动力头钻机在煤层气钻井工程中的应用

摘要：新疆的煤层气地面钻井抽采项目大都是非油气行业单位承建，这些企事业单位存在设备严重落后老化、配套不全等问题，无法满足煤层气钻井施工对钻井效率、井深、复杂地层钻进、处理复杂能力、定向钻井的要求，需要进行改进。文章对动力头钻机在煤层气钻井工程中的应用进行了探讨。

关键词：钻井设备；钻井事故；空气潜孔垂钻井；EMWD无线随钻；动力头钻机 文献标识码：A

中图分类号：TD421 文章编号：1009-2374（2016）19-0152-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.073

我队以往在新疆各地施工的8口煤层气井使用的均是水源SPS2000M钻机，这台设备搬迁安装费时长、设备能力差、老化等严重影响钻井效率，水源钻机已经无法满足提高钻井工程效率的要求。2014年国家矿山救援中心给156队分拨了一套矿山救援钻机（ZMK5530TZJ60型矿山特种钻机），钻机属于车载动力头钻机，156队成立了救援钻井队（106钻井队），经过培训及锻炼，此动力头钻机在新疆阜康白杨河矿区煤层气开发利用先导性示范工程中共钻井施工5口，其中2口煤层气定向井、1口储层空气动力改造井、1口参数井+生产井、1口水井，通过施工大幅提高了156队煤层气钻井施工的能力和技术，培养了一支合格的煤层气施工队伍。

1 设备简介

ZMK5530TZJ60型矿山特种钻机车是由中煤科工集团西安研究院生产的针对地面矿山应急救援孔和地面煤层气抽采孔的施工需要研制的一款专用钻机，适用于500m（Φ711mm）以内直孔段的快速成孔和1500m以内的煤层气抽采定向钻井的施工，具有主轴制动功能，能够施工多分支煤层气抽采孔。

ZMK5530TZJ60型矿山特种钻机主要由主机、控制台总成、泵站、车体等组成。

2 设备参数及优点

钻机型号的含义如图2所示：

2.1 主要技术参数

主要技术参数如表1至表4所示：

2.2 设备施工优点

ZMK5530TZJ60型矿山特种钻机属于车载动力头钻机，并配有空压机一台、QF-500泥浆泵一台，由于此钻机属于救援钻机，其越野性能好，搬迁、安装周期短；由于配有空压机及空气潜孔锤，所以一开采用以空气为循环介质的冲击回转钻进，一开开钻、完钻快；设备安装调试完毕可立即开钻，当天开钻当天完钻当天固井。钻机可操性强，全液压控制，钻压稳定。

3 施工作业区块地层情况

施工地点位于新疆阜康白杨河矿区黄山-二工河倒转向斜北翼，为一南倾单斜构造，走向近东西，地层倾角为45°～53°，岩性主要由泥岩、粉砂岩、细砂岩、砂砾岩、薄煤线和煤层组成，个别井场第四纪覆盖层为砾石层，砾石为黏土与细沙胶结，部分层段有漏失现象。

区内含煤地层中的39、40、41、42、43和44号煤层因自然严重，形成了一条近东西向的烧变岩带。火烧后的煤层呈灰褐色、黑褐色松散或胶结在一起的渣状物，其含水和透水性很强，煤层火烧影响强烈的围岩，呈红、褐、黑褐色熔融状物质，具有致密坚硬、气孔发育之特征。由于受烘烤后岩石（层）受重力作用，裂隙较为发育，有较强的透水性及储水性。根据前期钻探验证和磁法勘探的结果，区内煤层自然形成的烧变岩深度大部地段在垂深250～500m。由于以上特殊的地层情况，在施工过程中极易造成钻孔弯曲、坍塌、涌水等事故，给成孔带来较大困难。

4 钻井施工实例

2014年4月，156队组织人员参加关于设备和工艺的厂家培训；ZMK5530TZJ60型钻机施工前期由厂家现场指导工人操作钻机设备，在示范工程的整个施工过程厂家全程驻井服务，共施工5口井。

4.1 第一口定向井的施工

本设备接到的第一个任务为丛式井台两口井的钻井施工，分别为FS-44、FS-45井，其中FS-45井为一口直井、FS-44井为一口定向井。

FS-45井一开试验使用空气潜孔锤开孔，井口坍塌严重，放弃空气钻进，一开改用泥浆钻进，顺利完钻，一开井深35m，下入244.5mm套管34.7m。二开开钻已进入基岩20～30m，地层稳定，试验空气钻进，使用空气潜孔垂钻进到150m后进入含水地层，不再适用空气钻进，井壁不稳定，屑岩效果差，井口喷出大量地层水，改用常规泥浆钻进。在钻进过程因井壁掉块严重使用水泥封孔，加固井壁，后透孔作业。钻穿涌水层后，使用MWD随钻测斜钻进。在钻进300m后由于定向短节与螺杆连接处扣损坏导致工具角差错误，测斜工具面错误，致使降斜失误，井斜超标严重，井底井斜有5°，设计要求1°。报项目部，经研究决定填井侧钻，将FS-45井改为同井台的FS-44井定向井。按照施工措施，用水泥封固至表套，透孔至65m处进行侧钻作业，侧钻成功。全井段进行定向施工。完钻井深684.86m。井身结构示意图见图4：

4.2 空气动力井施工

FKQ-1井为空气动力井，钻井目的为储层空气动力改造提供高质量的井眼。设计钻井工程为三开，一开表套244.5mm钢级J55壁厚8.94mm，二开技术套管177.8mm钢级N80壁厚8.05mm。三开钻头152.4mm，钻开浮箍与浮鞋之间的水泥塞不下套管。

表层为卵石层2～21.62m，一开表套45.4m。Φ311.1mm牙轮钻至17m处不进尺，换Φ215.9mm牙轮钻穿卵石层，换Φ311.1牙轮钻头扩孔，扩至18.27m处动力头损坏，更换动力头后用Φ311.1mm空气潜孔锤钻至45.4m完钻。0～21.62m卵石层井段，纯钻时间25小时30分钟，机械钻速0.85m/h；21.62～45.4m非卵石层井段纯钻时间3小时50分钟，机械钻速6.21m/h；一开合计纯钻时间26小时20分钟，机械钻速1.72m/h，一开生产时间34小时，非生产时间566小时（停待、维修设备），非生产时间占比94.3%。

施工难点：卵石层进尺慢，砾石坚硬且胶结差，钻进过程震动大，憋车，对动力头损伤大。三开钻进需更换钻具及钻头，钻水泥塞困难，浮箍浮鞋处易脱扣，建议以后施工将浮箍浮鞋及之间的套管改为反扣。

4.3 水井钻井施工

水-1井完钻井深290.13m，使用空气潜孔锤钻进，Φ346mm钻头，钻至70m处由于地层裂隙发育供气量达不到排渣要求，改用螺杆钻进；在没有参考经验的情况下，使用Φ165mm螺杆+Φ315.9mm牙轮钻头施工，钻达设计井深后使用Φ165mm螺杆+Φ394mm牙轮钻头扩孔完钻，并使用空气反循环进行高效洗井作业，省去了拉水洗井的成本，效率高、成井快。

4.4 参数井施工及直井纠斜的必要性

FS-58井为参数井+生产井，完钻井深771m，一开使用空气钻进，机械钻速10.36m/h；二开572.77～714.70m取芯钻进，机械钻速1.25m/h，全面钻进井段机械钻速12.42m/h。

取芯钻具组合为：Φ215mmPDC取芯钻头+Φ127mm取芯钻具+Φ127mm钻杆。

非取芯井段使用EMWD全井段实时测斜纠斜，井斜保证在1°之内，取芯井段因无法下入随钻仪器，因此在大倾角地层很难保证井斜，572～714m井斜由1°增加到14°。因此在本区块直井必须使用定向手段主动降斜，被动降斜工艺在本区块达不到降斜效果。

ZMK5530TZJ60型矿山特种钻机钻井累计有效进尺2466.12m，2014年该钻机已经在几种类型的钻孔中进行了试验施工，施工中和厂家配合对钻机的一些不合理部位进行了改进。对动力头钻机在煤层气复杂地层钻井工艺有了较高的掌握，总结出了本队施工技术，培养了一支煤层气钻井优秀的队伍。

5 设备存在问题

在使用过程中由于各种因素，导致配件损坏影响了钻井周期。在FKQ-1井的施工中，一开卵石层钻进时动力头损坏，厂家给予了无偿更换及安装；副卷扬由原来的2吨吊臂换成了4吨吊臂；由于钻机提升能力只有60吨，所以只施工了800m以内的浅井；下套管速度慢，冬季施工液压油温度低导致动力、扭矩、反应速度降低。

6 结语

通过动力头钻机及配套钻井、定向设备在阜康白杨河矿区煤层气项目中的施工应用，学习和掌握了煤层气钻井、空气钻井、定向钻进、修井作业等方面的技术工艺，培养了一支复合型技术全面的施工队伍。此钻机增强了单位煤层气钻井的设备能力。

参考文献

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[4]刘蒙蒙.定向钻井技术在阜康白杨河矿区煤层气钻井

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作者简介：邓雪峰（1973-），男，新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队工程师，研究方向：煤田地质及煤层气钻探。

（责任编辑：秦逊玉）