乌鲁木齐矿区1号井钻井设计优化及施工工艺研究

汤建江 黄建明 刘蒙蒙

(新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队, 新疆 830009)

乌鲁木齐矿区1号井钻井设计优化及施工工艺研究

汤建江 黄建明 刘蒙蒙

(新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队, 新疆 830009)

乌鲁木齐矿区是新疆煤层气勘探开发的有利区块，但该区块地质构造复杂，老矿区较多，地表填方多，采空多，井位限制多，具有“高倾角、多煤层、大厚度”地质特点，给煤层气钻井施工带来多项难题。本文以乌西矿区1号井为例，探讨1号井设计优化及难点与对策研究，以此指导和推进本区块钻井工程的实施。

乌鲁木齐矿区 煤层气 设计优化 钻井工程

1 钻井工程部署设计难点

通过对以往资料以及2015年施工的1号参数井取得参数分析，矿区煤层厚度大，含气量较高，渗透性好，其他煤层气参数也较好，根据我队在阜康区块施工的顺煤层L型与U型井、普通定向井对比分析，L型井具有投入成本低、施工工艺较U型井水平井简单，产气量较常规定向井高的特点，决定在1号井进行顺煤层井试验。如图1，1号井目的煤层在深部被断层切失，而1号井理想孔位为居民区无法部井位，西边为一停产煤矿受采空的限制无合适场地，经多方协调在距离理想孔位150m处征得一块空地可做井场，由于井场的限制，且避免钻至断层影响钻完井作业，普通三段制顺煤层井无法保证600m的煤层钻遇长度，以此必须考虑合适入煤点、钻遇煤层段长度、钻井、压裂、排采等因素，大大增加设计难度,为此我们大胆提出S型负位移L井型。

图1 1号井设计剖面图

2 钻井方案(井眼轨迹数据及投影图等)

2.1 三种钻井方案特点

根据地质要求和不同方案增产效果，并考虑钻井、压裂、排采等工程因素，提出主要三种方案，具体如下：

(1)方案1：S型井(完全顺煤层)

特点：入煤点(着陆点)垂深在600m(可调整)；钻遇目的煤层井段长395.37m，目的煤层中完钻，浅中部煤层控制程度高；井眼轨迹较复杂，定向施工难度较高。

(2)方案2：S型井(顺倾向斜穿煤层)

特点：入煤点(着陆点)垂深在660.76m(可调整)；顺倾向斜穿过目的煤层，钻遇煤层井段长141.81m，完钻口袋55m，完钻层位在目的煤层底板以下55m。目的煤层主要由两个薄煤层及一个主力煤层构成，斜穿过三层煤压裂可选方案较多。

(3)方案3：L型井(完全顺煤层)

特点：入煤点(着陆点)垂深754.14m，钻遇煤层井段长249.86m；目的煤层中完钻，完钻井深距离断层较近，下部断层受控程度较低；后期排采管柱偏磨较轻，定向施工较容易。

此三种方案压裂改造均选择连续油管压裂或桥塞分层压裂工艺。

2.2 钻井方案优选

根据三种钻井方案特点及优缺点(表1)，综合地质、钻井、压裂及排采等因素，通过对比优选，方案1作为本次钻井最终实施方案，后期压裂拟采用连续油管压裂和桥塞分段压裂两种工艺。

方案1着陆点浅，可兼顾浅部含气量较好煤层段；调整余地大；浅部煤层埋深控制程度高，着陆点控制较准确；可选压裂井段长。

针对方案1的缺点采用其他技术手段解决，解决办法如下：

(1)针对井眼轨迹复杂，定向施工难度高的特点，要求投入定向技术过硬的技术及施工人员，采用性能可靠、精度高、适应性强的定向设备。

(2)针对排采偏磨，通过减小造斜狗腿度，优化排采管柱结构或选用其他非机械往复式排采设备减小偏磨。

表1 三种方案对比表

3 施工难点与对策

根据我单位以往在该区块工作记录及工作经验，总结出了钻固井方面的主要施工难点，并针对本项目的施工难点制定了相应的对策。

3.1 完井方案优选

我队在阜康区块施工类似井L型井及U型井，后期排采结果显示，筛管完井及裸眼完井增产效果差，套管固井完井加以射孔压裂增产措施产气效果好，井眼稳固程度高。故采用套管完井。

3.2 钻井施工难点与对策

针对相关的施工难点，在工程技术方案设计中分别对井眼轨迹井身结构、钻头及钻具组合、钻井液等方面做了优化设计，并制订了质量控制、煤层保护、各井段施工重点等相关措施及要求。

(1)轨迹控制困难及对策

本项目所在区块地层倾角大多在70°以上，井斜及方位控制困难，为保证井眼轨迹符合设计要求，要求使用随钻测斜仪(MWD)+单弯螺杆钻具实时监测及控制井眼轨迹。

(2)钻进效率低及对策

本区块地层属于中硬岩层，常规回转钻进效率低，周期长。根据以往该区块钻井经验总结，全面钻进井段采用井下动力钻具螺杆马达+PDC钻头组合，能很大程度提高钻进效率。

(3)煤系地层井壁坍塌掉块、井径扩大率超标、井内复杂事故多发及对策

根据我单位近年来多个项目的施工经验，以及对该区块储层岩石(煤)物理特性的认识，过低的钻井液密度无法平衡地层坍塌压力，易造成井径扩大率超标，煤层坍塌掉块，粘度低岩屑携带困难等复杂情况，从而导致钻井事故多发，影响固井及射孔质量，增大储层伤害。因此经过试验总结及分析，对钻井液性能进行优化设计，钻井液密度设计在1.10～1.15g/cm3，粘度在40～50s，严格控制失水量，失水量控制在5mL以下，尽量减少对煤层的伤害。

3.3 固井施工难点与对策

(1)固井难点

① 煤层段井壁容易垮塌或掉块，且易发生漏失；

② 由于漏失压力较低，难以采取大排量顶替措施，不利于提高顶替效率。

(2)针对施工难点对策

① 表层固井加足速凝剂，保障凝固快和凝固质量。若环空无水泥浆返出，再从环空罐水泥浆，保证水泥浆返至地面，确保井口地层封固良好。

② 为保证井底清洁和下套管作业顺利，电测完成后采用原钻具通井。通井时对钻井阻卡井段应认真划眼。通井到底后泵入稠泥浆段塞清扫井底，并以钻进时最大排量循环钻井液至少2周。循环结束的标志为井口压力稳定，不再降低，出口和入口钻井液的排量和密度一致。

③ 为防止固井过程中发生井下漏失，井眼准备期间，采取井口蹩压的方式进行地层承压试验，试验数据达到施工要求后才进行下步工作。

④ 下套管前适当提高泥浆粘切，建议屈服值大于8Pa。控制下套管速度不小于30s/根，下套管期间每150m灌满泥浆一次。下完套管后，小排量顶通并逐步将排量提高到钻井时排量循环至少洗井两周，循环期间应泵入稠泥浆段塞清扫井底。循环结束的标志为井口压力稳定，不再降低，出口和入口钻井液的排量和密度一致。

⑤ 固井前合理调整钻井液性能。根据实际情况，钻井液性能应满足以下指标：屈服值不大于5.0Pa，漏斗粘度小于50s，其他性能满足钻井设计要求。

⑥ 采用低密度漂珠水泥浆密度1.60g/cm3、API失水小于50mL、抗压强度大于14MPa的API-G级水泥固井；适当提高水泥浆粘切，以便在低排量下达到固井所需要的壁面剪应力。

⑦ 为了确保井底动态当量密度不超过钻井时的最大动态当量密度，固井前可先注一定数量的轻质泥浆以平衡施工压力，防止漏失。

⑧ 注水泥前注清水4m3作为前置液，排量20L/s。

⑨ 确保施工连续进行，控制水泥浆密度波动范围在±0.02g/cm3。

⑩ 替浆排量为15L/s。碰压前降低顶替排量，碰压15MPa左右。

3.4 复杂地层钻进难点与对策

根据以往该区施工情况和地质资料分析，本井可能发生井漏、井涌和坍塌掉块的可能。因此应严格按钻进规程要求操作，防止人为因素造成涌、漏、坍塌。

泥浆工应随时观察井口返浆情况，按时测定钻井液性能，发现异常情况及时采取措施处理。遇涌、漏水时，记录涌、漏水层位、深度及水位变化情况。做好充分的压涌、堵漏的物质准备。

(1)漏水处理

根据不同的漏失层位和漏失情况，选用适合的堵漏方法，目前常用和行之有效方法有惰性材料堵漏、粘弹性材料堵漏和水泥堵漏等。可用锯沫堵漏、锒嵌剂堵漏、801堵漏剂、191树脂堵漏及高压注水泥浆堵漏等项措施，确保施工顺利进行。

(2)坍塌和缩孔处理

① 严格控制钻井液失水量，保持钻井液稳定，按钻井液配方，配制钻井液。

② 注意观察地层构造和钻井液性能变化，随时调正钻井液性能指数。

③ 备足钻井防坍剂、降失水剂，迂翻坍，缩径地层，及时调正钻井液性能。

④ 低固相采煤，发现严重坍塌、掉块，需加防塌剂，制止塌孔，保证正常钻进。

⑤ 不稳定地层钻进，提升钻具需回灌钻井液，保持钻井压力平衡，防止坍塌。

⑥ 适当控制升降钻具速度，减少压力激动对井壁的破坏。

(3)涌水处理

处理涌水前首先必须测定涌水压力，计算出所需泥浆的密度。压住涌水后，控制适当的泥浆密度，保持平衡钻进，直至钻穿含水层。

4 关键技术措施

(1)确保准确入煤(着陆)措施

本井轨迹分为7段(直-增-稳-降-直-增-稳)，以往在阜康大倾角地层施工时出现过目的煤层变浅或加深情况，导致无法着陆，或着陆时井斜太小钻穿储层进入下部地层，为防止此情况发生，主要采取以下两方面措施：

① 造斜率适中，使造斜强度有提高余地，同时较小狗腿减小排采杆柱偏磨。

② 打导眼

在着陆前的直井段垂直打下去，直至钻遇目的煤层，以此判断目的煤层埋深，根据实际情况调整轨迹，保证着陆要求。

(2)拟投入MWD及LWD技术

使用MWD及LWD技术及仪器，保证井眼轨迹按设计进行，同时在着陆后使用LWD保证始终延目的煤层钻进。

(3)由于目的煤层深部被逆断层切失，断层深部受控程度低，若钻遇断层，为保证固井水泥浆不会在断层附近漏失，对断层进行承压试验或封固至断层以上10～20m。

[1] 陈金刚,秦勇,桑树勋,等. 准噶尔盆地煤层气勘探前景[J]. 天然气工业,2003,(02):127-129.

[2] 李瑞明. 新疆准南煤田乌鲁木齐矿区煤层气储层特征[J]. 中国西部科技,2009,(16):1-3.

(责任编辑 刘 馨)

Drilling Program Optimization and Operation Technique of No.1 Well in Urumqi Mining Area

TANG Jianjiang, HUANG Jianming, LIU Mengmeng

(NO. 156 Exploration Team, Xinjiang Bureau of Coalfield Geology, Xinjiang 830009)

Urumqi Mining Area is one of the most promising blocks for coalbed methane development. Testing of exploration projects has been done in recent years. The geologic structure is very complex and there’re many coal mines which have been developed for many years, with large areas of surface filling and goaf and limitations of the well locating. This area is characterized by “high inclination, multiple and thick coal beds”, which is challenging for the drilling operation of CBM wells. This paper discusses the drilling program optimization and operation technique of No. 1 well, a representative well in this block. The result can be applied in the future development of this block.

Urumqi Mining Area; coalbed methane; program optimization; drilling engineering

国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发项目“新疆准噶尔、三塘湖盆地中低阶煤层气资源与开发技术”.

汤建江，男，煤层气工程中心科长，钻探工程师，全国五一劳动奖章获得者。