山西馬平1井組鉆井技術(shù)探討

桑軍元　張帥　張文斌　孔瑩　邊美娟　張捧（中國石油渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北　任丘　062550）

山西馬平1井組鉆井技術(shù)探討

桑軍元張帥張文斌孔瑩邊美娟張捧（中國石油渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北任丘062550）

我國煤層氣資源豐富，煤層氣勘探開發(fā)工藝技術(shù)的不斷創(chuàng)新極大的推動(dòng)了煤層氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，煤層氣水平井鉆井技術(shù)的應(yīng)用極大的促進(jìn)了煤層氣的開發(fā)，是煤層氣開發(fā)的主要工藝。馬平1井組位于沁水盆地西部安澤斜坡水平試驗(yàn)井組。目的煤層為頂部深度1046.4m、底部深度為1051.6m的二疊系山西組3#煤層和太原組15#煤層，采用D215.9mm鉆頭，D139.7mm套管套管完井。該區(qū)塊存在裸眼段長、煤層埋藏深、340m左右水層、下部3#煤以上的泥巖段垮塌、15#煤層夾層多等技術(shù)難點(diǎn)。該井組設(shè)計(jì)800m煤層進(jìn)尺，實(shí)際煤層進(jìn)尺均超800m，下入D139.7mm套管串順利，固井質(zhì)量優(yōu)良。

煤層氣；鉆井液；煤層；機(jī)械鉆速；井壁穩(wěn)定

馬必區(qū)塊馬平1井組在實(shí)鉆過程中400m有高壓水產(chǎn)、3#煤層上部泥巖段易垮塌掉塊、煤層煤質(zhì)松軟易破碎等因素造成該區(qū)塊鉆井過程中難度增加。該區(qū)塊煤層埋深1020-1150m（垂深），鉆井過程中對上直段鉆具組合和新工具工藝、定向儀器、泥漿等進(jìn)行試驗(yàn)選型，最終確定鉆井工藝，使得鉆井速度提升，保證了井下安全。主要對上直段使用扭沖工具、由電磁波儀器改為脈沖伽馬儀器、更換絨囊鉆井液體系為聚合物鉆井液體系等技術(shù)改進(jìn)，確保了施工順利。馬平1-3-6井是臨汾地區(qū)第一口完成的二開L型水平井、煤層進(jìn)尺超800m的一口井，隨后同井型馬平1-3-8井順利完成煤層進(jìn)尺800m完井，馬平1-15-8為本區(qū)塊首口鉆探15#煤層的二開L型多分支水平井，并取得了成功。本區(qū)塊為國家十三五重大規(guī)劃中列為重要區(qū)塊。

臨汾馬必區(qū)塊L型水平井主要針對3#煤層和15#煤層鉆探，二開和三開井身結(jié)構(gòu)鉆速、鉆井難度對比分析技術(shù)難點(diǎn)，鉆井液使用分析等，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行討論分析。

1　馬必區(qū)塊地質(zhì)簡況

山西馬必東區(qū)塊主體為山地丘陵，溝谷發(fā)育，切割較深，地面海拔750～1450m。井組位于山西省臨汾市安澤縣馬必鄉(xiāng)東里村。馬必東區(qū)塊位于沁水盆地南部，北部與沁南區(qū)塊接壤，南部與鄭莊區(qū)塊相鄰，西部緊靠馬必合作區(qū)塊，東部為中聯(lián)柿莊區(qū)塊，面積約403km2，石炭-二疊系為富煤層位。

3#煤厚度相對穩(wěn)定，一般在5.00～7.55m之間，平均厚度6.15m，為單一煤層；馬平1-3-7井區(qū)呈向斜形態(tài)，3#煤埋深西部淺，15#煤局部區(qū)域厚度變化較大，一般在3.50～8.40m，埋深比3#煤層深90～110m左右。根據(jù)已完鉆煤層氣井預(yù)測該井區(qū)15#煤厚度約6米左右沁水煤氣田主體部位山西省臨汾市安澤縣馬必鄉(xiāng)東里村，構(gòu)造處于沁水盆地西部安澤斜坡翼部。

2　現(xiàn)場應(yīng)用

2.1工程、泥漿方面

2.1.1馬平1-3-8井采用Φ311.15mm鉆頭進(jìn)行一開。鉆具結(jié)構(gòu)：311.2mmPDC+254mm扭力沖擊器+631×410+托盤+411× 4A10+165mm無磁鉆鋌×1根+165mm螺旋鉆鋌×8根+4A11× 410+127mm加重鉆桿×21根+127mm鉆桿。確保井下安全及確保表層套管下入順利，表層鉆進(jìn)采用輕壓吊打，低排量、控制鉆壓確保一開領(lǐng)眼打直和防止井壁嚴(yán)重垮塌，并注意防漏失。鉆進(jìn)至406.00m，按設(shè)計(jì)一開完鉆。扭力沖擊器工作原理：在井下，PDC鉆頭運(yùn)動(dòng)是極其無序的，包括橫向、縱向和扭向的振動(dòng)及這幾種振動(dòng)的組合。扭力沖擊器配合PDC鉆頭一起使用，其破巖機(jī)理是以沖擊破碎為主，并加以旋轉(zhuǎn)剪切巖層，主要作用是在保證井身質(zhì)量的同時(shí)提高機(jī)械鉆速。扭力沖擊器消除了井下鉆頭運(yùn)動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的一種或多種振動(dòng)的現(xiàn)象，使整個(gè)管柱的扭矩保持穩(wěn)定和平衡，巧妙地將泥漿流體能量轉(zhuǎn)換成扭向的、高頻的、均勻穩(wěn)定的機(jī)械沖擊能量并直接傳遞給PDC鉆頭，使鉆頭和井底始終保持連續(xù)性。由扭力沖擊器提供的額外的扭向沖擊力完全改變了PDC鉆頭的運(yùn)轉(zhuǎn)，其每分鐘750～1500次高頻穩(wěn)定的沖擊力，相當(dāng)于每分鐘750～1500次切削地層，這就使鉆頭不需要等待扭力積蓄足夠的能量就可以切削地層。這時(shí)候PDC鉆頭上有兩個(gè)力在切削地層，一個(gè)是轉(zhuǎn)盤提供的扭力，一個(gè)是扭力沖擊器提供的力，并直接給到鉆頭本身。這時(shí)候鉆桿的扭矩基本是穩(wěn)定的，鉆桿傳達(dá)的扭矩可以完全切削地層，而不會(huì)浪費(fèi)。扭力沖擊器扭力發(fā)生器由于是從扭向上產(chǎn)生的穩(wěn)定均勻的高頻沖擊，所以適合于PDC鉆頭。產(chǎn)生的振動(dòng)或沖擊不會(huì)對PDC鉆頭復(fù)合片產(chǎn)生損壞，反而會(huì)延長PDC鉆頭壽命，同時(shí)也減弱其他鉆具的疲勞強(qiáng)度，延長其他鉆具的壽命。使用扭沖工具上直段提速效果明顯，解決了上部井段機(jī)速慢的問題。扭沖工具適合山西上部石千峰、石盒子較硬地層，沁水區(qū)塊直井段400～500m，直井段短；馬平1井組直井段600-700m，相對直井段較長，更適合扭沖工具的使用。

二開：針對該區(qū)塊的難點(diǎn)，上部400m存在水層，3#煤層上部泥巖段易垮塌掉塊，煤層段長等。馬平1-3-6和馬平1-3-8井使用聚合物鉆井液體系能夠抑制上部泥巖段垮塌并保證煤層鉆進(jìn)，從使用2口井看，能夠滿足安全鉆進(jìn)要求?？v向來看，本井在山西組、太原組共發(fā)現(xiàn)12層煤，其中15號(hào)煤發(fā)育較穩(wěn)定，厚度較大，在5～6m左右。橫向上，經(jīng)與鄰井馬5-3井進(jìn)行地層對比，以及本井實(shí)鉆情況分析，15號(hào)煤沉積較穩(wěn)定，分布廣泛，但是有夾層。

如何抑制煤層上部泥巖段及煤層垮塌問題，主要是通過調(diào)整泥漿性能。具體如下進(jìn)入水平段前將泥漿性能調(diào)整為密度1.18g/cm3、粘度50s。鉆進(jìn)過程中加入NH4-NAPN-2、SN樹脂控制失水和流動(dòng)性，井壁穩(wěn)定劑維持井壁穩(wěn)定和防垮，消泡劑及時(shí)清除循環(huán)罐內(nèi)的煤層氣泡，加入低濁點(diǎn)聚合醇這樣能鞏固井壁又能鉆進(jìn)時(shí)減小摩阻防止鉆壓加不上產(chǎn)生托壓現(xiàn)象又能帶出一部分煤粉。pH值達(dá)不到要求時(shí)，加入適量NaOH調(diào)節(jié)。發(fā)現(xiàn)氣侵并觀測到鉆井液密度短時(shí)間內(nèi)變化較大，加入煤層保護(hù)劑處理，處理后的鉆井液返回泥漿罐，通過攪拌器攪拌或泥漿泵剪切，煤層氣鉆井液即能恢復(fù)性能。有時(shí)含氣量大，適當(dāng)提高密度，因泥漿中含氣較多加重泵工作不良，用加清水配漿（膨潤土、重晶石、NaOH、NH4-NAPN-2、SN樹脂）的方法配漿12m3，

使性能維持在密度1.15g/cm3、粘度55s左右。完井階段進(jìn)尺打完后充分循環(huán)并加入消泡劑及時(shí)清除井內(nèi)返上來的氣泡，待井內(nèi)的泥漿性能穩(wěn)定后（密度1.18～1.20g/cm3、粘度50～52s），加入井壁穩(wěn)定劑、SN樹脂、低濁點(diǎn)聚合醇防止井內(nèi)煤層垮塌、起下鉆和下套管的順暢。

原因分析：

（1）進(jìn)入煤層，煤層頂?shù)装寮懊簬r中泥頁巖吸水膨脹，易產(chǎn)生掉塊、坍塌。

（2）長裸眼鉆進(jìn)，可能會(huì)產(chǎn)生漏失，導(dǎo)致泵壓減小、環(huán)空返速下降，沉積巖屑床。

（3）為滿足長裸眼井段攜巖要求，需要鉆井液保持較大的粘度和切力，容易導(dǎo)致起下鉆產(chǎn)生激動(dòng)壓力，易使井壁失穩(wěn)。

（4）經(jīng)研究該區(qū)塊煤質(zhì)脆弱，長裸眼快速鉆進(jìn)時(shí)，產(chǎn)生的鉆屑太細(xì)，現(xiàn)有固控設(shè)備無法有效的清除鉆井液中的有害固相，導(dǎo)致摩阻增大、卡鉆、機(jī)械鉆速降低等。

（5）快速鉆進(jìn)時(shí)井筒內(nèi)產(chǎn)生后效氣體過多，影響鉆井液性能，造成泵壓減小。

另在馬平1-3-6井使用脈沖方向伽馬過程中出現(xiàn)儀器無信號(hào)的情況頻繁發(fā)生，改用脈沖儀器帶伽馬儀器解決的施工難題，節(jié)約了施工周期。

表1　沁水區(qū)塊及馬平區(qū)塊使用扭沖對比情況統(tǒng)計(jì)

3　技術(shù)解決方案

結(jié)合本區(qū)塊易漏失、坍塌掉塊、煤層埋深、（1）按照工程設(shè)計(jì)編寫鉆井液設(shè)計(jì)，要求使鉆井液保持合理的粘度和切力，及時(shí)清除井下的掉塊，清除巖屑床。鉆完一定進(jìn)尺（150M左右）短起下鉆一次，配合大排量鉆進(jìn)，確保及時(shí)將巖屑帶出，有力于因煤層導(dǎo)向使井眼不規(guī)則而形成的砂床的破壞。

（2）觀察巖屑返出情況，發(fā)現(xiàn)掉塊，及時(shí)分析原因并采取相應(yīng)的處理措施，保證鉆井液具有良好的抑制性能，穩(wěn)定井壁。

（3）合理使用固控設(shè)備，備用件齊全，保證固控設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，最大量的清除鉆井液中固相顆粒，最大程度的降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)和對煤層的污染，提高機(jī)械轉(zhuǎn)速。

（5）及時(shí)合理的調(diào)整鉆井液性能，穩(wěn)定煤層氣氣侵鉆井液所產(chǎn)生的氣泡。

表2　幾口井對比情況

馬平區(qū)塊施工中針對上部水層、下部泥巖段垮塌問題通過使用下套管封隔水層和更換聚合物鉆井液體系的方式有效解決了泥巖段及煤層段垮塌難題。儀器方面有電磁波方向伽馬儀器更改為脈沖伽馬儀器暫時(shí)解決了施工問題，但在施工中該儀器存在信號(hào)盲區(qū)距離長（12m左右），導(dǎo)向人員在判斷地層方面難度較大，希望能夠改進(jìn)儀器為近鉆頭脈沖方向伽馬儀器。特別針對馬平1-15-8井多分支15#煤層的鉆進(jìn)尤為關(guān)鍵，該井是區(qū)塊第一口鉆探15#煤層多分支取得成功的井。通過對馬平1井組的鉆探，為該區(qū)塊安全鉆井奠定了基礎(chǔ)。

［1］董建輝.煤層氣多分支井水平井鉆井技術(shù)在樊莊區(qū)塊的應(yīng)用.煤田地質(zhì)與勘探，2008.

［2］鄭力會(huì)，曹園.含絨囊結(jié)構(gòu)的新型低密度鉆井液.石油學(xué)報(bào)，2010.

［3］林元華等.水力加壓器研制及應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2003，23（3）.