TL-L-12507煤层气水平井钻井技术

薛 磊

(西山煤电集团 矿业管理有限公司钻探分公司， 山西 太原 030053)

“L”型钻井抽采瓦斯技术是我国近年来发展起来的一种新型高效瓦斯抽采技术，具有广阔的应用前景。在水平钻井技术已在煤层气开采中广泛应用的前提下，确定水平钻井水平段合理位置成为“L”型钻井抽采瓦斯的一个关键点[1]. 国内外相关单位采用“L”型水平钻井技术实现煤与瓦斯共采，取得了良好的安全效果和经济效益[2，3]. 西山矿区煤层瓦斯含量高，治理难度大，虽然采取了本煤层抽放、地面预抽等瓦斯抽放方法，但由于工作面瓦斯涌出量大，在工作面回采过程中回风瓦斯浓度仍然较高，影响了工作面的安全生产。为解决屯兰矿12507工作面在回采过程中上隅角瓦斯问题，同时实现高产高效条件下的采煤采气一体化，决定在该工作面地面施工“L”型煤层气井。

1 TL-L-12507井地质概况

12507工作面长1 669～1 702 m，宽220 m，2#、3#煤层合并开采，煤岩层总厚为3.2～5.0 m，平均3.98 m. 工作面标高为661～726 m，地面标高为1 123～1 251 m，盖山厚度433～586 m.

该工作面区域地表以山地地形为主，切割强烈，沟谷纵横，主要沟谷为肚肚沟。经对地表调查走访，该区大部被黄土覆盖，地表施工有T35和T42两个煤田钻孔及XST-B15和XST-B16两个煤层气钻孔，地表肚肚沟为季节性沟谷，雨季间歇性汇集少量积水。

TL-L-12507煤层气孔钻遇地层依次为第四系、二叠系上石盒子组、下石盒子组，水平段钻遇地层岩性为砂质泥岩，中间夹0.8 m厚细砂岩,终孔层位在2#煤顶板上约40 m.

2 TL-L-12507井设计

2.1 井位设计

根据地面踏勘情况，并结合井下选定区域，选择地形较为平缓，交通较为便利的位置确定井位，以方便施工、运输及后期的瓦斯抽采。选定孔位在对坡村西，孔位坐标由该矿提供，孔口的井下位置在12507工作面距回风巷70 m处(图1). 井位设计数据见表1.

表1 TL-L-12507井设计井位数据表

图1 TL-L-12507井上下对照图

2.2 井身结构设计

该井采用三开井身结构，目的层水平段采用裸眼完井方式。

1) 一开采用d311.15 mm牙轮钻头，钻穿基岩风化带10 m 后(预计井深 40.00 m以实钻地层为准)，下入钢级 J55的d273.1 mm表层套管，封固地表疏松层。下入深度约40 m，注油井水泥全封固。

2) 二开采用d241.3 mm钻头钻进至2#煤层顶板上40 m，下入钢级J55的d193.7 mm技术套管，注油井水泥固井返至地面。

3) 三开采用d171.5 mm 钻头从着陆点钻至靶点，裸眼完井[4，5].TL-L-12507井结构示意图见图2.

图2 TL-L-12507井结构示意图

2.3 轨迹设计

TL-L-12507井的特点是垂深浅、水平位移大。因此，在井眼轨迹设计时，要重点考虑以下两个因素: 1) 井眼轨迹的控制。由于煤层气井埋藏较浅，着陆前可供控制的井段较短，因此，设计的井眼轨道必须有利于井眼轨迹控制，确保准确着陆。2) 水平段托压问题。由于该井水平段位移大，在水平段钻进时钻柱能提供的钻压有限，使得水平段施工存在加压难问题，特别是滑动钻进时更加困难。因此，所设计的水平井井眼轨迹必须尽可能光滑，以最大限度减少摩阻[6,7].

TL-L-12507井设计采用“单弧剖面”(直-增-水平)三段制剖面形式，造斜率取9°/30 m，确保井眼的光滑，以利于水平段的施工。

TL-L-12507井的井眼轨迹设计参数见表2.

表2 TL-L-12507井轨迹设计主要参数表

2.4 钻井液设计

由于砂质泥岩吸水水化膨胀，所以在施工水平井时容易发生坍塌卡钻事故。

针对上述难点，该井采用以下设计方案：

1) 一开设计使用膨润土钻井液，解决大井眼的携岩问题。

2) 二开设计使用低固相钻井液体系，提高钻井液密度，并通过封堵剂封堵地层的层理裂隙，有效防止地层垮塌。

3) 三开水平段设计使用无固相钻井液体系，提高钻井液的稳定性，严格控制钻井液滤失量≤8 mL. 水平段为生产层位，需要进行储层保护[8].

施工过程中采用固控设备，加强钻井液净化工作，严格控制固相含量，确保水平段不受钻井液固相污染。

3 现场施工工艺

3.1 井眼轨迹控制

1) 一开井段。

一开井段(0～52.99 m)易井斜，采用满眼钻具组合：d311.15 mm钻头+630×410双母接手+d178 mm钻铤5根+d127 mm钻杆，钻压控制在10～60 kN，轻压钻进。

2) 二开直井段。

二开直井段(52.99～152.79 m)重点是控制井斜，采用满眼钻具组合：d241.3 mm钻头+630×4A10双母接手+d159 mm钻铤3根+4A11×410公母接手+d127 mm钻杆，钻压控制在40～60 kN，井斜控制在0.8°以内，为后续井段施工创造了良好的条件。

3) 二开造斜段。

造斜段(152.79～579.78 m)重点是确保螺杆的造斜率能够达到设计要求，采用“单弯螺杆钻具+MWD”的常规导向钻具组合：d241.3 mm钻头+d185 mm×1.5°单弯螺杆+4A11×410公母接手+411×410定向接头+411×4A10公母接手+d165 mm无磁钻铤1根+4A11×410公母接手+d127 mm钻杆，定向钻进至579.78 m处着陆，井斜85.56°，垂深476.02 m，水平位移198.89 m.

4) 三开水平段。

水平段 (579.78～1 117.92 m) 重点是确保井眼轨迹在目的层的穿透率。采用 “单弯螺杆钻具+MWD”的导向钻具组合: d171.5 mm钻头+d127 mm×1.25°单弯螺杆+311×310定向接头+d121 mm无磁钻铤+d89 mm加重钻杆2根+d89 mm钻杆89根+d89 mm加重钻杆22根+d89 mm钻杆，在参考区域资料、邻井柱状图等资料，结合本井的岩屑录井的基础上，利用伽马测量仪确定目的层位置准确地钻入设计目的层并在其层位中有效地延伸。

3.2 钻井液维护

1) 一开井段。

在钻进至5 m、12 m、18 m、25 m处均钻遇地表风化基岩(厚层砂岩裂隙带)不返水，随钻随漏(耗水量不小于110 m3/h)，使用惰性堵漏材料堵漏(共消耗膨润土25 t、黄原胶0.5 t，火碱1 t、纤维素5 t、红土10 t、大裂隙随钻堵漏剂3 t、大堵随钻惰性材料3 t、白灰3 t、锯末40袋以及就地取材风化岩土8 t). 钻进至52.99 m，一开结束，调整泥浆漏斗黏度至50 s，循环排渣，确保下套管，固井作业顺利。

2) 二开井段。

二开在一开膨润土钻井液的基础上，加入羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺和润滑剂，提高钻井液的抑制、防塌和携带岩粉能力，减少固相含量，钻井液性能控制在：密度1.05～1.10 g/cm3，含沙量0.2%～0.3 %. 二开完钻后，必须进行顺井，确保测井、下套管和固井作业顺利。

3) 三开井段。

三开钻进前，换掉二开使用的钻井液，重新配置无固相泥浆，配方：清水+0.5%～0.6% NaOH +0.1%～0.5% CMC+0.1%～0.5% PAM+5%～6%润滑剂，钻井液性能控制在：密度1.05 g/cm3以内，含沙量0.1 %以内，黏度20～30 s. 三级固控装置要同时使用，确保钻井液中的有害固相能够及时排出，保障水平段施工安全。

4 实钻效果

TL-L-12507井2019年5月30日开钻，2019年7月8日完井，钻井周期40天。钻孔结构图见图3，钻孔轨迹图见图4.

图3 TL-L-12507钻孔结构图

该井完钻井深1 117.92 m，井斜角87.10°，方位角141.29°，垂深503.27 m，水平位移737.40 m，靶点距离2#煤层顶板38.19 m，实钻轨迹平滑，与设计轨迹吻合，满足设计要求。

5 经 验

1) 地层的可钻性比较适宜二开和三开钻进。在进入二开施工后，地层以细粒砂岩和砂质泥岩为主，岩层相对完整，没有发生漏失、塌孔，地层可钻性较好，钻进比较安全。

2) 高性能泥浆是水平井钻进的新鲜“血液”。通过合理配置泥浆，使泥浆比重控制在1.05 g/cm3，黏度控制在20～30 s，有利于携带井内岩粉，减少钻头反复研磨，提高钻效；有利于保护井壁、润滑钻具，保证孔内安全；有利于无线测斜探管可靠传输数据。

3) 在造斜段和稳斜段采用“单弯螺杆钻具+MWD”定向技术，该技术是比较先进且成熟的定向钻进技术，有很好的理论支撑。MWD定向仪器测量精度高，误差小，可以控制螺杆钻具准确的在目的层中钻进，为成功完井提供了技术保证。

6 建 议

1) 西山煤系地层铝泥质含量高，属于造浆地层，钻进过程中发生泥浆密度升高过快，短时间不能降低的现象。建议采取以下措施：提前预制新浆，采取稀释泥浆措施；选择可以快速降低泥浆密度的离心机。

2) 由于造斜段距离较短，发生托压增斜现象。建议采取以下措施：将造斜点提前；配置对应尺寸的加重钻杆。