柳林石西區塊煤層氣造穴井施工工藝

劉彥鋒，張俊虎

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048204)

柳林石西區塊位于呂梁山脈中段之西部，西臨黃河。區內山高谷深、地形復雜。區塊的地勢總體為東高西低，屬侵蝕較為強烈的梁峁狀黃土地貌。基巖地層僅出露于溝谷地帶，山頂、山梁大面積為黃土覆蓋，植被較發育，多為經濟林——棗樹林。

區塊內主采煤層為山西組(3+4)號和本溪組(8+9)號煤，區塊整體呈向南西傾向的單斜構造，由東向西煤層埋深逐漸增加，埋深整體介于1 200～1 700 m之間，東部總體淺于1 500 m，西部總體深于1 500 m。煤層埋深大，加之地形地貌復雜，在此區域施工煤層氣直井不僅成本高且難度大。該區塊是2017年山西省首批公開出讓的十個煤層氣勘探區塊之一，勘探資料較少，煤層氣開發尚屬空白，目前無可供借鑒的經驗。因此，尋找一種適宜該區的鉆井工藝技術成為石西區塊高效勘探開發煤層氣的關鍵。

目前，煤層氣開發井型繁多，有垂直井、叢式井、水平井、U型對接井等多種井型，隨著技術的成熟，煤層氣井的產能也得到了大幅度的提升。“U型對接井”以其“直井開采穩定、成本較低和水平井控制面積大、生產速度快”[1]的優勢逐漸受到鉆井專家及學者的青睞，而水平井與直井成功對接是該技術工藝的核心。本文針對石西區塊基礎地質特征，優化設計了一套適用于該區的煤層氣井造穴工藝及鉆井參數，并在探6井中得到應用，實現了水平井與造穴井成功對接，為該區煤層氣井勘探提供了技術支撐。

1 煤層氣井造穴工藝參數優選

煤層氣造穴井就是利用機械的方法在直井的目的煤層段進行擴孔，使目的煤層段形成的洞穴直徑遠遠大于鉆孔直徑。造穴井的施工目的和作用：一是為水平井定向施工時在目的煤層中放置靶點目標儀器；二是完井后作為水平分支井組煤層氣抽排的通道[2]。

1.1 井身結構

造穴井為U型連通井的直井，此次設計采用二開井井身結構，見圖1。

1) 一開采用D311.15 mm鉆頭鉆進，鉆入穩定基巖10 m后，下入D244.5 mm套管，固井水泥返至地面，目的是封住第四系和新生系上部易垮易漏失地層，為二開的安全鉆進創造條件。

2) 二開采用D215.9 mm鉆頭鉆進至煤層頂板上部，下入取芯鉆具進行全煤層段取芯及測試。

3) 下入常規鉆具鉆至目的煤層底板以下30 m，常規測井后，下入D177.8 mm生產套管，目的煤層段為玻璃鋼套管，固井水泥漿返至地面，使用專用工具將煤層段玻璃鋼套管磨銑。

4) 采用特殊造穴工具對煤層段全段造穴，孔穴直徑大于500 mm。

圖1 造穴井井身結構

一開上部地層較松散，施工重點是防塌、防漏、防斜，下部地層相對穩定，整個井段的防斜、防卡工作應引起足夠的重視。采取挖圓井，提前配好坂土漿，充分預水化，采用小排量開泵循環、輕壓吊打的方法，鉆進上部的土層；鉆進下部地層加大循環排量，提高鉆井液粘度防漏，使井底的巖屑能及時返出，防止卡鉆。二開采用D172 mm ×1.25°螺桿復合鉆進，用無線MWD隨鉆監測井斜，保證井眼軌跡符合要求。

1.2 造穴工藝

該設計是在煤層段下入玻璃鋼套管進行造穴，玻璃鋼套管在煤層氣開采中的應用仍然是一項新技術[3-4]。玻璃鋼套管重量輕，懸重變化不明顯；材質脆，本體上遍布孔洞，在接套管聯頂節時，上扣扭矩要求嚴格，既要上緊扣又要保護玻璃鋼管不能損壞；因此，在下入玻璃鋼套管時，避免硬壓硬提，也不能強行轉動。

使用D148 mm 的 PDC掏穴鉆頭鍛銑玻璃鋼套管以及造穴。下鉆前，試驗掏穴鉆頭的性能及參數，得到該鉆具在無外阻力時張開所需的最小泵壓和泵量，打開泥漿泵后，確認刀具伸縮自如，然后開始下鉆。當下鉆至煤層頂板時，先打開泥漿泵，采用低轉速緩慢旋轉，且試著下放鉆具，鉆具能被托住后，加大轉速、鉆壓，鍛銑玻璃鋼套管，鍛銑井段為煤層段，采用清水鍛銑，小鉆壓 2～10 kN，柴油機轉速950 r/min，泵壓4 MPa，排量16 L/s。

套管割破后開始造穴，設計洞穴直徑500 mm，然后電測造穴最大井徑，以判斷是否符合設計要求。

鍛銑玻璃鋼套管和造穴需要注意的問題：①鍛銑刀下井前，必須認真檢查，并開泵試驗，取得打開刀頭的排量與泵壓等正常工作參數，避免下井后鍛銑工具刀翼打不開[5]。②工具下放到掏穴井段后，要先開車慢速回轉并試開泵，泵排量逐漸增大至試驗值。如果扭矩大則減小泵量，這樣可以減小刀體的直徑，使回轉阻力變小。逐步調整好泵量達到刀體最大時，可以給壓鉆進實施銑割作業[6]。③鍛銑結束后，要對鍛銑段進行多次劃眼，清除殘余玻璃鋼，為掏穴打好基礎。④造穴中，為防止對儲層的傷害，鉆井液應使用清水，避免使用泥漿堵塞儲層的割理裂隙。⑤在造穴及洗井過程中，必須及時撈取煤屑，并堆放在一起，以便計算掏穴直徑。洗井結束，將鉆具下到井底硬探人工井底，確定沉渣段長度。

1.3 鉆井參數優選

石西區塊地層有河流相沉積，巖層巖性變化頻繁，軟硬變化快，部分地區存在鵝卵石層，為保證鉆進效率，鉆井過程中提出“三段式”鉆進參數：①上部地層采用高鉆速、中鉆壓鉆進；②進入基巖后需輕壓吊打防斜、糾斜鉆進，此時選擇低鉆壓和較低轉速鉆進；③在鉆開煤層后，為了保持井壁的穩定性，選擇使用了低鉆壓、低轉速、小排量鉆進。

1.4 鉆井液參數優選

由于石西區塊煤層埋深大，為防止井塌、維護井壁穩定，更應嚴格控制煤層氣井鉆井液密度，為此，設計了一種“分級式”鉆井液，即隨著井深增大鉆井液密度呈階梯式增長。

一開井段使用膨潤土鉆井液體系即一級鉆井液，該鉆井液體系具有很強的懸浮攜帶能力和穩定井壁能力。適合一開地層成巖性差、滲透性好、易坍塌的特點，能夠及時攜帶巖屑防止虛厚泥餅的形成。

二開是全井鉆井液工作重點，為保護好煤層，減少對煤層損壞程度，采用聚合物鉆井液體系。上段采用低固相聚合物鉆井液即二級鉆井液，能夠有效抑制并降低對煤層井段的破壞；下段采用聚磺體系鉆井液即三級鉆井液，該鉆井液主要應用于油氣鉆井系統中深井條件下[7]，在煤層氣鉆井中應用較少，其抗高溫抗鹽性能強，鉆井液相關技術參數見表1。

表1 鉆井液技術參數

2 現場施工應用及效果

本設計方案已在石西區塊探6井中得到應用，效果良好，且完成了水平井與之成功對接。

探6井是一口位于柳林石西區塊的煤層氣造穴井，設計井深1 558 m，目的層為石炭系本溪組8號煤層，完鉆原則為進入8號煤層底板30 m后完鉆，采用8號煤洞穴完井，井徑不低于500 mm。實際完井井深1 571 m，目的層和完鉆層位與設計相同。其中，玻璃鋼套管位置在1 534.18～1 543.08 m，造穴井段位置在1 535.5～1 540.5 m。

探6井于2019年5月16日一開鉆進，使用D311.2 mmPDC鉆頭鉆至井深258.08 m，完鉆后下入J55×D244.50 mm×8.94 mm表層套管，固井施工時注入冀東G級水泥20 t，水泥漿密度1.85 g/cm3，水泥返出地面，經48 h固井候凝。5月21日二開使用D215.90 mm PDC鉆頭鉆進至8號煤層底板30 m完鉆，完鉆井深1 571.00 m，并下入外徑177.8 mm、壁厚8.05 mm，鋼級J55生產套管。固井施工時注入冀東G級水泥30.5 t，水泥漿密度最小1.43 g/cm3，水泥漿密度最大1.77 g/cm3，膠塞碰壓壓力10 MPa，水泥返出地面，經48 h固井候凝。

2019年6月12日進行固井質量測聲幅作業，試壓合格，滿足后期排采要求。次日下入89 mm鉆桿和掏穴鉆頭至1 535.5 m，柴油機轉速950 r/min，泥漿泵排量12 L/s，鉆壓2～10 kN小鉆壓造穴，到6月14日至1 540.5 m，上下來回開泵劃眼，采用泡沫洗井至返出清水起鉆，測造穴段井徑合格。

該井鉆井周期11 d 8.5 h，建井周期38 d14 h。全井最大井斜1.9°，位于1 470.00 m；平均井徑擴大率為7.62%；井底閉合位移：25.99 m，閉合方位60°[8]。

3 結 語

通過充分調研及技術分析，石西區塊地形復雜、煤層埋深大，針對該特點設計了一套煤層氣造穴井施工工藝，形成了“二開—造穴—三段—三級式”鉆井技術體系，并在石西區塊探6造穴井中得到應用。該鉆井施工歷時近40 d，也是首次在該區塊鉆井施工中使用掏穴工藝，不僅順利地完成鉆井設計要求，為下一步水平對接井的施工奠定了堅實的基礎，同時也為今后在該區塊施工造穴井提供了寶貴的經驗。