螺桿鉆定向鉆探技術在煤層氣鉆井中的應用分析

摘要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源需求越來越大，傳統(tǒng)煤炭資源已經(jīng)不能滿足國家的發(fā)展需要。我國煤層氣資源豐富，分布廣泛，開采成本低，它是一種清潔高效的能源。與石油井和天然氣井相比，煤層氣井存在井壁坍塌、漏失和卡阻等問題。螺桿鉆進法是一種新型鉆孔技術，可用于煤層氣開采。結(jié)合螺桿鉆定向鉆探技術的原理，以某煤礦一號井為例，分析該技術在煤層氣鉆井中的應用，然后評價技術應用效果，從而保障煤層氣開采安全，更好地開發(fā)和利用煤層氣資源。

關鍵詞：螺桿鉆；定向鉆探技術；煤層氣鉆井；鉆具組合；鉆進參數(shù)

中圖分類號：P634.5 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）08-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.019

Application analysis of directional drilling technology with screw drill in coalbed methane drilling wells

DING Weizhou

（Geological Exploration Research Institute of Guizhou Coalfield Geology Bureau， Guiyang 550000， China）

Abstract： With the rapid development of China’s economy， the demand for energy is increasing， and traditional coal resources can no longer meet the country’s development needs. China has abundant coalbed methane resources， which are widely distributed and have low mining costs， it is a clean and efficient energy source. Compared with oil and natural gas wells， coalbed methane wells have problems such as wellbore collapse， leakage， and blockage. Screw drilling method is a new drilling technique that can be used for coalbed methane extraction. Based on the principle of directional drilling technology using screw drill， taking the No.1 well of a coal mine as an example， the application of this technology is analyzed in coalbed methane drilling， and then the effectiveness of the technology application is evaluated， in order to ensure the safety of coalbed methane mining and better develop and utilize coalbed methane resources.

Keywords： screw drill; directional drilling technology; coalbed methane drilling; drilling tool assembly; drilling parameters

在世界能源需求日益增加的今天，煤層氣因其清潔高效而備受關注。但是，煤層氣鉆探設備鉆進時易出現(xiàn)井壁坍塌、漏失和卡阻等問題，加之煤層易污染，破碎后含有大量游離氣體，使得煤層氣鉆探面臨極大的挑戰(zhàn)[1-2]。螺桿鉆定向鉆探技術是一項高效率的新型定向鉆進工藝，極具發(fā)展?jié)摿Γ摴に嚳梢詰糜诿簩託忏@井過程。

1 螺桿鉆定向鉆探技術的原理

煤層氣是一種清潔高效的能源，在世界能源構(gòu)成中占據(jù)越來越重要的位置。要想實現(xiàn)煤層氣的高效開發(fā)，必須依靠先進的鉆探技術[3-5]。煤層氣鉆探是一項復雜的系統(tǒng)工程。煤層氣鉆探的前期工作主要對煤層進行細致的地質(zhì)調(diào)查，掌握煤層的厚度、深度、分布及地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在此基礎上，綜合評價煤層的含氣量和滲透率，以便選擇最優(yōu)的鉆探地點及鉆探計劃。前處理工作是否準確，將直接影響下一步鉆進的效率與安全。在鉆探施工中，要選用合適的鉆機、鉆具、泥漿泵及鉆井液等。鉆井液是影響鉆井效果的關鍵因素，其主要功能是對鉆頭進行冷卻、清理，避免井壁塌陷、井漏等問題。因此，鉆井液配方及性能直接關系到鉆井能否順利進行。螺桿鉆定向鉆探技術是一種新型鉆孔技術，可用于煤層氣開采，從而實現(xiàn)定向鉆井[6-7]。

螺桿鉆是一種以鉆井液為動力，將液體壓力能轉(zhuǎn)化為機械能的容積式井下動力鉆井工具。當泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進入電機時，電機的進出口會形成一定壓差，帶動轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，通過萬向軸和傳動軸將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給鉆頭，從而實現(xiàn)鉆井作業(yè)。因此，在鉆井過程中，螺旋鉆機具有很好的適應性，可有效滿足不同地質(zhì)條件的鉆井作業(yè)要求[8-10]。

定向鉆井是以螺旋鉆井為基礎，采用先進的定導向裝置及控制方法來準確地控制鉆孔方向。該技術的應用實現(xiàn)鉆井過程的智能化和自動化，有效提高鉆井的效率與準確性。定向鉆進工藝的關鍵是導向裝置。該系統(tǒng)一般包括一套傳感器和一套控制裝置。該傳感器可以對鉆頭的位置、方位等參數(shù)進行實時探測，并將相關信息傳送給控制器。在此基礎上，調(diào)節(jié)螺桿鉆的速度和推力等參數(shù)，準確控制鉆頭的方向。

2 煤層氣鉆井中的技術應用

某煤礦是一個高瓦斯礦井，地層結(jié)構(gòu)復雜，煤層厚度小，埋藏深度大，掘進巷道內(nèi)的瓦斯含量高，壓力大。在原有的設計方案中，該煤礦一號井使用傳統(tǒng)螺旋鉆機鉆進。針對地質(zhì)構(gòu)造特征，該煤礦一號井實際采用螺桿鉆定向鉆探技術。螺桿鉆進法是一種新型螺旋鉆進工藝，需要進行深入研究和改進。

2.1 施工設計

采用螺桿鉆定向鉆探技術，鉆孔深度為3 000 m。選擇一根直徑73 mm的螺旋鉆具，并對其進行改進。智能鉆機采用全液壓驅(qū)動與控制系統(tǒng)，其工作原理、特點等都與其密切相關。與傳統(tǒng)鉆機相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、操作簡單及運行穩(wěn)定等優(yōu)點。智能鉆機采用液壓系統(tǒng)，可以對鉆頭的轉(zhuǎn)矩、速度等參數(shù)進行有效控制。智能鉆機各項力學性能指標均符合設計標準，可以滿足煤層氣鉆探的要求[11-13]。

2.2 鉆具組合及鉆進參數(shù)

智能鉆機將新型鉆頭和螺旋鉆進系統(tǒng)相結(jié)合，最大轉(zhuǎn)矩為445 N·m。該煤礦一號井煤層區(qū)段選擇雙螺桿鉆具，砂巖段選擇單頭螺桿鉆具，花崗巖地層選擇雙螺桿鉆具。鉆進參數(shù)的選取直接關系到鉆進效率，可以有效控制井眼軌跡[14-15]。鉆具組合及鉆進參數(shù)如表1所示。

2.3 施工技術難點

煤層埋藏淺，地層埋深變化大，很難控制鉆孔軌跡，若采用傳統(tǒng)鉆具組合和施工工藝，極易發(fā)生井下事故。傳統(tǒng)的鉆具組合為牙輪鉆頭+聚晶金剛石復合片鉆頭+螺旋鉆具，牙輪鉆頭直徑為30 mm，聚晶金剛石復合片鉆頭直徑為20 mm。該煤礦一號井采用聚晶金剛石復合片鉆頭+螺旋鉆具的組合，螺旋鉆具直徑為14 mm，并進行現(xiàn)場試驗。這種組合方式能適應一號井的施工要求，但也有局限性，井下容易發(fā)生卡阻。

煤層埋藏深度多變，這對螺旋鉆具的穩(wěn)定性提出更高的要求[16-17]。一號井選擇螺旋鉆具，但實際施工發(fā)現(xiàn)，鉆頭具有很強的不穩(wěn)定性，在鉆進中極易發(fā)生偏斜、掉塊等現(xiàn)象，特別是遇到煤層時，更容易發(fā)生掉塊。鉆進時，該煤礦多個鉆井易發(fā)生井漏。多個鉆井出現(xiàn)軟硬不均、易垮塌、易漏失等復雜狀況，嚴重影響螺旋鉆進的效率。這對螺桿鉆定向鉆探技術在該區(qū)的應用造成很大的阻礙，所以必須對其進行有效的控制，以保證后期工程的安全。

3 技術應用效果分析

為了評估新技術的性能，選取行業(yè)公認的幾個關鍵指標，尤其是鉆探數(shù)據(jù)的準確率和穩(wěn)定性，并與現(xiàn)有技術進行對比。數(shù)據(jù)顯示，新技術鉆探數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性都比傳統(tǒng)技術好，準確率高。與此同時，該技術還具有良好的穩(wěn)定性和非常高的可靠性。在實際應用中，可根據(jù)具體的生產(chǎn)情況，選用不同的工藝參數(shù)及控制方式，并結(jié)合實際生產(chǎn)需要，對其進行調(diào)試與優(yōu)化。經(jīng)仿真驗證，該煤礦一號井采用“工藝參數(shù)實時監(jiān)控+設備故障實時診斷”的方法，可以有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。實踐證明，該方法能有效解決生產(chǎn)中存在的問題。針對出現(xiàn)的異常，及時提供處理措施，從而有效地提升裝置的工作效率與穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)的正常運行。新型鉆井方法可以保證鉆進精度，應用效果較好。

該煤礦一號井使用熱電偶測溫設備，測溫精度不高，無法達到設計要求。若能使用更高分辨率的測溫元件，則可有效地提高測溫準確率。一號井使用的測溫元件精度只有0.01 ℃，不能滿足現(xiàn)場檢測要求。在此基礎上，可增加傳感器，使其可以在現(xiàn)場進行實時的數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)采用的是模擬量，無法利用傳感器實現(xiàn)實時測量，從而降低測量結(jié)果的準確性。若增加數(shù)字信號采集模塊，基于多傳感器采集數(shù)據(jù)，則可以很好地解決這一問題。在該系統(tǒng)中，要想完成數(shù)據(jù)的實時傳送，必須向上位機發(fā)送信號。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，我國能源需求越來越大，傳統(tǒng)的煤炭資源已經(jīng)不能滿足國家發(fā)展需要。煤層氣是一種清潔高效的能源，我國擁有豐富的煤層氣資源，其分布廣泛，開采成本低。但是，與石油井和天然氣井相比，煤層氣井存在井壁坍塌、漏失和卡阻等問題。螺桿鉆進法是一種新型鉆孔技術，可用于煤層氣開采。經(jīng)工程驗證，螺桿鉆定向鉆探技術具有優(yōu)異的綜合性能，應用前景良好。該技術在鉆探的準確率和穩(wěn)定性上已達到業(yè)界的先進水準，受到客戶的高度評價。螺桿鉆定向鉆探技術應用在煤層氣鉆井過程中，可以保障煤層氣開采安全，更好地開發(fā)和利用煤層氣資源。

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