滇黔川地区煤层气定向钻井技术

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摘要：滇黔北昭通国家级页岩气示范区筠连区块煤层气资源丰富，区内岩溶地貌发育，地质条件复杂，本文介绍了煤层气井在钻井过程中的定向钻进工艺及技术要求。

关键词：煤层气定向组合螺杆钻进钻井液

中图分类号：C35文献标识码： A

前言：近年来，随着国家政策的大力支持和社会关注度的不断提高，我国煤层气开发利用的步伐正越迈越快。目前，四川筠连区块是四川煤炭赋存比wang较大的地区，占四川煤炭储量25%，有“川南煤海”之誉，区内煤层气储量较大，但该区岩溶地貌发育，地质构造复杂，给钻井施工带来了难度，进而影响勘探开发效率，本文将对区块内井组施工过程中所采用的定向钻井施工工艺进行介绍，其目的是通过本文介绍，为今后类似钻井工程施工提供一些借鉴。

1、滇黔川地区煤层气地质情况

1.1滇黔川煤层气勘探区块范围

滇黔北二叠系乐平组煤层气勘探区块包括：沐爱区块，嵩坝区块，塘坝区块，威信-叙永区块，镇雄-赫章区块（如图1-1），沐爱区块确定为2013年勘探开发核心区域。

图1-1：滇黔川煤层气勘探区块分布图

1.2滇黔川煤层气勘探区块地层钻井故障提示

自上而下为第四系、三叠系嘉陵江组、铜街子组、飞仙关组、二叠系乐平组。其地层岩性及深度如下（表1-1）、（图1-2）：

表1-1：地层描述

1.3 滇黔川煤层气勘探区块煤层特征

本区乐平组为一套海陆交替滨海湖泊沼泽相沉积的含煤建造，含煤12~17层，其中可采煤层3~5层。乐平组上段含煤线或薄煤层2~4层，但无可采煤层；乐平组下段含煤线、煤层10~13层，其中可采煤层3~5层――可采煤层主要有C5b和C9，C5a、C6为局部可采煤层，其余煤层一般不可采。

沐爱地区煤层分布稳定，C2+C3厚度2-5m，C7+C8厚度4-8m，整体呈西厚东薄，总厚度6-13m，沐爱镇附近最厚。四套主力煤层含气量在9-15m3/t，以沐爱镇到维新镇一线的西北地区的煤层含气量相对较高。

2丛式井的井身结构及质量要求

2. 1 井身结构

（1）井身结构设计数据（表2-1）

表2-1 井身结构设计数据表

（2）井组、井身结构示意图

由于煤层埋藏深度及地形条件限制，对煤层气开采方式为丛式二维定向井，井口为排列为并排，水平投影图（如图2-1所示），单口定向井的垂直投影图（如图2-2所示）。

图2-1丛式井组定向井分布平面图（以YSL1304为例）

图2-2 井身结构示意图

2.2丛式井井身质量要求

（1）直井段：井斜不大于1.5°，全角变化率不大于1.5°/30m，靶点水平位移不大于4m，井径扩大率不大于15％。

（2）造斜段：全角变化率单点不大于4.0°/30m，连续三点不大于3.5°/30m，井径扩大率不大于15％，最大稳斜角不大于30°在造斜段既要满足每口井的设计全角变化率，又不能超过其设计的最大井斜角，且闭合方位偏差小于±2°。

（3）稳斜段：全角变化率不大于1.5°/30m，最大井斜角小于设计稳斜角，方位偏差小于±5°，井径扩大率在非煤层不大于15％，煤层不大于35％。

（4）测斜间距：直井段50m/点，造斜段10m/点，稳斜段30m/点。

（5）中靶半径20m，造斜工具使用1°或1.25°Φ172或Φ165螺杆造斜，造斜率控制在0.10度/米左右，最大不得超过0.12度/米，缓慢造斜，稳斜段井斜变化率不大于4°/100m。

2.3 井口装置要求

井口5 1/2″油层套管头顶面水平度务必小于1mm（油层套管外缘倾斜面最大高差），套管头顶面要低于井场水平面10cm（即-10cm）。

2.4 井身及套管结构

0～第四系覆盖层：钻井直径Ф346毫米，下入Ф339.7*8.9毫米的导管，防止井塌和井漏；

0～灰岩层：钻井直径Ф311毫米，Ф244.5*9.87毫米表管，封隔灰岩段漏失井段及溶洞；

灰岩层～乐平组目的层：钻井直径Ф215.9毫米，下入Ф139.7*7.72毫米生产套管。

2.5 钻具组合

（1）一开钻具组合

Φ311.1mm钻头+Φ165mm无磁钻铤+Φ165mm钻铤+Φ127mm钻杆+Φ133mm方钻杆。

（2）二开钻具组合

Φ215.9mm钻头+Φ172mm*1.25°单弯螺杆钻具+Φ165mm定向接头+Φ165mm无磁钻铤×1根+Φ127mm钻杆+Φ133mm方钻杆。

（3）稳斜段钻具组合

Φ215.9mm钻头+Φ172mm*1.25°单弯螺杆钻具+Φ165mm定向接头+Φ165mm无磁钻铤×1根+Φ127mm钻杆+Φ133mm方钻杆。

开钻前对所有钻具、井下工具和接头进行探伤检查，防止有伤钻具入井。

2.6 丛式井定向施工要求

2.6.1 造斜段施工要求

（1）该井段用Φ172mm*1.25°单弯螺杆钻具造斜，用有线或无线MWD随钻监测。

（2）对MWD系统按操作程序进行全面检查，确保系统工作正常。

（3）检查仪器外筒下端的斜口引斜，确保与直键接头相匹配。

（4）下钻前准备丈量造斜工具较差，确保无误，并做好记录，方可下钻。

（5）检测仪器浅层测试正常后方能下钻，下钻速度要平稳，不得猛提、猛放，防止仪器脱键；遇阻时阻力不能超过50kN，禁止用动力钻具划眼。

（6）螺杆钻具下井前试运转；螺杆钻具下井后，定好工具面，锁定转盘后方可开泵循环。

（7）钻进时，按工程设计参数均匀送钻，保持钻压稳定。并使用钻杆滤子，防止碎物堵塞测试仪器。

（8）每钻完一个单根要测斜一次，钻具静止3min取数据，并预测井底数据，计算实际造斜率和井眼轨迹。

（9）造斜率不符合设计要求时，及时采取措施，调整钻具组合和钻进参数，并做好防卡防塌工作。

2.6.2 稳斜段施工要求

（1）采用稳斜钻具和螺杆复合钻进行钻进。严密监测井斜角和方位角，发现超标立即进行定向纠正。

（2）优化钻井参数，采用喷嘴钻井技术，充分发挥钻头水力能量，建议采用组合喷嘴、中长喷嘴钻头。

（3）下钻时操作平稳，不得猛刹、猛顿、猛放，漏失层段、煤层段下钻速度控制在30m/min以内。每次下钻要探井底沉沙高度，决定是否调整钻井液性能和循环时间，如下钻不能一次到底，要分段循环。每次开泵前要注意泵压变化，采用小排量开泵措施，避免蹩漏地层。起钻时控制起钻速度，遇卡不能硬提，操作平稳，启车、坐吊卡等不能猛提、猛放，起钻每3柱必须灌满钻井液一次。

（4）全井段起钻遇卡不能超过原悬重100kN，必要时采取倒划眼的方法，慢慢起出遇卡井段；下钻遇阻不得低于原悬重50kN，必要时开泵划眼，通遇阻井段。

（5）每钻进100m～120m，短起下钻150m～180m。

3 示范区低成本钻井技术

3.1 井组布置

合理的井网布置方式，不仅可以大幅度地提高煤层气井产量，而且会降低开发成本，煤层气井井网布置方式通常有：不规则井网、矩形井网、五点式井网等。

1) 不规则井网：在受地形限制或地质条件发生强烈变化（断层等）的情况下所采取的一种布井方式，是一种非常规的煤层气布井方式。

2) 矩形井网：要求沿主渗透和垂直于主渗透两个方向垂直布井，且相邻的4口井呈一矩形，矩形井网规整性好，布置方便，是煤层气开发常用的布井方式。

3) 五点式井网：要求沿主渗透方向和垂直于主渗透两个方向垂直布井，且相邻的4口井呈一菱形。

矩形井网和五点式井网是相对的，在煤层气开发规模较小或不集中布井的情况下，不同井网的单井产能会有一定差别，从数值模拟预测的开发指标看，五点法(梅花型井组)的开发效果相对较好（如图3-1）。

图3-1 丛式井组布井方式

3.2 钻井液体系及性能

3.2.1钻井液配制原则与储层保护要求

为有效保护储层，在设计钻井液压力时，应做到衡钻进。

一开钻进钻井液配制以防塌、防漏、保证正常钻进、提高钻效为目的；

二开煤系上覆地层及乐平组上部非煤段地层，采用优质低固相钻井液钻进，钻井液密度不大于1.05g/cm3，钻进时适当加入防塌处理剂，以及加入絮凝剂提升岩屑上返能力，达到安全钻进的目的；钻进至目标煤层C2+3煤层组顶板以上10m至C7+8煤层组底板以下10m，在保证钻井安全与煤层采取率的前提下，原则上采用清水钻进。

3.2.2 钻井液性能及维护

钻井液性能详见表3-2。钻井液使用中要做到实时监测、调整钻井液性能，检修、维护钻井液净化装置，保证其正常运转，保证钻井液各项性能指标符合要求。

3.3 开钻重点要求及注意事项

3.3.1 开钻前要求：

开钻前要认真贯彻地质、工程设计要求，贯彻讲解重点技术措施，并按设计要求做好开钻前准备工作。

严格按要求安装设备，达到平、稳、正、牢、灵、通；调整转盘、天车、井口中心同一铅垂线上，偏差小于10 mm，并对设备进行全面检查，钻井仪表灵敏、准确、记录清晰、可靠，经试运转2 h正常，并经验收合格后，方可正式开钻。

3.3.2、一次开钻（0.00-灰岩层 m）

一开以钻穿并封固区域漏失层为原则。

钻穿第四系覆盖层，下入Ф339.7*8.9毫米的导管。

要求下入的导管埋正、居中、水泥固牢、防止井斜及导管窜漏；

导管段钻进虽然井深浅，其技术要求往往被忽视，处理不好时易造成井斜、卡钻、井眼垮塌，严重时井场下陷、钻塔倾斜而停工（如阳1井）。

下入的导管务必水泥固牢，否则在导管鞋处的掉块将引起钻具的卡钻，特别是在一开空气潜孔锤钻进时，从井底吹出来的水泥浆（地层含水时）从套管鞋处重新渗入到井内，与空气潜孔锤钻进吹出来的干岩屑混合形成泥团，泥团质量大，难以被气体吹出井外，掉入井下造成钻具卡钻（YSL2301-3井出现过）。

一次开钻井眼要仔细找中，控制钻压，使大钩弹簧处于伸张状态，保持方钻杆垂直，在井深30 m 以内钻进，钻进一米，要检查方钻杆是否垂直，以避免出现井斜超标。

注意泥浆带砂情况，防止沉沙卡钻。

不得在导管鞋处冲孔，第一个单根时用小排量钻进，然后逐步增大排量。开钻之初，用吊打方式轻压钻进，每钻完一个单根划眼1～2次修整井壁。

施工中要通过防止钻头泥包、控制起下钻具速度、二次开泵法开泵等技术措施防止压力激动，做到防漏防塌。

在灰岩层段钻遇溶洞时，可采用空气潜孔锤钻进，试验证明潜孔锤钻进效率高，是灰岩段钻进以及处理溶洞行之有效的施工方法；

采用空气潜孔锤钻进时，防止井斜的操作工艺与常规钻井液钻进相同，地表第四系覆盖层不宜采取潜孔锤钻进，容易吹大、吹塌井壁，必须穿过覆盖层下牢导管后才能开始潜孔锤钻进。

一开完钻后，下套管前循环洗井两周以上，确保下套管顺利。

下入Ф244.5*9.87毫米表管，在固井前井口第一根套管要进行居中处理，要求表层套管与转盘中心偏差不大于5 mm，以防钻进时碰撞和磨损井口附近套管。

注意观察是否有井漏、方井窜浆、底座四周窜浆情况和岩屑返出情况。

3.3.3 二次开钻（0～乐平组目的层m）

严格按井眼轨迹设计要求开展直井段和斜井段的测斜工作，采用MWD随钻监测，控制井眼轨迹全角变化率3.50°/30m，稳斜段最大稳斜角30°，中靶半径20m。

要以下钻到钻头接近井底并循环正常后，慢转动转盘时的“悬重”为加压的依据，钻进参数的确定以满足井眼轨迹控制的要求为基本前提。

本井段易发生卡钻事故，要采取有效措施降低摩阻、防止裸眼静停和始终保持井眼畅通。

在斜井段施工，要注意保持较高泥浆排量（≥30 L/s）和注意冲孔，防止岩床产生，同时要注意保持活动钻具（活动钻具以窜动为主），防止钻具粘卡。

每钻完一根单根要划眼2次，斜井段每钻进100 m进行一次短程起下钻，保持井眼畅通。遇摩阻大、井眼有阻卡的井段要反复划眼或短起，直至井眼畅通。

在稳斜井段施工，起钻上提拉力不得超过正常摩阻50 kN，否则应上下活动钻具或开泵循环通过，必要时进行划眼；下钻钻具遇阻不得超过正常摩阻50kN，否则应上下活动钻具或开泵循环通过，必要时进行划眼。起下钻时专人记录摩阻及阻卡情况。

要求做好固井前的通井循环洗井，调整好钻井液性能等工作，下套管时控制速度，单根套管下入时间控制在30~40 s，防止压力激动造成井漏。

钻铤、钻杆入井，每根用内径规通过，以确保定向钻进测斜仪器顺利通过。

钻进中随时注意泵压变化，发现异常要及时起钻检查钻具，防止刺断钻具，冲垮井壁，导至井下复杂情况。

采取各种行之有效的措施，防止井口落物，防止钻头事故，和钻具事故。

二开进入煤层段时，应尽量减少对煤层的扰动，降低柴油机的转速，降低泥浆泵的泵量，以减轻对煤层的冲刷和扰动，防止因煤层垮塌造成测井困难以及技术套管下不到设计井深。

4 结论

⑴ 促进施工队伍之间的经验交流来提高队伍的整体施工水平，避免在相同的问题上重复犯错误；

⑵ 推荐使用液压推力导轨，减少钻机挪位的辅助时间，同时使用液推导轨装置，使得在较小的场地得以正常施工，减少了钻前的施工费用；

⑶ 一开钻遇石灰岩地层或溶洞时采用空气潜孔锤钻进，能有效提高钻进效率；

⑷ 因本区域施工过程中，一开用时过长，可以采取模块化施工方式，即用小型的水井钻机完成井场所有钻井的一开施工后，再进入石油钻机来完成后续工作，能相应降低施工成本。

参考文献:

1)黄洪春、申瑞臣、王玺《利用多分支水平开发煤层气技术探讨》；

2)姬玉平《煤层气定向钻进技术》;