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:侯艷波，1983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，現中聯煤層氣有限責任公司從事煤層氣勘探開發工作。電子郵箱:hybjerry@163.com
(中國聯合煤層氣有限責任公司北京100011)
煤層氣儲層特征與常規天然氣儲層的差異決定了煤層氣鉆井、完井和儲層保護的特殊性。在不斷試驗和總結的基礎上，研究出了壹套適合煤層氣開發的定向井鉆井技術和井質量控制措施，符合煤層氣工業化、商業化開發降低鉆采成本的需求，對煤層氣經濟高效開發具有借鑒意義。
關鍵詞:煤層氣定向井鉆井技術井身質量
煤層氣定向井鉆井技術
顏波張李青邵勇
(中國聯合煤層氣有限責任公司，北京，100011，中國)
摘要:煤層氣儲層與常規天然氣有許多不同之處。這些差異決定了煤層氣在鉆井、完井和儲層保護方面的特殊性。在不斷試驗和總結的基礎上，本文研究出了煤層氣定向井鉆井工藝及質量控制的技術體系。這滿足了煤層氣產業化和商品化中降低鉆井和生產成本的要求。這對經濟高效地開采煤層氣具有參考意義。
關鍵詞:煤層氣；定向井；鉆井技術；井質量
石莊南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和高平市。該地區北距山西省省會太原260公裏，東南距晉城市60公裏。區塊總面積約388 km2，3號煤層資源豐度為65438+6900萬m3/km2。該區塊已成功開發煤層氣井400多口，平均單井產氣量>:1000m3/d .由於該地區山巒重疊、溝壑縱橫、林木茂密，從保護環境、降低征地和鉆前施工難度等方面考慮，在當地地形復雜、林地茂密的地區部署2至4口定向井的叢式井，開發煤層氣。叢式井還能有效降低地面集輸建設成本和日常采後生產管理成本，是壹種適合該區煤層氣大規模開發的鉆井技術。
1地質調查
石莊南區塊第四紀黃土厚度約30m。已開發的3號煤層所鉆遇的基巖地層自上而下依次為劉家溝組、石千峰組、上石河組、下石盒子組、山西組、太原組。鉆孔原則為3號煤層底板以下50m。詳見表1。總的來說，該地區地質條件簡單，煤儲層埋深適中。
表1石莊南塊地層特征匯總表
2建築設計
以TS04C叢式井組為例。井組包括四口定向井，井門方向86°，磁偏角-2.9°，井口間距5m，呈直線排列。設計中要充分考慮防碰措施，合理安排鉆井順序，使每口井的設計方向呈放射狀分布，井眼軌跡不交錯。具體設計見圖1和圖2。
完井工藝:壹開直徑φ311.15mm，完鉆至穩定基巖10m，下φ244.5mm×8.94mm表層套管，固井水泥返至地面。二開直徑φ15.9mm，鉆井深度65438。
圖1 TS04C井組水平投影圖
圖2 TS04-4D井眼軌跡數據
3鉆井設備和鉆井工具
3.1設備
鉆機:TSJ-2000；GZ2000GZ2600 .鉆塔:A形，荷載≥700KN。泥漿泵:3n b-350；3n b-500；3NB-800排量20 ~ 30L/s功率:12V135，8V190，12V190柴油機。
3.2鉆井工具和其他
φ127mm鉆桿，φ159mm無磁鉆鋌，φ159mm鉆鋌，φ165mm(1.25/1.5)單彎螺桿，φ214mm穩定器。
4鉆井技術
4.1泥漿工藝
首先，用膨潤土粉、純堿、燒堿、少量鉀聚丙烯酰胺KPAM和羧甲基纖維素鈉CMC配制低固相鉆井液。純堿和燒堿主要是提高粘土的水化分散相能量，減少失水，增加粘度，調節泥漿的PH值。CMC降濾失劑提高了粘土顆粒的聚集穩定性，有助於維持鉆井液中微細顆粒的含量，形成致密濾餅，降低濾失量，抑制泥巖等水敏性地層的膨脹，並能有效固結井壁。此外，CMC降濾失劑可以增加鉆井液的攜巖能力，降低含砂量，有效控制有害固相含量，降低重復破巖的概率，延長鉆頭、螺桿等鉆具的使用壽命，提高鉆井效率。KPAM具有控制地層造漿、降低失水、改善流態、增加潤滑性等功能。它能穩定井壁，降低鉆井液濾失量，提高機械鉆速。當鉆至目標煤層時，鉆井液應換成清水，直到鉆完為止。若鉆井遇到漏層或易漏地層，可在保護儲層的前提下適當調整泥漿性能，並酌情加入堵漏劑等處理劑，確保工程順利完成。
煤層段鉆井液性能:密度1.02~1.05g/cm3，粘度22~25s，pH 7.5~8.5，含砂量。
4.2地面鉆井技術
BHA:φ311.15mm三牙輪鉆頭+φ159mm鉆鋌+φ127mm鉆桿。
壹開段為第四系黃土層，含少量卵石，結構松散，易漏塌。鉆進過程中，主要保證不漏，適當調整泥漿。鉆孔開始時，應緩慢鉆進並吊起，保證不塌不直，控制泵壓和排量，防止黃土層漏失。
壹開采用φ311.15mm牙輪鉆頭鉆進，WOB 30～50KN，泵壓2MPa。壹開鉆穿基巖10m以上後，完鉆，下φ244.5mm×8.94mmJ55表層套管，套管接箍與地面平齊，用密度為1.80g/cm3的水泥固井返地面。
4.3垂直井段鉆井技術
BHA:φ215.9毫米鉆頭+φ159毫米鉆鋌+φ127毫米鉆桿。
二開垂直井段地層主要為砂巖和泥巖，可鉆性好。采用常規塔式鉆具結構。為了防止井斜的鉆井參數，仍然采用輕壓提升的原則，每隔30m測量壹次井斜，盡快跟蹤監測井斜和方位變化，防止碰撞，降低施工風險。
4.4定向井段鉆井技術
鉆具組合:φ215.9mm鉆頭+φ 165mm(1.25/1.5)單彎螺桿+φ159mm無磁鉆鋌+φ159mm鉆鋌*6根+φ65438。
當二開鉆至井深約100米時，開始定向造斜。定向偏斜時，應鎖緊轉盤，使用單彎螺桿或直螺桿加彎接頭進行定向偏斜。測斜儀應定期校準羅盤，確保數據采集準確，壹次鉆1至2個單測斜儀，鉆入井段的測斜儀間距應≤20m。定向初期要控制好井斜和方位，防止工具面錯位，難以控制。在防碰井段和定向造斜井段鉆進時，鉆井隊要密集測點、勤計算、勤繪圖，密切掌握和預測井眼軌跡的變化；經常打撈砂樣，觀察是否出現水泥巖屑；仔細分析蹦蹦跳跳的現象。鉆井參數:WOB 50 ~ 60KN，泵壓3~4MPa，螺桿馬達轉速200~300r/min。鉆井過程中，根據井眼軌跡實時調整鉆井參數，在方位誤差增大時穩定控制方位。
考慮到煤層氣井排采的特殊性、穩定性和連續性，產能建設單位對井眼軌跡要求較高，尤其是定向井斜段。井眼軌跡越平滑，曲率越小，泵送系統與地層之間的偏磨損失越小，更有利於生產裝置的連續穩定排液和生產。因此要求造斜段坡度≤4°/30m，造斜和扭轉段三個連續測點的全角變化率≤5°/25m。
4.5穩定傾斜段鉆井技術
BHA: φ215.9mm鉆頭+φ214mm穩定器+φ159mm無磁鉆鋌+φ159mm鉆鋌×6根鉆桿+φ127mm。
由於采用垂直-增量-穩定三段井身剖面，穩定段原則上不允許降低頂角。為了避免定向井井眼軌跡失控現象，鉆井施工中應重視過程控制。穩定傾斜井段要求均勻的鉆井輸送和鉆井速度，以確保均勻的鉆具載荷和平穩的作業。鉆透煤層時，應盡可能拆除穩定器。雖然煤層段以下的孔斜會略減小2 ~ 3°，但能有效防止煤層段的孔徑嚴重坍塌，避免埋鉆等事故發生的概率，降低鉆孔施工的風險。
根據目標閉合方位角誤差小於5°，目標區半徑為20m的要求，穩斜段鉆井技術的核心是嚴格控制井眼軌跡和方位漂移，根據井斜調查情況及時調整鉆井參數和鉆具組合，確保井順利命中目標。主要措施是調整穩定器放置位置，改變穩定器外徑，調整鉆鋌長度和WOB，達到穩定井斜和方位的效果。在實際應用中，雙支撐鐘擺鉆具對井眼軌跡的控制效果最好。雙支撐鐘擺鉆具能有效減少局部狗腿問題，使軌跡更加平滑。雖然增加了鉆井難度，但為後期完井和下套管打下了良好的基礎。鉆井參數:WOB 80~120KN，泵壓3MPa。鉆井後，下φ139.7mm×7.72mmJ55生產套管。通過在套管鞋和回壓閥之間下入約3m的短套管，可以有效增加引流袋的長度，在傾斜段等狗腿度較大的井段可以增加套管扶正器的數量。用密度為1.65g/cm3的水泥固井，水泥漿返至目標煤層以上200米。
5 .煤層氣定向井鉆井新技術
目前，鉆井施工單位為了提高鉆井效率，普遍采用螺桿鉆具與轉盤相結合的復合鉆井技術，通過轉盤與螺桿液壓馬達的配合，減少鉆井次數，提高機械轉速。此外，如果需要調整井斜和扭曲方向，可以根據井眼軌跡隨時調整，及時高效地控制鉆井軌跡。如果與PDC組合形成四合壹的鉆具結構，可以在壹次鉆井中完成從二次鉆井到完井，可以明顯縮短鉆井周期，縮短井筒。BHA: φ215.9mmPDC鉆頭+φ165mm.1.25單彎螺桿+φ159mm鉆鋌× 3m+φ 210mm穩定器+φ165mm定向接頭(0)。鉆井參數:WOB 50~60KN，泵壓3~4MPa，螺桿馬達轉速200~300r/min。
由於煤層氣井對定向井軌跡和鉆井效率的要求越來越高，可以引入MWD技術和復合鉆井技術相結合，更好、更方便地控制井眼軌跡，提高鉆井效率。低成本鉆井技術是目前我國煤層氣資源的發展趨勢，照搬常規油氣田開發的隨鉆測井設備和技術會對鉆井成本產生很大影響。但是，隨著煤層氣的大規模開發和對鉆井工程越來越高的要求，適合我國煤層氣開發現狀的MWD和LWD技術將在不久的將來出現，具有非常廣闊的發展前景。
6結論
(1)利用叢式井鉆井技術開發煤層氣資源，可以節約土地資源，保護環境，有效降低地面集輸工程和後期生產經營成本，經濟效果顯著。
(2)垂直-增量-穩定三級井身剖面可靠合理，最有利於井眼軌跡控制和鉆井施工，適用於煤層氣生產。
(3)結合地層和井眼軌跡的實際情況，合理優化不同井段的鉆井參數，過程控制是定向井鉆井技術的關鍵。只有嚴密監控井眼軌跡，結合高效鉆井技術，才能保證每口井都以最優井眼軌跡順利命中目標。
(4)四合壹鉆具結構的使用具有很強的穩定井斜和方位的能力，減少了起下鉆次數。結合MWD，可以降低井眼軌跡失控的風險，有效提高鉆井效率。
參考
魯貴州。2010.定向井井眼軌跡控制[J].陜西煤炭，1:85~86
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Xi洪曦，劉強，劉星光。2005.叢式井鉆井技術在陜北油田的應用[J].科技信息發展與經濟，15(7):293~294