TL-L-12507煤層氣水平井鉆井技術(shù)

薛 磊

(西山煤電集團 礦業(yè)管理有限公司鉆探分公司， 山西 太原 030053)

“L”型鉆井抽采瓦斯技術(shù)是我國近年來發(fā)展起來的一種新型高效瓦斯抽采技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。在水平鉆井技術(shù)已在煤層氣開采中廣泛應(yīng)用的前提下，確定水平鉆井水平段合理位置成為“L”型鉆井抽采瓦斯的一個關(guān)鍵點[1]. 國內(nèi)外相關(guān)單位采用“L”型水平鉆井技術(shù)實現(xiàn)煤與瓦斯共采，取得了良好的安全效果和經(jīng)濟效益[2，3]. 西山礦區(qū)煤層瓦斯含量高，治理難度大，雖然采取了本煤層抽放、地面預(yù)抽等瓦斯抽放方法，但由于工作面瓦斯涌出量大，在工作面回采過程中回風瓦斯?jié)舛热匀惠^高，影響了工作面的安全生產(chǎn)。為解決屯蘭礦12507工作面在回采過程中上隅角瓦斯問題，同時實現(xiàn)高產(chǎn)高效條件下的采煤采氣一體化，決定在該工作面地面施工“L”型煤層氣井。

1 TL-L-12507井地質(zhì)概況

12507工作面長1 669～1 702 m，寬220 m，2#、3#煤層合并開采，煤巖層總厚為3.2～5.0 m，平均3.98 m. 工作面標高為661～726 m，地面標高為1 123～1 251 m，蓋山厚度433～586 m.

該工作面區(qū)域地表以山地地形為主，切割強烈，溝谷縱橫，主要溝谷為肚肚溝。經(jīng)對地表調(diào)查走訪，該區(qū)大部被黃土覆蓋，地表施工有T35和T42兩個煤田鉆孔及XST-B15和XST-B16兩個煤層氣鉆孔，地表肚肚溝為季節(jié)性溝谷，雨季間歇性匯集少量積水。

TL-L-12507煤層氣孔鉆遇地層依次為第四系、二疊系上石盒子組、下石盒子組，水平段鉆遇地層巖性為砂質(zhì)泥巖，中間夾0.8 m厚細砂巖,終孔層位在2#煤頂板上約40 m.

2 TL-L-12507井設(shè)計

2.1 井位設(shè)計

根據(jù)地面踏勘情況，并結(jié)合井下選定區(qū)域，選擇地形較為平緩，交通較為便利的位置確定井位，以方便施工、運輸及后期的瓦斯抽采。選定孔位在對坡村西，孔位坐標由該礦提供，孔口的井下位置在12507工作面距回風巷70 m處(圖1). 井位設(shè)計數(shù)據(jù)見表1.

表1 TL-L-12507井設(shè)計井位數(shù)據(jù)表

圖1 TL-L-12507井上下對照圖

2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

該井采用三開井身結(jié)構(gòu)，目的層水平段采用裸眼完井方式。

1) 一開采用d311.15 mm牙輪鉆頭，鉆穿基巖風化帶10 m 后(預(yù)計井深 40.00 m以實鉆地層為準)，下入鋼級 J55的d273.1 mm表層套管，封固地表疏松層。下入深度約40 m，注油井水泥全封固。

2) 二開采用d241.3 mm鉆頭鉆進至2#煤層頂板上40 m，下入鋼級J55的d193.7 mm技術(shù)套管，注油井水泥固井返至地面。

3) 三開采用d171.5 mm 鉆頭從著陸點鉆至靶點，裸眼完井[4，5].TL-L-12507井結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.

圖2 TL-L-12507井結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 軌跡設(shè)計

TL-L-12507井的特點是垂深淺、水平位移大。因此，在井眼軌跡設(shè)計時，要重點考慮以下兩個因素: 1) 井眼軌跡的控制。由于煤層氣井埋藏較淺，著陸前可供控制的井段較短，因此，設(shè)計的井眼軌道必須有利于井眼軌跡控制，確保準確著陸。2) 水平段托壓問題。由于該井水平段位移大，在水平段鉆進時鉆柱能提供的鉆壓有限，使得水平段施工存在加壓難問題，特別是滑動鉆進時更加困難。因此，所設(shè)計的水平井井眼軌跡必須盡可能光滑，以最大限度減少摩阻[6,7].

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

TL-L-12507井的井眼軌跡設(shè)計參數(shù)見表2.

表2 TL-L-12507井軌跡設(shè)計主要參數(shù)表

2.4 鉆井液設(shè)計

由于砂質(zhì)泥巖吸水水化膨脹，所以在施工水平井時容易發(fā)生坍塌卡鉆事故。

針對上述難點，該井采用以下設(shè)計方案：

1) 一開設(shè)計使用膨潤土鉆井液，解決大井眼的攜巖問題。

2) 二開設(shè)計使用低固相鉆井液體系，提高鉆井液密度，并通過封堵劑封堵地層的層理裂隙，有效防止地層垮塌。

3) 三開水平段設(shè)計使用無固相鉆井液體系，提高鉆井液的穩(wěn)定性，嚴格控制鉆井液濾失量≤8 mL. 水平段為生產(chǎn)層位，需要進行儲層保護[8].

施工過程中采用固控設(shè)備，加強鉆井液凈化工作，嚴格控制固相含量，確保水平段不受鉆井液固相污染。

3 現(xiàn)場施工工藝

3.1 井眼軌跡控制

1) 一開井段。

一開井段(0～52.99 m)易井斜，采用滿眼鉆具組合：d311.15 mm鉆頭+630×410雙母接手+d178 mm鉆鋌5根+d127 mm鉆桿，鉆壓控制在10～60 kN，輕壓鉆進。

2) 二開直井段。

二開直井段(52.99～152.79 m)重點是控制井斜，采用滿眼鉆具組合：d241.3 mm鉆頭+630×4A10雙母接手+d159 mm鉆鋌3根+4A11×410公母接手+d127 mm鉆桿，鉆壓控制在40～60 kN，井斜控制在0.8°以內(nèi)，為后續(xù)井段施工創(chuàng)造了良好的條件。

3) 二開造斜段。

造斜段(152.79～579.78 m)重點是確保螺桿的造斜率能夠達到設(shè)計要求，采用“單彎螺桿鉆具+MWD”的常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合：d241.3 mm鉆頭+d185 mm×1.5°單彎螺桿+4A11×410公母接手+411×410定向接頭+411×4A10公母接手+d165 mm無磁鉆鋌1根+4A11×410公母接手+d127 mm鉆桿，定向鉆進至579.78 m處著陸，井斜85.56°，垂深476.02 m，水平位移198.89 m.

4) 三開水平段。

水平段 (579.78～1 117.92 m) 重點是確保井眼軌跡在目的層的穿透率。采用 “單彎螺桿鉆具+MWD”的導(dǎo)向鉆具組合: d171.5 mm鉆頭+d127 mm×1.25°單彎螺桿+311×310定向接頭+d121 mm無磁鉆鋌+d89 mm加重鉆桿2根+d89 mm鉆桿89根+d89 mm加重鉆桿22根+d89 mm鉆桿，在參考區(qū)域資料、鄰井柱狀圖等資料，結(jié)合本井的巖屑錄井的基礎(chǔ)上，利用伽馬測量儀確定目的層位置準確地鉆入設(shè)計目的層并在其層位中有效地延伸。

3.2 鉆井液維護

1) 一開井段。

在鉆進至5 m、12 m、18 m、25 m處均鉆遇地表風化基巖(厚層砂巖裂隙帶)不返水，隨鉆隨漏(耗水量不小于110 m3/h)，使用惰性堵漏材料堵漏(共消耗膨潤土25 t、黃原膠0.5 t，火堿1 t、纖維素5 t、紅土10 t、大裂隙隨鉆堵漏劑3 t、大堵隨鉆惰性材料3 t、白灰3 t、鋸末40袋以及就地取材風化巖土8 t). 鉆進至52.99 m，一開結(jié)束，調(diào)整泥漿漏斗黏度至50 s，循環(huán)排渣，確保下套管，固井作業(yè)順利。

2) 二開井段。

二開在一開膨潤土鉆井液的基礎(chǔ)上，加入羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺和潤滑劑，提高鉆井液的抑制、防塌和攜帶巖粉能力，減少固相含量，鉆井液性能控制在：密度1.05～1.10 g/cm3，含沙量0.2%～0.3 %. 二開完鉆后，必須進行順井，確保測井、下套管和固井作業(yè)順利。

3) 三開井段。

三開鉆進前，換掉二開使用的鉆井液，重新配置無固相泥漿，配方：清水+0.5%～0.6% NaOH +0.1%～0.5% CMC+0.1%～0.5% PAM+5%～6%潤滑劑，鉆井液性能控制在：密度1.05 g/cm3以內(nèi)，含沙量0.1 %以內(nèi)，黏度20～30 s. 三級固控裝置要同時使用，確保鉆井液中的有害固相能夠及時排出，保障水平段施工安全。

4 實鉆效果

TL-L-12507井2019年5月30日開鉆，2019年7月8日完井，鉆井周期40天。鉆孔結(jié)構(gòu)圖見圖3，鉆孔軌跡圖見圖4.

圖3 TL-L-12507鉆孔結(jié)構(gòu)圖

該井完鉆井深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，靶點距離2#煤層頂板38.19 m，實鉆軌跡平滑，與設(shè)計軌跡吻合，滿足設(shè)計要求。

5 經(jīng) 驗

1) 地層的可鉆性比較適宜二開和三開鉆進。在進入二開施工后，地層以細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，巖層相對完整，沒有發(fā)生漏失、塌孔，地層可鉆性較好，鉆進比較安全。

2) 高性能泥漿是水平井鉆進的新鮮“血液”。通過合理配置泥漿，使泥漿比重控制在1.05 g/cm3，黏度控制在20～30 s，有利于攜帶井內(nèi)巖粉，減少鉆頭反復(fù)研磨，提高鉆效；有利于保護井壁、潤滑鉆具，保證孔內(nèi)安全；有利于無線測斜探管可靠傳輸數(shù)據(jù)。

3) 在造斜段和穩(wěn)斜段采用“單彎螺桿鉆具+MWD”定向技術(shù)，該技術(shù)是比較先進且成熟的定向鉆進技術(shù)，有很好的理論支撐。MWD定向儀器測量精度高，誤差小，可以控制螺桿鉆具準確的在目的層中鉆進，為成功完井提供了技術(shù)保證。

6 建 議

1) 西山煤系地層鋁泥質(zhì)含量高，屬于造漿地層，鉆進過程中發(fā)生泥漿密度升高過快，短時間不能降低的現(xiàn)象。建議采取以下措施：提前預(yù)制新漿，采取稀釋泥漿措施；選擇可以快速降低泥漿密度的離心機。

2) 由于造斜段距離較短，發(fā)生托壓增斜現(xiàn)象。建議采取以下措施：將造斜點提前；配置對應(yīng)尺寸的加重鉆桿。