山西三交區(qū)塊煤層氣掏穴井鉆井施工工藝

胡向志 石繼峰

(河南豫中地質(zhì)勘察工程公司,河南 450053)

1 前言

近兩年,隨著石油鉆井技術(shù)在煤層氣地面鉆井的成功應(yīng)用,煤層氣開(kāi)發(fā)井已由單一的垂直井發(fā)展到叢式井和水平分支井組等多種形式,使煤層氣井的產(chǎn)能得到大幅度提高。本文介紹的煤層氣掏穴井就是山西某水平分支井組中的配套井。

煤層氣掏穴井就是在垂直鉆孔的目的煤層段,利用機(jī)械的方法進(jìn)行擴(kuò)孔,使孔內(nèi)目的煤層段形成的洞穴直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔直徑的鉆孔。

掏穴井的施工目的和作用：一是為水平井定向施工在目的煤層中放置靶點(diǎn)目標(biāo)儀器;二是實(shí)施欠平衡鉆進(jìn)時(shí)作為輸送空氣介質(zhì)的通道;三是完井后作為水平分支井組煤層氣抽排的通道。

2 區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)介

2.1 區(qū)域地層

據(jù)鉆探揭露,地層由老至新依次有：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、峰峰組;石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組;二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組,上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組;三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組,中統(tǒng)二馬營(yíng)組;新生界第三系上新統(tǒng)保德組;第四系中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)馬蘭組和全新統(tǒng)。

2.2 區(qū)域構(gòu)造

三交區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣,東為呂梁隆起,南北為秦嶺及陰山東西向構(gòu)造帶,為過(guò)渡性質(zhì)的盆緣構(gòu)造類型。該區(qū)塊主導(dǎo)構(gòu)造線近于南北走向,至蒲縣以南,主構(gòu)造線向西南偏轉(zhuǎn),地層整體平緩西傾,呈傾向北西-北西西單斜構(gòu)造,傾角一般5°左右,發(fā)育有次級(jí)低幅撓曲構(gòu)造;區(qū)塊南緣發(fā)育2條近東西向的斷層、落差200余m,區(qū)塊內(nèi)斷層不發(fā)育,未見(jiàn)火成巖巖體。

2.3 煤層特征

本區(qū)發(fā)育煤層主要有1#～9#號(hào)煤層,其中穩(wěn)定發(fā)育且全區(qū)或大部可采煤層為3#、4#、5#、8#和9#號(hào)煤層。

煤層埋深：盡管區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,煤層傾角小,煤層底板起伏小,標(biāo)高變化不大,但由于地處黃土丘陵山區(qū),溝谷切割劇烈,地形起伏較大,致使區(qū)內(nèi)煤層埋深變化較大,中南部煤層埋深一般為500～600m,向西北部煤層埋深達(dá)900m以上。

煤質(zhì)：主要有氣煤、肥煤、焦煤及瘦煤等。區(qū)內(nèi)大部煤層氣井實(shí)測(cè)鏡煤最大反射率0.91%～1.34%。

3 主要技術(shù)要求

煤層氣掏穴井鉆井施工工藝主要滿足以下技術(shù)要求：

(1)完井井斜不大于2°;

(2)井底水平位移不大于10m;

(3)全角變化率 (/30m)不大于1.50;

(4)單點(diǎn)：50m/點(diǎn);電子多點(diǎn)：10m/點(diǎn);

(5)完鉆后,經(jīng)測(cè)電子多點(diǎn)來(lái)確定煤層的準(zhǔn)確方位與水平位移;經(jīng)電測(cè)來(lái)確定煤層頂?shù)装宓臏?zhǔn)確位置;

(6)電測(cè)后下入177.8mm生產(chǎn)套管,煤層位置下1根玻璃鋼套管,玻璃鋼套管下深必須在煤層底板0～0.40m之間;

(7)掏穴掏出的煤必須在0.5m3左右及掏出的洞穴不得小于500m,填砂前必須將孔內(nèi)泥漿置換成清水,填砂位置必須高出洞穴底板0.5～1.00m之間。

4 主要設(shè)備機(jī)具

經(jīng)過(guò)近年來(lái)煤層氣直井的施工,已選配出一套適合煤層氣井的施工設(shè)備,加上汽車鉆更具靈活性,易操作性等特點(diǎn),能快速完成煤層氣掏穴井的鉆井完井作業(yè)。

使用自己研制φ500mm掏穴機(jī)具,其最大過(guò)流量為 400～600L/min,適合泵壓3～4MPa,使用TBW850/5A的深層次泵較合適,在實(shí)際應(yīng)用中,也曾試用 TBW1200泵,因其排量大,泵壓高,流量和作用壓力不易控制,不適合配合使用。

煤層掏穴時(shí)鉆具與套管間隙小,加之煤屑大量被沖落,汽車鉆使用φ114mm鉆桿,不需要起下鉆換鉆桿,鉆井液就能通過(guò)狹小空間,大大減少泥漿泵的運(yùn)行負(fù)荷,相比水源鉆機(jī)具有優(yōu)勢(shì)。

(1)車載鉆機(jī)：美國(guó)雪姆T130,570KW,1臺(tái)

(2)泥漿泵：TBW850/50,1臺(tái)

(3)柴油機(jī)：ZY6135,1臺(tái)

(4)發(fā)電機(jī)組：50KW4135,1臺(tái)

(5)鉆具：φ114mm外平鉆桿,φ159mm無(wú)磁,φ159mm鉆鋌

(6)掏穴器：φ500mm掏穴機(jī)具

5 鉆具組合及井身結(jié)構(gòu)

5.1 鉆具組合

鉆具組合不但要滿足傳遞扭矩、輸送沖洗介質(zhì)和防止鉆孔彎曲的需要,同時(shí)還要根據(jù)鉆孔的需要。由于我們采用汽車鉆施工,所以采用的鉆具組合如下：

一開(kāi)表層段：φ311.15mm潛孔錘+φ159mm鉆鋌+φ114mm外平鉆桿

二開(kāi)至煤層段：φ215.9mm潛孔錘×2.25m+φ159mm鉆鋌+φ114mm外平鉆桿

二開(kāi)煤層段至完鉆：φ215.9mm三牙輪 +φ159mm無(wú)磁+φ159mm鉆鋌+φ114mm外平鉆桿

三開(kāi)鉆水泥塞段：φ152mm三牙輪+φ114mm外平鉆桿

三開(kāi)擴(kuò)眼掏穴段：φ500mm機(jī)械式擴(kuò)眼工具+φ114mm外平鉆桿

5.2 井身結(jié)構(gòu)及套管程序

表1 井身結(jié)構(gòu)及套管程序

根據(jù)煤層特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)技術(shù)水平,目前國(guó)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)以直井為主,綜合考慮到后期排采的要求,二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)能滿足要求。固井質(zhì)量要求達(dá)到煤層以上200m,穩(wěn)固套管。

6 鉆頭及施工技術(shù)參數(shù)

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)是將壓縮空氣既作為洗井介質(zhì),又作為破碎巖石的能量。汽車鉆使用這種方法鉆進(jìn)時(shí),通過(guò)鉆桿對(duì)孔底施加壓力和轉(zhuǎn)矩,用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)潛孔錘 (即沖擊器)對(duì)巖石進(jìn)行沖擊碎巖,實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。同時(shí)利用壓縮空氣對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻,并將孔底巖屑向上排出地表。而目前單位空氣鉆進(jìn)具有一定局限性,在井深600m以后多采用常規(guī)泥漿鉆進(jìn),滿足施工要求,具體參數(shù)如下表2：

表2 鉆頭及施工技術(shù)參數(shù)表

7 玻璃鋼套管下入、擴(kuò)眼及填砂

在煤層段下入哈爾濱斯達(dá)公司生產(chǎn)的同徑玻璃鋼套管一根 (承壓1500psi),緊扣時(shí)使用專用工具,防止把玻璃鋼套管損壞。要求目標(biāo)煤層以下的鋼套管與過(guò)煤層的玻璃鋼套管的連接接箍位于目標(biāo)煤層與底板的界面以下0～0.4m,必須使用合格的套管密封脂。為確保玻璃鋼套管下入合適位置,須準(zhǔn)備一定數(shù)量的短套管。

煤層段擴(kuò)孔：只對(duì)玻璃鋼套管對(duì)應(yīng)的目標(biāo)煤層段進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。下入擴(kuò)眼工具,鉆掉對(duì)應(yīng)擴(kuò)孔煤層段的玻璃鋼套管及水泥環(huán),準(zhǔn)確確定煤層位置,采用機(jī)械式擴(kuò)孔工具,將煤層段井徑擴(kuò)大至直徑不小于0.50m,嚴(yán)禁采用蹩壓后釋放壓力造成煤層垮塌的擴(kuò)眼方法進(jìn)行擴(kuò)眼,擴(kuò)眼井段頂以上玻璃鋼套管長(zhǎng)度不小于2.5m。

填砂：填砂材料應(yīng)為壓裂砂。下鉆探砂面,下壓2t,填砂至擴(kuò)眼井段底板以上1m,誤差不超過(guò)0.50m;每次填砂后靜置時(shí)間不少于4小時(shí),開(kāi)泵循環(huán)出井底清水,直至清水中不含砂為止;停泵靜止4小時(shí)后,再探砂面。

8 結(jié)論與建議

通過(guò)該區(qū)塊兩年多來(lái)的施工,熟練掌握了該地區(qū)掏穴井的施工工藝。其次在該區(qū)塊有些煤層容易坍塌,特別是對(duì)空氣鉆進(jìn)不利,必須調(diào)整泥漿參數(shù)和鉆井參數(shù),確保鉆孔的質(zhì)量安全。再次在該區(qū)塊施工,要優(yōu)化鉆具組合,控制鉆井參數(shù),確保井身質(zhì)量。

[1] 胡向志.煤層氣掏穴井鉆井工藝淺析 [J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2010,(25).

[2] 楊永田.河?xùn)|煤田三交區(qū)塊水文地質(zhì)條件與控氣特征 [J].中國(guó)煤田地質(zhì).2007,03,009.

[3] 鐵軍,左明星,徐培武.煤層氣鉆井技術(shù)的應(yīng)用研究 [J].探礦工程.2005,32(11)：48-50.

[4] 袁志堅(jiān).煤層氣掏穴井鉆探施工技術(shù) [J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2007,(07).