淺談山西沁水盆地煤層氣定向叢式井施工工藝

謝宗茂，張小東

（江西省煤田地質(zhì)局一九五地質(zhì)隊，江西 南昌 330000）

山西沁水盆地是我國大型含煤盆地，其含煤面積約42 000 km2，盆地內(nèi)構(gòu)造簡單，石炭系太原組發(fā)育的3 號和15 號煤層賦存穩(wěn)定， 煤層平均厚度分別為6 m 和4 m。 該盆地煤層氣資源儲量大，產(chǎn)業(yè)體系較完善，是我國目前前景較好的煤層氣區(qū)塊之一。 江西省煤田地質(zhì)局一九五地質(zhì)隊在該區(qū)塊施工煤層氣參數(shù)井、生產(chǎn)井多年，積累了較多的經(jīng)驗。

1 工程概況

為獲取石炭系山西組3 號煤的儲層參數(shù)（包括煤層埋深、厚度，煤巖及煤質(zhì)特征），須在地面施工多口定向叢式井。 本次研究以TS83C 井為例，該井為煤層氣叢式井組，位于山西省東南部，太行山西麓，沁水盆地南部，距離山西省沁水縣柿莊鎮(zhèn)上算峪村東約2.5 km，見圖1。 區(qū)域地層從上到下分別是第四系（Q），三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l）、二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）、上盒子組（P2s），二疊系下統(tǒng)下盒子組（P1x）、山西組(P1s)，石炭系太原組（C3t）。TS83C 井組為四口定向叢式井， 井號分別為：TS83-1D、TS83-2D、TS83-3D、TS83-4D，井間距為5 m，見圖2。

圖1 井位

圖2 TS83C 平臺水平投影及立體投影

2 鉆井設(shè)備

鉆井設(shè)備包括TSJ-2000 鉆機(jī)、TWB1200 鉆井泵、6135 柴油機(jī)、WD-20 發(fā)電機(jī)，鉆具包括Φ159 mm無磁、Φ159 mm 鉆鋌、Φ127 mm 鉆桿等（見圖3、表1）。

圖3 施工現(xiàn)場

表1 主要設(shè)備和器具配備

3 鉆井工藝及技術(shù)措施

本次煤層氣叢式井施工分為四個階段： 直井段、造斜段、增斜段、穩(wěn)斜段。 以TS83-1D 井為例，設(shè)計井深1 041.00 m，井徑Φ215.9 mm，全角變化率不大于3.0°/25.00 m，設(shè)計位移187.97 m，設(shè)計方位74.80°，靶心距20.00 m，完鉆層位為石炭系太原組（3 號煤層底板以下50 m）。

1）直井段施工（0～118 m）

直井段揭露地層為第四系（Q）、三疊系下統(tǒng)劉家溝組 （T1l）， 其中第四系巖性以淺黃色黃土層為主，偶夾少量礫石，穩(wěn)定性差，易跨孔和偏斜。 第四系與三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l）呈不整合接觸，接觸面易形成導(dǎo)水通道。

（1） 鉆具組合： 一開采用Φ311.15 mm 鉆頭+Φ159 mm 鉆鋌+Φ127 mm 鉆桿+ 立軸；二開采用Φ215.9 mm 鉆頭＋Φ159 mm 鉆鋌+立軸。

（2）鉆井參數(shù)：鉆壓60 kN，轉(zhuǎn)速80 r/min，泵量28 L/S。

（3）技術(shù)措施：一開使用低固相泥漿鉆井循環(huán)液介質(zhì)，采用Φ311.15 mm 牙輪鉆頭鉆進(jìn)至三疊系下統(tǒng)劉家溝組（超過風(fēng)化帶10.00 m 后）方可停鉆，口袋長度不大于0.50 m，下入Φ244.5 mm 套管并固井水泥返至地面， 管內(nèi)留足10.00 m 水泥塞，井口平面保證水平[1]；二開鉆頭采用Φ215.9 mm 加鉆具組合，使用低固相泥漿鉆井循環(huán)液介質(zhì)，嚴(yán)格控制鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量，及時清理返漿巖粉，每50 m 單點測斜，斜度超過設(shè)計應(yīng)及時矯正，換徑、下定向組合鉆具前測斜。

2）造斜段（118～175 m）

該段揭露地層為三疊系下統(tǒng)劉家溝組（T1l），巖性主要為深灰色泥巖、淺灰色粉砂巖、細(xì)砂巖組成，其巖層軟硬交替，容易造成全角變化率增大和井眼軌跡偏離。

（1）鉆具組合：采用Φ215.9 mm 鉆頭+Φ159 mm螺桿+1.25°單彎接頭+Φ165 mm 無磁鉆桿+Φ159 mm鉆鋌+Φ127 mm 鉆桿+立軸

（2）鉆井參數(shù)：采用1.25°單彎接頭造斜每30 m增斜率1.5°～2°，鉆壓80 kN、轉(zhuǎn)速120 r/min、泵量28 L/S。

（3）技術(shù)措施：鉆具下到造斜點調(diào)整彎頭對應(yīng)靶點方位角，利用沖洗液循環(huán)介質(zhì)清理孔底殘留巖粉，每鉆進(jìn)10 m～30 m 單點測斜，為確保定向造斜作業(yè)順利進(jìn)行，保證中靶，預(yù)留方位提前角10°～15°[2]。

3）增斜段施工（175～404 m）

該段揭露地層為二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）、上石盒子組（P2s），主要巖性由淺灰色細(xì)砂巖、深灰色泥巖組成，其巖層軟硬交替明顯，宜采用輕壓吊打模式，防止井下管材斷裂和井眼軌跡偏離。

（1）鉆具組合：采用Φ215.9 mm 鉆頭+Φ214 mm穩(wěn)定器+Φ165 mm 無磁鉆桿+Φ214 mm 穩(wěn)定器+Φ159 鉆鋌+Φ127 鉆桿+立軸。

（2）鉆井參數(shù)：鉆壓140 kN、轉(zhuǎn)速80 r/min、泵壓2 MPa、泵量28 L/S。

（3）技術(shù)措施：加大測斜密度，獲取鉆深施工延伸軌跡數(shù)據(jù)，及時獲取井斜、方位、垂深軌跡參數(shù)，防止井下管材斷裂和井眼軌跡偏離。 每延深30 m單點測斜一次，方位增斜率達(dá)不到要求時，充分清潔井眼，根據(jù)地層變化適當(dāng)調(diào)整鉆井循環(huán)液以控制含砂量。

4）穩(wěn)斜段施工（404～1 053 m）

該段揭露地層為二疊系下統(tǒng)下盒子組（P1x）、山西組(P1s)，石炭系太原組（C3t），其巖性主要泥巖、粉砂巖和煤層。 在煤系地層中使用PDC 鉆頭，其使用壽命大于金剛石鉆頭，有效提高鉆井效率[3]。

（1）鉆具組合：Φ215.9 mm 鉆頭+Φ159 mm 螺桿+1°單彎接頭+159 mm 短鉆挺+Φ214 mm 穩(wěn)定器+Φ165 mm 無磁鉆桿+Φ159 mm 鉆鋌＋Φ127 mm鉆桿。

（2）鉆井參數(shù)：鉆壓100 kN、轉(zhuǎn)速120 r/min、泵壓2.5 MPa、泵量28 L/S。

（3）技術(shù)措施：下入直徑適中的扶正器，保證井眼軌跡圓滑及不產(chǎn)生較大的全角變化率。 每30 m測單點一次并及時繪制井身軌跡圖，保證井眼軌跡按設(shè)計軌跡鉆進(jìn)，一旦產(chǎn)生漂移及時下螺桿調(diào)整井斜、方位。

5）井身質(zhì)量

TS83-1D 井最大井斜為18.96°， 方位為72.87°，位于井深875.00 m 處；最大全角變化率為3.79°/25 m，位于井深150.00 m 處，井斜及全角變化率均符合設(shè)計及規(guī)范要求。 叢式井組井底最大水平位移為226.01 m，總方位為69.69°，符合設(shè)計及規(guī)范要求（見圖4～圖7）。

圖4 TS83-1D空間軌跡及垂直剖面投影

圖5 TS83-2D 空間軌跡及垂直剖面投影

圖6 TS83-3D 空間軌跡及垂直剖面投影

圖7 TS83-4D 空間軌跡及垂直剖面投影

4 結(jié)語與建議

通過山西沁水盆地煤層氣鉆井實踐，對該煤層氣鉆井技術(shù)進(jìn)行了分析：

1）定向井施工須根據(jù)巖性組合、鉆井規(guī)律，做好井眼軌跡預(yù)判，防止全角變化率過大，提高中靶精度。

2）定向井施工利用螺桿和鉆具組合可有效提高鉆井效率。

3）煤層氣鉆井對鉆井液要求較高，特別是煤層的影響；對于埋深較淺煤層，應(yīng)大力推廣空氣鉆井技術(shù)。