煤層氣U型對接井施工關(guān)鍵技術(shù)

熊 亮，張小連

(1.河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州 450052； 2.河南省煤田地質(zhì)局三隊，河南 鄭州 450052)

1 工程概況

陽泉地區(qū)煤炭資源豐富，主采15號煤，煤種為無煙煤，透氣性系數(shù)為0.175 m2/MPa2·d，不利于抽采瓦斯，瓦斯含量平均為11.22 m3/t，礦井為煤與瓦斯突出礦井。為提高陽泉地區(qū)煤層氣產(chǎn)能，決定在陽泉寺家莊礦區(qū)內(nèi)設(shè)計施工一組U型工程試驗井，目的在于提高開采效率，實現(xiàn)安全科學(xué)開采。

YQ-01井組包含YQ-01V和YQ-01H1兩口井，其中YQ-01V是一口洞穴直井，YQ-01H1是配套施工的一口定向水平井。

該井組鉆探目的層為太原組含煤層氣煤層，設(shè)計垂深685.00 m，完鉆層位為本溪組。YQ-01V井鉆穿15號煤層后25 m完鉆，YQ-01H1水平井設(shè)計著陸點在9號煤層下部，完鉆層位為太原組底，不鉆穿本溪組，完井方法為套管固井完井，根據(jù)實際情況調(diào)整著陸點位置。

2 鉆井設(shè)計

2.1 YQ-01井組井身結(jié)構(gòu)

YQ-01井組井身結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 YQ-01井組井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 井眼軌跡設(shè)計

直井設(shè)計：按煤層氣常規(guī)開發(fā)直井設(shè)計及施工完井。

水平井設(shè)計：設(shè)計原則以簡單為主，設(shè)計與施工相結(jié)合，直-增-穩(wěn)是目前水平井設(shè)計的最理想、結(jié)構(gòu)最簡單的方法，這種結(jié)構(gòu)也更利于下部鉆井的順利施工。由于水平段要穿煤層，所以著陸點的選擇很重要，一般通過直井煤層的埋深，煤層的傾角，用三角函數(shù)來推算著陸點的位置，著陸點位置算出來以后再確定直井段的長度，即造斜點，造斜點的確定原則是在滿足水平段井斜的前提下盡量往上提，目的是給二開造斜鉆進(jìn)提供有利的造斜率調(diào)整空間，這樣二開的井身更加平滑更有利于下步鉆進(jìn)和下套管作業(yè)。

對接設(shè)計：在直井和水平井設(shè)計完成后，將兩個井的設(shè)計合并即為對接設(shè)計。在設(shè)計水平對接井時，要考慮到磁偏角及子午線收斂角的影響。磁偏角每年都在變化，直接影響的是井的方位，設(shè)計時要對磁偏角作出說明。還要注意井的海拔，計算著陸點時要把直井的煤層位置和水平井的煤層位置轉(zhuǎn)化到同一基準(zhǔn)面內(nèi)。

2.3 鉆具組合

定向水平井鉆具組合以保證井下安全為主，盡量簡化鉆具結(jié)構(gòu)(見表1)。

表1 定向水平井鉆具組合

注：鉆具組合設(shè)計僅供參考，施工時根據(jù)現(xiàn)場具體情況適當(dāng)調(diào)整。

2.4 鉆井設(shè)備

根據(jù)鉆井設(shè)計要求，選用CMD100型多功能動力頭車載鉆機。該鉆機提升能力100 t，下壓能力20 t，轉(zhuǎn)速0～300 r/min，最大扭矩27500 N·m，性能滿足施工要求。該鉆機機動性強、搬遷運輸方便、現(xiàn)場就位準(zhǔn)確快捷；采用全液壓多回路控制，具備多項安全保護(hù)的功能；具有調(diào)節(jié)鉆壓的功能，可根據(jù)地層情況有效地控制鉆進(jìn)力的大??；留有氣水管路接口，可根據(jù)不同的施工工藝配套相關(guān)的輔助設(shè)備；為確保安全生產(chǎn)需要，鉆機鉆臺高度能夠安裝井控設(shè)備(防噴器、導(dǎo)流器、防塵設(shè)備等)。

2.5 施工難點

煤層氣U型井水平段長度400～1000 m，全井深度在1000～1600 m，作為新型鉆井，綜合了水平井鉆井、兩井連通、地質(zhì)導(dǎo)向等多種先進(jìn)技術(shù)，鉆井難度大?？偨Y(jié)施工中遇到的技術(shù)難點主要有：井眼軌跡控制難度大、復(fù)雜情況高發(fā)、水平井與直井連通精度高等。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水平井直井段施工

直井段施工一般要求“防斜保直”，假如鉆至造斜點時直井段不直，造斜點處由于有一定的井斜角不僅會影響后續(xù)定向造斜，還會因為井斜形成的位移影響下一步井身軌跡控制。假如造斜點處是負(fù)位移，為了滿足設(shè)計要求，需要比設(shè)計更大的造斜率和井斜角。如果是正位移則相反。假如造斜點處的位移偏離設(shè)計方向兩側(cè)，那么原本二維的定向井變成了三維定向井，下一步井身軌跡控制的難度也將進(jìn)一步增加。由于水平井直井段的井身軌跡控制精度較普通定向井要求高，在地層穩(wěn)定的地區(qū)，可以使用鉆頭+無磁+鉆鋌的常規(guī)鉆具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)中要及時測斜，發(fā)現(xiàn)井斜異常要輕壓吊打，必要時使用螺桿糾斜；在地層不穩(wěn)定、地層傾角大的地區(qū)，可以直接使用鉆頭+螺桿+無磁(MWD)+穩(wěn)定器的鉆具組合，這樣可以及時糾斜，減少起下鉆，節(jié)約鉆井成本。

3.2 水平井增斜段的定向施工

決定水平井井身質(zhì)量的兩個因素是井斜和方位，增斜段施工需要注意以下幾點。

(1)在增斜段施工中，井斜要做到寸高必爭，方位控制要趕早避晚。因為螺桿的造斜率是一定的，前期造斜率高后期就可以造斜率低一點；如果前期造斜率不夠，則對后續(xù)造斜率的控制要求就更高，有可能會造成井身軌跡不平滑，影響后期下套管。

(2)增斜段要保證勤測斜勤預(yù)測、勤分析，隨時調(diào)整鉆具組合以滿足造斜需要。水平井增斜段施工要求每打一根都要測斜，前期定向時要及時做好記錄，目的是觀察井下動力鉆具的造斜率，若造斜率滿足設(shè)計要求，就可以一直使用該鉆具組合；若造斜率不夠，要及時調(diào)整，使用造斜率更大的動力鉆具；若造斜率超過設(shè)計的造斜率時，可以開轉(zhuǎn)盤進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，實行穩(wěn)斜鉆進(jìn)。

(3)在水平井的施工中，要嚴(yán)禁大范圍扭方位。在增斜段前期30～50 m，要扭正到設(shè)計方位，后期的方位一般只是微調(diào)。由于設(shè)計的著陸點是根據(jù)直井推算而來，實際上下部煤層并不是統(tǒng)一的傾角，煤層可能有起伏，在增斜段快達(dá)到著陸點時，要認(rèn)真對比地層及錄井資料，通過上部地層或者可靠的標(biāo)志層來調(diào)整下部的造斜率，當(dāng)達(dá)到設(shè)計著陸點仍然沒有見到目的層的時候，要將設(shè)計井斜減小2°～3°再繼續(xù)穩(wěn)斜鉆進(jìn)，直到見到目的層，方可二開完鉆。

3.3 水平井水平段的定向施工

水平段施工重點是滿足設(shè)計煤層的鉆遇率。水平段作業(yè)中使用的儀器多為EMWD，該儀器通過電磁波傳輸信號，在儀器下部安裝了一套方位伽馬測量系統(tǒng)用于辨別地層，由于煤層的伽馬值相對較低，當(dāng)儀器從煤層鉆入頂板或底板時伽馬值會有明顯變化，通過觀察上下伽馬值來辨別是進(jìn)入頂板還是進(jìn)入底板。伽馬值統(tǒng)一由低到高說明鉆出煤層，出煤層時觀察上下伽馬值，若幾組伽馬數(shù)據(jù)都是下伽馬值大，上伽馬值小，說明鉆遇的是底板，就要增大井斜；若幾組數(shù)據(jù)是下伽馬值小，上伽馬值大，說明鉆遇的是煤層頂板，就要降低井斜；若幾組數(shù)據(jù)伽馬值交替變化，這種情況往往認(rèn)為鉆遇的是煤層的夾矸。水平段施工只要保證在煤層中鉆進(jìn)即可，水平段要控制好方位，發(fā)現(xiàn)實鉆軌道與設(shè)計軌道有偏差時要及時調(diào)整，避免因為方位誤差太大而對接不上直井。實際施工中一般控制閉合方位不大于設(shè)計閉合方位+0.5°。

3.4 水平井與直井的對接施工

水平段鉆進(jìn)至距離連通點100 m左右時，起鉆進(jìn)行最后的連通作業(yè)。連通作業(yè)所用的儀器為RMRS磁性導(dǎo)向測量儀，該儀器能穩(wěn)定接收到磁信號的距離為80 m左右。下鉆時將帶有強磁的接頭下到鉆頭與螺桿之間，用于發(fā)射磁信號。在直井中下入測量探管，用于接收信號。對接工作是關(guān)鍵，需要注意以下2點。

(1)每打一單根，定向人員要與導(dǎo)向人員溝通井斜和方位，導(dǎo)向人員通過測算鉆頭與探管之間的位置關(guān)系，發(fā)出下步定向作業(yè)指令。由于煤層相比巖層較軟，定向工具面很不穩(wěn)定，擺工具面時不能盲目操作，要提前總結(jié)該煤層中鉆頭的反扭角度數(shù)，把工具面穩(wěn)定到需要的位置上再開始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時壓力要與反扭角相結(jié)合。

(2)在鉆進(jìn)至離連通點4～5 m時，從直井中起出測量探管，直井井口加裝防噴閥門，再繼續(xù)實施定向井鉆進(jìn)。連通后泥漿會從直井迅速噴出，泥漿噴出說明連通成功，此時關(guān)閉閥門。若繼續(xù)鉆進(jìn)直井無泥漿噴出，鉆頭可在連通點復(fù)合劃眼沖孔，用泥漿的沖擊力沖開玻璃鋼套管。若在連通點多次沖孔仍然沒有泥漿噴出，則連通失敗，出現(xiàn)這種情況需要查找原因，退回側(cè)鉆，重新實施連通作業(yè)。

4 施工效果

通過以上對各施工井段關(guān)鍵技術(shù)的嚴(yán)格把控，YQ-01H1水平井施工順利，定向段井眼軌跡如圖2所示。

圖2 YQ-01H1井定向段軌跡示意圖

直井段：在綜合設(shè)備工具和地層因素基礎(chǔ)上，采用塔式鉆具組合輕壓吊打，適當(dāng)給壓和加大轉(zhuǎn)速，縮短了施工周期。增斜段：著陸控制技術(shù)是增斜段軌跡控制的關(guān)鍵，著陸控制的技術(shù)要點可以概括為：略高勿低、先高后低、寸高必爭，早扭方位、穩(wěn)斜探頂、動態(tài)監(jiān)控、矢量進(jìn)靶。水平段：軌跡控制要點是：鉆具穩(wěn)平、上下調(diào)整、多復(fù)合鉆進(jìn)、注意短起、動態(tài)監(jiān)控、留有余地、少扭方位。對接段：采用旋轉(zhuǎn)磁測距系統(tǒng)(RMRS)，實時測量鉆頭與目標(biāo)靶點間的方位，精確指導(dǎo)鉆進(jìn)操作，最終使水平井鉆進(jìn)準(zhǔn)確中靶。

5 結(jié)語

水平對接井的定向施工極其復(fù)雜，每個環(huán)節(jié)都很重要，可以說是牽一發(fā)而動全身，所以定向工作要嚴(yán)謹(jǐn)，要認(rèn)真研究定向過程中出現(xiàn)的各種復(fù)雜問題，

定向人員還要與地質(zhì)、鉆探、錄井人員相互結(jié)合，各環(huán)節(jié)要緊密配合，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效、安全的目的。

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