動力頭鉆機在煤層氣鉆井工程中的應用

摘要：新疆的煤層氣地面鉆井抽采項目大都是非油氣行業單位承建，這些企事業單位存在設備嚴重落后老化、配套不全等問題，無法滿足煤層氣鉆井施工對鉆井效率、井深、復雜地層鉆進、處理復雜能力、定向鉆井的要求，需要進行改進。文章對動力頭鉆機在煤層氣鉆井工程中的應用進行了探討。

關鍵詞：鉆井設備；鉆井事故；空氣潛孔垂鉆井；EMWD無線隨鉆；動力頭鉆機 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD421 文章編號：1009-2374（2016）19-0152-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.073

我隊以往在新疆各地施工的8口煤層氣井使用的均是水源SPS2000M鉆機，這臺設備搬遷安裝費時長、設備能力差、老化等嚴重影響鉆井效率，水源鉆機已經無法滿足提高鉆井工程效率的要求。2014年國家礦山救援中心給156隊分撥了一套礦山救援鉆機（ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機），鉆機屬于車載動力頭鉆機，156隊成立了救援鉆井隊（106鉆井隊），經過培訓及鍛煉，此動力頭鉆機在新疆阜康白楊河礦區煤層氣開發利用先導性示范工程中共鉆井施工5口，其中2口煤層氣定向井、1口儲層空氣動力改造井、1口參數井+生產井、1口水井，通過施工大幅提高了156隊煤層氣鉆井施工的能力和技術，培養了一支合格的煤層氣施工隊伍。

1 設備簡介

ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機車是由中煤科工集團西安研究院生產的針對地面礦山應急救援孔和地面煤層氣抽采孔的施工需要研制的一款專用鉆機，適用于500m（Φ711mm）以內直孔段的快速成孔和1500m以內的煤層氣抽采定向鉆井的施工，具有主軸制動功能，能夠施工多分支煤層氣抽采孔。

ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機主要由主機、控制臺總成、泵站、車體等組成。

2 設備參數及優點

鉆機型號的含義如圖2所示：

2.1 主要技術參數

主要技術參數如表1至表4所示：

2.2 設備施工優點

ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機屬于車載動力頭鉆機，并配有空壓機一臺、QF-500泥漿泵一臺，由于此鉆機屬于救援鉆機，其越野性能好，搬遷、安裝周期短；由于配有空壓機及空氣潛孔錘，所以一開采用以空氣為循環介質的沖擊回轉鉆進，一開開鉆、完鉆快；設備安裝調試完畢可立即開鉆，當天開鉆當天完鉆當天固井。鉆機可操性強，全液壓控制，鉆壓穩定。

3 施工作業區塊地層情況

施工地點位于新疆阜康白楊河礦區黃山-二工河倒轉向斜北翼，為一南傾單斜構造，走向近東西，地層傾角為45°～53°，巖性主要由泥巖、粉砂巖、細砂巖、砂礫巖、薄煤線和煤層組成，個別井場第四紀覆蓋層為礫石層，礫石為黏土與細沙膠結，部分層段有漏失現象。

區內含煤地層中的39、40、41、42、43和44號煤層因自然嚴重，形成了一條近東西向的燒變巖帶。火燒后的煤層呈灰褐色、黑褐色松散或膠結在一起的渣狀物，其含水和透水性很強，煤層火燒影響強烈的圍巖，呈紅、褐、黑褐色熔融狀物質，具有致密堅硬、氣孔發育之特征。由于受烘烤后巖石（層）受重力作用，裂隙較為發育，有較強的透水性及儲水性。根據前期鉆探驗證和磁法勘探的結果，區內煤層自然形成的燒變巖深度大部地段在垂深250～500m。由于以上特殊的地層情況，在施工過程中極易造成鉆孔彎曲、坍塌、涌水等事故，給成孔帶來較大困難。

4 鉆井施工實例

2014年4月，156隊組織人員參加關于設備和工藝的廠家培訓；ZMK5530TZJ60型鉆機施工前期由廠家現場指導工人操作鉆機設備，在示范工程的整個施工過程廠家全程駐井服務，共施工5口井。

4.1 第一口定向井的施工

本設備接到的第一個任務為叢式井臺兩口井的鉆井施工，分別為FS-44、FS-45井，其中FS-45井為一口直井、FS-44井為一口定向井。

FS-45井一開試驗使用空氣潛孔錘開孔，井口坍塌嚴重，放棄空氣鉆進，一開改用泥漿鉆進，順利完鉆，一開井深35m，下入244.5mm套管34.7m。二開開鉆已進入基巖20～30m，地層穩定，試驗空氣鉆進，使用空氣潛孔垂鉆進到150m后進入含水地層，不再適用空氣鉆進，井壁不穩定，屑巖效果差，井口噴出大量地層水，改用常規泥漿鉆進。在鉆進過程因井壁掉塊嚴重使用水泥封孔，加固井壁，后透孔作業。鉆穿涌水層后，使用MWD隨鉆測斜鉆進。在鉆進300m后由于定向短節與螺桿連接處扣損壞導致工具角差錯誤，測斜工具面錯誤，致使降斜失誤，井斜超標嚴重，井底井斜有5°，設計要求1°。報項目部，經研究決定填井側鉆，將FS-45井改為同井臺的FS-44井定向井。按照施工措施，用水泥封固至表套，透孔至65m處進行側鉆作業，側鉆成功。全井段進行定向施工。完鉆井深684.86m。井身結構示意圖見圖4：

4.2 空氣動力井施工

FKQ-1井為空氣動力井，鉆井目的為儲層空氣動力改造提供高質量的井眼。設計鉆井工程為三開，一開表套244.5mm鋼級J55壁厚8.94mm，二開技術套管177.8mm鋼級N80壁厚8.05mm。三開鉆頭152.4mm，鉆開浮箍與浮鞋之間的水泥塞不下套管。

表層為卵石層2～21.62m，一開表套45.4m。Φ311.1mm牙輪鉆至17m處不進尺，換Φ215.9mm牙輪鉆穿卵石層，換Φ311.1牙輪鉆頭擴孔，擴至18.27m處動力頭損壞，更換動力頭后用Φ311.1mm空氣潛孔錘鉆至45.4m完鉆。0～21.62m卵石層井段，純鉆時間25小時30分鐘，機械鉆速0.85m/h；21.62～45.4m非卵石層井段純鉆時間3小時50分鐘，機械鉆速6.21m/h；一開合計純鉆時間26小時20分鐘，機械鉆速1.72m/h，一開生產時間34小時，非生產時間566小時（停待、維修設備），非生產時間占比94.3%。

施工難點：卵石層進尺慢，礫石堅硬且膠結差，鉆進過程震動大，憋車，對動力頭損傷大。三開鉆進需更換鉆具及鉆頭，鉆水泥塞困難，浮箍浮鞋處易脫扣，建議以后施工將浮箍浮鞋及之間的套管改為反扣。

4.3 水井鉆井施工

水-1井完鉆井深290.13m，使用空氣潛孔錘鉆進，Φ346mm鉆頭，鉆至70m處由于地層裂隙發育供氣量達不到排渣要求，改用螺桿鉆進；在沒有參考經驗的情況下，使用Φ165mm螺桿+Φ315.9mm牙輪鉆頭施工，鉆達設計井深后使用Φ165mm螺桿+Φ394mm牙輪鉆頭擴孔完鉆，并使用空氣反循環進行高效洗井作業，省去了拉水洗井的成本，效率高、成井快。

4.4 參數井施工及直井糾斜的必要性

FS-58井為參數井+生產井，完鉆井深771m，一開使用空氣鉆進，機械鉆速10.36m/h；二開572.77～714.70m取芯鉆進，機械鉆速1.25m/h，全面鉆進井段機械鉆速12.42m/h。

取芯鉆具組合為：Φ215mmPDC取芯鉆頭+Φ127mm取芯鉆具+Φ127mm鉆桿。

非取芯井段使用EMWD全井段實時測斜糾斜，井斜保證在1°之內，取芯井段因無法下入隨鉆儀器，因此在大傾角地層很難保證井斜，572～714m井斜由1°增加到14°。因此在本區塊直井必須使用定向手段主動降斜，被動降斜工藝在本區塊達不到降斜效果。

ZMK5530TZJ60型礦山特種鉆機鉆井累計有效進尺2466.12m，2014年該鉆機已經在幾種類型的鉆孔中進行了試驗施工，施工中和廠家配合對鉆機的一些不合理部位進行了改進。對動力頭鉆機在煤層氣復雜地層鉆井工藝有了較高的掌握，總結出了本隊施工技術，培養了一支煤層氣鉆井優秀的隊伍。

5 設備存在問題

在使用過程中由于各種因素，導致配件損壞影響了鉆井周期。在FKQ-1井的施工中，一開卵石層鉆進時動力頭損壞，廠家給予了無償更換及安裝；副卷揚由原來的2噸吊臂換成了4噸吊臂；由于鉆機提升能力只有60噸，所以只施工了800m以內的淺井；下套管速度慢，冬季施工液壓油溫度低導致動力、扭矩、反應速度降低。

6 結語

通過動力頭鉆機及配套鉆井、定向設備在阜康白楊河礦區煤層氣項目中的施工應用，學習和掌握了煤層氣鉆井、空氣鉆井、定向鉆進、修井作業等方面的技術工藝，培養了一支復合型技術全面的施工隊伍。此鉆機增強了單位煤層氣鉆井的設備能力。

參考文獻

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作者簡介：鄧雪峰（1973-），男，新疆煤田地質局一五六煤田地質勘探隊工程師，研究方向：煤田地質及煤層氣鉆探。

（責任編輯：秦遜玉）