貴州巖溶地區(qū)煤層氣鉆井關(guān)鍵技術(shù)

謝國毅， 劉 虎，2， 毛志新

(1.貴州天然氣能源投資股份有限公司，貴州 貴陽 550000; 2.六盤水能源投資開發(fā)有限公司，貴州 六盤水 553000; 3.山東科瑞油田服務(wù)集團股份有限公司，山東 東營 257000)

0 引言

貴州省煤層氣資源十分豐富，同樣評價標(biāo)準(zhǔn)下的煤層氣資源量位列全國各省區(qū)第二[1]。近年來，貴州天然氣能源投資股份有限公司、貴州省煤田地質(zhì)局和中石化華東局等單位在貴州各煤層氣區(qū)塊開展了大量的勘探和開發(fā)工作。前期部署的煤層氣井井深大多在1200 m以淺，井型以直井和定向井為主，設(shè)計普遍采用二開井身結(jié)構(gòu)，一開采用?311.1 mm的鉆頭，下入?244.5 mm的表層套管；二開采用?215.9 mm鉆頭，下入?139.7 mm的生產(chǎn)套管。貴州地區(qū)存在著巖溶地貌發(fā)育，地層傾角較大，出露灰?guī)r、礫巖和白云巖，地層可鉆性差以及煤層多而薄等地質(zhì)特征，給鉆井造成很大挑戰(zhàn)。為了推動貴州煤層氣勘探開發(fā)進程，有必要針對貴州地區(qū)地質(zhì)特征，研究提高貴州煤層氣鉆井速度和質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。

1 地層特征及鉆井難點

1.1 巖溶地貌發(fā)育典型，存在井漏和井口失返現(xiàn)象

貴州地區(qū)碳酸鹽巖層分布廣泛，巖溶和裂隙發(fā)育。雖然在井位部署時采用了一些地球物理探測方法來避開溶洞，但是實際施工過程中還是經(jīng)常遇見溶洞，造成井漏或井口失返，給鉆井施工造成很大困難，甚至有些井眼因此而報廢，例如大101井由于鉆遇溶洞和地下暗河，在鉆進至285 m后棄井。

1.2 地層傾角較大，可鉆性差，機械鉆速低

地質(zhì)資料顯示，與山西沁水盆地和內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地相比，貴州巖溶地區(qū)的地層傾角較大，在鉆井過程中井斜容易超標(biāo)。貴州地區(qū)常見的出露地層有寒武系、奧陶系、石灰系、二疊系、三疊系、侏羅系和第四系，灰?guī)r、礫巖和白云巖發(fā)育，地層砂巖和泥巖互層，可鉆性較差。在勘探開發(fā)前期由于沒有進行鉆頭選型和鉆具組合優(yōu)選，造成鉆頭與地層不匹配，機械鉆速低。貴州地區(qū)大203井、比1井、納2井和鐘1井的平均機械鉆速分別只有3.92、2.26、3.52和5.17 m/h。

1.3 煤層多而薄，機械強度低，巖心采取率低

貴州地區(qū)煤層多而薄，例如水城縣比德區(qū)塊含煤27～54層，一般35層，其中可采煤層12層。煤層性脆、機械強度低，易垮塌掉塊，造成巖心采取率難以保證。取心過程中經(jīng)常出現(xiàn)砂泥巖和煤層互層，鉆速忽快忽慢，變化頻繁，造成取心時鉆壓難以控制，容易擾動煤心，影響巖心采取率。

2 一開空氣鉆井技術(shù)

貴州地區(qū)煤層氣直井和定向井一開一般采用?311.1 mm的鉆頭，由于上部地層巖溶和裂隙發(fā)育,用常規(guī)泥漿鉆進存在機械鉆速低以及井漏或井口失返的現(xiàn)象，例如大203井和比1井一開機械鉆速只有0.72和0.83 m/h。大部分井在一開鉆進過程中均存在不同程度的漏失現(xiàn)象。

依據(jù)貴州地區(qū)地質(zhì)特征，一開鉆進推薦使用空氣鉆井技術(shù)，一方面可以提高機械鉆速，縮短鉆井周期，另一方面可以避免因鉆遇溶洞引起的井漏等復(fù)雜情況?？諝忏@井一般使用潛孔錘，采用沖擊和回轉(zhuǎn)的鉆進方式，破碎巖石所需要的鉆壓小，滿足一開鉆進過程中防斜的鉆井要求[3-6]。鉆進過程中為了保證井身質(zhì)量，使用塔式鉆具組合，嚴(yán)格控制鉆壓，采用輕壓吊打的方式進行鉆進。如果在鉆進過程中遇到水層，可以采用霧化或泡沫鉆進措施。通過六盤水牛場地區(qū)3個井臺的現(xiàn)場試驗，采用空氣鉆井技術(shù)，一開機械鉆速可以達到12.69 m/h。現(xiàn)場使用的鉆具組合和鉆進參數(shù)如下所示：

鉆具組合：?311.1 mm空氣潛孔錘+?177.8 mm鉆鋌+?159 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿。

鉆進參數(shù)：鉆壓10～20 kN;轉(zhuǎn)數(shù)10～30 r/min;氣體排量30 m3/min;氣壓0.1～0.5 MPa。

3 二開快速鉆井技術(shù)

3.1 鉆頭優(yōu)選

鉆井實踐表明，鉆頭的合理使用對提高鉆進速度、降低鉆井成本起著重要作用。貴州地區(qū)地層灰?guī)r、礫巖和白云巖發(fā)育，砂泥巖互層，可鉆性較差。通過牙輪鉆頭和PDC鉆頭性能對比(如表1所示)，PDC鉆頭具有明顯優(yōu)于牙輪鉆頭的鉆進效果，而且使用螺桿動力鉆具，充分發(fā)揮螺桿轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點，可以取得較高機械鉆速，所以貴州地區(qū)煤層氣鉆井優(yōu)先選用PDC鉆頭。

表1 牙輪鉆頭和PDC鉆頭性能對比

通過大201井臺大201-2X2、大201-2-X4和大201-4-X2、大201-4-X4井4口井的試驗研究，結(jié)合貴州地區(qū)不同的地層特點，優(yōu)選刀翼數(shù)量為5、切削齒大小為16 mm的PDC鉆頭，取得了很好的機械鉆速(如表2所示)。

表2 大201井臺鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 鉆具組合優(yōu)化

貴州地區(qū)地層傾角較大，地層較硬，為了能夠提高鉆井速度，防斜打快，同時保證井身質(zhì)量可靠且使用壽命更長，復(fù)合鉆井技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[7-8]。復(fù)合鉆進技術(shù)具有如下優(yōu)點：

(1)高效PDC鉆頭對付某些地層的優(yōu)勢明顯大于牙輪鉆頭；

(2)螺桿鉆具的質(zhì)量不斷提高，壽命大大加長，所以和PDC鉆頭匹配，可充分發(fā)揮PDC鉆頭的效能；

(3)在直井中可以隨時糾斜，在定向井中可以實時控制軌跡，保證井身質(zhì)量，提高鉆進效率。

貴州地區(qū)煤層氣鉆井以叢式井為主，優(yōu)化的復(fù)合鉆進鉆具組合如下：

?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm螺桿鉆具+?165 mm定向接頭+?165 mm無磁鉆鋌+?159 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+方鉆桿。

或?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm螺桿鉆具+?165 mm定向接頭+?165 mm無磁鉆鋌+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿+方鉆桿。

3.3 施工工藝

(1)總結(jié)區(qū)塊鉆井時方位漂移規(guī)律，充分考慮地層造斜力的影響，并在實鉆軌跡控制時予以考慮，如造斜力與靶方位相同，定向時減小井斜角，反之則定向時增大井斜角。

(2)定向鉆進時，每個單根測量并記錄井斜和方位數(shù)據(jù)一次，分析定向規(guī)律，發(fā)現(xiàn)全角變化率有超標(biāo)跡象，及時調(diào)整定向井段的長度，應(yīng)采用每根定向+復(fù)合鉆進的鉆進模式。

(3)穩(wěn)斜段鉆進每3個單根測單點一次，及時跟蹤井眼軌跡，發(fā)現(xiàn)偏離軌跡跡象，及時采取措施進行調(diào)整。進行扭方位或增降斜作業(yè)時，要注意控制定向的長度，以免造成局部“狗腿”度超標(biāo)，保證井眼光滑。

(4)穩(wěn)斜段中靶前應(yīng)調(diào)整好軌跡，確保順利中靶。在保證中靶的前提下，減少下部定向的次數(shù)。

4 繩索取心鉆進技術(shù)的應(yīng)用

為獲取準(zhǔn)確的煤層參數(shù),要求煤層氣井取心出心速度快，以減少煤心甲烷氣體的散失，鉆井規(guī)范明確要求必須采用繩索取心鉆進工藝[9-10]。貴州地區(qū)煤層多而薄，取心段砂泥巖和煤層互層，因此取心鉆頭一般選用PDC鉆頭。根據(jù)多年施工經(jīng)驗并結(jié)合貴州地區(qū)地層特點，提出了一套適合貴州地區(qū)煤層氣井的繩索取心鉆進技術(shù)。

4.1 選擇合適的取心工具

繩索取心鉆具組合：?215.9 mm繩索取心鉆頭+?177.8 mm繩索取心鉆具+?127 mm鉆桿+133 mm方鉆桿。

因貴州地區(qū)煤層松軟，而煤層頂?shù)装鍨槟鄮r或砂巖，且煤層中夾部分黃鐵礦層，當(dāng)取心鉆頭與巖性不匹配時，會導(dǎo)致繩索取心進尺緩慢，還會導(dǎo)致取心采取率不高。因此選用與地層巖性相匹配的取心鉆頭，既有利于提高巖心采取率，也減少了起下鉆、換鉆頭的時間，提高了機械鉆速。通過對比研究，推薦采用階梯式繩索取心PDC鉆頭。為了減少鉆進過程中對巖心和煤心的擾動，選擇帶有單動機構(gòu)和減震機構(gòu)的繩索取心工具。在取煤心時易選用卡爪型的卡簧，在割取巖煤心時，爪和卡簧同時保住巖煤心，保障煤心采取率。

4.2 調(diào)整好泥漿性能

4.2.1 保持一定的泥漿粘度

為了克服煤巖的易破碎、抗沖蝕、樹心難的特點，取煤心時就對泥漿粘度提出了嚴(yán)格的要求。若泥漿粘度太低，則會增加泥漿對煤心的沖蝕作用，同時影響樹心，最終導(dǎo)致煤巖被水沖掉的危險，因此在取煤心時要求泥漿有一定的粘度，一般控制在40～45 s。

4.2.2 嚴(yán)格控制固相含量

在取心過程中要嚴(yán)格控制泥漿中的固相含量。繩索取心鉆具主要由取心鉆頭、取心內(nèi)筒、取心外筒組成，其中由于內(nèi)外筒之間的間隙較小，若泥漿中的固相含量過高，尤其是含有大量的巖屑時會堵塞內(nèi)外筒之間的間隙，造成上提取心內(nèi)筒時內(nèi)外筒之間會產(chǎn)生很大的摩擦力，阻礙了取心內(nèi)筒的順利上提。

4.3 控制好鉆進參數(shù)

在取心鉆進中，若鉆壓跟不上，則會導(dǎo)致巖心樹心困難，巖心不能及時進入內(nèi)筒，延長了鉆頭對巖心的研磨時間，影響取心效果，最終可能造成巖心磨損嚴(yán)重而變細，取心爪不能卡住巖心而使巖心丟失，這對煤心采取率的影響甚為嚴(yán)重。一般要求取心時應(yīng)盡量保持低轉(zhuǎn)速不變。由于煤巖膠結(jié)差，脆而軟，易破碎，容易被泥漿沖掉，因此在取心過程中泵量不能太大。在取心過程中，一般要求泵量應(yīng)盡可能的小。根據(jù)多年的繩索取心鉆進經(jīng)驗，鉆壓控制在20～30 kN、轉(zhuǎn)速40～50 r/min、泵量一般8～12 L/s。

為了試驗研究的繩索取心鉆進技術(shù)的應(yīng)用效果，在大204井進行了現(xiàn)場試驗。大204井是貴州天然氣能源投資股份有限公司的一口井型為直井的評價井，位于貴州省畢節(jié)市大方縣羊場鎮(zhèn)羊場村，設(shè)計井深975.00 m，設(shè)計完鉆層位為二疊系中統(tǒng)茅口組。本井共取心56筒，總進尺51.6 m，總心長49.29 m，平均采取率95.5%，其中煤層進尺5.18 m，煤心長4.93 m，煤心采取率95.2%。

5 應(yīng)用實例

牛1-7-X2井和牛1-6-1井分別是貴州天然氣能源投資股份有限公司部署在六盤水比德三塘向斜的2口開發(fā)井，設(shè)計井型均為定向井，牛1-7-X2井和牛1-6-1井的設(shè)計井深分別為802 m和840 m，鉆遇地層自上而下分別是第四系下三疊統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組、飛仙關(guān)組和上二疊統(tǒng)長興組、龍?zhí)督M、玄武巖組，完鉆原則為鉆至6號煤層以下60 m，采用二開井身結(jié)構(gòu)，2口井一開鉆進過程中均鉆遇溶洞。

牛1-7-X2井使用本文研究的一開空氣鉆井技術(shù)和二開快速鉆井技術(shù)。一開采用空氣鉆進方式，塔式鉆具組合，二開采用優(yōu)選的5刀翼PDC鉆頭，復(fù)合鉆進方式，取得了很好的鉆進效果，該井的鉆具組合如下。

一開鉆具組合為：?311.1 mm空氣潛孔錘+?178 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+方鉆桿。

二開鉆具組合為：?215.9 mm PDC鉆頭+?172 mm螺桿+?165 mm定向接頭+?159 mm無磁鉆鋌+?159 mm鉆鋌+?127 mm鉆桿+方鉆桿。

實踐表明，一開采用空氣鉆進，較牛1-6-1井機械鉆速提高了60%，縮短一開周期58.7%；通過二開快速鉆井技術(shù)，全井平均機械鉆速達到18.28 m/h，較牛1-6-1井提高了53.35%，完鉆周期6 d，較牛1-6-1井縮短了62.5%。通過優(yōu)化，二開可以采取PDC鉆頭+螺桿鉆具復(fù)合鉆具“一趟鉆”的方式完成鉆進，既減少了起下鉆次數(shù)，縮短了鉆井周期，又有效地防止了頻繁起下鉆對井壁松軟地層的擾動，降低了煤層段垮塌的風(fēng)險，提高了井身質(zhì)量，為后續(xù)固井、射孔、壓裂作業(yè)提供了好的條件。

6 結(jié)語

(1)貴州巖溶地區(qū)一開鉆進適合采用空氣鉆井技術(shù)，可以解決鉆遇上部巖溶和裂隙發(fā)育地層的井漏和失返問題，提高鉆井效率并保證鉆井質(zhì)量。

(2)貴州巖溶地區(qū)二開快速鉆進推薦使用PDC鉆頭+螺桿鉆具的復(fù)合鉆進技術(shù)，可以提高機械鉆速，降低鉆井成本。

(3)貴州地區(qū)煤層多而薄，取心段砂泥巖和煤層互層，因此取心鉆頭一般選用階梯式超前PDC鉆頭，繩索取心鉆進參數(shù)宜選用小鉆壓、低轉(zhuǎn)速和低排量，以保證巖心采取率。

(4)為了進一步降低貴州巖溶地區(qū)的鉆井成本，建議進行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，考慮采用二開下入?127 mm生產(chǎn)套管的井身結(jié)構(gòu)，并從鉆井、壓裂和排采等方面分別論證其可行性。

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