山西三交區塊煤層氣掏穴井鉆井施工工藝

胡向志 石繼峰

(河南豫中地質勘察工程公司,河南 450053)

1 前言

近兩年,隨著石油鉆井技術在煤層氣地面鉆井的成功應用,煤層氣開發井已由單一的垂直井發展到叢式井和水平分支井組等多種形式,使煤層氣井的產能得到大幅度提高。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,利用機械的方法進行擴孔,使孔內目的煤層段形成的洞穴直徑遠遠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目標儀器;二是實施欠平衡鉆進時作為輸送空氣介質的通道;三是完井后作為水平分支井組煤層氣抽排的通道。

2 區域地質簡介

2.1 區域地層

據鉆探揭露,地層由老至新依次有：奧陶系中統馬家溝組、峰峰組;石炭系中統本溪組、上統太原組;二疊系下統山西組、下石盒子組,上統上石盒子組、石千峰組;三疊系下統劉家溝組、和尚溝組,中統二馬營組;新生界第三系上新統保德組;第四系中更新統離石組、上更新統馬蘭組和全新統。

2.2 區域構造

三交區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造帶,為過渡性質的盆緣構造類型。該區塊主導構造線近于南北走向,至蒲縣以南,主構造線向西南偏轉,地層整體平緩西傾,呈傾向北西-北西西單斜構造,傾角一般5°左右,發育有次級低幅撓曲構造;區塊南緣發育2條近東西向的斷層、落差200余m,區塊內斷層不發育,未見火成巖巖體。

2.3 煤層特征

本區發育煤層主要有1#～9#號煤層,其中穩定發育且全區或大部可采煤層為3#、4#、5#、8#和9#號煤層。

煤層埋深：盡管區內地質構造簡單,煤層傾角小,煤層底板起伏小,標高變化不大,但由于地處黃土丘陵山區,溝谷切割劇烈,地形起伏較大,致使區內煤層埋深變化較大,中南部煤層埋深一般為500～600m,向西北部煤層埋深達900m以上。

煤質：主要有氣煤、肥煤、焦煤及瘦煤等。區內大部煤層氣井實測鏡煤最大反射率0.91%～1.34%。

3 主要技術要求

煤層氣掏穴井鉆井施工工藝主要滿足以下技術要求：

(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：50m/點;電子多點：10m/點;

(5)完鉆后,經測電子多點來確定煤層的準確方位與水平位移;經電測來確定煤層頂底板的準確位置;

(6)電測后下入177.8mm生產套管,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 主要設備機具

經過近年來煤層氣直井的施工,已選配出一套適合煤層氣井的施工設備,加上汽車鉆更具靈活性,易操作性等特點,能快速完成煤層氣掏穴井的鉆井完井作業。

使用自己研制φ500mm掏穴機具,其最大過流量為 400～600L/min,適合泵壓3～4MPa,使用TBW850/5A的深層次泵較合適,在實際應用中,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,鉆井液就能通過狹小空間,大大減少泥漿泵的運行負荷,相比水源鉆機具有優勢。

(1)車載鉆機：美國雪姆T130,570KW,1臺

(2)泥漿泵：TBW850/50,1臺

(3)柴油機：ZY6135,1臺

(4)發電機組：50KW4135,1臺

(5)鉆具：φ114mm外平鉆桿,φ159mm無磁,φ159mm鉆鋌

(6)掏穴器：φ500mm掏穴機具

5 鉆具組合及井身結構

5.1 鉆具組合

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

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

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

二開煤層段至完鉆：φ215.9mm三牙輪 +φ159mm無磁+φ159mm鉆鋌+φ114mm外平鉆桿

三開鉆水泥塞段：φ152mm三牙輪+φ114mm外平鉆桿

三開擴眼掏穴段：φ500mm機械式擴眼工具+φ114mm外平鉆桿

5.2 井身結構及套管程序

表1 井身結構及套管程序

根據煤層特點及開發技術水平,目前國內煤層氣開發以直井為主,綜合考慮到后期排采的要求,二開井身結構能滿足要求。固井質量要求達到煤層以上200m,穩固套管。

6 鉆頭及施工技術參數

氣動潛孔錘鉆進是將壓縮空氣既作為洗井介質,又作為破碎巖石的能量。汽車鉆使用這種方法鉆進時,通過鉆桿對孔底施加壓力和轉矩,用壓縮空氣驅動潛孔錘 (即沖擊器)對巖石進行沖擊碎巖,實現沖擊回轉鉆進。同時利用壓縮空氣對鉆頭進行冷卻,并將孔底巖屑向上排出地表。而目前單位空氣鉆進具有一定局限性,在井深600m以后多采用常規泥漿鉆進,滿足施工要求,具體參數如下表2：

表2 鉆頭及施工技術參數表

7 玻璃鋼套管下入、擴眼及填砂

在煤層段下入哈爾濱斯達公司生產的同徑玻璃鋼套管一根 (承壓1500psi),緊扣時使用專用工具,防止把玻璃鋼套管損壞。要求目標煤層以下的鋼套管與過煤層的玻璃鋼套管的連接接箍位于目標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,須準備一定數量的短套管。

煤層段擴孔：只對玻璃鋼套管對應的目標煤層段進行擴孔作業。下入擴眼工具,鉆掉對應擴孔煤層段的玻璃鋼套管及水泥環,準確確定煤層位置,采用機械式擴孔工具,將煤層段井徑擴大至直徑不小于0.50m,嚴禁采用蹩壓后釋放壓力造成煤層垮塌的擴眼方法進行擴眼,擴眼井段頂以上玻璃鋼套管長度不小于2.5m。

填砂：填砂材料應為壓裂砂。下鉆探砂面,下壓2t,填砂至擴眼井段底板以上1m,誤差不超過0.50m;每次填砂后靜置時間不少于4小時,開泵循環出井底清水,直至清水中不含砂為止;停泵靜止4小時后,再探砂面。

8 結論與建議

通過該區塊兩年多來的施工,熟練掌握了該地區掏穴井的施工工藝。其次在該區塊有些煤層容易坍塌,特別是對空氣鉆進不利,必須調整泥漿參數和鉆井參數,確保鉆孔的質量安全。再次在該區塊施工,要優化鉆具組合,控制鉆井參數,確保井身質量。

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

[2] 楊永田.河東煤田三交區塊水文地質條件與控氣特征 [J].中國煤田地質.2007,03,009.

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

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