深685.00m 的直井，以鉆入15 號煤層底板以下50m 完鉆，直井井口距離水平井井口621.00m，在15 號煤層及頂板內(nèi)下入1 根玻璃鋼套管。 177.8mm 套管固井后，下入造穴工具破碎15 煤層頂板的玻璃鋼套管和水泥環(huán)，洞穴孔徑≥500mm。

3 設(shè)備、鉆具及定向儀器配置

3.1 鉆井設(shè)備

主要鉆井設(shè)備：ZJ-20 鉆機(jī)； 泥漿泵為F800； 柴油機(jī)為12V190、12V135； 空 壓 機(jī) 為XRXS1275； 發(fā) 電 機(jī) 組 為300GF（300KW）、120GF（120KW）。

3.2 鉆具及定向儀器配置

鉆 具：Φ177.8mm 鉆 鋌，Φ165mm 鉆 鋌，Φ165mm 無 磁 鉆鋌，Φ127mm 加重鉆桿，Φ127mm 鉆桿，Φ73mm 鉆桿，Φ73mm油管，Φ127mm 無磁承壓鉆桿，Φ197mm1.5°單彎可調(diào)螺桿，Φ165mm0.5°單彎螺桿、1.5°單彎螺桿，Φ444.5mm、Φ311.1mm、Φ215.9mm、Φ118mm 鉆頭。

定向儀器：MWD 無線測量儀器， 電子多點(diǎn)測斜儀，RMRS磁導(dǎo)向儀器。

4 鉆完井工藝

4.1 洞穴直井鉆完井工藝

（1）洞穴直井鉆井工藝。洞穴直井一開井段用Φ311.15mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆穿基巖風(fēng)化帶15m 后，下入Φ244.5mm 表層套管，封固地表疏松地層，下表層套管固井，固井水泥返至地面。 二開井段用Φ215.9mm 鉆頭鉆進(jìn)， 鉆穿目的煤層底界以下50.00m完鉆。

（2）洞穴直井完井工藝。 下入Φ177.8mm 生產(chǎn)套管，其中在煤層段下入1 根Φ177.8mm 玻璃鋼套管， 注水泥封固至地面。 完井時下入專用套管鍛銑工具在煤層段鍛銑玻璃鋼套管，盡量靠近煤層頂板，然后在煤層擴(kuò)孔造穴，洞穴完井，洞穴直徑為500mm，洞穴高度盡量與直井的煤層厚度相當(dāng)。造穴結(jié)束，向直井投入壓裂砂，投入量高于洞穴頂面，之后在砂面之上注入水泥打塞，高度在砂面之上50.00m，目的是保證水平井固井、壓裂等作業(yè)順利進(jìn)行。 直井鉆井泥漿以安全快速鉆井為主要目的，可采用低固相低密度鉆井液。

4.2 水平井鉆完井工藝

鉆進(jìn)水平井前要對目的煤層及煤層頂板的構(gòu)造進(jìn)行研究，明確地層展布、傾向、傾角、斷層、褶皺等特征，確定該區(qū)域適合進(jìn)行水平井施工。

（1）水平井鉆井工藝。 水平井一開井段用Φ444.5mm 牙輪鉆頭鉆進(jìn)，鉆穿基巖風(fēng)化帶15.00m 后，下入Φ339.7mm*J55 表層套管，封固地表疏松層，下入表層套管固井，固井水泥返至地面。 二開井段用Φ311.15mm 牙輪鉆頭鉆進(jìn)，鉆達(dá)造斜點(diǎn)更換井下鉆具，下入Φ197mm 單彎螺桿和隨鉆定向儀器，鉆達(dá)煤層頂板以內(nèi)接近煤層達(dá)到最大井斜后著陸點(diǎn)中完， 下入Φ244.5mm*J55 技術(shù)套管固井， 注水泥封固井段， 水泥返至地面。 三開水平段采用Φ215.9mm 牙輪或PDC 鉆頭鉆進(jìn)， 換用Φ165mm 鉆鋌、Φ165mm 單彎螺桿、Φ165mm 無磁承壓鉆桿等，直至鉆至距完鉆90.00m，起鉆水平井下入強(qiáng)磁儀器，同時直井下入信號接收探管，緩慢調(diào)整鉆進(jìn)剩余井段。 連通后，水平井繼續(xù)向前鉆進(jìn)2.00-3.00m，大排量循環(huán)后完鉆。 測井采用鉆具輸送方式進(jìn)行，確保全井段測井。

（2）水平井下套管。 U 型井水平段多在煤層鉆進(jìn)，采用裸眼或割縫襯管方法完井，本井水平段沿煤層頂板鉆進(jìn)，采用了套管完井的方法。

測井后下入Φ139.7mm*N80*9.17mm*BTC 生產(chǎn)套管，下套管時，采用在套管上安裝扶正器的方法保證套管居中[3]，隨井斜增大扶正器數(shù)量增多，以提高居中度。 水平井安裝扶正器時，既要考慮套管居中， 還要考慮盡量減少套管與井壁之間的摩阻，為此選用剛性扶正器和彈性扶正器并用。 扶正器安裝原則：剛性扶正器與彈性扶正器間隔安裝，水平段每兩根套管安裝一只剛性扶正器，造斜段每一根套管安裝一只剛性扶正器；直井段只安裝彈性扶正器，每兩根套管安裝一只。

（3）水平井固井完井工藝。 以往U 型井很少固井，本井固井采用G 級石油水泥， 先注入WH-2 型2m3+低密度水泥漿為前置液，再注入低密度、高密度水泥漿，水泥返至地面，封固全井段，有效提高了本井的井身質(zhì)量。

①前置液設(shè)計(jì)：采用高粘懸浮隔離液WH-2+低密度水泥漿密度1.50g/cm3兩級沖洗隔離體系。

②領(lǐng)漿配方：G 級油井水泥+WD-L 防竄劑×4.0%+G302 降失水劑×1.2%+GH-1 緩凝劑×0.6%+USZ 減阻劑×0.6%+SP-A 消泡劑×0.05%。

水灰比：W/C=60%；密度：1.70g/cm3。

③尾漿配方：G 級油井水泥+WG 微硅×2.0%+M53S 早強(qiáng)劑×1.0%+TW200s 降失水劑×1.0%+SP-A 消泡劑×0.05%。

水灰比：W/C=44%；密度1.85g/cm3。

5 幾點(diǎn)認(rèn)識

（1）U 型井鉆井為確保鉆井動力、 提升力， 建議采用石油2000 型及以上鉆機(jī)。

（2）U 型井由水平井與直井組合井型， 應(yīng)結(jié)合該區(qū)域地層傾角，構(gòu)造情況等條件，經(jīng)井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，鉆U 型井充分避開該區(qū)域目的煤層易塌因素， 采用水平段沿煤層頂板鉆進(jìn)，在連通時，在煤層對接，確保水平鉆進(jìn)安全。

（3）U 型井水平井井斜接近90°，測井時，需用鉆具輸送測井儀器進(jìn)行，裸眼測井用Φ127mm 鉆具輸送，完井測聲幅需用Φ73mm 油管輸送進(jìn)行。

（4）下套管時，本井采用剛性扶正器與彈性扶正器組合應(yīng)用，并優(yōu)化安裝順序，保證了套管盡量居中。

（5）固井時，在選用水泥漿體系時，通過多次試驗(yàn)，采用高粘懸浮隔離液WH-2+低密度水泥漿密度1.50g/cm3兩級沖洗隔離體系，確保充分沖洗井壁、套管壁且保護(hù)井壁不坍塌，達(dá)到充分沖洗、隔離以及有效提高頂替效率的目的。 領(lǐng)漿、尾漿選用G 級油井水泥，并優(yōu)化了配方，保證了固井質(zhì)量。

（6）煤層氣U 型井作為一種資源開采的新型模式，通過優(yōu)化套管、固井完井方式等，提高井組質(zhì)量，更好地發(fā)揮U 型井組優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)煤層的排水降壓采氣，并且可以與羽狀分支井組合成新的井型，更好發(fā)揮U 型井與分支井各自的優(yōu)勢，在一定地區(qū)試驗(yàn)完善后，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

[1]鮮保安，夏柏如，張義等.高陡構(gòu)造煤層氣鉆采工藝技術(shù)研究[J].煤層氣勘探開發(fā)理論與技術(shù).北京：石油工業(yè)出版社，2010：293-298

[2]趙慶波，孫粉錦，李五忠等.煤層氣勘探開發(fā)地質(zhì)理論與實(shí)踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011：268-270

[3]吳俊輝，張春明，習(xí)玉光等編譯.水平井固井技術(shù)[J].國外油田工程.2006，22（12）：23-25