贵州岩溶地区煤层气钻井关键技术

谢国毅， 刘 虎，2， 毛志新

(1.贵州天然气能源投资股份有限公司，贵州 贵阳 550000; 2.六盘水能源投资开发有限公司，贵州 六盘水 553000; 3.山东科瑞油田服务集团股份有限公司，山东 东营 257000)

0 引言

贵州省煤层气资源十分丰富，同样评价标准下的煤层气资源量位列全国各省区第二[1]。近年来，贵州天然气能源投资股份有限公司、贵州省煤田地质局和中石化华东局等单位在贵州各煤层气区块开展了大量的勘探和开发工作。前期部署的煤层气井井深大多在1200 m以浅，井型以直井和定向井为主，设计普遍采用二开井身结构，一开采用Ø311.1 mm的钻头，下入Ø244.5 mm的表层套管；二开采用Ø215.9 mm钻头，下入Ø139.7 mm的生产套管。贵州地区存在着岩溶地貌发育，地层倾角较大，出露灰岩、砾岩和白云岩，地层可钻性差以及煤层多而薄等地质特征，给钻井造成很大挑战。为了推动贵州煤层气勘探开发进程，有必要针对贵州地区地质特征，研究提高贵州煤层气钻井速度和质量的关键技术。

1 地层特征及钻井难点

1.1 岩溶地貌发育典型，存在井漏和井口失返现象

贵州地区碳酸盐岩层分布广泛，岩溶和裂隙发育。虽然在井位部署时采用了一些地球物理探测方法来避开溶洞，但是实际施工过程中还是经常遇见溶洞，造成井漏或井口失返，给钻井施工造成很大困难，甚至有些井眼因此而报废，例如大101井由于钻遇溶洞和地下暗河，在钻进至285 m后弃井。

1.2 地层倾角较大，可钻性差，机械钻速低

地质资料显示，与山西沁水盆地和内蒙古鄂尔多斯盆地相比，贵州岩溶地区的地层倾角较大，在钻井过程中井斜容易超标。贵州地区常见的出露地层有寒武系、奥陶系、石灰系、二叠系、三叠系、侏罗系和第四系，灰岩、砾岩和白云岩发育，地层砂岩和泥岩互层，可钻性较差。在勘探开发前期由于没有进行钻头选型和钻具组合优选，造成钻头与地层不匹配，机械钻速低。贵州地区大203井、比1井、纳2井和钟1井的平均机械钻速分别只有3.92、2.26、3.52和5.17 m/h。

1.3 煤层多而薄，机械强度低，岩心采取率低

贵州地区煤层多而薄，例如水城县比德区块含煤27～54层，一般35层，其中可采煤层12层。煤层性脆、机械强度低，易垮塌掉块，造成岩心采取率难以保证。取心过程中经常出现砂泥岩和煤层互层，钻速忽快忽慢，变化频繁，造成取心时钻压难以控制，容易扰动煤心，影响岩心采取率。

2 一开空气钻井技术

贵州地区煤层气直井和定向井一开一般采用Ø311.1 mm的钻头，由于上部地层岩溶和裂隙发育,用常规泥浆钻进存在机械钻速低以及井漏或井口失返的现象，例如大203井和比1井一开机械钻速只有0.72和0.83 m/h。大部分井在一开钻进过程中均存在不同程度的漏失现象。

依据贵州地区地质特征，一开钻进推荐使用空气钻井技术，一方面可以提高机械钻速，缩短钻井周期，另一方面可以避免因钻遇溶洞引起的井漏等复杂情况。空气钻井一般使用潜孔锤，采用冲击和回转的钻进方式，破碎岩石所需要的钻压小，满足一开钻进过程中防斜的钻井要求[3-6]。钻进过程中为了保证井身质量，使用塔式钻具组合，严格控制钻压，采用轻压吊打的方式进行钻进。如果在钻进过程中遇到水层，可以采用雾化或泡沫钻进措施。通过六盘水牛场地区3个井台的现场试验，采用空气钻井技术，一开机械钻速可以达到12.69 m/h。现场使用的钻具组合和钻进参数如下所示：

钻具组合：Ø311.1 mm空气潜孔锤+Ø177.8 mm钻铤+Ø159 mm钻铤+Ø127 mm钻杆。

钻进参数：钻压10～20 kN;转数10～30 r/min;气体排量30 m3/min;气压0.1～0.5 MPa。

3 二开快速钻井技术

3.1 钻头优选

钻井实践表明，钻头的合理使用对提高钻进速度、降低钻井成本起着重要作用。贵州地区地层灰岩、砾岩和白云岩发育，砂泥岩互层，可钻性较差。通过牙轮钻头和PDC钻头性能对比(如表1所示)，PDC钻头具有明显优于牙轮钻头的钻进效果，而且使用螺杆动力钻具，充分发挥螺杆转速高的优点，可以取得较高机械钻速，所以贵州地区煤层气钻井优先选用PDC钻头。

表1 牙轮钻头和PDC钻头性能对比

通过大201井台大201-2X2、大201-2-X4和大201-4-X2、大201-4-X4井4口井的试验研究，结合贵州地区不同的地层特点，优选刀翼数量为5、切削齿大小为16 mm的PDC钻头，取得了很好的机械钻速(如表2所示)。

表2 大201井台钻井数据统计

3.2 钻具组合优化

贵州地区地层倾角较大，地层较硬，为了能够提高钻井速度，防斜打快，同时保证井身质量可靠且使用寿命更长，复合钻井技术得到了广泛的应用[7-8]。复合钻进技术具有如下优点：

(1)高效PDC钻头对付某些地层的优势明显大于牙轮钻头；

(2)螺杆钻具的质量不断提高，寿命大大加长，所以和PDC钻头匹配，可充分发挥PDC钻头的效能；

(3)在直井中可以随时纠斜，在定向井中可以实时控制轨迹，保证井身质量，提高钻进效率。

贵州地区煤层气钻井以丛式井为主，优化的复合钻进钻具组合如下：

Ø215.9 mm PDC钻头+Ø172 mm螺杆钻具+Ø165 mm定向接头+Ø165 mm无磁钻铤+Ø159 mm钻铤+Ø127 mm钻杆+方钻杆。

或Ø215.9 mm PDC钻头+Ø172 mm螺杆钻具+Ø165 mm定向接头+Ø165 mm无磁钻铤+Ø127 mm加重钻杆+Ø127 mm钻杆+方钻杆。

3.3 施工工艺

(1)总结区块钻井时方位漂移规律，充分考虑地层造斜力的影响，并在实钻轨迹控制时予以考虑，如造斜力与靶方位相同，定向时减小井斜角，反之则定向时增大井斜角。

(2)定向钻进时，每个单根测量并记录井斜和方位数据一次，分析定向规律，发现全角变化率有超标迹象，及时调整定向井段的长度，应采用每根定向+复合钻进的钻进模式。

(3)稳斜段钻进每3个单根测单点一次，及时跟踪井眼轨迹，发现偏离轨迹迹象，及时采取措施进行调整。进行扭方位或增降斜作业时，要注意控制定向的长度，以免造成局部“狗腿”度超标，保证井眼光滑。

(4)稳斜段中靶前应调整好轨迹，确保顺利中靶。在保证中靶的前提下，减少下部定向的次数。

4 绳索取心钻进技术的应用

为获取准确的煤层参数,要求煤层气井取心出心速度快，以减少煤心甲烷气体的散失，钻井规范明确要求必须采用绳索取心钻进工艺[9-10]。贵州地区煤层多而薄，取心段砂泥岩和煤层互层，因此取心钻头一般选用PDC钻头。根据多年施工经验并结合贵州地区地层特点，提出了一套适合贵州地区煤层气井的绳索取心钻进技术。

4.1 选择合适的取心工具

绳索取心钻具组合：Ø215.9 mm绳索取心钻头+Ø177.8 mm绳索取心钻具+Ø127 mm钻杆+133 mm方钻杆。

因贵州地区煤层松软，而煤层顶底板为泥岩或砂岩，且煤层中夹部分黄铁矿层，当取心钻头与岩性不匹配时，会导致绳索取心进尺缓慢，还会导致取心采取率不高。因此选用与地层岩性相匹配的取心钻头，既有利于提高岩心采取率，也减少了起下钻、换钻头的时间，提高了机械钻速。通过对比研究，推荐采用阶梯式绳索取心PDC钻头。为了减少钻进过程中对岩心和煤心的扰动，选择带有单动机构和减震机构的绳索取心工具。在取煤心时易选用卡爪型的卡簧，在割取岩煤心时，爪和卡簧同时保住岩煤心，保障煤心采取率。

4.2 调整好泥浆性能

4.2.1 保持一定的泥浆粘度

为了克服煤岩的易破碎、抗冲蚀、树心难的特点，取煤心时就对泥浆粘度提出了严格的要求。若泥浆粘度太低，则会增加泥浆对煤心的冲蚀作用，同时影响树心，最终导致煤岩被水冲掉的危险，因此在取煤心时要求泥浆有一定的粘度，一般控制在40～45 s。

4.2.2 严格控制固相含量

在取心过程中要严格控制泥浆中的固相含量。绳索取心钻具主要由取心钻头、取心内筒、取心外筒组成，其中由于内外筒之间的间隙较小，若泥浆中的固相含量过高，尤其是含有大量的岩屑时会堵塞内外筒之间的间隙，造成上提取心内筒时内外筒之间会产生很大的摩擦力，阻碍了取心内筒的顺利上提。

4.3 控制好钻进参数

在取心钻进中，若钻压跟不上，则会导致岩心树心困难，岩心不能及时进入内筒，延长了钻头对岩心的研磨时间，影响取心效果，最终可能造成岩心磨损严重而变细，取心爪不能卡住岩心而使岩心丢失，这对煤心采取率的影响甚为严重。一般要求取心时应尽量保持低转速不变。由于煤岩胶结差，脆而软，易破碎，容易被泥浆冲掉，因此在取心过程中泵量不能太大。在取心过程中，一般要求泵量应尽可能的小。根据多年的绳索取心钻进经验，钻压控制在20～30 kN、转速40～50 r/min、泵量一般8～12 L/s。

为了试验研究的绳索取心钻进技术的应用效果，在大204井进行了现场试验。大204井是贵州天然气能源投资股份有限公司的一口井型为直井的评价井，位于贵州省毕节市大方县羊场镇羊场村，设计井深975.00 m，设计完钻层位为二叠系中统茅口组。本井共取心56筒，总进尺51.6 m，总心长49.29 m，平均采取率95.5%，其中煤层进尺5.18 m，煤心长4.93 m，煤心采取率95.2%。

5 应用实例

牛1-7-X2井和牛1-6-1井分别是贵州天然气能源投资股份有限公司部署在六盘水比德三塘向斜的2口开发井，设计井型均为定向井，牛1-7-X2井和牛1-6-1井的设计井深分别为802 m和840 m，钻遇地层自上而下分别是第四系下三叠统永宁镇组、飞仙关组和上二叠统长兴组、龙潭组、玄武岩组，完钻原则为钻至6号煤层以下60 m，采用二开井身结构，2口井一开钻进过程中均钻遇溶洞。

牛1-7-X2井使用本文研究的一开空气钻井技术和二开快速钻井技术。一开采用空气钻进方式，塔式钻具组合，二开采用优选的5刀翼PDC钻头，复合钻进方式，取得了很好的钻进效果，该井的钻具组合如下。

一开钻具组合为：Ø311.1 mm空气潜孔锤+Ø178 mm钻铤+Ø127 mm钻杆+方钻杆。

二开钻具组合为：Ø215.9 mm PDC钻头+Ø172 mm螺杆+Ø165 mm定向接头+Ø159 mm无磁钻铤+Ø159 mm钻铤+Ø127 mm钻杆+方钻杆。

实践表明，一开采用空气钻进，较牛1-6-1井机械钻速提高了60%，缩短一开周期58.7%；通过二开快速钻井技术，全井平均机械钻速达到18.28 m/h，较牛1-6-1井提高了53.35%，完钻周期6 d，较牛1-6-1井缩短了62.5%。通过优化，二开可以采取PDC钻头+螺杆钻具复合钻具“一趟钻”的方式完成钻进，既减少了起下钻次数，缩短了钻井周期，又有效地防止了频繁起下钻对井壁松软地层的扰动，降低了煤层段垮塌的风险，提高了井身质量，为后续固井、射孔、压裂作业提供了好的条件。

6 结语

(1)贵州岩溶地区一开钻进适合采用空气钻井技术，可以解决钻遇上部岩溶和裂隙发育地层的井漏和失返问题，提高钻井效率并保证钻井质量。

(2)贵州岩溶地区二开快速钻进推荐使用PDC钻头+螺杆钻具的复合钻进技术，可以提高机械钻速，降低钻井成本。

(3)贵州地区煤层多而薄，取心段砂泥岩和煤层互层，因此取心钻头一般选用阶梯式超前PDC钻头，绳索取心钻进参数宜选用小钻压、低转速和低排量，以保证岩心采取率。

(4)为了进一步降低贵州岩溶地区的钻井成本，建议进行井身结构优化设计，考虑采用二开下入Ø127 mm生产套管的井身结构，并从钻井、压裂和排采等方面分别论证其可行性。

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