煤层气U型井施工工艺探讨

薛 磊

(西山煤电集团 矿业管理有限公司钻探分公司， 山西 太原 030053)

随着西山矿区开采深度的增加，瓦斯突出危险性急剧增大，给安全生产带来隐患。虽然西山矿区煤矿井下采取大面积预抽瓦斯消突技术，取得了明显效果，但是受煤矿井下时间、空间等条件制约，预抽时间、空间难以保证，导致抽、掘、采衔接关系紧张，制约矿井安全正常生产。经过调查研究：屯兰矿下组8#煤层具有瓦斯含量高、透气性较好、钻孔瓦斯流量衰减较慢等特点。试验采用地面“U”型井施工工艺和瓦斯抽采技术，对矿井规划区或准备区超前实施区域预抽消突,实现瓦斯治理三区联动,缓解矿井抽、掘、采衔接,保证安全生产具有重要意义。通过TL-U-18301井的施工，初步形成适合该地区实施煤层气井的施工成套技术。

1 工程概况

1.1 地质情况

屯兰矿18301工作面位于南三盘区，8#煤岩层总厚为3.23～3.69 m，平均3.49 m，工作面标高615～675 m. 该井钻遇地层依次为第四系、二叠系上石盒子组、下石盒子组、山西组、石炭系太原组，水平段钻遇目的层为8#煤层。经对地表调查走访，区域地表以山地地形为主，切割强烈，沟谷纵横，主要沟谷为肚肚沟。该区大部被黄土覆盖，地表施工有T31和441两个煤田钻孔及1个XSTGK-01号煤层气钻孔。井下水文地质条件复杂，全区带压，奥灰水静水位标高为900 m，工作面底板标高615～675 m，带压2.25～2.85 MPa,突水系数0.032 5～0.038 5 MPa/m，位于相对安全区内。

1.2 工程概况

该U型井由一口“L”型井和一口直井组成。L井采用三段制单弧剖面，钻孔全长1 142.88 m，着陆点在8#煤层，在一开与二开井段分别下入表层套管和技术套管，并用油井水泥进行固井。三开水平段沿8#煤层施工至靶点与直井对接，裸眼完井。直井采用三开钻井结构，钻孔全长481 m，目的层为8#煤层下50 m，在一开、二开、三开井段分别下入表层套管、技术套管和生产套管，在三开井段8#煤层422.4～431.5 m处下入1根玻璃钢管(长9.01 m)，并用油井水泥进行固井。下入d89 mm钻杆和掏穴钻头至8#煤层位置进行割管与掏穴作业，掏穴直径0.5 m，长5.44 m.

2 现场施工工艺

2.1 “L”井钻井工艺

2.1.1“L”井一开井段

一开井段(0～41.00 m)易井斜，采用满眼钻具组合：d346 mm钻头+630×410双母接头+d178 mm钻铤4根+d127 mm钻杆。

2.1.2“L”井二开直井段

二开直井段(41.00～104.39 m)重点是控制井斜，采用满眼钻具组合：d241.3 mm钻头+630×4A10双母接头+d159 mm钻铤4根+4A11×410公母+d127 mm钻杆。

2.1.3“L”井二开造斜段

造斜段(104.39～555.5 m)重点是确保螺杆的造斜率能够达到设计要求。采用“单弯螺杆钻具+MWD”的常规导向钻具组合：d241.3 mm钻头+d185 mm×1.75°单弯螺杆+4A11×4A10定向接头+d165 mm无磁钻铤1根+4A11×410公母接头+d127 mm加重钻杆2根+d127 mm钻杆+d127 mm加重钻杆，定向钻进至555.5 m处着陆，井斜85.56°，垂深476.02 m，水平位移198.89 m.

2.1.4“L”井三开水平段

水平段 (555.5～991.86 m) 重点是确保井眼轨迹在目的层的穿透率，即遇煤率。采用 “单弯螺杆钻具+MWD”的导向钻具组合: d171.5 mm钻头+d127 mm×1.25°单弯螺杆+311×310定向接头+d121 mm无磁钻铤+d89 mm加重钻杆+d89 mm钻杆+d89 mm加重钻杆。水平段全587.38 m，除去无煤带后，长度为554.58 m，其中遇煤层为475.89 m，遇煤率为85.8%.

2.1.5连通段

连通段(991.86～1 142.88 m)施工是U型井成功的关键步骤，施工过程为：“L”井钻进至距离靶点150 m处起钻，更换d127 mm×1.5°单弯螺杆，在螺杆与钻头之间连接强磁接头，直井处利用测井绞车下入磁信号接收探管，地面连接采集控制面板。“L”井水平段每钻进9.6 m(一根钻杆)，直井处探管和随钻测量仪分别采集数据，对接工程师将数据进行比较并传给定向工程师，定向工程师发出下一根指令，两井相距60～80 m时，信号最强。在两井相距5 m时，测量最后一次数据确认无误后，在直井处将探管提出，定向工程师按照最后一次数据，下达钻进指令，钻进至对接位置，直井井口返出钻井液，“L”井与直井连通成功(直井井口返出浆液为连通对接标志)。其钻具组合：d171.5 mm钻头+311×310强磁接头+d127 mm×1.5°单弯螺杆+311×310定向接头+d121 mm无磁钻铤+d89 mm加重钻杆2根+d89 mm钻杆+d89 mm加重钻杆。

2.2 直井钻井工艺

2.2.1直井一开井段

2.2.2直井二开井段

2.2.3直井三开井段

2.2.4掏穴段

在“L”井水平段施工前，先进行直井掏穴段的施工，下入d89 mm钻杆和掏穴钻头至8#煤层位置进行割管与掏穴作业，掏穴直径0.5 m，深度5.44 m(424.66～430.1 m).

3 实钻效果

TL-U-18301井2019年10月15日开钻，2019年11月28日完井，完井周期44天。其中“L”井完钻井深1 142.88 m，井斜角88.60°，方位角231.29°，垂深414.36 m，水平位移849.38 m. 直井完钻井深481 m，井斜1.33°，方位318.88°，钻孔结构图见图1.

4 几点施工认识

1) 直井施工采用潜孔锤技术，具有钻进效率高，受地层影响小的优点，是直井安全快速成井的优选。

2) “L”井施工过程中除表土层有部分层位发生漏失，在进入二开施工后，没有发生漏失，岩层相对完整，没有破碎，三开煤层稳定，没有发生塌孔，适合PDC钻头+螺杆定向，钻进比较安全。

图1 TL-U-18301钻孔结构图

3) 针对突出煤层的特点，既要保证安全成孔又要保证出气量，钻进过程中控制在煤层顶板下0.5 m内钻进。

4) 通过合理配置泥浆，使泥浆比重控制在1.05 g/cm3，黏度控制在30～40 s，既保护了煤层不发生垮塌，又利于携带井内岩粉(岩屑)从孔底顺利返出，减少了钻头的反复研磨，提高钻效；保护润滑井壁，防失水，防塌井壁，保证孔内安全；润滑钻具和井管，减少磨阻，减少扭矩，便于下管；降低钻头摩擦温度，利于延长钻头使用寿命；泥浆密度小，无固相利于无线测斜探管可靠传输数据；利于螺杆钻进，延长螺杆使用寿命；密度小利于降低大泵压力，减少泥浆泵磨损；利于增斜稳斜不憋泵，不塞泵，减少泵压，保证高压水路循环安全。