大河边向斜煤层气丛式井快速钻井技术研究

王林杰

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

贵州省煤炭资源量大，全省约40%的面积含煤，煤层气资源同样丰富，其中六盘水区块煤层气地质资源量占贵州全省45%左右，达1.39万亿m3，可采资源量0.66万亿m3[1-4]。六盘水煤田晚二叠世聚煤盆地在燕山运动之后，受到NE-SW、近 NS 及 NW-SE 向构造应力作用，形成了以褶皱和逆冲断层为主体的复杂构造格局，喜马拉雅期盆地遭受挤压隆升，大部分背斜轴部的晚二叠世煤系被剥蚀殆尽，使得大型向斜或复向斜成为研究区最主要的控煤构造[5-7]。六盘水大河边向斜位于贵州省六盘水市钟山区和水城县境内，大地构造单元上属扬子陆块(Ⅰ级)黔北隆起(Ⅱ级)遵义断拱(Ⅲ级)威宁西北向构造变形区。根据已钻探井数据，该区煤层数量多、累计厚度大且分布稳定，含气量最高达46.22 m3/t，平均12.58 m3/t。因此，大河边煤层气具有较好的开发利用前景。但六盘水地区多为山地，受地形条件、地质条件、工农关系等影响，目前只有直井、 丛式井在该地区煤层气的勘探开发中得到大量应用和推广[8-10]。随着该地区煤层气开发力度加大，研究煤层气丛式井快速钻进技术，对进一步缩短钻井周期、降低钻井成本起到至关重要的作用。

1 概况

1.1 地质概况

大河边向斜实际钻遇地层自上而下分别为：第四系(Q)地层、三叠系下统永宁镇组(T1yn)地层、飞仙关组(T1f)地层、二叠系上统龙潭组(P3l)地层。

龙潭组是区内主要含煤地层，煤层以薄及中厚煤层为主的近距离煤层群，分上、中、下3个组，含煤地层特征见表1。龙潭组为一套海陆交互相含煤沉积，由碎屑岩夹灰构成。厚度206～241 m，含煤约40层，煤层总厚约35 m，含煤系数为14.5 %，其中可采及局部可采煤层16～20层，可采煤层总厚为17～21 m。大河边向斜内煤一般呈灰黑—黑色，条痕呈黑褐—褐黑色，肉眼类型以半暗型煤与暗淡型煤为主，结构主要为条带状、透镜状—线理状，少许呈似均一状及叶片状，各煤层均为富甲烷煤层。

表1 大河边向斜含煤地层特征Tab.1 Coal-bearing strata characteristics of Dahebian syncline

1.2 工程概况

自2016年以来，六盘水大河边向斜区块已完成5个井台的施工。为充分利用钻井场地，丛式井一般采用单排井布置方式[11]，布井5～7口，井间距为5～10 m，如图1所示。该区块丛式井普遍采用二级井身结构：一开φ311.2 mm钻头+φ244.5 mm套管，进入基岩后完钻，注水泥封固，用以封堵表层疏松土层和灰岩易漏地层；二开φ215.9 mm钻头+φ139.7 mm套管，钻穿C406煤层后留60 m口袋完钻，固井水泥返至最上部煤层以上200 m，套管射孔完井。

图1 丛式井井位布置平面Fig.1 Layout plan of cluster wells

2 一开空气钻井技术

贵州地表岩溶发育，且多为连通性溶洞或裂隙，采用常规钻井液钻进时，往往是有进无出，堵漏难度大，施工周期长，成本高，给钻井施工带来一定障碍和损失[12]。空气钻井技术克服了常规钻井方式面临的各种困难和挑战，能够进行正常的岩屑地质录井，解决了水源的制约，缩短施工周期，节约钻井成本，做到了清洁生产，保护了环境，满足煤层气施工要求[13-14]。因此，在该区域一开采用空气钻穿岩溶区，用套管封隔漏失层，可保证钻井的顺利进行，同时可保证较高的钻井效率。大河边向斜已钻23口井中，一开均采用空气潜孔锤钻进，平均机械钻速10.23 m/h，最高可达14.33 m/h。

空气钻进时应注意放空、返气、返水、返渣等情况，防止由于垂直裂缝切割较深及地下水排泄基面低的地区形成深层岩溶带，一般表层空气钻施工至岩溶区域以下50 m完整地层后方可完钻。当钻遇含水溶洞时，在空气钻无法正常施工，下部灰岩地层岩溶发育未知的情况下，可采用套管暂封技术[15]，并探明下部灰岩地层岩溶发育情况后决定表层套管下深，防止二开钻遇溶洞增加施工难度。另外，结合自制的φ311.2 mm空气潜孔锤倒划眼装置[16]，如图2所示，可有效防止地层出水后造成的卡钻现象。在应用倒划眼装置的6口井中，有5口井在钻井、起钻过程均未出现卡堵现象，1口井地层出水后在起钻过程中遇阻，倒划眼后顺利起出，6口试验井一开完钻后均未通井，下套管顺利，平均单井一开起钻及下套管时间可节约20.24 h。

图2 空气潜孔锤倒划眼装置效果Fig.2 The effect graph of back reaming device suitable for pneumatic DTH hammer

3 二开快速钻井技术

3.1 钻头优选

PDC钻头相对于牙轮钻头有着明显的优势，本区地层灰岩、砾岩和白云岩发育，可钻性较差且岩性变化频繁，砂泥岩互层，在钻进过程中选择φ215.9 mm PDC钻头，可大幅度提高钻进效率。在该地区，泥岩、煤层等中低硬度地层，应选用直径加大的切削齿，且中等—低密度布齿方式；灰岩、砂岩等中等、高硬度地层，选用较小直径的切削齿，采用中等—高密度布齿。

现场施工先后选用了不同类型PDC钻头，使用情况对比见表2。通过对地层、钻头磨损、钻时变化等情况的分析，从结构优选、剖面设计、布齿以及保径设计4个方面对PDC钻头进行了个性化设计、改进[17]，使机械钻速明显提高。已完钻的22口井平均机械钻速13.66 m/h，其中钟1-2-X4井使用优化后的钻头，单日最大进尺达486 m。

表2 不同类型PDC钻头使用情况对比Tab.2 Comparison of different types of PDC bits

3.2 钻具组合优化

大河边向斜软硬交互地层若使用常规钻具组合，轨迹不易控制，井身质量达不到要求。如常规钻具组合：φ215.9 mm PDC钻头/牙轮钻头+φ172 mm 1.25°单弯螺杆+φ165 mm无磁钻铤+悬挂短节+φ165 mm钻铤+φ127 mm钻杆+方钻杆。由于该钻具组合在稳斜段复合钻进时轨迹偏移严重，造成钻进效率低，延长了钻井周期。

因而在设计钻具组合时，未按照直井段、造斜段和稳斜段分别进行，而是二开以后采用一套钻具组合，即“四合一”钻具组合：φ215.9 mm PDC钻头+φ172 mm、1.25°单弯螺杆+φ165 mm短钻铤+φ211 mm扶正器+φ165 mm无磁钻铤+悬挂短节+φ127 mm钻杆+方钻杆。该钻具组合具有优点：二开后一趟钻到底，缩短了起下钻时间，缩短钻井周期；该区域井身结构要求造斜段狗腿度不超过5°/30 m，扶正器在满足造斜率的同时，还起到了减少轨迹漂移的作用。事实证明，该套钻具组合在大河边向斜煤层气钻井中应用效果良好。

3.3 钻井液性能优化

大河边区块二开钻进采用低固相低密度钻井液体系，在实现快速安全钻井的同时，保证录井、测井顺利进行，取全取准了地质、工程等资料，该钻井液体系在保护煤储层方面起到了一定的作用。

由于该地区上部永宁镇组、飞仙关组地层岩性多为灰岩、粉砂岩，具有岩性稳定、井壁不坍塌的优点，为提高钻进效率，在井深500 m以浅采用清水钻进。事实证明，采用清水钻既能满足携岩要求，又提高了机械钻速。在进入目的层前，转换钻井液性能，充分利用好固控设备，清除有害固相，维持钻井液的低固相。使用土粉配浆作为基浆，添加CMC、降失水剂、防塌润滑剂等，保持适当钻井液黏度、初终切力，使钻井液具有良好的触变性。通过调整钻井液性能和增加排量，达到清洁井眼的目的。钻井液性能参数见表3，储层钻井液配方见表4。

表3 钻井液性能参数Tab.3 Performance parameters of drilling fluid

表4 煤储层钻井液配方Tab.4 Drilling fluid formula of coal reservoir

3.4 钻井参数优化

二开直井段钻进时，应轻压吊打保证井眼垂直，严格控制井斜。造斜和稳斜段，为保证井眼轨迹精确控制和螺杆性能的发挥，采用以下钻进参数：钻压40～80 kN，转速60～150 r/min，泥浆泵排量20～30 L/s。进入煤层段后，将泵压控制在4～5 MPa，泥浆泵排量控制在20 L/s左右，揭露煤层后还应控制起下钻速度，煤层下部起钻速度及全井段下钻速度不超过10 m/min，减少对储层的伤害。

3.5 丛式井防碰

丛式井受场地大小限制，往往一个井场布置多口井，且距离较近，存在井与井之间防碰问题。该地区丛式井采取以下措施进行防碰：①在设计时，按整个井组的各井方位均布井口，且相邻井造斜点错开，使井口与井底连线在水平面上的投影图不相交；②施工时，严格控制每口井的实钻轨迹；③在防碰井段，密切注意机械钻速、扭矩和钻压等的变化和无线测斜仪所测磁场数据的情况，并密切观察井口返出物，以此来辅助判断井眼轨迹的位置。

4 其他技术措施

4.1 钻机整体移动装置

钻机整体实现井间快速移动，是丛式井快速钻进、缩短钻井周期的关键一环。为此，增设钻机整体移动装置，在钻机底部设置移动导轨，连接液压动力系统，通过滑移机构在不同井间将钻机整体前后移动，每次移动距离在0.5 m左右，如图3、图4所示。钻机具备了整体移动性能后，减少了拆卸、搬运和安装时间，也为实现一开批量钻提供了可能。

图3 钻机整体移动装置设计(单侧)Fig.3 Design of integral moving device of drilling rig(one side)

图4 钻机整体移动装置实物Fig.4 Drilling rig overall moving device

4.2 工序优化

通过增设钻机整体移动装置，可将一组丛式井所有井一开依次钻完，再退回依次进行二开作业，这样就减少了一开固井候凝时间，结合空气钻井技术，可大大缩短一开钻井周期。但是由于先钻井一开固井水泥凝固时间过长，造成二开扫塞较慢，因此要求固井时准确计算替浆量，尽可能减少水泥塞长度。

二开固井结束后，为节省候凝钻机停待时间，可以将钻机移至下一井位进行施工。当该平台所有井二开施工完毕后，利用吊车进行测固井质量作业，即离线测固井[18]，这样将有效缩短钻井周期，减少钻机移动次数。如果在未知区域或钻进过程存在漏失，井台第一口井固井后应紧接着测固井质量，出现固井质量问题后及时调整固井工艺，防止该井台出现大量不合格井。

5 现场应用效果分析

利用丛式井快速钻进技术，并在实践中不断改进，大河边区块已施工的4个井台平均单井完钻周期8.54 d，平均机械钻速13.66 m/h，见表5。

表5 大河边向斜丛式井钻井数据Tab.5 Drilling data of cluster wells in Dahebian syncline

6 结论

(1)贵州岩溶地区表层采用空气钻井技术，可有效防止因井漏引起的复杂情况，缩短钻井周期。但应严格控制一开井斜，以防为后续井眼轨迹控制造成困难。

(2)应用快速钻井技术，应保持钻机及其配套设备的相互适应性，避免出现“小马拉大车”，影响钻进效率。

(3)利用现有的丛式井快速钻井技术，可满足大河边向斜煤层气开发需求，但不可一味追求速度，在井身质量、固井质量方面要进一步加强管理，避免出现不合格井。