尔林兔勘查区煤层气参数井钻井技术探讨

2019-01-21陈小军李鹏飞

陕西煤炭 2019年1期

陈小军，李鹏飞，惠鹏，张林

(陕西省煤层气开发利用有限公司地质研究院分公司，陕西西安 710065)

0 引言

煤层气是一种以吸附状态赋存于煤层中的非常规天然气。随着世界能源短缺和环境问题的进一步加剧，开发清洁高效的能源对缓解能源供需矛盾、保护人类生存环境以及减少瓦斯对煤矿安全产生的灾害等问题都具有十分重要的意义，其市场前景十分广阔。随着煤气层勘探与开采力度的不断增大，对煤层气钻井技术的要求也越来越高，因此研究煤气层钻探技术对加快煤层气的开发具有十分重要的意义。

煤层气参数井能够获取目的煤层的埋深、厚度、结构、煤岩及煤质特征;含气量、含气饱和度、等温吸附特征;渗透率、储层压力、闭合压力、原地应力等储层参数，为煤层气生产潜能评价、制定后期的钻探与开采计划提供充足的依据。文中以尔林兔勘查区三口煤层气参数井的钻探过程为例，对煤层气参数井的钻井技术进行探讨。

1 地质概况

尔林兔勘查区位于陕北侏罗纪煤田中部的榆神矿区，地层区划属华北地层区鄂尔多斯盆地分区，构造单元处于鄂尔多斯宽缓的东翼—陕北斜坡上，区内地层平缓，为一走向北东倾向北西的单斜，倾角小于1°，地质构造简单。钻井钻遇地层自上而下为:第四系全新统以现代风积沙为主，冲积层次之;上更新统萨拉乌苏组(Q3s)，灰黄、灰褐色亚沙土及粉沙;中更新统离石组(Q2l)，浅棕黄、褐黄色亚粘土及亚沙土，夹粉土质沙层。新近系上新统保德组(N2b)，棕红色粘土及亚粘土，夹有钙质结核层，底部局部可见浅红色砾岩。白垩系下统洛河组(K1l)，紫红色中砂岩，夹杂紫红的粗粒砂岩，紫红色泥岩。侏罗系中统安定组(J2a)，为紫红色、紫杂色砂质泥岩，紫杂色细砂岩，紫红色、灰色中砂岩;直罗组(J2z)，灰绿色泥岩、灰绿色砂质泥岩、灰绿色中砂岩、灰色粗砂岩;延安组(J2y)，为勘查区的含煤地层(主采煤层为 2－2煤、5－2煤)，灰色、灰黑色细砂岩，灰色中砂岩，灰色粗砂岩，灰色、灰黑色砂质泥岩。三叠系上统永坪组(T3y)，灰白、灰绿色粗粒砂岩，灰绿色砂质泥岩(未钻穿)。

尔林兔勘查区分为一、二、三号3个井田，本次在3个井田的先期可采地段分别部署一口煤层气参数井 ZK7-3、ZK15-7、ZK13-4(图 1)，井型均为垂直井。三口煤层气井深618～736 m，目的煤层为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。取心井段从目的煤层顶底板上5 m开始取心，至目的煤层底板下5 m。

2 钻井质量指标、设备及工具

2．1 钻井质量指标

水平位移:井底水平位移≤20 m。

井斜:全井最大井斜≤3°。

测点读值:以测井连续测斜资料为准，测点读值≤25 m，特殊情况要加密，最后一测点距离完钻井底≤10 m。

扩孔率:非煤地层扩孔率≤20%，煤层井段扩孔率≤35%。

岩煤心采取率:岩心采取率≥85%，煤心采取率≥90%，直径＞60 mm。

图1 尔林兔勘查区煤层气参数井部署图

2．2 主要的钻井设备及工具

TSJ-2000型钻机，AT24型钻井架，TBV-850/78型泥浆泵，6130型柴油机，固控设备(振动筛、除砂器)，防喷器，SQC-882型气测仪，柴油机发电机组等。Ф311．15 mm、Ф215．9 mm 牙轮钻头，Ф190 mm、Ф173 mmPDC 取心钻头，Ф127 mm 钻杆，Ф178 mm钻铤，Ф190 mm绳索取心钻具，单点测斜仪，泥浆测试仪，可控变速绞车等。

3 钻井工艺

3．1 井身结构

以ZK13-4井为例，井身结构如图2所示。一开采用Ф311．1 mm钻头钻穿保德组地层，进入洛河组砂岩20 m且一开井深不少于60 m，下入Ф244．5 mm表层套管，采用常规密度水泥封固地表疏松层、黄土层，建立井口;二开采用Ф215．9 mm钻头，钻至5－2煤层底板以下60 m完钻，下入Ф139．7 mm生产套管，水泥固井返高至地表。其它两口参数井与ZK13-4相似。

3．2 钻具组合及其参数

一开井段:Ф311．10 mm 钻头 + Ф178．00 mm 钻铤+Ф127．00 mm钻杆+方钻杆;

二开井段:Ф215．90 mm 钻头 + Ф178．00 mm 钻铤+Ф127．00 mm钻杆+方钻杆;

2－2煤取心:Ф190 mmPDC 取心钻头 + Ф159．00 mm取心筒+Ф127．00 mm钻杆+方钻杆;

5－2煤取心:Ф173 mmPDC 取心钻头 + Ф159．00 mm取心筒+Ф127．00 mm钻杆+方钻杆。

3．3 钻井液的选择

图2 ZK13-4井身结构图

作用与选配原则:钻井液在钻井作业中起着冷却钻头、携带岩屑、保护孔壁、平衡地层压力等作用。但对于煤层气参数井而言，钻井液还必须具备保护煤储层的特性。因此，本次施工钻井液的选配以保护煤储层、稳定井壁为原则，根据钻遇不同的地层段调整钻井液配方，以获得钻孔的高效率和安全性。

煤系上覆地层(非煤系)段:采用优质低固相钻井液，钻井液密度为 1．03～1．08 g/cm3，粘度为18～23 s，pH 值为7．5 ～9．0。

煤系地层段:采用优质无固相钻井液，钻井液密度为1．01 ～1．03 g/cm3，粘度为 15 ～17 s，pH 值为8．0 ～9.0。

目的煤层段:采用优质无固相或清水钻井液钻进，密度应控制在1．03 g/cm3以下。

3．4 防斜技术措施

井斜在钻井过程中是在所难免的，其直接影响着井身质量和钻井效率。井斜过大，不仅易发生卡钻事故，而且还会造成下套管困难、影响固井质量等问题，因此在钻井过程中要采取有效措施严格控制好井斜。

严把设备安装质量:转盘安装必须平，确保天车、转盘及井口在同一铅垂线上，必要时可在适当位置加装扶正器。

开孔操作:开孔应轻压慢转，严控钻进速度保证一开井段的垂直度。

加压:尽量不使用钻杆自重加压，避免增加钻压使钻杆弯曲，造成井斜偏大。

专用加压钻具:采用专门的下部加压钻具(钻铤或加压块)，增大钻具的刚性防斜。偏重的钻铤因为离心力的作用使其重边在旋转时总是贴向井壁，这样就会使下部钻柱具有公转的运动特性，从而消除自转时对井斜的影响。

二开操作:二开开始应轻压慢转，防止偏眼及甩脱表层套管，给下步施工造成困难，当钻铤进入裸井内方可正常参数钻进，加压不得超过钻铤总重的80%。

钻进:全井段采用钟摆钻具钻进，降低钻头横向造斜力的影响。增减钻压要适当，送钻均匀，采用低钻压较高转速，确保井身垂直。

3．5 取心技术措施

(1)为使煤心中气体损失量最小，本次采用绳索式半合管取心工具取心，并且要求从割心到提出井口时间每百米小于2 min，煤心从出井口到装罐完成不超过10 min。

(2)取心作业前必须保证起下钻畅通无阻，井眼干净，井下正常无落物无掉块。钻井液性能良好稳定，确保岩屑能够及时排除。

(3)钻具入井前须逐根通径，以保证内管顺利出入井。对组装好的取心工具外管在井口用大钳逐一紧扣，放入内管检查装配间隙是否合适。

(4)取心工具下至距井底2～3 m位置开始循环洗井。严格控制钻具下放速度，以防止水眼堵塞。中途遇阻以冲为主转动为辅，少划眼或不划眼，严重遇阻时应改换牙轮钻头划眼、通井，直至井眼畅通。

(5)投放内管时必须保证井筒内钻井液面保持一定的高度，如果液面太低，可用绳索下放，到位后利用脱卡装置将其脱开。

(6)取心钻进时应均匀送钻，钻压增加要缓慢，严防顿钻、溜钻、点刹送钻，严禁中途停泵提钻、调整钻井液性能，保证取心成功。

(7)钻至预定进尺后，停转盘停泵，低速上提钻具0．5 m以上，实现割心。上提钻具应一次连续完成;割心时不许磨心，钻压也不需回落。

(8)将打捞器用钢丝绳从钻具水眼均匀送入，下至内管顶以上50 m左右适当加速下放，以保证打捞器卡住内管打捞头。上提内管开始应缓慢，待内管完全进入钻杆后，可逐渐提速。如果上提遇阻，可反复上提下放活动。若解阻无效，不得强拉硬拽，应下放到原位，从井口投入脱卡管，将内管留在钻具内，提出打捞器，起钻处理。

3．6 井控技术措施

(1)选用密度、粘度合理的钻井液。在进入煤层前，调整好钻井液性能，尽可能采用粘度较低的钻井液，以降低起下钻过程中的抽吸力。

(2)需要加重钻井冲洗液时，应控制好钻井冲洗液加重速度，防止因加重速度过快而压漏地层。下钻到底后控制好泵压，防止憋漏地层。钻遇煤层段要放慢钻速，发现钻井异常立即停钻，上提钻具，用小排量循环;煤层取心时，采用低钻压、低钻速和低泵压作业。

(3)井场必须储备高密度的钻井材料，发生井喷征兆时，立即采用边循环边加重压井法施工。

(4)如果发生溢流而未井喷，可以一边循环一边加重钻井液，一边除气。钻井液加重速度根据煤层气活跃程度而定，每循环一周，钻井液密度至少要提高 0．05 ～0．10 g/cm3以上。

3．7 钻井施工效果评价

通过以上技术措施的实施，尔林兔勘查区煤层气参数井钻井施工取得了较好的效果。整个施工期间井控、安全无事故，三口参数井最大井斜角为2.1°，最大水平位移12．5 m，岩层段井径扩大率为13%，煤层井段井径扩大率23%，满足后期目的煤层各项试验工作的要求;煤心外径68 mm，取心采取率均在97%以上，平均提升速度为每百米1．79 min，均达到了设计要求;采用的低密度钻井液确保了煤层不污染，煤心结构、产状、夹矸清晰，利于各项煤心参数的获取。这充分说明了本次钻井施工设计合理，各项技术措施行之有效。