新疆阜康急斜地層煤層氣井施工技術(shù)

石 浩，姚寧平，趙洋洋，金 新，張鐵牛

(1．中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077;2．長安大學(xué)地質(zhì)調(diào)查研究院，陜西 西安710054;3．新疆煤田地質(zhì)局156隊，新疆烏魯木齊830009)

0 引言

我國煤層氣資源儲量豐富，近年來，煤層氣做為一種新型清潔能源受到國家和國土資源部門的重視［1－2］。新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣資源豐富，但是由于白楊河礦區(qū)干旱缺水，地層急斜，表層由于河流沖刷等自然條件作用存在大塊卵礫石層，且存在軟硬互層及煤層自燃等因素造成的破碎帶，開發(fā)難度大。在鉆井施工過程中極易造成鉆孔彎曲，對直井、定向井等鉆孔軌跡控制提出較高要求，極大增加了鉆井施工難度。在前期探井施工過程中采用多鉆鋌“吊打”的保直鉆井技術(shù)，進尺慢，施工效率低，井斜常達到20°以上，且較長的施工周期增大了事故產(chǎn)生的風(fēng)險性。針對這些情況，分別采用了空氣潛孔錘鉆進技術(shù)及電磁波無線隨鉆測井定向鉆進技術(shù)進行施工，空氣潛孔錘鉆井技術(shù)效率高，鉆進速度是常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進速度的3倍以上，對地層污染小，保直性好，特別適用于較堅硬、破碎的巖層鉆進［3－4］;電磁波無線隨鉆測井技術(shù)具有測量精度高，信號傳輸性能好，已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、頁巖氣等定向鉆井工程［5］。

1 地層情況

施工地點位于新疆阜康白楊河礦區(qū)黃山—二工河倒轉(zhuǎn)向斜的北翼，為一向南傾的單斜構(gòu)造，走向為近東西向，地層傾角45°～53°，勘探線剖面圖如圖1所示。巖性主要由泥巖、粉砂巖、細砂巖、砂礫巖、薄煤線和煤層組成，夾有少量中、粗砂巖，頂部夾炭質(zhì)泥巖和薄煤線［6］。區(qū)內(nèi)含煤地層中的 39、40、41、42、43和44號煤層因自燃嚴重，形成了一條近東西向的燒變巖帶?；馃蟮拿簩映驶液稚?、黑褐色松散或膠結(jié)在一起的渣狀物，其含水和透水性很強，煤層火燒影響強烈的圍巖，呈淺紅、褐、黑褐色熔融狀物質(zhì)，具致密、堅硬、氣孔發(fā)育之特征。由于受烘烤后巖石(層)受重力作用，裂隙較為發(fā)育，有較強的透水性及貯水性。根據(jù)前期鉆探驗證和磁法勘探的結(jié)果，區(qū)內(nèi)煤層自燃形成的燒變巖深度大部地段在垂深250～550 m。由于以上特殊的地層及巖性情況，在施工過程中極易造成鉆孔彎曲、坍塌、涌水等事故，給成孔帶來較大困難。

圖1 阜康白楊河礦區(qū)勘探線設(shè)計剖面圖

2 鉆探設(shè)備及鉆井設(shè)計

2．1 主要鉆探設(shè)備

鉆機采用中煤科工集團西安研究院有限公司研制的ZMK5530TZJ60型全液壓車載鉆機，如圖2所示，鉆機提升能力600 kN，具有移動搬遷迅速、機動性強、占地面積小等優(yōu)點，采用伸縮式桅桿結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊可以滿足600 m(711 mm)大口徑礦山應(yīng)急救援井及1500 m(216 mm)以淺煤層氣井快速成孔要求，具有主軸制動功能，能夠施工多分支煤層氣定向井。

圖2 ZMK5530TZJ60型全液壓車載鉆機

定向裝備采用NOV公司blackstar電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)，其主要由測量探管、電池筒、發(fā)射器、信號接收器、信號放大器、計算機等部分組成，結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示，其工作時通過儀器測量相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過絕緣短節(jié)將鉆桿柱與測量儀器形成兩極，編碼后發(fā)射器以地層為介質(zhì)向上傳輸，地面接收器接收后經(jīng)過信號放大器放大信號然后解碼，得到相關(guān)參數(shù)。具有信號穩(wěn)定，測量精確，傳輸速度快等優(yōu)點。

其他主要鉆井工具包括青州QF－500型泥漿泵、壽力DLQ900XHH/1150XH型雙工況空壓機、TD216型空氣潛孔錘、127 mm 鉆桿、172/165 mm鉆鋌、311/216 mm牙輪/PDC鉆頭等。

圖3 blackstar電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)

2．2 鉆井設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，本次施工從式井一組，共3口煤層氣井，其中直井FS－58、FKQ－1，設(shè)計井深分別為765、730 m;定向井FS－44設(shè)計井深685 m，設(shè)計剖面圖如圖1所示。兩口直井要求500 m內(nèi)井段井斜≯1.5°，500～1000 m 井段井斜≯3°;定向井要求直井段井斜≯1°，造斜點70 m，造斜率控制在0.1～0.2(°)/m，穩(wěn)斜角 22.89°，最大井斜≯27.89°，全角變化率≯5°，靶點水平位移176.64 m，靶點垂深604.4 m，中靶半徑＜25 m。

3 施工情況

結(jié)合前期探井施工經(jīng)驗，由于地層急斜等原因，極易造成鉆孔彎曲，采用增加剛性鉆鋌的“吊打”方式亦未取得良好效果，直井施工測井結(jié)果顯示最大井斜超過20°，同時“吊打”控速鉆進進尺慢，效率低，一口井施工往往達到數(shù)個星期甚至超過一個月，大大增加鉆井成本及事故產(chǎn)生的風(fēng)險。本次施工3口井一開施工均采用311 mm三牙輪鑲齒鉆頭普通回轉(zhuǎn)鉆進，鉆具組合:311 mm牙輪鉆頭+178 mm鉆鋌+178 mm鉆鋌+127 mm鉆桿。為保直鉆進，給進壓力較小，鉆進基巖后下入244 mm套管，F(xiàn)S－44、FS－58、FKQ －1套管下深分別為 47、55、52 m。FS－58、FKQ－1直井二開首先采用空氣潛孔錘鉆進，在風(fēng)量不足以排渣后改為螺桿馬達結(jié)合無線電磁波隨鉆測井定向鉆進技術(shù);FS－44定向井采用定向鉆進技術(shù)鉆進至終孔。

3．1 空氣潛孔錘鉆進技術(shù)

空氣潛孔錘鉆進是以壓縮空氣作為動力，利用潛孔錘對錘頭的往復(fù)沖擊作用，來達到破碎巖石的目的，從潛孔錘排出的壓縮氣體經(jīng)鉆頭通風(fēng)孔沖洗清潔鉆孔，潛孔錘單次沖擊功較大，一般可達數(shù)百至上千焦耳，鉆進速度快，隨孔深增加對鉆速影響很小，孔底清洗及冷卻條件好，轉(zhuǎn)速、扭矩和鉆壓要求較低，能明顯減少鉆桿磨損和折損事故，保持鉆孔平直度。適合于需保直鉆進的急斜地層以及破碎、堅硬等地層。

以FS－58井二開空氣潛孔錘鉆進為例，潛孔錘后接無磁鉆鋌，每50～60 m采用單點測斜儀測量井斜一次。鉆具組合:216 mm空氣潛孔錘 +165 mm無磁鉆鋌+165 mm鉆鋌+127 mm鉆桿。鉆進參數(shù):鉆壓選擇根據(jù)經(jīng)驗公式0.09 kN/mm×錘頭直徑(216 mm)約為20 kN，轉(zhuǎn)速20～30 r/min;風(fēng)動工具:TopDrill;空壓機參數(shù):美國壽力DLQ900XHH/1150XH型，風(fēng)量 25.5或 32.6 m3/min，風(fēng)壓 3.45/2.41 MPa。

首先將空壓機風(fēng)量調(diào)整為25.5 m3/min，純進尺速度達到38 m/h，最大進尺速度達到46 m/h，鉆進至121 m處出現(xiàn)少量涌水，至160 m涌水增大，將空壓機風(fēng)量調(diào)整為32.6 m3/min，并添加少量泡沫劑，此時鉆進速度雖有所下降，仍達到28 m/h，鉆進至281 m時由于風(fēng)量不足，返渣量減少，進尺速度降低，為防止孔內(nèi)事故提鉆更換螺桿馬達結(jié)合無線電磁波隨鉆測井定向鉆進至終孔?？諝鉂摽族N鉆進過程返渣照片如圖4、圖5所示?？諝鉂摽族N鉆進期間，平均鉆進速度達到35.2 m/h，達到常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進速度的3倍以上，在70、120、180、240 m 分別采用單點測斜，井斜依次為 0.4°、0.4°、0.5°、0.7°，較好地達到保直快速鉆進目的。

3．2 定向鉆進技術(shù)

圖4 空氣潛孔錘正常返渣照片

圖5 孔內(nèi)涌水后空氣潛孔錘返渣照片

螺桿馬達結(jié)合blackstar無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)定向鉆進技術(shù)具有測量精度高、傳輸速度快等優(yōu)點。測量主要參數(shù)有井斜、方位、重/磁工具面、磁場強度、重力和、溫度、電壓等，同時還可以測得高邊伽馬、低邊伽馬與環(huán)空壓力兩個參數(shù)，不僅可以準確辨別地層層位，提高煤層鉆遇率，而且有利于判定破碎易坍塌等復(fù)雜地層情況，提前預(yù)防井下事故的發(fā)生［7－8］。

FS－58、FKQ－1井由于空氣潛孔錘鉆進風(fēng)量不足，分別在281、265 m提鉆更換螺桿馬達結(jié)合blackstar電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)定向鉆進，為提高鉆進效率定向鉆進結(jié)合復(fù)合鉆進，平均進尺速度15 m/h，至終孔孔深765、730 m最大井斜分別為1.4°、0.9°，水平位移 10.2、2.1 m，達到設(shè)計要求。FS－44定向井采用“直－增－穩(wěn)”三段式設(shè)計，二開即采用定向鉆進技術(shù)，鉆具組合:216 mm PDC鉆頭+1.25°165 mm螺桿馬達+定向短節(jié)(UBHO)+探管短節(jié)+絕緣短節(jié)+電池短節(jié)+165 mm鉆鋌×4根+127 mm鉆桿。鉆進至造斜點70 m(井斜0.6°)開始造斜，至298 m 傾角增至22.9°，穩(wěn)斜至終孔。設(shè)計及實鉆參數(shù)如表1所示，通過精確軌跡測量與控制順利達到設(shè)計要求，其中中靶半徑1.45 m，遠小于設(shè)計要求25 m，鉆孔空間設(shè)計及實鉆軌跡圖如圖6所示，其中圓圈為設(shè)計靶區(qū)范圍。本次施工采用165 mm五級螺桿馬達，最大進尺速度21 m/h，平均進尺14.5 m/h，日最大進尺310 m，鉆進速度達到常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進2倍以上。

表1 FS－44井設(shè)計和實鉆測井參數(shù)對比

圖6 FS－44井設(shè)計與實鉆空間軌跡圖

4 結(jié)論

對于新疆阜康白楊河礦區(qū)急斜地層直井施工采用空氣潛孔錘鉆進速度快，保直性好，最大進尺速度46 m/h，平均進尺速度35.2 m/h，效率達到常規(guī)鉆井的3倍以上，有效地解決了鉆孔彎曲、坍塌等問題。為鉆進較大深度，在今后的施工中可采用多臺空壓機并聯(lián)的方式提高風(fēng)量，達到高速高效鉆進目的;定向井施工采用螺桿馬達結(jié)合blackstar電磁波無線隨鉆測量儀定向鉆進技術(shù)測量精度高，進尺速度快，最大進尺速度21 m/h，平均進尺速度14.5 m/h，利用軌跡控制技術(shù)較高水平達到設(shè)計要求。2種鉆井技術(shù)在新疆阜康急斜地層煤層氣井施工過程中較好地解決了鉆孔彎曲、坍塌等問題，且達到高效快速鉆進，在類似地層鉆井施工過程中有借鑒意義。

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