潘河區塊煤層氣定向井鉆井工藝研究

王 海

(中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

1 地質概況

潘河區塊地層結構穩定，開發15號煤層將依次揭露新生界第四系(Q)、古生界二疊系上統上石盒子組(P2s)、二疊系下統下石盒子組(P1x)和山西組(P1s)、石炭系上統太原組(C3t)、石炭系中統本溪組(C2b)、奧陶系中統峰峰組(O2f)。總體而言，本區勘探程度高，15號煤層厚度分布穩定，煤層埋深淺，構造簡單，斷層不發育，煤層氣資源豐度高，具有較大的開發前景。

2 施工設計

潘河區塊3號煤開發已久，在進行15號煤施工設計時堅持“地面條件與地質條件兼顧、經濟合理的原則”，既要充分利用原有的地面集輸系統和現有井場，又必須防止鉆井施工對3號煤層的污染，與3號煤層排采井保持足夠的井距。以X井組為例，該井場原有3號煤排采直井一口，通過對井場進行擴建，在該井場新布置2口15號煤定向井，井口間距保持為5m，新井方位分別為112.35°和192.57°，使井場三井眼成放射分布，形成了良好的防碰條件，保證了試驗井組軌跡與3號煤排采井的100m防污染間距(見圖1) 。

圖1 X井組井場示意圖

該井組設計為二開結構，采用“直-增-穩”三段制井身剖面。一開采用φ311.15mm鉆頭鉆至基巖10m后完鉆，下入φ244.5mm×8.94mm/J55表層套管，口袋0.5m,固井水泥返至地面，二開采用φ215.9mm鉆頭，鉆至造斜點后利用螺桿造斜，采用螺桿定向鉆進和復合鉆進相結合的方式，鉆至目的煤層15號煤層底板下45m完鉆，下入φ139.7mmx7.72mm/N80生產套管，口袋2m,固井水泥返至3號煤層上200m，實現雙煤層封固，見圖2。

圖2 X1、X2井身結構圖

3 關鍵工藝

3.1 設備選擇

早期的煤層氣鉆井主要采用水源系列鉆機設備，特點為成本低、動力差、鉆速慢、安全保障低、鉆井周期長。為了保障設備性能滿足施工需求，X井組選用了石油系列ZJ15車載鉆機，井架型號JJ90-29/31，負荷900KN；泥漿泵型號SNK500-15，功率500HP；車載柴油機型號CAT-C9，功率350HP，利用車載鉆機的靈活機動提高施工效率。

3.2 鉆井液

一開采用膨潤土漿鉆井液，潘河區塊一開表層以黃土、礫石為主，易形成漏失通道。一開前提前配置膨潤土漿，配方：清水+1/3純堿+0.25%CMC+4%土粉，性能維持在密度1.01～1.03g/cm3，粘度28～33s, pH值7～8，含砂0.2%。

鉆完表層后配10m3稠漿清掃液，循環一到兩周將井下巖屑攜帶干凈后起鉆，保證下表層套管順利到底。

二開上部地層以聚合物鉆井液為主，密度1.03g/cm3，粘度27～32s，含砂0.2%，pH值7，適時替稠膨潤土漿攜砂。針對煤層易坍塌、易污染、滲透率低、非均質性強等特性，進入3號煤層前100m轉化為鑲嵌暫堵鉆井液體系。利用鑲嵌屏蔽暫堵劑的彈性可變性，使其部分顆粒嵌入在煤層孔隙的入口處，進行單向封堵，實現井壁穩定和儲層保護。配方為：井漿+5%鑲嵌暫堵劑+5%零滲透處理劑+0.2%表面活性劑”在鉆進過程中根據接單根及起下鉆情況隨時調整鉆井液性能，維護性能保持在密度1.03～1.08g/cm3，粘度33～36s,pH值7～8，含砂0.2%。

3.3 軌跡控制

一開地層主要為黃土層及礫石層，軌跡控制主要為防斜打直，因此施工中采用“φ311.15mm鉆頭+φ165.1mm鉆鋌”鉆具組合進行吊打，嚴格控制鉆井參數，鉆壓20～50KN，轉速40～75r/min，排量14～18L/s，泵壓1～2MPa。

二開直井段采用常規塔式鉆具組合“φ215.9mm鉆頭+φ165.1mm鉆鋌+φ127mm鉆桿”繼續垂直鉆進，每50m進行一次測斜，及時跟蹤掌控井斜、方位變化情況，做好防碰工作。

二開造斜采用螺桿鉆具組合“φ215.9mm鉆頭+φ171.45mm(1.25°)螺桿 + φ171.45mm無磁鉆鋌+φ165.1mm鉆鋌+φ127mm鉆桿”，鉆壓60～130KN，轉速30～60r/min，排量14～20L/s，泵壓1～4MPa。按照1.3°/100m的造斜率進行定向造斜，定向段每20m左右進行一次測斜，控制全角變化率在5°/25m(連續3點)范圍內，穩斜段每25m左右進行一次測斜，控制全角變化率在3°/25m(連續3點)范圍內，保證井眼軌跡符合后續作業要求。

3.4 固井

表層固井采用常規固井技術，下入φ244.5mm套管，保持套管與地面齊平，注入密度1.85g/cm3的水泥漿，返至地面。由于潘河地區3號煤長期排采，地層壓力、儲層壓力均較低，常規水泥漿密度過大，極易壓漏地層，引發儲層污染和固井水泥返高不夠、水泥環膠結質量差等問題，因此生產套管固井采用了中空玻璃微珠超低密度固井技術。該水泥漿體系主要為中空玻璃漂珠、活性填充材料、早強劑、降失水劑、分散劑等和水泥灰按配方配置而成，密度1.3～1.4 g/cm3，有效降低了固井水泥漿液柱壓力，減小了水泥漿的漏失，注水泥過程堅持“小排量、穩打穩替”方針，注漿排量0.5～0.6m3/min，采用塞流頂替水泥漿，有效減少循環摩阻和環空壓差，保護煤層。

4 施工效果

試驗井組X井組15號煤定向井施工期間，井場上原3號煤排采井保持正常排采。試驗井組平均機械鉆速5.51m/h，建井周期22.4天，比設計提前了3.6天，固井質量良好，試壓合格，各項井身質量指標合格(具體見表1)。

表1 X井組井身質量參數表

5 小結

(1)穿過3號煤層進行15號煤定向井開發，在直井段的井間距較小，必須充分考慮新施工井眼與原3號煤排采井的軌跡防碰，提前進行防碰掃描，施工時要勤測軌跡，保證施工安全。

(2)鉆井施工中，鉆井液對煤層的入侵不可避免，尤其是已開發區塊，在進入煤層段前要充分循環調整泥漿，保證固控設備處于良好的運行狀態，盡量減少固相顆粒對煤層的入侵，同時轉盤轉速和排量宜降低至正常值的75%～80%，平穩鉆過煤層。

(3)下入生產套管時，要結合雙煤層的埋深，選用合理的過煤管，確保過煤管接箍具有足夠的煤層頂、底距，便于后期的壓裂施工。

(4)潘河區塊15號煤埋深相對較淺，在較大位移的定向井施工中，要充分利用地層資料和錄井巖屑進行綜合分析，結合測斜數據進行軌跡的指導鉆進。