潘河区块煤层气定向井钻井工艺研究

王 海

(中联煤层气有限责任公司晋城分公司，山西 048000)

1 地质概况

潘河区块地层结构稳定，开发15号煤层将依次揭露新生界第四系(Q)、古生界二叠系上统上石盒子组(P2s)、二叠系下统下石盒子组(P1x)和山西组(P1s)、石炭系上统太原组(C3t)、石炭系中统本溪组(C2b)、奥陶系中统峰峰组(O2f)。总体而言，本区勘探程度高，15号煤层厚度分布稳定，煤层埋深浅，构造简单，断层不发育，煤层气资源丰度高，具有较大的开发前景。

2 施工设计

潘河区块3号煤开发已久，在进行15号煤施工设计时坚持“地面条件与地质条件兼顾、经济合理的原则”，既要充分利用原有的地面集输系统和现有井场，又必须防止钻井施工对3号煤层的污染，与3号煤层排采井保持足够的井距。以X井组为例，该井场原有3号煤排采直井一口，通过对井场进行扩建，在该井场新布置2口15号煤定向井，井口间距保持为5m，新井方位分别为112.35°和192.57°，使井场三井眼成放射分布，形成了良好的防碰条件，保证了试验井组轨迹与3号煤排采井的100m防污染间距(见图1) 。

图1 X井组井场示意图

该井组设计为二开结构，采用“直-增-稳”三段制井身剖面。一开采用φ311.15mm钻头钻至基岩10m后完钻，下入φ244.5mm×8.94mm/J55表层套管，口袋0.5m,固井水泥返至地面，二开采用φ215.9mm钻头，钻至造斜点后利用螺杆造斜，采用螺杆定向钻进和复合钻进相结合的方式，钻至目的煤层15号煤层底板下45m完钻，下入φ139.7mmx7.72mm/N80生产套管，口袋2m,固井水泥返至3号煤层上200m，实现双煤层封固，见图2。

图2 X1、X2井身结构图

3 关键工艺

3.1 设备选择

早期的煤层气钻井主要采用水源系列钻机设备，特点为成本低、动力差、钻速慢、安全保障低、钻井周期长。为了保障设备性能满足施工需求，X井组选用了石油系列ZJ15车载钻机，井架型号JJ90-29/31，负荷900KN；泥浆泵型号SNK500-15，功率500HP；车载柴油机型号CAT-C9，功率350HP，利用车载钻机的灵活机动提高施工效率。

3.2 钻井液

一开采用膨润土浆钻井液，潘河区块一开表层以黄土、砾石为主，易形成漏失通道。一开前提前配置膨润土浆，配方：清水+1/3纯碱+0.25%CMC+4%土粉，性能维持在密度1.01～1.03g/cm3，粘度28～33s, pH值7～8，含砂0.2%。

钻完表层后配10m3稠浆清扫液，循环一到两周将井下岩屑携带干净后起钻，保证下表层套管顺利到底。

二开上部地层以聚合物钻井液为主，密度1.03g/cm3，粘度27～32s，含砂0.2%，pH值7，适时替稠膨润土浆携砂。针对煤层易坍塌、易污染、渗透率低、非均质性强等特性，进入3号煤层前100m转化为镶嵌暂堵钻井液体系。利用镶嵌屏蔽暂堵剂的弹性可变性，使其部分颗粒嵌入在煤层孔隙的入口处，进行单向封堵，实现井壁稳定和储层保护。配方为：井浆+5%镶嵌暂堵剂+5%零渗透处理剂+0.2%表面活性剂”在钻进过程中根据接单根及起下钻情况随时调整钻井液性能，维护性能保持在密度1.03～1.08g/cm3，粘度33～36s,pH值7～8，含砂0.2%。

3.3 轨迹控制

一开地层主要为黄土层及砾石层，轨迹控制主要为防斜打直，因此施工中采用“φ311.15mm钻头+φ165.1mm钻铤”钻具组合进行吊打，严格控制钻井参数，钻压20～50KN，转速40～75r/min，排量14～18L/s，泵压1～2MPa。

二开直井段采用常规塔式钻具组合“φ215.9mm钻头+φ165.1mm钻铤+φ127mm钻杆”继续垂直钻进，每50m进行一次测斜，及时跟踪掌控井斜、方位变化情况，做好防碰工作。

二开造斜采用螺杆钻具组合“φ215.9mm钻头+φ171.45mm(1.25°)螺杆 + φ171.45mm无磁钻铤+φ165.1mm钻铤+φ127mm钻杆”，钻压60～130KN，转速30～60r/min，排量14～20L/s，泵压1～4MPa。按照1.3°/100m的造斜率进行定向造斜，定向段每20m左右进行一次测斜，控制全角变化率在5°/25m(连续3点)范围内，稳斜段每25m左右进行一次测斜，控制全角变化率在3°/25m(连续3点)范围内，保证井眼轨迹符合后续作业要求。

3.4 固井

表层固井采用常规固井技术，下入φ244.5mm套管，保持套管与地面齐平，注入密度1.85g/cm3的水泥浆，返至地面。由于潘河地区3号煤长期排采，地层压力、储层压力均较低，常规水泥浆密度过大，极易压漏地层，引发储层污染和固井水泥返高不够、水泥环胶结质量差等问题，因此生产套管固井采用了中空玻璃微珠超低密度固井技术。该水泥浆体系主要为中空玻璃漂珠、活性填充材料、早强剂、降失水剂、分散剂等和水泥灰按配方配置而成，密度1.3～1.4 g/cm3，有效降低了固井水泥浆液柱压力，减小了水泥浆的漏失，注水泥过程坚持“小排量、稳打稳替”方针，注浆排量0.5～0.6m3/min，采用塞流顶替水泥浆，有效减少循环摩阻和环空压差，保护煤层。

4 施工效果

试验井组X井组15号煤定向井施工期间，井场上原3号煤排采井保持正常排采。试验井组平均机械钻速5.51m/h，建井周期22.4天，比设计提前了3.6天，固井质量良好，试压合格，各项井身质量指标合格(具体见表1)。

表1 X井组井身质量参数表

5 小结

(1)穿过3号煤层进行15号煤定向井开发，在直井段的井间距较小，必须充分考虑新施工井眼与原3号煤排采井的轨迹防碰，提前进行防碰扫描，施工时要勤测轨迹，保证施工安全。

(2)钻井施工中，钻井液对煤层的入侵不可避免，尤其是已开发区块，在进入煤层段前要充分循环调整泥浆，保证固控设备处于良好的运行状态，尽量减少固相颗粒对煤层的入侵，同时转盘转速和排量宜降低至正常值的75%～80%，平稳钻过煤层。

(3)下入生产套管时，要结合双煤层的埋深，选用合理的过煤管，确保过煤管接箍具有足够的煤层顶、底距，便于后期的压裂施工。

(4)潘河区块15号煤埋深相对较浅，在较大位移的定向井施工中，要充分利用地层资料和录井岩屑进行综合分析，结合测斜数据进行轨迹的指导钻进。