爾林兔勘查區煤層氣參數井鉆井技術探討

陳小軍，李鵬飛，惠 鵬，張 林

(陜西省煤層氣開發利用有限公司地質研究院分公司，陜西西安 710065)

0 引言

煤層氣是一種以吸附狀態賦存于煤層中的非常規天然氣。隨著世界能源短缺和環境問題的進一步加劇，開發清潔高效的能源對緩解能源供需矛盾、保護人類生存環境以及減少瓦斯對煤礦安全產生的災害等問題都具有十分重要的意義，其市場前景十分廣闊。隨著煤氣層勘探與開采力度的不斷增大，對煤層氣鉆井技術的要求也越來越高，因此研究煤氣層鉆探技術對加快煤層氣的開發具有十分重要的意義。

煤層氣參數井能夠獲取目的煤層的埋深、厚度、結構、煤巖及煤質特征;含氣量、含氣飽和度、等溫吸附特征;滲透率、儲層壓力、閉合壓力、原地應力等儲層參數，為煤層氣生產潛能評價、制定后期的鉆探與開采計劃提供充足的依據。文中以爾林兔勘查區三口煤層氣參數井的鉆探過程為例，對煤層氣參數井的鉆井技術進行探討。

1 地質概況

爾林兔勘查區位于陜北侏羅紀煤田中部的榆神礦區，地層區劃屬華北地層區鄂爾多斯盆地分區，構造單元處于鄂爾多斯寬緩的東翼—陜北斜坡上，區內地層平緩，為一走向北東傾向北西的單斜，傾角小于1°，地質構造簡單。鉆井鉆遇地層自上而下為:第四系全新統以現代風積沙為主，沖積層次之;上更新統薩拉烏蘇組(Q3s)，灰黃、灰褐色亞沙土及粉沙;中更新統離石組(Q2l)，淺棕黃、褐黃色亞粘土及亞沙土，夾粉土質沙層。新近系上新統保德組(N2b)，棕紅色粘土及亞粘土，夾有鈣質結核層，底部局部可見淺紅色礫巖。白堊系下統洛河組(K1l)，紫紅色中砂巖，夾雜紫紅的粗粒砂巖，紫紅色泥巖。侏羅系中統安定組(J2a)，為紫紅色、紫雜色砂質泥巖，紫雜色細砂巖，紫紅色、灰色中砂巖;直羅組(J2z)，灰綠色泥巖、灰綠色砂質泥巖、灰綠色中砂巖、灰色粗砂巖;延安組(J2y)，為勘查區的含煤地層(主采煤層為 2－2煤、5－2煤)，灰色、灰黑色細砂巖，灰色中砂巖，灰色粗砂巖，灰色、灰黑色砂質泥巖。三疊系上統永坪組(T3y)，灰白、灰綠色粗粒砂巖，灰綠色砂質泥巖(未鉆穿)。

爾林兔勘查區分為一、二、三號3個井田，本次在3個井田的先期可采地段分別部署一口煤層氣參數井 ZK7-3、ZK15-7、ZK13-4(圖 1)，井型均為垂直井。三口煤層氣井深618～736 m，目的煤層為2－2煤、5－2煤，其中 2－2煤厚度 3．8 ～8．4 m，5－2煤厚度6．5～10．8 m。取心井段從目的煤層頂底板上5 m開始取心，至目的煤層底板下5 m。

2 鉆井質量指標、設備及工具

2．1 鉆井質量指標

水平位移:井底水平位移≤20 m。

井斜:全井最大井斜≤3°。

測點讀值:以測井連續測斜資料為準，測點讀值≤25 m，特殊情況要加密，最后一測點距離完鉆井底≤10 m。

擴孔率:非煤地層擴孔率≤20%，煤層井段擴孔率≤35%。

巖煤心采取率:巖心采取率≥85%，煤心采取率≥90%，直徑＞60 mm。

圖1 爾林兔勘查區煤層氣參數井部署圖

2．2 主要的鉆井設備及工具

TSJ-2000型鉆機，AT24型鉆井架，TBV-850/78型泥漿泵，6130型柴油機，固控設備(振動篩、除砂器)，防噴器，SQC-882型氣測儀，柴油機發電機組等。Ф311．15 mm、Ф215．9 mm 牙輪鉆頭，Ф190 mm、Ф173 mmPDC 取心鉆頭，Ф127 mm 鉆桿，Ф178 mm鉆鋌，Ф190 mm繩索取心鉆具，單點測斜儀，泥漿測試儀，可控變速絞車等。

3 鉆井工藝

3．1 井身結構

以ZK13-4井為例，井身結構如圖2所示。一開采用Ф311．1 mm鉆頭鉆穿保德組地層，進入洛河組砂巖20 m且一開井深不少于60 m，下入Ф244．5 mm表層套管，采用常規密度水泥封固地表疏松層、黃土層，建立井口;二開采用Ф215．9 mm鉆頭，鉆至5－2煤層底板以下60 m完鉆，下入Ф139．7 mm生產套管，水泥固井返高至地表。其它兩口參數井與ZK13-4相似。

3．2 鉆具組合及其參數

一開井段:Ф311．10 mm 鉆頭 + Ф178．00 mm 鉆鋌+Ф127．00 mm鉆桿+方鉆桿;

二開井段:Ф215．90 mm 鉆頭 + Ф178．00 mm 鉆鋌+Ф127．00 mm鉆桿+方鉆桿;

2－2煤取心:Ф190 mmPDC 取心鉆頭 + Ф159．00 mm取心筒+Ф127．00 mm鉆桿+方鉆桿;

5－2煤取心:Ф173 mmPDC 取心鉆頭 + Ф159．00 mm取心筒+Ф127．00 mm鉆桿+方鉆桿。

3．3 鉆井液的選擇

圖2 ZK13-4井身結構圖

作用與選配原則:鉆井液在鉆井作業中起著冷卻鉆頭、攜帶巖屑、保護孔壁、平衡地層壓力等作用。但對于煤層氣參數井而言，鉆井液還必須具備保護煤儲層的特性。因此，本次施工鉆井液的選配以保護煤儲層、穩定井壁為原則，根據鉆遇不同的地層段調整鉆井液配方，以獲得鉆孔的高效率和安全性。

煤系上覆地層(非煤系)段:采用優質低固相鉆井液，鉆井液密度為 1．03～1．08 g/cm3，粘度為18～23 s，pH 值為7．5 ～9．0。

煤系地層段:采用優質無固相鉆井液，鉆井液密度為1．01 ～1．03 g/cm3，粘度為 15 ～17 s，pH 值為8．0 ～9.0。

目的煤層段:采用優質無固相或清水鉆井液鉆進，密度應控制在1．03 g/cm3以下。

3．4 防斜技術措施

井斜在鉆井過程中是在所難免的，其直接影響著井身質量和鉆井效率。井斜過大，不僅易發生卡鉆事故，而且還會造成下套管困難、影響固井質量等問題，因此在鉆井過程中要采取有效措施嚴格控制好井斜。

嚴把設備安裝質量:轉盤安裝必須平，確保天車、轉盤及井口在同一鉛垂線上，必要時可在適當位置加裝扶正器。

開孔操作:開孔應輕壓慢轉，嚴控鉆進速度保證一開井段的垂直度。

加壓:盡量不使用鉆桿自重加壓，避免增加鉆壓使鉆桿彎曲，造成井斜偏大。

專用加壓鉆具:采用專門的下部加壓鉆具(鉆鋌或加壓塊)，增大鉆具的剛性防斜。偏重的鉆鋌因為離心力的作用使其重邊在旋轉時總是貼向井壁，這樣就會使下部鉆柱具有公轉的運動特性，從而消除自轉時對井斜的影響。

二開操作:二開開始應輕壓慢轉，防止偏眼及甩脫表層套管，給下步施工造成困難，當鉆鋌進入裸井內方可正常參數鉆進，加壓不得超過鉆鋌總重的80%。

鉆進:全井段采用鐘擺鉆具鉆進，降低鉆頭橫向造斜力的影響。增減鉆壓要適當，送鉆均勻，采用低鉆壓較高轉速，確保井身垂直。

3．5 取心技術措施

(1)為使煤心中氣體損失量最小，本次采用繩索式半合管取心工具取心，并且要求從割心到提出井口時間每百米小于2 min，煤心從出井口到裝罐完成不超過10 min。

(2)取心作業前必須保證起下鉆暢通無阻，井眼干凈，井下正常無落物無掉塊。鉆井液性能良好穩定，確保巖屑能夠及時排除。

(3)鉆具入井前須逐根通徑，以保證內管順利出入井。對組裝好的取心工具外管在井口用大鉗逐一緊扣，放入內管檢查裝配間隙是否合適。

(4)取心工具下至距井底2～3 m位置開始循環洗井。嚴格控制鉆具下放速度，以防止水眼堵塞。中途遇阻以沖為主轉動為輔，少劃眼或不劃眼，嚴重遇阻時應改換牙輪鉆頭劃眼、通井，直至井眼暢通。

(5)投放內管時必須保證井筒內鉆井液面保持一定的高度，如果液面太低，可用繩索下放，到位后利用脫卡裝置將其脫開。

(6)取心鉆進時應均勻送鉆，鉆壓增加要緩慢，嚴防頓鉆、溜鉆、點剎送鉆，嚴禁中途停泵提鉆、調整鉆井液性能，保證取心成功。

(7)鉆至預定進尺后，停轉盤停泵，低速上提鉆具0．5 m以上，實現割心。上提鉆具應一次連續完成;割心時不許磨心，鉆壓也不需回落。

(8)將打撈器用鋼絲繩從鉆具水眼均勻送入，下至內管頂以上50 m左右適當加速下放，以保證打撈器卡住內管打撈頭。上提內管開始應緩慢，待內管完全進入鉆桿后，可逐漸提速。如果上提遇阻，可反復上提下放活動。若解阻無效，不得強拉硬拽，應下放到原位，從井口投入脫卡管，將內管留在鉆具內，提出打撈器，起鉆處理。

3．6 井控技術措施

(1)選用密度、粘度合理的鉆井液。在進入煤層前，調整好鉆井液性能，盡可能采用粘度較低的鉆井液，以降低起下鉆過程中的抽吸力。

(2)需要加重鉆井沖洗液時，應控制好鉆井沖洗液加重速度，防止因加重速度過快而壓漏地層。下鉆到底后控制好泵壓，防止憋漏地層。鉆遇煤層段要放慢鉆速，發現鉆井異常立即停鉆，上提鉆具，用小排量循環;煤層取心時，采用低鉆壓、低鉆速和低泵壓作業。

(3)井場必須儲備高密度的鉆井材料，發生井噴征兆時，立即采用邊循環邊加重壓井法施工。

(4)如果發生溢流而未井噴，可以一邊循環一邊加重鉆井液，一邊除氣。鉆井液加重速度根據煤層氣活躍程度而定，每循環一周，鉆井液密度至少要提高 0．05 ～0．10 g/cm3以上。

3．7 鉆井施工效果評價

通過以上技術措施的實施，爾林兔勘查區煤層氣參數井鉆井施工取得了較好的效果。整個施工期間井控、安全無事故，三口參數井最大井斜角為2.1°，最大水平位移12．5 m，巖層段井徑擴大率為13%，煤層井段井徑擴大率23%，滿足后期目的煤層各項試驗工作的要求;煤心外徑68 mm，取心采取率均在97%以上，平均提升速度為每百米1．79 min，均達到了設計要求;采用的低密度鉆井液確保了煤層不污染，煤心結構、產狀、夾矸清晰，利于各項煤心參數的獲取。這充分說明了本次鉆井施工設計合理，各項技術措施行之有效。

4 結語

(1)煤層氣參數井的施工對井斜要求相當嚴格，在本次鉆井施工中發現，PDC鉆頭對控制井斜起到了較好的效果，因此建議在煤層氣鉆井施工中盡可能多使用PDC鉆頭，在不降低鉆井速度的前提下提高井身質量。

(2)繩索取心技術具有采取率高、出心速度快、煤心質量和原始狀態保持好、氣體散失少、取心費用低等特點，目前被廣泛應用在煤層氣參數井施工中。但在實際工作中，應根據實際情況，加強對實鉆地層巖性的識別和分析，并據此對取心工藝參數進行合理優化和調整，保證取心采取率。

(3)煤層氣參數井鉆井施工是一項綜合性的工程。為了達到設計要求與較高的鉆井質量，不僅要認真研究施工區的地質構造、含煤層系的巖性組合等特征，同時要結合相關設備儀器的工作原理及性能，制定出本區合理高效的鉆探技術工藝。在技術上做好充分的準備，才能產生更好的經濟效益和社會效益。