浅谈山西沁水盆地煤层气定向丛式井施工工艺

谢宗茂，张小东

（江西省煤田地质局一九五地质队，江西 南昌 330000）

山西沁水盆地是我国大型含煤盆地，其含煤面积约42 000 km2，盆地内构造简单，石炭系太原组发育的3 号和15 号煤层赋存稳定， 煤层平均厚度分别为6 m 和4 m。 该盆地煤层气资源储量大，产业体系较完善，是我国目前前景较好的煤层气区块之一。 江西省煤田地质局一九五地质队在该区块施工煤层气参数井、生产井多年，积累了较多的经验。

1 工程概况

为获取石炭系山西组3 号煤的储层参数（包括煤层埋深、厚度，煤岩及煤质特征），须在地面施工多口定向丛式井。 本次研究以TS83C 井为例，该井为煤层气丛式井组，位于山西省东南部，太行山西麓，沁水盆地南部，距离山西省沁水县柿庄镇上算峪村东约2.5 km，见图1。 区域地层从上到下分别是第四系（Q），三叠系下统刘家沟组（T1l）、二叠系上统石千峰组（P2sh）、上盒子组（P2s），二叠系下统下盒子组（P1x）、山西组(P1s)，石炭系太原组（C3t）。TS83C 井组为四口定向丛式井， 井号分别为：TS83-1D、TS83-2D、TS83-3D、TS83-4D，井间距为5 m，见图2。

图1 井位

图2 TS83C 平台水平投影及立体投影

2 钻井设备

钻井设备包括TSJ-2000 钻机、TWB1200 钻井泵、6135 柴油机、WD-20 发电机，钻具包括Φ159 mm无磁、Φ159 mm 钻铤、Φ127 mm 钻杆等（见图3、表1）。

图3 施工现场

表1 主要设备和器具配备

3 钻井工艺及技术措施

本次煤层气丛式井施工分为四个阶段： 直井段、造斜段、增斜段、稳斜段。 以TS83-1D 井为例，设计井深1 041.00 m，井径Φ215.9 mm，全角变化率不大于3.0°/25.00 m，设计位移187.97 m，设计方位74.80°，靶心距20.00 m，完钻层位为石炭系太原组（3 号煤层底板以下50 m）。

1）直井段施工（0～118 m）

直井段揭露地层为第四系（Q）、三叠系下统刘家沟组 （T1l）， 其中第四系岩性以浅黄色黄土层为主，偶夹少量砾石，稳定性差，易跨孔和偏斜。 第四系与三叠系下统刘家沟组（T1l）呈不整合接触，接触面易形成导水通道。

（1） 钻具组合： 一开采用Φ311.15 mm 钻头+Φ159 mm 钻铤+Φ127 mm 钻杆+ 立轴；二开采用Φ215.9 mm 钻头＋Φ159 mm 钻铤+立轴。

（2）钻井参数：钻压60 kN，转速80 r/min，泵量28 L/S。

（3）技术措施：一开使用低固相泥浆钻井循环液介质，采用Φ311.15 mm 牙轮钻头钻进至三叠系下统刘家沟组（超过风化带10.00 m 后）方可停钻，口袋长度不大于0.50 m，下入Φ244.5 mm 套管并固井水泥返至地面， 管内留足10.00 m 水泥塞，井口平面保证水平[1]；二开钻头采用Φ215.9 mm 加钻具组合，使用低固相泥浆钻井循环液介质，严格控制钻压、转速、泵量，及时清理返浆岩粉，每50 m 单点测斜，斜度超过设计应及时矫正，换径、下定向组合钻具前测斜。

2）造斜段（118～175 m）

该段揭露地层为三叠系下统刘家沟组（T1l），岩性主要为深灰色泥岩、浅灰色粉砂岩、细砂岩组成，其岩层软硬交替，容易造成全角变化率增大和井眼轨迹偏离。

（1）钻具组合：采用Φ215.9 mm 钻头+Φ159 mm螺杆+1.25°单弯接头+Φ165 mm 无磁钻杆+Φ159 mm钻铤+Φ127 mm 钻杆+立轴

（2）钻井参数：采用1.25°单弯接头造斜每30 m增斜率1.5°～2°，钻压80 kN、转速120 r/min、泵量28 L/S。

（3）技术措施：钻具下到造斜点调整弯头对应靶点方位角，利用冲洗液循环介质清理孔底残留岩粉，每钻进10 m～30 m 单点测斜，为确保定向造斜作业顺利进行，保证中靶，预留方位提前角10°～15°[2]。

3）增斜段施工（175～404 m）

该段揭露地层为二叠系上统石千峰组（P2sh）、上石盒子组（P2s），主要岩性由浅灰色细砂岩、深灰色泥岩组成，其岩层软硬交替明显，宜采用轻压吊打模式，防止井下管材断裂和井眼轨迹偏离。

（1）钻具组合：采用Φ215.9 mm 钻头+Φ214 mm稳定器+Φ165 mm 无磁钻杆+Φ214 mm 稳定器+Φ159 钻铤+Φ127 钻杆+立轴。

（2）钻井参数：钻压140 kN、转速80 r/min、泵压2 MPa、泵量28 L/S。

（3）技术措施：加大测斜密度，获取钻深施工延伸轨迹数据，及时获取井斜、方位、垂深轨迹参数，防止井下管材断裂和井眼轨迹偏离。 每延深30 m单点测斜一次，方位增斜率达不到要求时，充分清洁井眼，根据地层变化适当调整钻井循环液以控制含砂量。

4）稳斜段施工（404～1 053 m）

该段揭露地层为二叠系下统下盒子组（P1x）、山西组(P1s)，石炭系太原组（C3t），其岩性主要泥岩、粉砂岩和煤层。 在煤系地层中使用PDC 钻头，其使用寿命大于金刚石钻头，有效提高钻井效率[3]。

（1）钻具组合：Φ215.9 mm 钻头+Φ159 mm 螺杆+1°单弯接头+159 mm 短钻挺+Φ214 mm 稳定器+Φ165 mm 无磁钻杆+Φ159 mm 钻铤＋Φ127 mm钻杆。

（2）钻井参数：钻压100 kN、转速120 r/min、泵压2.5 MPa、泵量28 L/S。

（3）技术措施：下入直径适中的扶正器，保证井眼轨迹圆滑及不产生较大的全角变化率。 每30 m测单点一次并及时绘制井身轨迹图，保证井眼轨迹按设计轨迹钻进，一旦产生漂移及时下螺杆调整井斜、方位。

5）井身质量

TS83-1D 井最大井斜为18.96°， 方位为72.87°，位于井深875.00 m 处；最大全角变化率为3.79°/25 m，位于井深150.00 m 处，井斜及全角变化率均符合设计及规范要求。 丛式井组井底最大水平位移为226.01 m，总方位为69.69°，符合设计及规范要求（见图4～图7）。

图4 TS83-1D空间轨迹及垂直剖面投影

图5 TS83-2D 空间轨迹及垂直剖面投影

图6 TS83-3D 空间轨迹及垂直剖面投影

图7 TS83-4D 空间轨迹及垂直剖面投影

4 结语与建议

通过山西沁水盆地煤层气钻井实践，对该煤层气钻井技术进行了分析：

1）定向井施工须根据岩性组合、钻井规律，做好井眼轨迹预判，防止全角变化率过大，提高中靶精度。

2）定向井施工利用螺杆和钻具组合可有效提高钻井效率。

3）煤层气钻井对钻井液要求较高，特别是煤层的影响；对于埋深较浅煤层，应大力推广空气钻井技术。