侯巖波 孫建平 張 健 孫 強 李紹勇
( 中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011)
摘 要: 煤層氣儲層特征等方面與常規天然氣儲層的差異，決定了煤層氣鉆井、完井、儲層保護等技術的特殊性。在不斷試驗和總結的基礎上，本文研究出了壹整套適合煤層氣開發的定向井鉆井工藝技術及井身質量控制措施，符合產業化、商業化開發煤層氣對降低鉆井及生產成本的訴求，對經濟高效開發煤層氣具有借鑒意義。
關鍵詞: 煤層氣 定向井 鉆井工藝 井身質量
Drilling Technology in Coalbed Methane Directional Well
HOU Yanbo SUN Jianping ZHANG Jian SUN Qing LI Shaoyong
( China United Coalbed Methane Co. ，Ltd，Beijing，100011，China)
Abstract: The reservoir of coal bed methane has many differences from conventional natural gas. These differences determine particularity of coal bed methane in drilling，well completion and reservoir protection. In the foundation of continuous experiment and summarize，this article study out a technical system in the drilling tech- nology in directional coal bed methane well and well quality controlling. These meet the requirements of reduce drilling and production cost in coal bed methane industrialization and commercialization. It has reference signifi- cance in exploiting coal bed methane economically and efficiently.
Keywords: coal bed methane; directional well; drilling technology; well quality
基金項目:國家科技重大專項《山西沁水盆地南部煤層氣直井開發示範工程》(編號2009ZX05060)
作者簡介:侯巖波，1983年出生，男，河北遷安人，碩士，2009年畢業於中國礦業大學(北京)地質工程專業，現在中聯煤層氣有限責任公司從事煤層氣勘探開發工作。Email:hybjerry@163.com
柿莊南區塊位於沁水盆地南部太行山西麓，行政隸屬於山西省晉城市沁水縣及高平市。該區向北距山西省省會太原260公裏，向東南距晉城市60公裏，區塊總面積約388km2，3#煤層資源豐度1.69億m3/km2，本區塊已成功開發了400余口煤層氣井，單井平均產氣量>1000m3/d。由於本區山巒重疊，溝壑縱橫，森林密布，從保護環境，降低征地及鉆前施工難度方面考慮，在局部地形復雜、林地密集地區部署2至4口定向井的叢式井井組進行煤層氣開發，叢式井還可有效降低地面集輸建設成本及日後排采的生產管理成本，是壹種適用於該地區煤層氣大規模開發的鉆井技術。
1 地質概況
柿莊南區塊第四系黃土層厚約30m，開發3#煤層鉆遇基巖地層自上而下依次為劉家溝組、石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組(未鉆穿)，完鉆原則為3#煤層底板以下50m，詳見表1，總體而言該區地質條件簡單，煤儲層埋深適中，煤層氣資源豐度高，開發條件優越。
表1 柿莊南區塊地層特征簡表
2 施工設計
以TS04C叢式井井組為例，該井組包括4口定向井，大門方向86°，磁偏角為－2.9°，井口間距5m且呈直線排開，設計時應充分考慮防碰措施，合理安排鉆井順序，使各井設計方位呈放射狀分布，井眼軌跡不互相交錯，具體設計見圖1、圖2。
成井工藝:壹開井徑φ311.15mm，鉆至穩定基巖10m完鉆，下入φ244.5mm×8.94mm表層套管，固井水泥需返至地面，二開井徑φ215.9mm，鉆至井深100m左右，開始改用螺桿鉆具定向鉆進，采用直增穩三段制井身剖面，最終穩斜至3#煤以下50m井深完鉆，下入φ139.7mm×7.72mm生產套管固井。
圖1 TS04C井組水平投影圖
圖2 TS04-4D井身軌跡數據
3 鉆井設備與鉆具
3.1 設備
鉆機:TSJ-2000;GZ2000;GZ2600。鉆塔:A字型，負荷≥700KN。泥漿泵:3NB-350;3NB-500;3NB-800，排量20～30L/s。動力:12V135，8V190，12V190柴油機。
3.2 鉆具及其他
φ127mm鉆桿、φ159mm無磁鉆鋌、φ159mm鉆鋌、φ165mm(1.25°/1.5°)單彎螺桿、φ214mm穩定器、單點照相/電子測斜儀。
4 鉆井工藝
4.1 泥漿工藝
壹開用膨潤土粉、純堿、燒堿、少量的聚丙烯酰胺鉀鹽KPAM及鈉羧甲基纖維素CMC等有機處理劑配置低固相鉆井液。純堿及燒堿主要起改善粘土的水化分散相能，起到降失水、增粘和調節泥漿PH值的作用。CMC降失水劑提高了粘土顆粒的聚結穩定性，有利於保持鉆井液中細顆粒的含量，形成致密的濾餅，降低濾失量，抑制泥巖等水敏地層膨脹，能有效鞏固井壁，此外還有增粘作用，提高鉆井液的攜帶巖屑能力，使含砂量降低，有效控制有害固相含量，減少重復破巖的幾率，可延長鉆頭及螺桿等鉆具的使用壽命，提高鉆進效率。KPAM具有控制地層造漿的作用並兼有降失水、改善流型及增加潤滑性等功能，能起到穩定井壁、降低鉆井液濾失量，達到提高鉆速的作用。在鉆至目的煤層時，鉆井液換用清水鉆進直至完鉆，若鉆遇漏層或易垮地層，在保護儲層的前提下可適當調整泥漿性能，酌情填加堵漏劑及其他處理劑以保證工程順利完成。
煤層段鉆井液性能:密度1.02～1.05g/cm3，粘度22～25s，pH值7.5～8.5，含砂量<0.2%。
4.2 表層鉆進技術
鉆具組合:φ311.15mm三牙輪鉆頭+φ159mm鉆鋌+φ127mm鉆桿。
壹開井段為第四系黃土層並含少量卵石，結構疏松，易漏易垮，鉆進時主要保證不漏，適當調整泥漿，在鉆進開始時要慢鉆、吊打，保證不塌、打直，控制泵壓、排量，防止把黃土層打漏。
壹開采用φ311.15mm牙輪鉆頭鉆進，鉆壓30～50KN，泵壓2MPa。壹開鉆穿基巖超過10m後完鉆，下入φ244.5mm×8.94mmJ55表層套管，套管節箍與地面水平，采用密度1.80g/cm3水泥固井並返至地面。
4.3 直井段鉆井技術
鉆具組合:φ215.9mm鉆頭+φ159mm鉆鋌+φ127mm鉆桿。
二開直井段地層以砂巖、泥巖為主，可鉆性較好，采用常規塔式鉆具結構，為防止井斜鉆進參數仍采用輕壓吊打原則，並每鉆進30m測斜壹次，盡早跟蹤監測井斜及方位變化，做好防碰，降低施工風險。
4.4 定向造斜段鉆井技術
鉆具組合:φ215.9mm鉆頭+φ165mm(1.25°/1.5°)單彎螺桿+φ159mm無磁鉆鋌+φ159mm鉆鋌*6根+φ127mm鉆桿。
二開鉆進至井深約100m時開始定向造斜，造斜定向造斜時要鎖死轉盤，采用單彎螺桿或直螺桿加彎接頭定向造斜。測斜儀器要定期校正羅盤，保證數據采集準確，鉆進1至2個單根測斜壹次，螺桿鉆進井段測斜間距≤20m。應在定向初期控制好井斜、方位，以防工具面常擺不到位，難以控制。在防碰井段及定向造斜段鉆進時，鉆井隊要加密測點，勤計算，勤作圖，密切掌握和預測井眼軌跡的變化;勤撈砂樣觀察是否出現水泥鉆屑;認真分析蹩、跳鉆現象。鉆進參數:鉆壓50～60KN，泵壓3～4MPa，螺桿馬達轉速200～300r/min，鉆進過程中根據井眼軌跡實時調節鉆進參數，方位誤差變大則轉速降低穩步控制方位。
考慮到煤層氣井排采生產的特殊性、穩定性與連續性，產能建設單位對井眼軌跡尤其是定向造斜段有著較高要求，井眼軌跡越平滑曲率越小，泵抽系統與地層間的偏磨損耗則越小，越有利於生產單位連續穩定排采，因此要求造斜段造斜率≤4°/30m，造斜和扭方位井段連續三個測點的全角變化率≤5°/25m。
4.5 穩斜段鉆井技術
鉆具組合:φ215.9mm鉆頭+φ214mm穩定器+φ159mm無磁鉆鋌+φ159mm鉆鋌×6根+φ127mm鉆桿。
由於采用直增穩三段制井身剖面，穩斜段原則上不允許下調頂角，為了避免出現定向井井眼軌跡失控現象，鉆井施工中應以過程控制為重點。穩斜段要求送鉆及鉆速均勻，保證鉆具負荷均勻，平穩工作。鉆具組合在鉆穿煤層時盡量去掉穩定器，雖煤層段以下井斜會微降2°～3°，但可有效防止煤層段井徑嚴重垮塌，避免埋鉆等事故發生幾率，降低鉆井施工風險。
根據要求靶點閉合方位誤差小於5°，靶區半徑20m，穩斜段鉆井技術的核心就是嚴密控制井眼軌跡及方位漂移情況，根據測斜情況及時調整鉆井參數及鉆具組合，保證該井順利中靶，主要措施是調整穩定器安放位置，改變穩定器外徑，調整鉆鋌長度及鉆壓等參數以達到穩斜穩方位效果，在實際應用中，雙扶鐘擺鉆具的井眼軌跡控制效果最佳，雙扶可以有效減少局部狗腿問題，使軌跡更平滑，雖然增加了鉆井的難度，但是為後期完井和下套管作業打下了較好的基礎。鉆進參數:鉆壓80～120KN，泵壓3MPa。完鉆後下入φ139.7mm×7.72mmJ55生產套管，通過在套管鞋和回壓凡爾之間下入壹根3m左右的短套管，可有效增加排采口袋長度，在增斜段等狗腿較大井段增加套管扶正器安放個數，采用密度1.65g/cm3水泥固井，水泥漿返至目的煤層以上200m。
5 煤層氣定向井鉆井新工藝
目前，鉆井施工單位為提高鉆進效率，普遍采用螺桿鉆具和轉盤相結合的復合鉆進技術，從而減少旗下鉆次數，並通過轉盤和螺桿水力馬達的配合提高機械轉速，此外如需調整井斜與扭方位，不需起下鉆，可根據井眼軌跡情況隨時調整，對鉆井軌跡控制及時高效，若與PDC配合組成四合壹鉆具結構，壹趟鉆便可完成從二開到完井，可以明顯縮短鉆井周期並將井身軌跡控制到最優。鉆具組合:φ215.9mmPDC鉆頭+φ165mm.1.25°單彎螺桿+φ159mm鉆鋌×3m+φ210mm穩定器+φ165mm定向接頭(0°)+φ159mm無磁鉆鋌+φ159mm鉆鋌+φ127mm鉆桿。鉆進參數:鉆壓50～60KN，泵壓3～4MPa，螺桿馬達轉速200～300r/min。
由於對煤層氣井定向井井身軌跡及鉆進效率要求越來越高，可以引入MWD技術與復合鉆進技術相結合，可以更好更方便地控制井眼軌跡，提高鉆進效率。由於低成本鉆井技術是目前中國煤層氣資源開發的趨勢，照搬應用常規油氣田開發的隨鉆測井裝備及技術會對鉆井成本產生較大影響，但隨著煤層氣的大規模開發和對鉆井工程提出越來越高的要求，不久的將來會出現適用於中國煤層氣開發現狀的MWD和LWD技術，其有著非常廣闊的發展前景。
6 結論
(1)采用叢式井鉆井技術開發煤層氣資源，可節約土地資源，保護環境並有效降低地面集輸工程及後期生產運營成本，經濟效果顯著。
(2)直增穩三段制井身剖面可靠合理，最有利於井身軌跡的控制和鉆井施工，適宜煤層氣的排采生產。
(3)不同井段在鉆進過程中結合地層及井眼軌跡實際情況合理優化鉆進參數，過程控制是定向井鉆井技術的關鍵，只有嚴密監測井身軌跡並結合高效的鉆井工藝，才能保證每口井以最優的井眼軌跡順利中靶。
(4)使用四合壹鉆具結構有很強的穩斜、穩方位能力，並減少起下鉆次數，與MWD相結合可減少井眼軌跡失控風險，並能有效提高鉆進時效。
參考文獻
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