煤層氣U型井施工工藝探討

薛 磊

(西山煤電集團(tuán) 礦業(yè)管理有限公司鉆探分公司， 山西 太原 030053)

隨著西山礦區(qū)開(kāi)采深度的增加，瓦斯突出危險(xiǎn)性急劇增大，給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。雖然西山礦區(qū)煤礦井下采取大面積預(yù)抽瓦斯消突技術(shù)，取得了明顯效果，但是受煤礦井下時(shí)間、空間等條件制約，預(yù)抽時(shí)間、空間難以保證，導(dǎo)致抽、掘、采銜接關(guān)系緊張，制約礦井安全正常生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究：屯蘭礦下組8#煤層具有瓦斯含量高、透氣性較好、鉆孔瓦斯流量衰減較慢等特點(diǎn)。試驗(yàn)采用地面“U”型井施工工藝和瓦斯抽采技術(shù)，對(duì)礦井規(guī)劃區(qū)或準(zhǔn)備區(qū)超前實(shí)施區(qū)域預(yù)抽消突,實(shí)現(xiàn)瓦斯治理三區(qū)聯(lián)動(dòng),緩解礦井抽、掘、采銜接,保證安全生產(chǎn)具有重要意義。通過(guò)TL-U-18301井的施工，初步形成適合該地區(qū)實(shí)施煤層氣井的施工成套技術(shù)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

屯蘭礦18301工作面位于南三盤(pán)區(qū)，8#煤巖層總厚為3.23～3.69 m，平均3.49 m，工作面標(biāo)高615～675 m. 該井鉆遇地層依次為第四系、二疊系上石盒子組、下石盒子組、山西組、石炭系太原組，水平段鉆遇目的層為8#煤層。經(jīng)對(duì)地表調(diào)查走訪，區(qū)域地表以山地地形為主，切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，主要溝谷為肚肚溝。該區(qū)大部被黃土覆蓋，地表施工有T31和441兩個(gè)煤田鉆孔及1個(gè)XSTGK-01號(hào)煤層氣鉆孔。井下水文地質(zhì)條件復(fù)雜，全區(qū)帶壓，奧灰水靜水位標(biāo)高為900 m，工作面底板標(biāo)高615～675 m，帶壓2.25～2.85 MPa,突水系數(shù)0.032 5～0.038 5 MPa/m，位于相對(duì)安全區(qū)內(nèi)。

1.2 工程概況

該U型井由一口“L”型井和一口直井組成。L井采用三段制單弧剖面，鉆孔全長(zhǎng)1 142.88 m，著陸點(diǎn)在8#煤層，在一開(kāi)與二開(kāi)井段分別下入表層套管和技術(shù)套管，并用油井水泥進(jìn)行固井。三開(kāi)水平段沿8#煤層施工至靶點(diǎn)與直井對(duì)接，裸眼完井。直井采用三開(kāi)鉆井結(jié)構(gòu)，鉆孔全長(zhǎng)481 m，目的層為8#煤層下50 m，在一開(kāi)、二開(kāi)、三開(kāi)井段分別下入表層套管、技術(shù)套管和生產(chǎn)套管，在三開(kāi)井段8#煤層422.4～431.5 m處下入1根玻璃鋼管(長(zhǎng)9.01 m)，并用油井水泥進(jìn)行固井。下入d89 mm鉆桿和掏穴鉆頭至8#煤層位置進(jìn)行割管與掏穴作業(yè)，掏穴直徑0.5 m，長(zhǎng)5.44 m.

2 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

2.1 “L”井鉆井工藝

2.1.1“L”井一開(kāi)井段

一開(kāi)井段(0～41.00 m)易井斜，采用滿(mǎn)眼鉆具組合：d346 mm鉆頭+630×410雙母接頭+d178 mm鉆鋌4根+d127 mm鉆桿。

2.1.2“L”井二開(kāi)直井段

二開(kāi)直井段(41.00～104.39 m)重點(diǎn)是控制井斜，采用滿(mǎn)眼鉆具組合：d241.3 mm鉆頭+630×4A10雙母接頭+d159 mm鉆鋌4根+4A11×410公母+d127 mm鉆桿。

2.1.3“L”井二開(kāi)造斜段

造斜段(104.39～555.5 m)重點(diǎn)是確保螺桿的造斜率能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用“單彎螺桿鉆具+MWD”的常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合：d241.3 mm鉆頭+d185 mm×1.75°單彎螺桿+4A11×4A10定向接頭+d165 mm無(wú)磁鉆鋌1根+4A11×410公母接頭+d127 mm加重鉆桿2根+d127 mm鉆桿+d127 mm加重鉆桿，定向鉆進(jìn)至555.5 m處著陸，井斜85.56°，垂深476.02 m，水平位移198.89 m.

2.1.4“L”井三開(kāi)水平段

水平段 (555.5～991.86 m) 重點(diǎn)是確保井眼軌跡在目的層的穿透率，即遇煤率。采用 “單彎螺桿鉆具+MWD”的導(dǎo)向鉆具組合: d171.5 mm鉆頭+d127 mm×1.25°單彎螺桿+311×310定向接頭+d121 mm無(wú)磁鉆鋌+d89 mm加重鉆桿+d89 mm鉆桿+d89 mm加重鉆桿。水平段全587.38 m，除去無(wú)煤帶后，長(zhǎng)度為554.58 m，其中遇煤層為475.89 m，遇煤率為85.8%.

2.1.5連通段

連通段(991.86～1 142.88 m)施工是U型井成功的關(guān)鍵步驟，施工過(guò)程為：“L”井鉆進(jìn)至距離靶點(diǎn)150 m處起鉆，更換d127 mm×1.5°單彎螺桿，在螺桿與鉆頭之間連接強(qiáng)磁接頭，直井處利用測(cè)井絞車(chē)下入磁信號(hào)接收探管，地面連接采集控制面板。“L”井水平段每鉆進(jìn)9.6 m(一根鉆桿)，直井處探管和隨鉆測(cè)量?jī)x分別采集數(shù)據(jù)，對(duì)接工程師將數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并傳給定向工程師，定向工程師發(fā)出下一根指令，兩井相距60～80 m時(shí)，信號(hào)最強(qiáng)。在兩井相距5 m時(shí)，測(cè)量最后一次數(shù)據(jù)確認(rèn)無(wú)誤后，在直井處將探管提出，定向工程師按照最后一次數(shù)據(jù)，下達(dá)鉆進(jìn)指令，鉆進(jìn)至對(duì)接位置，直井井口返出鉆井液，“L”井與直井連通成功(直井井口返出漿液為連通對(duì)接標(biāo)志)。其鉆具組合：d171.5 mm鉆頭+311×310強(qiáng)磁接頭+d127 mm×1.5°單彎螺桿+311×310定向接頭+d121 mm無(wú)磁鉆鋌+d89 mm加重鉆桿2根+d89 mm鉆桿+d89 mm加重鉆桿。

2.2 直井鉆井工藝

2.2.1直井一開(kāi)井段

2.2.2直井二開(kāi)井段

2.2.3直井三開(kāi)井段

2.2.4掏穴段

在“L”井水平段施工前，先進(jìn)行直井掏穴段的施工，下入d89 mm鉆桿和掏穴鉆頭至8#煤層位置進(jìn)行割管與掏穴作業(yè)，掏穴直徑0.5 m，深度5.44 m(424.66～430.1 m).

3 實(shí)鉆效果

TL-U-18301井2019年10月15日開(kāi)鉆，2019年11月28日完井，完井周期44天。其中“L”井完鉆井深1 142.88 m，井斜角88.60°，方位角231.29°，垂深414.36 m，水平位移849.38 m. 直井完鉆井深481 m，井斜1.33°，方位318.88°，鉆孔結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1.

4 幾點(diǎn)施工認(rèn)識(shí)

1) 直井施工采用潛孔錘技術(shù)，具有鉆進(jìn)效率高，受地層影響小的優(yōu)點(diǎn)，是直井安全快速成井的優(yōu)選。

2) “L”井施工過(guò)程中除表土層有部分層位發(fā)生漏失，在進(jìn)入二開(kāi)施工后，沒(méi)有發(fā)生漏失，巖層相對(duì)完整，沒(méi)有破碎，三開(kāi)煤層穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生塌孔，適合PDC鉆頭+螺桿定向，鉆進(jìn)比較安全。

圖1 TL-U-18301鉆孔結(jié)構(gòu)圖

3) 針對(duì)突出煤層的特點(diǎn)，既要保證安全成孔又要保證出氣量，鉆進(jìn)過(guò)程中控制在煤層頂板下0.5 m內(nèi)鉆進(jìn)。

4) 通過(guò)合理配置泥漿，使泥漿比重控制在1.05 g/cm3，黏度控制在30～40 s，既保護(hù)了煤層不發(fā)生垮塌，又利于攜帶井內(nèi)巖粉(巖屑)從孔底順利返出，減少了鉆頭的反復(fù)研磨，提高鉆效；保護(hù)潤(rùn)滑井壁，防失水，防塌井壁，保證孔內(nèi)安全；潤(rùn)滑鉆具和井管，減少磨阻，減少扭矩，便于下管；降低鉆頭摩擦溫度，利于延長(zhǎng)鉆頭使用壽命；泥漿密度小，無(wú)固相利于無(wú)線測(cè)斜探管可靠傳輸數(shù)據(jù)；利于螺桿鉆進(jìn)，延長(zhǎng)螺桿使用壽命；密度小利于降低大泵壓力，減少泥漿泵磨損；利于增斜穩(wěn)斜不憋泵，不塞泵，減少泵壓，保證高壓水路循環(huán)安全。