柳林石西區(qū)塊煤層氣造穴井施工工藝

劉彥鋒，張俊虎

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204)

柳林石西區(qū)塊位于呂梁山脈中段之西部，西臨黃河。區(qū)內(nèi)山高谷深、地形復(fù)雜。區(qū)塊的地勢(shì)總體為東高西低，屬侵蝕較為強(qiáng)烈的梁峁?fàn)铧S土地貌。基巖地層僅出露于溝谷地帶，山頂、山梁大面積為黃土覆蓋，植被較發(fā)育，多為經(jīng)濟(jì)林——棗樹(shù)林。

區(qū)塊內(nèi)主采煤層為山西組(3+4)號(hào)和本溪組(8+9)號(hào)煤，區(qū)塊整體呈向南西傾向的單斜構(gòu)造，由東向西煤層埋深逐漸增加，埋深整體介于1 200～1 700 m之間，東部總體淺于1 500 m，西部總體深于1 500 m。煤層埋深大，加之地形地貌復(fù)雜，在此區(qū)域施工煤層氣直井不僅成本高且難度大。該區(qū)塊是2017年山西省首批公開(kāi)出讓的十個(gè)煤層氣勘探區(qū)塊之一，勘探資料較少，煤層氣開(kāi)發(fā)尚屬空白，目前無(wú)可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。因此，尋找一種適宜該區(qū)的鉆井工藝技術(shù)成為石西區(qū)塊高效勘探開(kāi)發(fā)煤層氣的關(guān)鍵。

目前，煤層氣開(kāi)發(fā)井型繁多，有垂直井、叢式井、水平井、U型對(duì)接井等多種井型，隨著技術(shù)的成熟，煤層氣井的產(chǎn)能也得到了大幅度的提升。“U型對(duì)接井”以其“直井開(kāi)采穩(wěn)定、成本較低和水平井控制面積大、生產(chǎn)速度快”[1]的優(yōu)勢(shì)逐漸受到鉆井專家及學(xué)者的青睞，而水平井與直井成功對(duì)接是該技術(shù)工藝的核心。本文針對(duì)石西區(qū)塊基礎(chǔ)地質(zhì)特征，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套適用于該區(qū)的煤層氣井造穴工藝及鉆井參數(shù)，并在探6井中得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水平井與造穴井成功對(duì)接，為該區(qū)煤層氣井勘探提供了技術(shù)支撐。

1 煤層氣井造穴工藝參數(shù)優(yōu)選

煤層氣造穴井就是利用機(jī)械的方法在直井的目的煤層段進(jìn)行擴(kuò)孔，使目的煤層段形成的洞穴直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔直徑。造穴井的施工目的和作用：一是為水平井定向施工時(shí)在目的煤層中放置靶點(diǎn)目標(biāo)儀器；二是完井后作為水平分支井組煤層氣抽排的通道[2]。

1.1 井身結(jié)構(gòu)

造穴井為U型連通井的直井，此次設(shè)計(jì)采用二開(kāi)井井身結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

1) 一開(kāi)采用D311.15 mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆入穩(wěn)定基巖10 m后，下入D244.5 mm套管，固井水泥返至地面，目的是封住第四系和新生系上部易垮易漏失地層，為二開(kāi)的安全鉆進(jìn)創(chuàng)造條件。

2) 二開(kāi)采用D215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)至煤層頂板上部，下入取芯鉆具進(jìn)行全煤層段取芯及測(cè)試。

3) 下入常規(guī)鉆具鉆至目的煤層底板以下30 m，常規(guī)測(cè)井后，下入D177.8 mm生產(chǎn)套管，目的煤層段為玻璃鋼套管，固井水泥漿返至地面，使用專用工具將煤層段玻璃鋼套管磨銑。

4) 采用特殊造穴工具對(duì)煤層段全段造穴，孔穴直徑大于500 mm。

圖1 造穴井井身結(jié)構(gòu)

一開(kāi)上部地層較松散，施工重點(diǎn)是防塌、防漏、防斜，下部地層相對(duì)穩(wěn)定，整個(gè)井段的防斜、防卡工作應(yīng)引起足夠的重視。采取挖圓井，提前配好坂土漿，充分預(yù)水化，采用小排量開(kāi)泵循環(huán)、輕壓吊打的方法，鉆進(jìn)上部的土層；鉆進(jìn)下部地層加大循環(huán)排量，提高鉆井液粘度防漏，使井底的巖屑能及時(shí)返出，防止卡鉆。二開(kāi)采用D172 mm ×1.25°螺桿復(fù)合鉆進(jìn)，用無(wú)線MWD隨鉆監(jiān)測(cè)井斜，保證井眼軌跡符合要求。

1.2 造穴工藝

該設(shè)計(jì)是在煤層段下入玻璃鋼套管進(jìn)行造穴，玻璃鋼套管在煤層氣開(kāi)采中的應(yīng)用仍然是一項(xiàng)新技術(shù)[3-4]。玻璃鋼套管重量輕，懸重變化不明顯；材質(zhì)脆，本體上遍布孔洞，在接套管聯(lián)頂節(jié)時(shí)，上扣扭矩要求嚴(yán)格，既要上緊扣又要保護(hù)玻璃鋼管不能損壞；因此，在下入玻璃鋼套管時(shí)，避免硬壓硬提，也不能強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

使用D148 mm 的 PDC掏穴鉆頭鍛銑玻璃鋼套管以及造穴。下鉆前，試驗(yàn)掏穴鉆頭的性能及參數(shù)，得到該鉆具在無(wú)外阻力時(shí)張開(kāi)所需的最小泵壓和泵量，打開(kāi)泥漿泵后，確認(rèn)刀具伸縮自如，然后開(kāi)始下鉆。當(dāng)下鉆至煤層頂板時(shí)，先打開(kāi)泥漿泵，采用低轉(zhuǎn)速緩慢旋轉(zhuǎn)，且試著下放鉆具，鉆具能被托住后，加大轉(zhuǎn)速、鉆壓，鍛銑玻璃鋼套管，鍛銑井段為煤層段，采用清水鍛銑，小鉆壓 2～10 kN，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速950 r/min，泵壓4 MPa，排量16 L/s。

套管割破后開(kāi)始造穴，設(shè)計(jì)洞穴直徑500 mm，然后電測(cè)造穴最大井徑，以判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。

鍛銑玻璃鋼套管和造穴需要注意的問(wèn)題：①鍛銑刀下井前，必須認(rèn)真檢查，并開(kāi)泵試驗(yàn)，取得打開(kāi)刀頭的排量與泵壓等正常工作參數(shù)，避免下井后鍛銑工具刀翼打不開(kāi)[5]。②工具下放到掏穴井段后，要先開(kāi)車慢速回轉(zhuǎn)并試開(kāi)泵，泵排量逐漸增大至試驗(yàn)值。如果扭矩大則減小泵量，這樣可以減小刀體的直徑，使回轉(zhuǎn)阻力變小。逐步調(diào)整好泵量達(dá)到刀體最大時(shí)，可以給壓鉆進(jìn)實(shí)施銑割作業(yè)[6]。③鍛銑結(jié)束后，要對(duì)鍛銑段進(jìn)行多次劃眼，清除殘余玻璃鋼，為掏穴打好基礎(chǔ)。④造穴中，為防止對(duì)儲(chǔ)層的傷害，鉆井液應(yīng)使用清水，避免使用泥漿堵塞儲(chǔ)層的割理裂隙。⑤在造穴及洗井過(guò)程中，必須及時(shí)撈取煤屑，并堆放在一起，以便計(jì)算掏穴直徑。洗井結(jié)束，將鉆具下到井底硬探人工井底，確定沉渣段長(zhǎng)度。

1.3 鉆井參數(shù)優(yōu)選

石西區(qū)塊地層有河流相沉積，巖層巖性變化頻繁，軟硬變化快，部分地區(qū)存在鵝卵石層，為保證鉆進(jìn)效率，鉆井過(guò)程中提出“三段式”鉆進(jìn)參數(shù)：①上部地層采用高鉆速、中鉆壓鉆進(jìn)；②進(jìn)入基巖后需輕壓吊打防斜、糾斜鉆進(jìn)，此時(shí)選擇低鉆壓和較低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)；③在鉆開(kāi)煤層后，為了保持井壁的穩(wěn)定性，選擇使用了低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小排量鉆進(jìn)。

1.4 鉆井液參數(shù)優(yōu)選

由于石西區(qū)塊煤層埋深大，為防止井塌、維護(hù)井壁穩(wěn)定，更應(yīng)嚴(yán)格控制煤層氣井鉆井液密度，為此，設(shè)計(jì)了一種“分級(jí)式”鉆井液，即隨著井深增大鉆井液密度呈階梯式增長(zhǎng)。

一開(kāi)井段使用膨潤(rùn)土鉆井液體系即一級(jí)鉆井液，該鉆井液體系具有很強(qiáng)的懸浮攜帶能力和穩(wěn)定井壁能力。適合一開(kāi)地層成巖性差、滲透性好、易坍塌的特點(diǎn)，能夠及時(shí)攜帶巖屑防止虛厚泥餅的形成。

二開(kāi)是全井鉆井液工作重點(diǎn)，為保護(hù)好煤層，減少對(duì)煤層損壞程度，采用聚合物鉆井液體系。上段采用低固相聚合物鉆井液即二級(jí)鉆井液，能夠有效抑制并降低對(duì)煤層井段的破壞；下段采用聚磺體系鉆井液即三級(jí)鉆井液，該鉆井液主要應(yīng)用于油氣鉆井系統(tǒng)中深井條件下[7]，在煤層氣鉆井中應(yīng)用較少，其抗高溫抗鹽性能強(qiáng)，鉆井液相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆井液技術(shù)參數(shù)

2 現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用及效果

本設(shè)計(jì)方案已在石西區(qū)塊探6井中得到應(yīng)用，效果良好，且完成了水平井與之成功對(duì)接。

探6井是一口位于柳林石西區(qū)塊的煤層氣造穴井，設(shè)計(jì)井深1 558 m，目的層為石炭系本溪組8號(hào)煤層，完鉆原則為進(jìn)入8號(hào)煤層底板30 m后完鉆，采用8號(hào)煤洞穴完井，井徑不低于500 mm。實(shí)際完井井深1 571 m，目的層和完鉆層位與設(shè)計(jì)相同。其中，玻璃鋼套管位置在1 534.18～1 543.08 m，造穴井段位置在1 535.5～1 540.5 m。

探6井于2019年5月16日一開(kāi)鉆進(jìn)，使用D311.2 mmPDC鉆頭鉆至井深258.08 m，完鉆后下入J55×D244.50 mm×8.94 mm表層套管，固井施工時(shí)注入冀東G級(jí)水泥20 t，水泥漿密度1.85 g/cm3，水泥返出地面，經(jīng)48 h固井候凝。5月21日二開(kāi)使用D215.90 mm PDC鉆頭鉆進(jìn)至8號(hào)煤層底板30 m完鉆，完鉆井深1 571.00 m，并下入外徑177.8 mm、壁厚8.05 mm，鋼級(jí)J55生產(chǎn)套管。固井施工時(shí)注入冀東G級(jí)水泥30.5 t，水泥漿密度最小1.43 g/cm3，水泥漿密度最大1.77 g/cm3，膠塞碰壓壓力10 MPa，水泥返出地面，經(jīng)48 h固井候凝。

2019年6月12日進(jìn)行固井質(zhì)量測(cè)聲幅作業(yè)，試壓合格，滿足后期排采要求。次日下入89 mm鉆桿和掏穴鉆頭至1 535.5 m，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速950 r/min，泥漿泵排量12 L/s，鉆壓2～10 kN小鉆壓造穴，到6月14日至1 540.5 m，上下來(lái)回開(kāi)泵劃眼，采用泡沫洗井至返出清水起鉆，測(cè)造穴段井徑合格。

該井鉆井周期11 d 8.5 h，建井周期38 d14 h。全井最大井斜1.9°，位于1 470.00 m；平均井徑擴(kuò)大率為7.62%；井底閉合位移：25.99 m，閉合方位60°[8]。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)充分調(diào)研及技術(shù)分析，石西區(qū)塊地形復(fù)雜、煤層埋深大，針對(duì)該特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套煤層氣造穴井施工工藝，形成了“二開(kāi)—造穴—三段—三級(jí)式”鉆井技術(shù)體系，并在石西區(qū)塊探6造穴井中得到應(yīng)用。該鉆井施工歷時(shí)近40 d，也是首次在該區(qū)塊鉆井施工中使用掏穴工藝，不僅順利地完成鉆井設(shè)計(jì)要求，為下一步水平對(duì)接井的施工奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也為今后在該區(qū)塊施工造穴井提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。