山西三交区块煤层气掏穴井钻井施工工艺

胡向志 石继峰

(河南豫中地质勘察工程公司,河南 450053)

1 前言

近两年,随着石油钻井技术在煤层气地面钻井的成功应用,煤层气开发井已由单一的垂直井发展到丛式井和水平分支井组等多种形式,使煤层气井的产能得到大幅度提高。本文介绍的煤层气掏穴井就是山西某水平分支井组中的配套井。

煤层气掏穴井就是在垂直钻孔的目的煤层段,利用机械的方法进行扩孔,使孔内目的煤层段形成的洞穴直径远远大于钻孔直径的钻孔。

掏穴井的施工目的和作用：一是为水平井定向施工在目的煤层中放置靶点目标仪器;二是实施欠平衡钻进时作为输送空气介质的通道;三是完井后作为水平分支井组煤层气抽排的通道。

2 区域地质简介

2.1 区域地层

据钻探揭露,地层由老至新依次有：奥陶系中统马家沟组、峰峰组;石炭系中统本溪组、上统太原组;二叠系下统山西组、下石盒子组,上统上石盒子组、石千峰组;三叠系下统刘家沟组、和尚沟组,中统二马营组;新生界第三系上新统保德组;第四系中更新统离石组、上更新统马兰组和全新统。

2.2 区域构造

三交区块位于鄂尔多斯盆地东缘,东为吕梁隆起,南北为秦岭及阴山东西向构造带,为过渡性质的盆缘构造类型。该区块主导构造线近于南北走向,至蒲县以南,主构造线向西南偏转,地层整体平缓西倾,呈倾向北西-北西西单斜构造,倾角一般5°左右,发育有次级低幅挠曲构造;区块南缘发育2条近东西向的断层、落差200余m,区块内断层不发育,未见火成岩岩体。

2.3 煤层特征

本区发育煤层主要有1#～9#号煤层,其中稳定发育且全区或大部可采煤层为3#、4#、5#、8#和9#号煤层。

煤层埋深：尽管区内地质构造简单,煤层倾角小,煤层底板起伏小,标高变化不大,但由于地处黄土丘陵山区,沟谷切割剧烈,地形起伏较大,致使区内煤层埋深变化较大,中南部煤层埋深一般为500～600m,向西北部煤层埋深达900m以上。

煤质：主要有气煤、肥煤、焦煤及瘦煤等。区内大部煤层气井实测镜煤最大反射率0.91%～1.34%。

3 主要技术要求

煤层气掏穴井钻井施工工艺主要满足以下技术要求：

(1)完井井斜不大于2°;

(2)井底水平位移不大于10m;

(3)全角变化率 (/30m)不大于1.50;

(4)单点：50m/点;电子多点：10m/点;

(5)完钻后,经测电子多点来确定煤层的准确方位与水平位移;经电测来确定煤层顶底板的准确位置;

(6)电测后下入177.8mm生产套管,煤层位置下1根玻璃钢套管,玻璃钢套管下深必须在煤层底板0～0.40m之间;

(7)掏穴掏出的煤必须在0.5m3左右及掏出的洞穴不得小于500m,填砂前必须将孔内泥浆置换成清水,填砂位置必须高出洞穴底板0.5～1.00m之间。

4 主要设备机具

经过近年来煤层气直井的施工,已选配出一套适合煤层气井的施工设备,加上汽车钻更具灵活性,易操作性等特点,能快速完成煤层气掏穴井的钻井完井作业。

使用自己研制φ500mm掏穴机具,其最大过流量为 400～600L/min,适合泵压3～4MPa,使用TBW850/5A的深层次泵较合适,在实际应用中,也曾试用 TBW1200泵,因其排量大,泵压高,流量和作用压力不易控制,不适合配合使用。

煤层掏穴时钻具与套管间隙小,加之煤屑大量被冲落,汽车钻使用φ114mm钻杆,不需要起下钻换钻杆,钻井液就能通过狭小空间,大大减少泥浆泵的运行负荷,相比水源钻机具有优势。

(1)车载钻机：美国雪姆T130,570KW,1台

(2)泥浆泵：TBW850/50,1台

(3)柴油机：ZY6135,1台

(4)发电机组：50KW4135,1台

(5)钻具：φ114mm外平钻杆,φ159mm无磁,φ159mm钻铤

(6)掏穴器：φ500mm掏穴机具

5 钻具组合及井身结构

5.1 钻具组合

钻具组合不但要满足传递扭矩、输送冲洗介质和防止钻孔弯曲的需要,同时还要根据钻孔的需要。由于我们采用汽车钻施工,所以采用的钻具组合如下：

一开表层段：φ311.15mm潜孔锤+φ159mm钻铤+φ114mm外平钻杆

二开至煤层段：φ215.9mm潜孔锤×2.25m+φ159mm钻铤+φ114mm外平钻杆

二开煤层段至完钻：φ215.9mm三牙轮 +φ159mm无磁+φ159mm钻铤+φ114mm外平钻杆

三开钻水泥塞段：φ152mm三牙轮+φ114mm外平钻杆

三开扩眼掏穴段：φ500mm机械式扩眼工具+φ114mm外平钻杆

5.2 井身结构及套管程序

表1 井身结构及套管程序

根据煤层特点及开发技术水平,目前国内煤层气开发以直井为主,综合考虑到后期排采的要求,二开井身结构能满足要求。固井质量要求达到煤层以上200m,稳固套管。

6 钻头及施工技术参数

气动潜孔锤钻进是将压缩空气既作为洗井介质,又作为破碎岩石的能量。汽车钻使用这种方法钻进时,通过钻杆对孔底施加压力和转矩,用压缩空气驱动潜孔锤 (即冲击器)对岩石进行冲击碎岩,实现冲击回转钻进。同时利用压缩空气对钻头进行冷却,并将孔底岩屑向上排出地表。而目前单位空气钻进具有一定局限性,在井深600m以后多采用常规泥浆钻进,满足施工要求,具体参数如下表2：

表2 钻头及施工技术参数表

7 玻璃钢套管下入、扩眼及填砂

在煤层段下入哈尔滨斯达公司生产的同径玻璃钢套管一根 (承压1500psi),紧扣时使用专用工具,防止把玻璃钢套管损坏。要求目标煤层以下的钢套管与过煤层的玻璃钢套管的连接接箍位于目标煤层与底板的界面以下0～0.4m,必须使用合格的套管密封脂。为确保玻璃钢套管下入合适位置,须准备一定数量的短套管。

煤层段扩孔：只对玻璃钢套管对应的目标煤层段进行扩孔作业。下入扩眼工具,钻掉对应扩孔煤层段的玻璃钢套管及水泥环,准确确定煤层位置,采用机械式扩孔工具,将煤层段井径扩大至直径不小于0.50m,严禁采用蹩压后释放压力造成煤层垮塌的扩眼方法进行扩眼,扩眼井段顶以上玻璃钢套管长度不小于2.5m。

填砂：填砂材料应为压裂砂。下钻探砂面,下压2t,填砂至扩眼井段底板以上1m,误差不超过0.50m;每次填砂后静置时间不少于4小时,开泵循环出井底清水,直至清水中不含砂为止;停泵静止4小时后,再探砂面。

8 结论与建议

通过该区块两年多来的施工,熟练掌握了该地区掏穴井的施工工艺。其次在该区块有些煤层容易坍塌,特别是对空气钻进不利,必须调整泥浆参数和钻井参数,确保钻孔的质量安全。再次在该区块施工,要优化钻具组合,控制钻井参数,确保井身质量。

[1] 胡向志.煤层气掏穴井钻井工艺浅析 [J].中国高新技术企业,2010,(25).

[2] 杨永田.河东煤田三交区块水文地质条件与控气特征 [J].中国煤田地质.2007,03,009.

[3] 铁军,左明星,徐培武.煤层气钻井技术的应用研究 [J].探矿工程.2005,32(11)：48-50.

[4] 袁志坚.煤层气掏穴井钻探施工技术 [J].探矿工程 (岩土钻掘工程),2007,(07).