山西马平1井组钻井技术探讨

桑军元　张帅　张文斌　孔莹　边美娟　张捧（中国石油渤海钻探第四钻井工程分公司，河北　任丘　062550）

山西马平1井组钻井技术探讨

桑军元张帅张文斌孔莹边美娟张捧（中国石油渤海钻探第四钻井工程分公司，河北任丘062550）

我国煤层气资源丰富，煤层气勘探开发工艺技术的不断创新极大的推动了煤层气产业的快速发展，煤层气水平井钻井技术的应用极大的促进了煤层气的开发，是煤层气开发的主要工艺。马平1井组位于沁水盆地西部安泽斜坡水平试验井组。目的煤层为顶部深度1046.4m、底部深度为1051.6m的二叠系山西组3#煤层和太原组15#煤层，采用D215.9mm钻头，D139.7mm套管套管完井。该区块存在裸眼段长、煤层埋藏深、340m左右水层、下部3#煤以上的泥岩段垮塌、15#煤层夹层多等技术难点。该井组设计800m煤层进尺，实际煤层进尺均超800m，下入D139.7mm套管串顺利，固井质量优良。

煤层气；钻井液；煤层；机械钻速；井壁稳定

马必区块马平1井组在实钻过程中400m有高压水产、3#煤层上部泥岩段易垮塌掉块、煤层煤质松软易破碎等因素造成该区块钻井过程中难度增加。该区块煤层埋深1020-1150m（垂深），钻井过程中对上直段钻具组合和新工具工艺、定向仪器、泥浆等进行试验选型，最终确定钻井工艺，使得钻井速度提升，保证了井下安全。主要对上直段使用扭冲工具、由电磁波仪器改为脉冲伽马仪器、更换绒囊钻井液体系为聚合物钻井液体系等技术改进，确保了施工顺利。马平1-3-6井是临汾地区第一口完成的二开L型水平井、煤层进尺超800m的一口井，随后同井型马平1-3-8井顺利完成煤层进尺800m完井，马平1-15-8为本区块首口钻探15#煤层的二开L型多分支水平井，并取得了成功。本区块为国家十三五重大规划中列为重要区块。

临汾马必区块L型水平井主要针对3#煤层和15#煤层钻探，二开和三开井身结构钻速、钻井难度对比分析技术难点，钻井液使用分析等，根据现场情况进行讨论分析。

1　马必区块地质简况

山西马必东区块主体为山地丘陵，沟谷发育，切割较深，地面海拔750～1450m。井组位于山西省临汾市安泽县马必乡东里村。马必东区块位于沁水盆地南部，北部与沁南区块接壤，南部与郑庄区块相邻，西部紧靠马必合作区块，东部为中联柿庄区块，面积约403km2，石炭-二叠系为富煤层位。

3#煤厚度相对稳定，一般在5.00～7.55m之间，平均厚度6.15m，为单一煤层；马平1-3-7井区呈向斜形态，3#煤埋深西部浅，15#煤局部区域厚度变化较大，一般在3.50～8.40m，埋深比3#煤层深90～110m左右。根据已完钻煤层气井预测该井区15#煤厚度约6米左右沁水煤气田主体部位山西省临汾市安泽县马必乡东里村，构造处于沁水盆地西部安泽斜坡翼部。

2　现场应用

2.1工程、泥浆方面

2.1.1马平1-3-8井采用Φ311.15mm钻头进行一开。钻具结构：311.2mmPDC+254mm扭力冲击器+631×410+托盘+411× 4A10+165mm无磁钻铤×1根+165mm螺旋钻铤×8根+4A11× 410+127mm加重钻杆×21根+127mm钻杆。确保井下安全及确保表层套管下入顺利，表层钻进采用轻压吊打，低排量、控制钻压确保一开领眼打直和防止井壁严重垮塌，并注意防漏失。钻进至406.00m，按设计一开完钻。扭力冲击器工作原理：在井下，PDC钻头运动是极其无序的，包括横向、纵向和扭向的振动及这几种振动的组合。扭力冲击器配合PDC钻头一起使用，其破岩机理是以冲击破碎为主，并加以旋转剪切岩层，主要作用是在保证井身质量的同时提高机械钻速。扭力冲击器消除了井下钻头运动时可能出现的一种或多种振动的现象，使整个管柱的扭矩保持稳定和平衡，巧妙地将泥浆流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头，使钻头和井底始终保持连续性。由扭力冲击器提供的额外的扭向冲击力完全改变了PDC钻头的运转，其每分钟750～1500次高频稳定的冲击力，相当于每分钟750～1500次切削地层，这就使钻头不需要等待扭力积蓄足够的能量就可以切削地层。这时候PDC钻头上有两个力在切削地层，一个是转盘提供的扭力，一个是扭力冲击器提供的力，并直接给到钻头本身。这时候钻杆的扭矩基本是稳定的，钻杆传达的扭矩可以完全切削地层，而不会浪费。扭力冲击器扭力发生器由于是从扭向上产生的稳定均匀的高频冲击，所以适合于PDC钻头。产生的振动或冲击不会对PDC钻头复合片产生损坏，反而会延长PDC钻头寿命，同时也减弱其他钻具的疲劳强度，延长其他钻具的寿命。使用扭冲工具上直段提速效果明显，解决了上部井段机速慢的问题。扭冲工具适合山西上部石千峰、石盒子较硬地层，沁水区块直井段400～500m，直井段短；马平1井组直井段600-700m，相对直井段较长，更适合扭冲工具的使用。

二开：针对该区块的难点，上部400m存在水层，3#煤层上部泥岩段易垮塌掉块，煤层段长等。马平1-3-6和马平1-3-8井使用聚合物钻井液体系能够抑制上部泥岩段垮塌并保证煤层钻进，从使用2口井看，能够满足安全钻进要求。纵向来看，本井在山西组、太原组共发现12层煤，其中15号煤发育较稳定，厚度较大，在5～6m左右。横向上，经与邻井马5-3井进行地层对比，以及本井实钻情况分析，15号煤沉积较稳定，分布广泛，但是有夹层。

如何抑制煤层上部泥岩段及煤层垮塌问题，主要是通过调整泥浆性能。具体如下进入水平段前将泥浆性能调整为密度1.18g/cm3、粘度50s。钻进过程中加入NH4-NAPN-2、SN树脂控制失水和流动性，井壁稳定剂维持井壁稳定和防垮，消泡剂及时清除循环罐内的煤层气泡，加入低浊点聚合醇这样能巩固井壁又能钻进时减小摩阻防止钻压加不上产生托压现象又能带出一部分煤粉。pH值达不到要求时，加入适量NaOH调节。发现气侵并观测到钻井液密度短时间内变化较大，加入煤层保护剂处理，处理后的钻井液返回泥浆罐，通过搅拌器搅拌或泥浆泵剪切，煤层气钻井液即能恢复性能。有时含气量大，适当提高密度，因泥浆中含气较多加重泵工作不良，用加清水配浆（膨润土、重晶石、NaOH、NH4-NAPN-2、SN树脂）的方法配浆12m3，

使性能维持在密度1.15g/cm3、粘度55s左右。完井阶段进尺打完后充分循环并加入消泡剂及时清除井内返上来的气泡，待井内的泥浆性能稳定后（密度1.18～1.20g/cm3、粘度50～52s），加入井壁稳定剂、SN树脂、低浊点聚合醇防止井内煤层垮塌、起下钻和下套管的顺畅。

原因分析：

（1）进入煤层，煤层顶底板及煤岩中泥页岩吸水膨胀，易产生掉块、坍塌。

（2）长裸眼钻进，可能会产生漏失，导致泵压减小、环空返速下降，沉积岩屑床。

（3）为满足长裸眼井段携岩要求，需要钻井液保持较大的粘度和切力，容易导致起下钻产生激动压力，易使井壁失稳。

（4）经研究该区块煤质脆弱，长裸眼快速钻进时，产生的钻屑太细，现有固控设备无法有效的清除钻井液中的有害固相，导致摩阻增大、卡钻、机械钻速降低等。

（5）快速钻进时井筒内产生后效气体过多，影响钻井液性能，造成泵压减小。

另在马平1-3-6井使用脉冲方向伽马过程中出现仪器无信号的情况频繁发生，改用脉冲仪器带伽马仪器解决的施工难题，节约了施工周期。

表1　沁水区块及马平区块使用扭冲对比情况统计

3　技术解决方案

结合本区块易漏失、坍塌掉块、煤层埋深、（1）按照工程设计编写钻井液设计，要求使钻井液保持合理的粘度和切力，及时清除井下的掉块，清除岩屑床。钻完一定进尺（150M左右）短起下钻一次，配合大排量钻进，确保及时将岩屑带出，有力于因煤层导向使井眼不规则而形成的砂床的破坏。

（2）观察岩屑返出情况，发现掉块，及时分析原因并采取相应的处理措施，保证钻井液具有良好的抑制性能，稳定井壁。

（3）合理使用固控设备，备用件齐全，保证固控设备的正常运转，最大量的清除钻井液中固相颗粒，最大程度的降低卡钻风险和对煤层的污染，提高机械转速。

（5）及时合理的调整钻井液性能，稳定煤层气气侵钻井液所产生的气泡。

表2　几口井对比情况

马平区块施工中针对上部水层、下部泥岩段垮塌问题通过使用下套管封隔水层和更换聚合物钻井液体系的方式有效解决了泥岩段及煤层段垮塌难题。仪器方面有电磁波方向伽马仪器更改为脉冲伽马仪器暂时解决了施工问题，但在施工中该仪器存在信号盲区距离长（12m左右），导向人员在判断地层方面难度较大，希望能够改进仪器为近钻头脉冲方向伽马仪器。特别针对马平1-15-8井多分支15#煤层的钻进尤为关键，该井是区块第一口钻探15#煤层多分支取得成功的井。通过对马平1井组的钻探，为该区块安全钻井奠定了基础。

［1］董建辉.煤层气多分支井水平井钻井技术在樊庄区块的应用.煤田地质与勘探，2008.

［2］郑力会，曹园.含绒囊结构的新型低密度钻井液.石油学报，2010.

［3］林元华等.水力加压器研制及应用［J］.天然气工业，2003，23（3）.