烏魯木齊礦區1號井鉆井設計優化及施工工藝研究

湯建江 黃建明 劉蒙蒙

(新疆維吾爾自治區煤田地質局一五六煤田地質勘探隊, 新疆 830009)

烏魯木齊礦區1號井鉆井設計優化及施工工藝研究

湯建江 黃建明 劉蒙蒙

(新疆維吾爾自治區煤田地質局一五六煤田地質勘探隊, 新疆 830009)

烏魯木齊礦區是新疆煤層氣勘探開發的有利區塊，但該區塊地質構造復雜，老礦區較多，地表填方多，采空多，井位限制多，具有“高傾角、多煤層、大厚度”地質特點，給煤層氣鉆井施工帶來多項難題。本文以烏西礦區1號井為例，探討1號井設計優化及難點與對策研究，以此指導和推進本區塊鉆井工程的實施。

烏魯木齊礦區 煤層氣 設計優化 鉆井工程

1 鉆井工程部署設計難點

通過對以往資料以及2015年施工的1號參數井取得參數分析，礦區煤層厚度大，含氣量較高，滲透性好，其他煤層氣參數也較好，根據我隊在阜康區塊施工的順煤層L型與U型井、普通定向井對比分析，L型井具有投入成本低、施工工藝較U型井水平井簡單，產氣量較常規定向井高的特點，決定在1號井進行順煤層井試驗。如圖1，1號井目的煤層在深部被斷層切失，而1號井理想孔位為居民區無法部井位，西邊為一停產煤礦受采空的限制無合適場地，經多方協調在距離理想孔位150m處征得一塊空地可做井場，由于井場的限制，且避免鉆至斷層影響鉆完井作業，普通三段制順煤層井無法保證600m的煤層鉆遇長度，以此必須考慮合適入煤點、鉆遇煤層段長度、鉆井、壓裂、排采等因素，大大增加設計難度,為此我們大膽提出S型負位移L井型。

圖1 1號井設計剖面圖

2 鉆井方案(井眼軌跡數據及投影圖等)

2.1 三種鉆井方案特點

根據地質要求和不同方案增產效果，并考慮鉆井、壓裂、排采等工程因素，提出主要三種方案，具體如下：

(1)方案1：S型井(完全順煤層)

特點：入煤點(著陸點)垂深在600m(可調整)；鉆遇目的煤層井段長395.37m，目的煤層中完鉆，淺中部煤層控制程度高；井眼軌跡較復雜，定向施工難度較高。

(2)方案2：S型井(順傾向斜穿煤層)

特點：入煤點(著陸點)垂深在660.76m(可調整)；順傾向斜穿過目的煤層，鉆遇煤層井段長141.81m，完鉆口袋55m，完鉆層位在目的煤層底板以下55m。目的煤層主要由兩個薄煤層及一個主力煤層構成，斜穿過三層煤壓裂可選方案較多。

(3)方案3：L型井(完全順煤層)

特點：入煤點(著陸點)垂深754.14m，鉆遇煤層井段長249.86m；目的煤層中完鉆，完鉆井深距離斷層較近，下部斷層受控程度較低；后期排采管柱偏磨較輕，定向施工較容易。

此三種方案壓裂改造均選擇連續油管壓裂或橋塞分層壓裂工藝。

2.2 鉆井方案優選

根據三種鉆井方案特點及優缺點(表1)，綜合地質、鉆井、壓裂及排采等因素，通過對比優選，方案1作為本次鉆井最終實施方案，后期壓裂擬采用連續油管壓裂和橋塞分段壓裂兩種工藝。

方案1著陸點淺，可兼顧淺部含氣量較好煤層段；調整余地大；淺部煤層埋深控制程度高，著陸點控制較準確；可選壓裂井段長。

針對方案1的缺點采用其他技術手段解決，解決辦法如下：

(1)針對井眼軌跡復雜，定向施工難度高的特點，要求投入定向技術過硬的技術及施工人員，采用性能可靠、精度高、適應性強的定向設備。

(2)針對排采偏磨，通過減小造斜狗腿度，優化排采管柱結構或選用其他非機械往復式排采設備減小偏磨。

表1 三種方案對比表

3 施工難點與對策

根據我單位以往在該區塊工作記錄及工作經驗，總結出了鉆固井方面的主要施工難點，并針對本項目的施工難點制定了相應的對策。

3.1 完井方案優選

我隊在阜康區塊施工類似井L型井及U型井，后期排采結果顯示，篩管完井及裸眼完井增產效果差，套管固井完井加以射孔壓裂增產措施產氣效果好，井眼穩固程度高。故采用套管完井。

3.2 鉆井施工難點與對策

針對相關的施工難點，在工程技術方案設計中分別對井眼軌跡井身結構、鉆頭及鉆具組合、鉆井液等方面做了優化設計，并制訂了質量控制、煤層保護、各井段施工重點等相關措施及要求。

(1)軌跡控制困難及對策

本項目所在區塊地層傾角大多在70°以上，井斜及方位控制困難，為保證井眼軌跡符合設計要求，要求使用隨鉆測斜儀(MWD)+單彎螺桿鉆具實時監測及控制井眼軌跡。

(2)鉆進效率低及對策

本區塊地層屬于中硬巖層，常規回轉鉆進效率低，周期長。根據以往該區塊鉆井經驗總結，全面鉆進井段采用井下動力鉆具螺桿馬達+PDC鉆頭組合，能很大程度提高鉆進效率。

(3)煤系地層井壁坍塌掉塊、井徑擴大率超標、井內復雜事故多發及對策

根據我單位近年來多個項目的施工經驗，以及對該區塊儲層巖石(煤)物理特性的認識，過低的鉆井液密度無法平衡地層坍塌壓力，易造成井徑擴大率超標，煤層坍塌掉塊，粘度低巖屑攜帶困難等復雜情況，從而導致鉆井事故多發，影響固井及射孔質量，增大儲層傷害。因此經過試驗總結及分析，對鉆井液性能進行優化設計，鉆井液密度設計在1.10～1.15g/cm3，粘度在40～50s，嚴格控制失水量，失水量控制在5mL以下，盡量減少對煤層的傷害。

3.3 固井施工難點與對策

(1)固井難點

① 煤層段井壁容易垮塌或掉塊，且易發生漏失；

② 由于漏失壓力較低，難以采取大排量頂替措施，不利于提高頂替效率。

(2)針對施工難點對策

① 表層固井加足速凝劑，保障凝固快和凝固質量。若環空無水泥漿返出，再從環空罐水泥漿，保證水泥漿返至地面，確保井口地層封固良好。

② 為保證井底清潔和下套管作業順利，電測完成后采用原鉆具通井。通井時對鉆井阻卡井段應認真劃眼。通井到底后泵入稠泥漿段塞清掃井底，并以鉆進時最大排量循環鉆井液至少2周。循環結束的標志為井口壓力穩定，不再降低，出口和入口鉆井液的排量和密度一致。

③ 為防止固井過程中發生井下漏失，井眼準備期間，采取井口蹩壓的方式進行地層承壓試驗，試驗數據達到施工要求后才進行下步工作。

④ 下套管前適當提高泥漿粘切，建議屈服值大于8Pa。控制下套管速度不小于30s/根，下套管期間每150m灌滿泥漿一次。下完套管后，小排量頂通并逐步將排量提高到鉆井時排量循環至少洗井兩周，循環期間應泵入稠泥漿段塞清掃井底。循環結束的標志為井口壓力穩定，不再降低，出口和入口鉆井液的排量和密度一致。

⑤ 固井前合理調整鉆井液性能。根據實際情況，鉆井液性能應滿足以下指標：屈服值不大于5.0Pa，漏斗粘度小于50s，其他性能滿足鉆井設計要求。

⑥ 采用低密度漂珠水泥漿密度1.60g/cm3、API失水小于50mL、抗壓強度大于14MPa的API-G級水泥固井；適當提高水泥漿粘切，以便在低排量下達到固井所需要的壁面剪應力。

⑦ 為了確保井底動態當量密度不超過鉆井時的最大動態當量密度，固井前可先注一定數量的輕質泥漿以平衡施工壓力，防止漏失。

⑧ 注水泥前注清水4m3作為前置液，排量20L/s。

⑨ 確保施工連續進行，控制水泥漿密度波動范圍在±0.02g/cm3。

⑩ 替漿排量為15L/s。碰壓前降低頂替排量，碰壓15MPa左右。

3.4 復雜地層鉆進難點與對策

根據以往該區施工情況和地質資料分析，本井可能發生井漏、井涌和坍塌掉塊的可能。因此應嚴格按鉆進規程要求操作，防止人為因素造成涌、漏、坍塌。

泥漿工應隨時觀察井口返漿情況，按時測定鉆井液性能，發現異常情況及時采取措施處理。遇涌、漏水時，記錄涌、漏水層位、深度及水位變化情況。做好充分的壓涌、堵漏的物質準備。

(1)漏水處理

根據不同的漏失層位和漏失情況，選用適合的堵漏方法，目前常用和行之有效方法有惰性材料堵漏、粘彈性材料堵漏和水泥堵漏等。可用鋸沫堵漏、鋃嵌劑堵漏、801堵漏劑、191樹脂堵漏及高壓注水泥漿堵漏等項措施，確保施工順利進行。

(2)坍塌和縮孔處理

① 嚴格控制鉆井液失水量，保持鉆井液穩定，按鉆井液配方，配制鉆井液。

② 注意觀察地層構造和鉆井液性能變化，隨時調正鉆井液性能指數。

③ 備足鉆井防坍劑、降失水劑，迂翻坍，縮徑地層，及時調正鉆井液性能。

④ 低固相采煤，發現嚴重坍塌、掉塊，需加防塌劑，制止塌孔，保證正常鉆進。

⑤ 不穩定地層鉆進，提升鉆具需回灌鉆井液，保持鉆井壓力平衡，防止坍塌。

⑥ 適當控制升降鉆具速度，減少壓力激動對井壁的破壞。

(3)涌水處理

處理涌水前首先必須測定涌水壓力，計算出所需泥漿的密度。壓住涌水后，控制適當的泥漿密度，保持平衡鉆進，直至鉆穿含水層。

4 關鍵技術措施

(1)確保準確入煤(著陸)措施

本井軌跡分為7段(直-增-穩-降-直-增-穩)，以往在阜康大傾角地層施工時出現過目的煤層變淺或加深情況，導致無法著陸，或著陸時井斜太小鉆穿儲層進入下部地層，為防止此情況發生，主要采取以下兩方面措施：

① 造斜率適中，使造斜強度有提高余地，同時較小狗腿減小排采桿柱偏磨。

② 打導眼

在著陸前的直井段垂直打下去，直至鉆遇目的煤層，以此判斷目的煤層埋深，根據實際情況調整軌跡，保證著陸要求。

(2)擬投入MWD及LWD技術

使用MWD及LWD技術及儀器，保證井眼軌跡按設計進行，同時在著陸后使用LWD保證始終延目的煤層鉆進。

(3)由于目的煤層深部被逆斷層切失，斷層深部受控程度低，若鉆遇斷層，為保證固井水泥漿不會在斷層附近漏失，對斷層進行承壓試驗或封固至斷層以上10～20m。

[1] 陳金剛,秦勇,桑樹勛,等. 準噶爾盆地煤層氣勘探前景[J]. 天然氣工業,2003,(02):127-129.

[2] 李瑞明. 新疆準南煤田烏魯木齊礦區煤層氣儲層特征[J]. 中國西部科技,2009,(16):1-3.

(責任編輯 劉 馨)

Drilling Program Optimization and Operation Technique of No.1 Well in Urumqi Mining Area

TANG Jianjiang, HUANG Jianming, LIU Mengmeng

(NO. 156 Exploration Team, Xinjiang Bureau of Coalfield Geology, Xinjiang 830009)

Urumqi Mining Area is one of the most promising blocks for coalbed methane development. Testing of exploration projects has been done in recent years. The geologic structure is very complex and there’re many coal mines which have been developed for many years, with large areas of surface filling and goaf and limitations of the well locating. This area is characterized by “high inclination, multiple and thick coal beds”, which is challenging for the drilling operation of CBM wells. This paper discusses the drilling program optimization and operation technique of No. 1 well, a representative well in this block. The result can be applied in the future development of this block.

Urumqi Mining Area; coalbed methane; program optimization; drilling engineering

國家科技重大專項大型油氣田及煤層氣開發項目“新疆準噶爾、三塘湖盆地中低階煤層氣資源與開發技術”.

湯建江，男，煤層氣工程中心科長，鉆探工程師，全國五一勞動獎章獲得者。