平顶山首山一矿煤层气钻井施工工艺的实践及应用

杜贵亭

(河南省煤田地质局四队,河南 467000)

平顶山首山一矿煤层气钻井施工工艺的实践及应用

杜贵亭

(河南省煤田地质局四队,河南 467000)

用钻井手段形成煤层气生产井并通过技术手段抽取煤层中的煤层气,既可以为今后的煤矿生产降低安全隐患,又可以提供一种清洁的新型能源,同时也能够缓解能源紧张的局面,本文介绍了平顶山矿区首山一矿的煤层气抽放情况及根据其特点所采取的措施。

首山一矿 煤层气 钻井 钻具组合

Abstract:The means of building CBM production wells by drilling wells and draining CBM in the coal seam with special technique will not only reduce the safety risks during coal mining process,but also will provide a type of new clean energy,which can at the same time ease the energy crisis.The paper introduces CBM recovery in Shoushan No.1 Mine and the meaeures taken by its situations.

Keywords:Shoushan No.1 Mine;CBM;Well drilling;BHA

近年来,煤层气作为一个新型的能源、越来越受到人们的关注和重视,对其开发利用和综合治理的工作力度也在逐年加大并取得了一定的成果。据有关资料显示,仅河南省埋深在2000m以浅的煤层气资源总量约10427.61亿m3、1500m以浅的约为7140.38亿m3。由此可见,大力开展煤层气的开发和综合利用前景可观,潜力巨大。如何开展煤层气钻井并顺利完成地质钻井施工任务,为煤层气开发利用提供技术上的支持和保障就显得十分重要。河南省煤田地质局四队在平顶山矿区首山一矿进行的煤层气钻井施工中,运用现有的钻探技术和钻探设备对煤层气的钻井施工工艺进行了有益尝试,取得了较好的实践效果。

1 地层概况

平顶山矿区首山一矿地层自上而下为第四系、二叠系上统上石盒子组、二叠系下统下石盒子组、二叠系下统山西组、石炭系太原组。

第四系:层厚68.00m左右。顶部为耕植土,其下为黄灰色粘土、亚粘土,局部夹砂砾石,松散易垮塌。与下伏地层呈角度不整合接触。

二叠系上统上石盒子组:层厚250.00m左右。上部为灰色泥岩,灰绿色砂质泥岩,夹薄层浅灰色细粒砂岩;中部为灰色、灰绿色泥岩,夹薄层浅灰色细粒砂岩;下部为灰绿色、深灰色泥岩,浅灰色细粒砂岩。

二叠系下统下石盒子组:层厚330.00m左右。上、中部以灰色、深灰色泥岩、砂质泥岩,浅灰色细粒砂岩,夹薄煤层;下部为灰色、深灰色泥岩,浅灰色、灰色砂质泥岩,浅灰色细粒砂岩及煤层。三9-10煤位于该组中下部。

二叠系下统山西组:层厚80.00m左右。本组岩性为浅灰色、灰色砂质泥岩,深灰色泥岩,浅灰色中、细粒砂岩及煤层。二1煤位于该组底部,是煤层气井的主要抽采目的煤层。

石炭系太原组:层厚35.00m左右(未钻穿)。岩性以灰色石灰岩为主,夹灰色砂质泥岩、泥岩及细粒砂岩。本组地层未钻穿。

2 施工目的和难点

2.1 施工目的

本区煤系地层为石炭二叠系,目标煤层为二叠系下统下石盒子组三9-10煤层与山西组二1煤层,钻井目的是了解本区煤层气赋存条件及含气量,获取区内与煤层气地质及生产相关的数据,主要包括:煤层埋深与厚度、煤岩及煤质特征、完成下套管及固井工作,为该区煤层气的综合治理和开发利用奠定基础。

2.2 施工难点

平顶山首山一矿煤层气生产试验井位于东南-西北走向的白石山背斜两侧,其中SY-002井位于背斜南,SY-003井、SY-004井位于背斜北,据相关资料显示,此区域地层倾角大,平顶山砂岩硬度大,钻井施工极易向背斜轴方向偏斜,预防井斜是该区块钻井施工的重点。

该地区一开施工井段地层复杂,含多层流砂及砾石层,井内安全隐患大且由于地层裂隙多,易造成井内涌漏,增加了钻井的施工难度。矿区地层泥页岩水敏性较强,遇水易水化膨胀,造成缩径,可能发生井下复杂情况,因此防卡也是钻井施工中不可忽视的工作。

由于该地区地层相对复杂,且不稳定,在二开采用清水钻进的过程中易产生坍塌、掉块等不安全因素,造成施工难度加大。

3 设备的选择

鉴于煤层埋藏深度接近1000m,且地层变化往往会导致钻孔延深,因此在选择钻探设备上,应充分考虑到这些因素,以使钻探钻井顺利达到施工目的。

钻机:TSJ-2000型钻机

柴油机:6v135柴油机

泥浆泵:3NB35型泥浆泵

钻塔:JJ50-24A以及其它配套设备

4 钻进方法及钻具组合

4.1 钻进方法

一开:0～70m采用φ311.1mm牙轮钻头钻进。二开:70m至目的层位非取芯井段采用φ215.9mmPDC钻头或牙轮钻头无芯钻进,取芯井段采用φ215.9mmPDC取芯钻头钻进。

4.2 钻具的组合:

(1)一开钻具结构:φ311.1mm钻头+φ178mm扶正器+φ159mm钻铤+φ127mm钻杆

图1 一开钻具组合示意图

(2)二开钻具结构:φ215.9mm钻头+φ178mm扶正器+φ178mm钻铤+φ159mm扶正器+φ159mm钻铤+φ127mm钻杆

图2 二开钻具组合示意图

5 泥浆的选择

(1)第三、四系地层(一开井段):采用聚丙烯酰胺低固相钻井液,用优质膨润土配置基浆,用CMC、钠土粉、纯碱调整泥浆性能。由于第三、第四系地层不稳定(见表1),流砂与卵石互层,泥浆应加入适量防塌剂,以提高泥浆防塌能力,同时起下钻具要慢、稳,防止井内压力激动,引起井壁坍塌。

表1 第三、四系泥浆性能

(2)非煤系地层段地层(见表2):采用低固相钻井液钻进,钻进时可适当加入钾盐、胺盐等防塌处理剂,加入絮凝剂提升岩屑上返能力,达到安全钻进的目的。

表2 非煤系地层段钻井液性能

(3)煤系地层段钻井液性能(见表3):煤系地层至完钻为保护煤层,严格按要求使用清水钻进。

表3 煤系地层段钻井液性能

6 安全施工保障措施

6.1 防斜措施

把好设备安装质量关,保证天车、转盘中心、井口一条线。采用合理的防斜钻具组合,确保井斜不超限。一开轻压吊打,控制钻速,在钻遇砾石层时为防止井斜突然增大,将钻压降为3K N。二开钻进应适当控制钻压且给压要均匀,钻压、转速、水量三个主要参数要科学合理,三班保持一致,防止打斜。在换径或倾角大的地层中钻进时,考虑到钻孔比较深,即便是在正常钻进情况下、也必须加带同径导向,以确保钻孔的垂直度、保证孔斜达到设计目的。要认真检查钻具连接后的同心度,不同心或弯曲和不合格的钻具不得下入孔内。严格按设计要求跟踪测斜,每50m测斜一次,及时监测井斜情况,确保井身质量。当发现井斜有加大的趋势时,要下入纠斜钻具进行纠斜。

6.2 防漏措施

地表层可提高泥浆粘度以防漏,静置以堵漏。钻井至易漏层段,可在泥浆中加谷壳、核桃壳、锯沫、屏蔽暂堵剂等材料以防止井漏。遇漏失时,认真记录其漏失量、漏失速度、漏失层位和泥浆性能。漏速超过10m3/h的大漏,须及时向相关部门请示汇报并商议解决方案后,方可进行施工。控制合理的泥浆密度,防止加重过度而压漏地层。

6.3 防塌措施

坚持做好随起钻随灌泥浆的工作,以确保钻具起完井内灌满钻井液,保持井内地层压力平衡。严格控制钻井液相对密度及性能变化的范围,控制失水,仔细观察岩屑返出情况。若发现井下垮塌,必须严密注视井下情况,保持钻井液性能的相对稳定,避免大起大落。禁止在易坍塌井段高速起下钻,严重坍塌段禁止转盘卸扣。不能长时间在同一深度大排量循环泥浆,以防冲垮井壁。防止加重过猛,压漏地层面引起井下压力失去平衡,造成更严重的坍塌漏失。

6.4 防卡措施

加强设备的维护与保养,确保钻具入井期间设备始终保持正常运转状态。调整维护好泥浆性能,确保泥浆性能一直处于优质状态。合理控制泥浆密度、做到近平衡压力钻进,防止压差卡钻。根据井下情况,适当提高钻井液密度,以平衡地层压力,抑制塑性地层向井眼方向蠕动。对于页岩膨胀地层,抑制失水,加入抑制泥页岩膨胀的处理剂。对于易缩径地层,每打完一个单根都应反复划眼。起钻过程如有遇卡现象严禁强力提拔,要反复划眼,直至畅通无阻。

6.5 防掉落物措施

起下钻前应检查大钳钳牙固定是否牢固,吊卡手柄等是否完好,吊卡挡销保险绳是否合格。下钻转盘面要干净,严禁转盘上放工具。当使用卡瓦时井口操作工应仔细检查卡瓦固定是否牢靠,卡瓦有无断裂,如有断裂的应及时更换。空井作业时应盖住井口。在井口作业时,所有工具都要系保险绳。

6.6 防钻头事故措施

钻头入井前进行“三级”检查,在确认尺寸、型号、扣型、水眼安装、钻头质量无问题后方可入井。新钻头下到井底后按规定跑合牙轮,待牙轮活动好后再加到设计钻压钻进。采取有效措施,杜绝溜钻、墩钻的发生。

6.7 实际应用

按照本文所述钻井工艺和各项技术保障措施,我单位在该矿区共施工3口煤层气生产试验井,分别为:SY-002井、设计井深760m、实际井深753.38m。SY-003井、设计井深850m、实际井深851m。SY-004井、设计井深848m、实际井深756m。由于钻探施工设计合理且技术保障措施得力有效,三口井全部实现了一次成井。

7 结论

(1)通过该矿区的钻井工作,对获得的钻井技术资料进行分析,基本上查清了该矿区目的层煤层气赋存条件并获取了与煤层气地质及生产相关的数据,达到了钻探钻井施工的预期目的。

(2)通过对三口煤层气生产试验井的钻井施工,科学运用当前现有的钻探技术装备,对该矿区开展煤层气钻井施工进行了有益的尝试并取得了成功经验。

(3)在煤层气勘探施工中,钻井技术及与之相对应的技术保障措施、是确保实现钻井目的的重要因素。依据现有的钻井施工技术是很难与快速发展的煤层气的综合开发利用相适应的,已远远不能满足煤层气综合开发利用的步伐和需求,对煤层气钻井施工技术的研究仍是一个需要长期研究的课题,所以,加强地质钻井技术手段的研究和对施工技术的进一步探索,对今后更好地利用和开发煤层气有着至关重要的现实意义。

[1] 李元建.河南省煤层气勘查开发现状及前景分析.[J]中国煤层气.2009(6):35-38.

[2] 赵运兴等.煤田地质勘探技术手册[M].北京:煤炭工业出版社.

Practice and Application of CBM Well Drilling Technique of Shoushan No.1 Mine in Pingdingshan

Du Guiting
(Henan Provincial Bureau of Coalfield Geology,Henan 467000)

杜贵亭,男,钻探工程师,浙江长兴煤田地质学校煤田地质钻探专业,长期从事煤田地质钻探技术工作。

(责任编辑 黄 岚)