煤层气深井绳索取芯技术探讨

徐培远

(1.河南省煤田地质局,河南 450046;2.河南省煤层气钻井工程技术研究中心,河南 450053)

1 前言

绳索取芯钻探具有结构简单、钻进效率高、岩芯质量好、钻头寿命长、劳动强度低等特点。目前广泛用于煤层气参数井施工中,绳索取芯钻探不仅要熟练掌握绳索钻具的结构和工作原理,还要注重现场一系列的工作。如：绳索取芯钻具的选用、钻头的选择、钻井液的参数调整、下钻及钻进过程中的注意事项、加强对绳索取芯设备的保养等,只有认真研究施工方案,因地制宜的做好这些工作,才能提高绳索取芯的钻进效率、保证质量,降低成本、提高经济效益。本文以河北大城24-3井煤层气井施工情况为例对深井取芯技术进行探讨。

2 地质概况

根据临近孔的地质资料,预计该孔钻遇地层为新生界第四系 (Q)、第三系 (N),古生界二叠系下统唐家庄组、大苗庄组,石炭系上统赵各庄组。目的煤层为二叠系下统唐家庄组、大苗庄组5#、7#、8#、9#煤层、石炭系上统赵各庄组12#煤层,施工设计对目的煤层以及顶底板进行取芯。

完钻层位：石炭系上统赵各庄组。详见表1。

揭露地层的特征如下：

①第四系、第三系：2.90～1072.95m,厚1070.05m。顶部为红色、土黄色耕植土和黄色流砂层。其下部为黄色粘土层与灰色砾石层不等厚互层。松散易垮塌。与下伏地层呈角度不整合接触。

表1 地层分界预测表

②二叠系下统下石盒子组：井深1072.95～1126.10m,厚53.15m。其岩性特征是以灰色、深灰色砂质泥岩、灰色、灰白色粉砂岩、细砂岩为主,其次为深灰色泥岩。与下伏二叠系下统山西组地层呈整合接触。

③二叠系下统山西组：井深 1126.10～1236.35m,厚110.25m。其岩性特征以灰黑色泥岩,深灰色砂质泥岩和粉砂岩为主,其次为灰白色细砂岩和煤层,局部夹黑色炭质泥岩。泥岩、砂质泥岩中植物化石含量丰富,3#煤层位于该组下部。与下伏石炭系上统太原组地层呈整合接触。

④石炭系上统太原组：井深 1236.35～1373.60m,厚137.25m。其岩性特征以深灰黑色～灰黑色泥岩,灰色砂质泥岩,浅灰色～灰白色粉砂岩、细砂岩为主,其次为灰白色中、粗砂岩及煤层,含有少量黑色炭质泥岩,泥岩、砂质泥岩中植物化石含量丰富,6#煤层位于该组下部。与下伏石炭系中统本溪组地层呈整合接触。

⑤石炭系中统本溪组：井深 1373.60～1433.50m,厚59.90m。岩性特征以灰绿色铝土质泥岩,灰白色、浅灰色、深灰色粉砂岩、细砂岩,灰色石灰岩为主,其次为深灰色泥岩。与下伏奥陶系中统马家沟组地层呈整合接触。

⑥奥陶系中统马家沟组：井深 1433.50～1450.00m,厚16.50m(未钻穿)。它的岩性特征岩性为浅灰色灰岩。本组地层岩性组合与区域上基本一致。该组地层未钻穿。

3 钻具组合

合理的使用绳索取芯进行钻进,不但能提高效率而且节约成本,一般煤层气参数井的成孔直径为φ215.9mm,绳索取芯钻具常选用φ127mm钻杆,钻杆钢级为E级,内径与绳索取芯内管总成配套使用;一般选用取芯器规格最大为φ68mm即可满足业主要求。钻头选用215.9mm取芯钻头,钻头以外锥型和阶梯型钻头最佳。

表2 24-3孔钻具组合表

4 钻井液

绳索取芯钻进应根据地层特点、钻孔设计深度来合理选用钻井液。对于较深井进行取芯,主要考虑的关键问题即在于孔壁压力。井越深孔壁压力越大。在钻井液材料的选择上,对于高压地层,为了保持孔壁稳定应选用膨润土泥浆。适当的泥浆粘度和密度可以有效的平衡地层压力,维护孔壁稳定。根据全井压力剖面 (地层压力剖面、地层破裂压力剖面和坍塌压力剖面)及浅气层资料,分段设计确定钻井液密度,其方法如下：

式中ρm——钻开地层压力为ρp的钻井液密度,g/cm3;

ρp——地层压力当量密度,g/cm3;

ρe——附加当量密度 (安全余量),g/cm3。油井：ρe= (0.05～ 0.10)g/cm3(或 1.5～3.5MPa);

气井：ρe= (0.07～ 0.15)g/cm3(或 3.0～5.0MPa)。

地层压力Pp是指地层孔隙中流体具有的压力,也称地层孔隙压力。

(1)地层压力Pp计算公式：Pp=0.0098ρpHp

式中Pp——地层压力,MPa;

ρp——地层压力当量密度,g/cm3;

H地层压力当量密度ρp计算公式：

ρp=Pp/0.0098Hm=102Gp

在钻井过程中遇到的地层压力可分为三类：

(a)正常地层压力：ρp=1.0～1.07g/cm3;

(b)异常高压：ρp＞1.07g/cm3;

(c) 异常低压：ρp＜1.0g/cm3。

地层当量密度ρp约为1g/cm3,附加当量密度ρe=0.07g/cm3,由此计算得出的钻井液密度ρm=ρp+ρe=1.07g/cm3

(2)大城24-3煤层气井选用的钻井液

一开采用较高密度的钻井液,泥浆材料以粘土粉、CMC、火碱为主。主要解决大口径钻进的岩屑携带和井壁保护问题。

二开初始采用低固相钻井液,钻井液密度保持在1.07g/cm3以下,在钻进目的煤层段时,钻井液密度小于1.05g/cm3。该井实际使用的钻井液的性能情况见表3。

表3 24-3孔钻井液性能表

5 深井绳索取芯的注意事项

(1)取芯工具下井前做到井壁、井底清洁,井眼畅通,钻井液性能稳定,符合要求,确保起下取芯筒顺利。

(2)严格检查取芯筒各部分联接情况,配合间隙符合要求,水眼畅通,悬挂轴承保证转动灵活,组装后吊在井口用手能轻松转动内筒。内外筒之间清洁无异物,岩芯卡簧完好、尺寸相符。

(3)组装好的取芯外筒在井口用大钳逐一紧扣,并放入内筒检查装配间隙是否合适。

(4)井场钻具在进行取芯前应进行通径检查,保证取芯内筒顺利通过。取芯时上下无阻。

(5)下钻操作平稳,杜绝猛刹、猛放,控制下放速度,以防水眼堵塞严防顿钻。下钻距离井底一个单根深度,提前开泵循环,下放钻具清洁井底。中途遇阻以冲洗为主,少划或不划眼,严重遇阻时改用牙轮钻头通井划眼至畅通为止。

(6)避免用取芯钻头划眼,下钻最阻不超过30kN,经上下活动无效后,立即循环钻井液起钻。

(7)井内循环压力正常,井底无沉砂、掉块,井眼畅通无阻,方可送入取芯管。取芯管应使用矛头和绳索吊下去,到位后利用脱卡装置将其脱开。取芯管投入后,经确认到位后方可进行取芯钻进。

(8)取芯钻进前循环处理好钻井液,并清洁井底,造芯时轻压 (10～20K N)起动,仔细造芯,

树芯进尺0.5m后则可加足钻压。

6 大城24-3井绳索取芯质量评价

按设计要求,岩煤芯录井段为二开至井底;岩煤芯收获率不低于 80%。根据甲方要求从1099.05m开始取芯,取至井深1450.00m,全井实际取芯422回次,取芯段为1099.05～1450.00m;3#煤层段取芯10个回次,6#煤层段取芯10个回次。全井取芯总进尺350.95m,芯长342.77m,收获率97.7%。

录井煤层顶板、底板取芯段长及岩煤芯收获率见表4。

表4 24-3孔录井煤层取芯情况表

录井3#煤层收获率平均为99.4%,顶板收获率平均为100.0%,底板收获率平均为100.0%,符合设计要求。6#煤层收获率平均为91.6%,顶板收获率平均为93.4%,底板收获率平均为92.3%,符合设计要求。

结合测井、录井资料,综合解释3#煤层取芯井段为1218.50～1224.88m,取芯进尺6.38m,心长6.16m,收获率为96.5%;6#煤层取芯井段为1312.68～1317.00m,取芯进尺4.32m,心长3.60m,收获率为83.3%。

[1] 王昌真,刘永贵.庆深气田深层勘探钻井配套技术研究与应用 [J].探矿工程 (岩土钻掘工程),2008,35(9).

[2] 孔凡军,刘永贵,张显军,等.徐深气田深层气体钻井设计及对策 [J].天然气工业,2008,28(8)：64-66.

[3] 李五忠,吴国干,等.中国煤层气开发与利用[M].石油工业出版社,北京,2008.