大河邊向斜煤層氣叢式井快速鉆井技術(shù)研究

王林杰

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

貴州省煤炭資源量大，全省約40%的面積含煤，煤層氣資源同樣豐富，其中六盤水區(qū)塊煤層氣地質(zhì)資源量占貴州全省45%左右，達(dá)1.39萬億m3，可采資源量0.66萬億m3[1-4]。六盤水煤田晚二疊世聚煤盆地在燕山運動之后，受到NE-SW、近 NS 及 NW-SE 向構(gòu)造應(yīng)力作用，形成了以褶皺和逆沖斷層為主體的復(fù)雜構(gòu)造格局，喜馬拉雅期盆地遭受擠壓隆升，大部分背斜軸部的晚二疊世煤系被剝蝕殆盡，使得大型向斜或復(fù)向斜成為研究區(qū)最主要的控煤構(gòu)造[5-7]。六盤水大河邊向斜位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)和水城縣境內(nèi)，大地構(gòu)造單元上屬揚子陸塊(Ⅰ級)黔北隆起(Ⅱ級)遵義斷拱(Ⅲ級)威寧西北向構(gòu)造變形區(qū)。根據(jù)已鉆探井?dāng)?shù)據(jù)，該區(qū)煤層數(shù)量多、累計厚度大且分布穩(wěn)定，含氣量最高達(dá)46.22 m3/t，平均12.58 m3/t。因此，大河邊煤層氣具有較好的開發(fā)利用前景。但六盤水地區(qū)多為山地，受地形條件、地質(zhì)條件、工農(nóng)關(guān)系等影響，目前只有直井、 叢式井在該地區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)中得到大量應(yīng)用和推廣[8-10]。隨著該地區(qū)煤層氣開發(fā)力度加大，研究煤層氣叢式井快速鉆進(jìn)技術(shù)，對進(jìn)一步縮短鉆井周期、降低鉆井成本起到至關(guān)重要的作用。

1 概況

1.1 地質(zhì)概況

大河邊向斜實際鉆遇地層自上而下分別為：第四系(Q)地層、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)地層、飛仙關(guān)組(T1f)地層、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)地層。

龍?zhí)督M是區(qū)內(nèi)主要含煤地層，煤層以薄及中厚煤層為主的近距離煤層群，分上、中、下3個組，含煤地層特征見表1。龍?zhí)督M為一套海陸交互相含煤沉積，由碎屑巖夾灰構(gòu)成。厚度206～241 m，含煤約40層，煤層總厚約35 m，含煤系數(shù)為14.5 %，其中可采及局部可采煤層16～20層，可采煤層總厚為17～21 m。大河邊向斜內(nèi)煤一般呈灰黑—黑色，條痕呈黑褐—褐黑色，肉眼類型以半暗型煤與暗淡型煤為主，結(jié)構(gòu)主要為條帶狀、透鏡狀—線理狀，少許呈似均一狀及葉片狀，各煤層均為富甲烷煤層。

表1 大河邊向斜含煤地層特征Tab.1 Coal-bearing strata characteristics of Dahebian syncline

1.2 工程概況

自2016年以來，六盤水大河邊向斜區(qū)塊已完成5個井臺的施工。為充分利用鉆井場地，叢式井一般采用單排井布置方式[11]，布井5～7口，井間距為5～10 m，如圖1所示。該區(qū)塊叢式井普遍采用二級井身結(jié)構(gòu)：一開φ311.2 mm鉆頭+φ244.5 mm套管，進(jìn)入基巖后完鉆，注水泥封固，用以封堵表層疏松土層和灰?guī)r易漏地層；二開φ215.9 mm鉆頭+φ139.7 mm套管，鉆穿C406煤層后留60 m口袋完鉆，固井水泥返至最上部煤層以上200 m，套管射孔完井。

圖1 叢式井井位布置平面Fig.1 Layout plan of cluster wells

2 一開空氣鉆井技術(shù)

貴州地表巖溶發(fā)育，且多為連通性溶洞或裂隙，采用常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)時，往往是有進(jìn)無出，堵漏難度大，施工周期長，成本高，給鉆井施工帶來一定障礙和損失[12]?？諝忏@井技術(shù)克服了常規(guī)鉆井方式面臨的各種困難和挑戰(zhàn)，能夠進(jìn)行正常的巖屑地質(zhì)錄井，解決了水源的制約，縮短施工周期，節(jié)約鉆井成本，做到了清潔生產(chǎn)，保護(hù)了環(huán)境，滿足煤層氣施工要求[13-14]。因此，在該區(qū)域一開采用空氣鉆穿巖溶區(qū)，用套管封隔漏失層，可保證鉆井的順利進(jìn)行，同時可保證較高的鉆井效率。大河邊向斜已鉆23口井中，一開均采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，平均機械鉆速10.23 m/h，最高可達(dá)14.33 m/h。

空氣鉆進(jìn)時應(yīng)注意放空、返氣、返水、返渣等情況，防止由于垂直裂縫切割較深及地下水排泄基面低的地區(qū)形成深層巖溶帶，一般表層空氣鉆施工至巖溶區(qū)域以下50 m完整地層后方可完鉆。當(dāng)鉆遇含水溶洞時，在空氣鉆無法正常施工，下部灰?guī)r地層巖溶發(fā)育未知的情況下，可采用套管暫封技術(shù)[15]，并探明下部灰?guī)r地層巖溶發(fā)育情況后決定表層套管下深，防止二開鉆遇溶洞增加施工難度。另外，結(jié)合自制的φ311.2 mm空氣潛孔錘倒劃眼裝置[16]，如圖2所示，可有效防止地層出水后造成的卡鉆現(xiàn)象。在應(yīng)用倒劃眼裝置的6口井中，有5口井在鉆井、起鉆過程均未出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象，1口井地層出水后在起鉆過程中遇阻，倒劃眼后順利起出，6口試驗井一開完鉆后均未通井，下套管順利，平均單井一開起鉆及下套管時間可節(jié)約20.24 h。

圖2 空氣潛孔錘倒劃眼裝置效果Fig.2 The effect graph of back reaming device suitable for pneumatic DTH hammer

3 二開快速鉆井技術(shù)

3.1 鉆頭優(yōu)選

PDC鉆頭相對于牙輪鉆頭有著明顯的優(yōu)勢，本區(qū)地層灰?guī)r、礫巖和白云巖發(fā)育，可鉆性較差且?guī)r性變化頻繁，砂泥巖互層，在鉆進(jìn)過程中選擇φ215.9 mm PDC鉆頭，可大幅度提高鉆進(jìn)效率。在該地區(qū)，泥巖、煤層等中低硬度地層，應(yīng)選用直徑加大的切削齒，且中等—低密度布齒方式；灰?guī)r、砂巖等中等、高硬度地層，選用較小直徑的切削齒，采用中等—高密度布齒。

現(xiàn)場施工先后選用了不同類型PDC鉆頭，使用情況對比見表2。通過對地層、鉆頭磨損、鉆時變化等情況的分析，從結(jié)構(gòu)優(yōu)選、剖面設(shè)計、布齒以及保徑設(shè)計4個方面對PDC鉆頭進(jìn)行了個性化設(shè)計、改進(jìn)[17]，使機械鉆速明顯提高。已完鉆的22口井平均機械鉆速13.66 m/h，其中鐘1-2-X4井使用優(yōu)化后的鉆頭，單日最大進(jìn)尺達(dá)486 m。

表2 不同類型PDC鉆頭使用情況對比Tab.2 Comparison of different types of PDC bits

3.2 鉆具組合優(yōu)化

大河邊向斜軟硬交互地層若使用常規(guī)鉆具組合，軌跡不易控制，井身質(zhì)量達(dá)不到要求。如常規(guī)鉆具組合：φ215.9 mm PDC鉆頭/牙輪鉆頭+φ172 mm 1.25°單彎螺桿+φ165 mm無磁鉆鋌+懸掛短節(jié)+φ165 mm鉆鋌+φ127 mm鉆桿+方鉆桿。由于該鉆具組合在穩(wěn)斜段復(fù)合鉆進(jìn)時軌跡偏移嚴(yán)重，造成鉆進(jìn)效率低，延長了鉆井周期。

因而在設(shè)計鉆具組合時，未按照直井段、造斜段和穩(wěn)斜段分別進(jìn)行，而是二開以后采用一套鉆具組合，即“四合一”鉆具組合：φ215.9 mm PDC鉆頭+φ172 mm、1.25°單彎螺桿+φ165 mm短鉆鋌+φ211 mm扶正器+φ165 mm無磁鉆鋌+懸掛短節(jié)+φ127 mm鉆桿+方鉆桿。該鉆具組合具有優(yōu)點：二開后一趟鉆到底，縮短了起下鉆時間，縮短鉆井周期；該區(qū)域井身結(jié)構(gòu)要求造斜段狗腿度不超過5°/30 m，扶正器在滿足造斜率的同時，還起到了減少軌跡漂移的作用。事實證明，該套鉆具組合在大河邊向斜煤層氣鉆井中應(yīng)用效果良好。

3.3 鉆井液性能優(yōu)化

大河邊區(qū)塊二開鉆進(jìn)采用低固相低密度鉆井液體系，在實現(xiàn)快速安全鉆井的同時，保證錄井、測井順利進(jìn)行，取全取準(zhǔn)了地質(zhì)、工程等資料，該鉆井液體系在保護(hù)煤儲層方面起到了一定的作用。

由于該地區(qū)上部永寧鎮(zhèn)組、飛仙關(guān)組地層巖性多為灰?guī)r、粉砂巖，具有巖性穩(wěn)定、井壁不坍塌的優(yōu)點，為提高鉆進(jìn)效率，在井深500 m以淺采用清水鉆進(jìn)。事實證明，采用清水鉆既能滿足攜巖要求，又提高了機械鉆速。在進(jìn)入目的層前，轉(zhuǎn)換鉆井液性能，充分利用好固控設(shè)備，清除有害固相，維持鉆井液的低固相。使用土粉配漿作為基漿，添加CMC、降失水劑、防塌潤滑劑等，保持適當(dāng)鉆井液黏度、初終切力，使鉆井液具有良好的觸變性。通過調(diào)整鉆井液性能和增加排量，達(dá)到清潔井眼的目的。鉆井液性能參數(shù)見表3，儲層鉆井液配方見表4。

表3 鉆井液性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters of drilling fluid

表4 煤儲層鉆井液配方Tab.4 Drilling fluid formula of coal reservoir

3.4 鉆井參數(shù)優(yōu)化

二開直井段鉆進(jìn)時，應(yīng)輕壓吊打保證井眼垂直，嚴(yán)格控制井斜。造斜和穩(wěn)斜段，為保證井眼軌跡精確控制和螺桿性能的發(fā)揮，采用以下鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)速60～150 r/min，泥漿泵排量20～30 L/s。進(jìn)入煤層段后，將泵壓控制在4～5 MPa，泥漿泵排量控制在20 L/s左右，揭露煤層后還應(yīng)控制起下鉆速度，煤層下部起鉆速度及全井段下鉆速度不超過10 m/min，減少對儲層的傷害。

3.5 叢式井防碰

叢式井受場地大小限制，往往一個井場布置多口井，且距離較近，存在井與井之間防碰問題。該地區(qū)叢式井采取以下措施進(jìn)行防碰：①在設(shè)計時，按整個井組的各井方位均布井口，且相鄰井造斜點錯開，使井口與井底連線在水平面上的投影圖不相交；②施工時，嚴(yán)格控制每口井的實鉆軌跡；③在防碰井段，密切注意機械鉆速、扭矩和鉆壓等的變化和無線測斜儀所測磁場數(shù)據(jù)的情況，并密切觀察井口返出物，以此來輔助判斷井眼軌跡的位置。

4 其他技術(shù)措施

4.1 鉆機整體移動裝置

鉆機整體實現(xiàn)井間快速移動，是叢式井快速鉆進(jìn)、縮短鉆井周期的關(guān)鍵一環(huán)。為此，增設(shè)鉆機整體移動裝置，在鉆機底部設(shè)置移動導(dǎo)軌，連接液壓動力系統(tǒng)，通過滑移機構(gòu)在不同井間將鉆機整體前后移動，每次移動距離在0.5 m左右，如圖3、圖4所示。鉆機具備了整體移動性能后，減少了拆卸、搬運和安裝時間，也為實現(xiàn)一開批量鉆提供了可能。

圖3 鉆機整體移動裝置設(shè)計(單側(cè))Fig.3 Design of integral moving device of drilling rig(one side)

圖4 鉆機整體移動裝置實物Fig.4 Drilling rig overall moving device

4.2 工序優(yōu)化

通過增設(shè)鉆機整體移動裝置，可將一組叢式井所有井一開依次鉆完，再退回依次進(jìn)行二開作業(yè)，這樣就減少了一開固井候凝時間，結(jié)合空氣鉆井技術(shù)，可大大縮短一開鉆井周期。但是由于先鉆井一開固井水泥凝固時間過長，造成二開掃塞較慢，因此要求固井時準(zhǔn)確計算替漿量，盡可能減少水泥塞長度。

二開固井結(jié)束后，為節(jié)省候凝鉆機停待時間，可以將鉆機移至下一井位進(jìn)行施工。當(dāng)該平臺所有井二開施工完畢后，利用吊車進(jìn)行測固井質(zhì)量作業(yè)，即離線測固井[18]，這樣將有效縮短鉆井周期，減少鉆機移動次數(shù)。如果在未知區(qū)域或鉆進(jìn)過程存在漏失，井臺第一口井固井后應(yīng)緊接著測固井質(zhì)量，出現(xiàn)固井質(zhì)量問題后及時調(diào)整固井工藝，防止該井臺出現(xiàn)大量不合格井。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

利用叢式井快速鉆進(jìn)技術(shù)，并在實踐中不斷改進(jìn)，大河邊區(qū)塊已施工的4個井臺平均單井完鉆周期8.54 d，平均機械鉆速13.66 m/h，見表5。

表5 大河邊向斜叢式井鉆井?dāng)?shù)據(jù)Tab.5 Drilling data of cluster wells in Dahebian syncline

6 結(jié)論

(1)貴州巖溶地區(qū)表層采用空氣鉆井技術(shù)，可有效防止因井漏引起的復(fù)雜情況，縮短鉆井周期。但應(yīng)嚴(yán)格控制一開井斜，以防為后續(xù)井眼軌跡控制造成困難。

(2)應(yīng)用快速鉆井技術(shù)，應(yīng)保持鉆機及其配套設(shè)備的相互適應(yīng)性，避免出現(xiàn)“小馬拉大車”，影響鉆進(jìn)效率。

(3)利用現(xiàn)有的叢式井快速鉆井技術(shù)，可滿足大河邊向斜煤層氣開發(fā)需求，但不可一味追求速度，在井身質(zhì)量、固井質(zhì)量方面要進(jìn)一步加強管理，避免出現(xiàn)不合格井。