贵州新田矿区煤层顶板L型水平井钻井技术.pdf

传源卤环境1SSN.1672-9064能源与电力CN35-1272/TK贵州新田矿区煤层顶板L型水平井钻井技术李广生1,2 弓张震3潜潘少杰1,2（1河南省煤层气开发利用有限公司河南郑州4500002河南省瓦斯治理研究院有限公司河南郑州4500003永贵能源开发有限责任公司新田煤矿贵州黔西551507)摘要针对贵州新田矿区复杂的地层岩性特征及煤体结构条件，在分析该区块煤层顶板L型水平井上部灰岩层漏失、着陆点垂深难以确定、井眼轨迹控制难度大、套管下入困难等钻井技术难点的基础上，通过井眼轨迹优化设计、井身结构优选、巨厚灰岩层防漏堵漏技术、定向造斜段及水平段井身轨迹精确控制、生产套管下入技术，研究并形成了沿煤层顶板L型水平井安全优快钻井技术体系。结合现场实践，解决了现场施工的诸多问题，钻井周期缩短，安全经济效益显著。该技术为新田矿区后续规模开发乃至同类型地质条件下沿煤层顶板水平井钻井施工提供实践指导，也为高突矿井地面区域瓦斯治理指明了新的方向，具有一定的推广应用价值。关键词顶板L型水平井钻井井身轨迹防漏堵漏中图分类号：P618.11贵州素以“西南煤海”著称，煤炭和煤层气资源丰富。但受到多期地质构造运动的影响，煤体结构破碎，煤储层具有明显的低压、低渗、非均质性强等特征1-2 1,煤层瓦斯不易解吸,地面及井下抽采难度大，煤层气资源“有气难出”，导致高突矿井居多,成为我国煤矿瓦斯灾害的重灾区3。针对此问题,如何进行区域煤层瓦斯的高效抽采，苏现波等4 提出了强化改造“虚拟储层”思路；马耕等5 利用井下顶板定向长钻孔进行瓦斯抽采，将“虚拟储层 模式在煤矿井下成功应用；贾建称等6 将顶板水平井分段压裂技术成功应用于芦岭构造煤区块，突破了“构造煤是煤层气开发禁区”的观念，为构造煤区域煤层瓦斯地面治理指明了方向。本文依托贵州省新田煤矿井上下三区联动抽采煤层瓦斯大区域瓦斯治理示范项目，借鉴“虚拟储层”顶板水平井高效抽采模式，施工1口顶板L型水平井，开展适用于新田矿区及同类型矿区的煤层顶板水平井钻井技术研究。1地层岩性特征区内地层由新至老主要为第四系（Q）、三叠系下统茅草铺组（Tim）、三叠系下统夜郎组（Tiy）、二叠系上统长兴组（P3c）、二叠系上统龙潭组(Pl)及二叠系中统茅口组(Pm)等。二叠系龙潭组是该区主要含煤地层，其中，区内9号煤层变质程度高，属无烟煤三号。地层主要特征为：第四系（Q)主要为坡积、残积和冲积之亚砂土、亚黏土、砂质黏土及砂砾等，易塌；三叠系下统茅草铺组（Tim）及夜郎组（Ty）地层主要以灰色石灰岩、泥质灰岩为主，间夹薄层灰色泥岩，该组灰岩段地层受到地表水的影响，岩溶、溶洞、裂隙现象发育；9号煤层顶板主要粉砂质泥岩，水平层理、泥质胶结，底板主要为泥岩、泥质粉砂岩等；9号煤层位于龙潭组下部，煤厚1.0 8 4.6 6 m，平均2.47 m，全区稳定可采，煤体为碎裂-碎粒结构，易塌，不易成孔。收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 4作者简介：李广生(198 4一），男，研究生，硕士，工程师，主要从事煤矿瓦斯灾害治理及地面煤层气勘探开发研究工作。文献标识码：A文章编号：16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 4-0 47-0 42钻井技术难点2.1煤系上覆巨厚灰岩段地层漏失严重三叠系下统茅草铺组(Tim）及夜郎组（Ty)巨厚灰岩地层（厚度近2 50 m）长期经受降水和地下水的溶蚀作用，导致岩溶、裂隙发育，给煤层气钻井施工带来极大困难。同时考虑到造斜点深度较浅（造斜点位置井深112 m），二开造斜段部分定向井段需穿过灰岩地层。而空气动力钻井由于其不具有定向功能，无法使用空气钻进，严重制约着钻井的施工工期及造斜段井眼轨迹控制。2.2二开中完着陆点垂深难以确定L型水平井二开中完着陆点垂深设计位于9 号目的煤层顶板上1m处，且二开技术套管设计封固至9 号目的煤层顶板上1m处。由于区内缺乏详尽的地震及地质资料,9 号目的煤层赋存情况不清晰，标志层不稳定，受区内次一级宽缓褶曲影响煤层起伏变化相对较大，着陆点煤层顶板垂深预测有一定误差。若实际钻进过程中垂深预测有误差，可能导致钻穿目的煤层，达不到后期水平段在煤层顶板穿行的目的。2.3水平段井眼轨迹精准控制难度大L型水平井要求水平段钻进过程中，精准控制水平段轨迹位于9 号目的煤层顶板上0 2 m范围内。由于L型水平井钻遇的目的煤层垂深浅（埋深预测37 2 m左右），造斜点位置井深浅（造斜点112 m），水平位移大（水平段长7 0 0 m，水平位移970m）,水垂比达到2.6 1,导致水平段滑动钻进过程中,井壁会对井下钻具产生一定的反扭矩和轴向阻力，造成钻压不能有效传递，井眼轨迹调整困难。另一方面，目标煤层起伏变化大，BlackStarEM无线随钻测斜仪零长较长（近12 m），易出现测斜盲段井斜角预测误差，造成水平段井眼轨迹波动较大、精2023.NO.4.47传源南环境能源与电力ISSN1672-9064CN35-1272/TK准控制难度大。2.4三开套管下入困难由于L型水平井垂深浅，且水垂比2.6 2,并考虑到后期排采排水降压的需要，水平段沿上倾方向钻进，造成三开生产套管无法利用自重顺利下入至井底。3钻井关键技术3.1巨厚灰岩层岩溶裂隙防漏堵漏新田矿区煤层上覆巨厚灰岩层受地表水影响，岩溶、裂隙发育，且与地下暗河连通。采用钻井液钻进过程中，极易发生漏失严重、钻具放空或井口钻井液失返等问题。钻井液漏失极可能造成环境污染。但是由于二开造斜段部分定向井段需穿过灰岩地层，而空气动力钻井由于其不具有定向造斜功能，无法使用空气钻进，综合考虑各方面因素，一开表层钻进采用空气潜孔锤钻进，二开采用常规钻井液配以静止堵漏建立循环进行钻进，可有效提升钻井工期，避免钻井液失返等井下复杂状况。一开钻具组合：444.5mm空气潜孔锤+178mm钻+159mm钻+127mm钻杆。钻进施工参数：动力头转速2 5r/min，空压机风压2 MPa，风量 10 0 m/min。表层设计深度为54m，进入基岩2 0 m完钻。采用潜孔锤钻进过程中，钻进至45m处遇高1m左右放空型溶洞，后继井深/m井斜角）方位角（）NS坐标/m1120529.8490.651 229.7490.653.3并身结构设计根据新田矿区地层岩性特征、含水层特征及地质构造特征,结合邻区煤层气成功井型资料，XTO1-H1水平井采用三开井身结构。一开采用444.5mm空气潜孔锤钻穿第四系进入基岩层以下2 0 m，下入339.7mm、壁厚9.6 5mm、钢级J55表层套管封固松散地层，固井水泥返至地面。二开采用311.15mmPDC钻头配合单弯螺杆钻进，钻至着陆点（即9号煤层上部1m处）完钻，下人244.5mm、壁厚8.94mm、钢级J55技术套管，固井水泥返至地面。考虑到XTO1-H1水平井周边钻孔资料较少，小型构造发育情况不清晰，地层垂向上煤层层数多，且受构造影响较大，为了控制造斜段井眼轨迹精准着陆，二开采用311.15mmPDC钻头钻导眼孔的方式提前摸清9号煤层埋深及其顶底板岩性特征，为精准着陆提供依据。然后通过封固导眼段重新侧钻完成二开钻进。三开采用215.9mmPDC钻头配合单弯螺杆沿煤层顶板0 2 m范围内有效钻进，完钻后下入139.7mm、壁厚7.72mm、钢级P110生产套管，固井水泥返至地面。井身结构图见图1。续钻进至设计深度，下入表层套管，采用“穿鞋带帽”方式进行表层套管固井。二开设计井深约530 m，造斜点设计深度为112 m，采用311.15mm牙轮钻头。钻进过程中，第一次在井深7 0 m处遇井漏，漏速约6 m/h,现场研判为裂缝型漏失，采用复合型大颗粒堵漏剂+棉籽壳+石棉绒+土粉静止堵漏12 h，建立循环钻进；第二次在井深134m处遇井漏，漏速约8 m/h，现场研判为裂缝型漏失，通过配置高稠度堵漏浆液（土粉+高分子聚合物堵漏剂+CMC+烧碱）进行堵漏，效果不明显，随后采用复合型大颗粒堵漏剂+棉籽壳+石棉绒+土粉静止堵漏15h，建立循环后继续钻进至设计井深。3.2井眼轨道优化设计基于水平井井眼轨道设计基本原则：轨道剖面简单、摩阻低、扭矩小、易于施工；井眼轨迹连续光滑，安全优、钻进快。综合考虑矿区地层资料和邻区煤层气水平井施钻经验，由于XTO1-H1水平井垂深较浅，选用“直-增-水平上倾”三段式井眼轨道剖面，造斜点设计井深112 m处，造斜率选择6.6/30 m，靶前水平位移2 7 0 m,并将着陆点控制在水平段预计点前15m，一方面有利于钻压有效传递，另一方面便于及时调整井眼轨迹以应对地层预测变化，确保按设计轨迹进行钻进。井眼轨道设计参数见表1。表1XTO1-H1水平井井眼轨道设计参数EW坐标/m000270.000969.86垂深/m造斜率/(/30 m）01120.00371.000.00363.00高出地面0.2 5m地面，一开：井眼直径：444.5mm套管直径：339.7 mm，钢级J55水泥返高：地面二开：井眼直径：311.15mm套管直径：2 44.5mm，钢级J55水泥返高：地面三开：井眼直径：2 15.9mm套管直径：139.7 mm，钢级P110水泥返高：地面水平段7 0 0 m着陆点530 m。9号煤层靶艳前距2 7 0 m图1XTO1-H1水平井井身结构示意图3.4造斜段着陆井眼轨迹精准控制为了掌握二开中完钻着陆点垂深，提高造斜段井眼精准着陆，造斜段井眼分为两步进行施工：第一步采用311.15mm动力钻具施工大角度导眼孔，靶前位移可以进一步靠近设计着陆点位置，更能准确体现出着陆点附近地层参数，便于着陆精准控制；第二步采用311.15mm动力钻具侧钻完成二开造斜2023.NO.4.48闭合距/m0.0006.60270.000.00969.86导眼孔：直径311.15mm井斜：8 0 0段长：50 m备注造斜点着陆点终靶点传源南环境能源与电力1SSN1672-9064CN35-1272/TK段精准着陆。岩交界面，然后调整增斜率确保实钻轨迹距离煤层处于0 2 m二开造斜钻具组合：311.15mmPDC钻头+2 16 mmx1.5控制范围内。螺杆+431x410变径接头+411410 定向接头+16 5mm无磁钻3.6套管下入技术+411x410陶瓷接头+16 5mm无磁钻链+12 7 mm钻杆。为了实现XTO1-H1水平井后续分段压裂施工,并综合考钻进参数：钻压2 0 KN、排量2 6 L/s、泵压3 4MPa。虑到该井水垂比大、套管无法利用自身重量顺利下入等因素，泥浆性能：密度1.0 2 1.0 5g/cm、黏度38 50 s。优先选用意大利产GD-75型车载顶驱钻机进行施工。造斜点井深(K0P):112.00m。为了确保生产套管顺利下入，一方面水平段采用滚轮套二开采用BlackStarEM无线随钻测斜仪定向钻进至井斜管扶正器，每5根安放1只，利用滚动摩擦代替滑动摩擦，并角8 0 稳斜进行导眼孔施工，稳斜穿过9号煤层以下2 0 m。然在钻井液中添加玻璃微珠，减少水平段摩阻；另一方面，根据后利用钻杆传输进行测井，依据连续测井数据查明9号煤层井眼设计轨道计算下套管过程中大钩荷载，采用钻机顶驱加埋深、斜厚度、真厚度、顶底板岩性、位置以及煤层和顶底板的压3t左右生产套管可顺利下人到位。自然伽马参数，并结合现场岩屑录井、钻时录井、气测全烃值4现场实践等参数，为二开精准着陆提供参考依据。通过钻井关键技术综合研究，煤层顶板L型水平井在新田依据施工的导眼孔数据准确预测二开设计着陆点垂深矿区得到成功实施。一开井深54.0 0 m，表层套管下深53.8 5m；后，通过landmarkcompass定向软件优化待钻造斜段井眼轨二开钻至井深112 m开始定向钻进，并于井深530 m处着陆，迹，准确确定导眼孔回填侧钻位置。待钻井眼侧钻过程中，考技术套管下深52 7.7 1m；三开钻至井深12 30.0 0 m完钻，生产虑到BlackStarEM无线随钻测斜仪器零长的影响将会导致地套管下深12 2 8.50 m，水平段长7 0 0.0 0 m，水平位移97 0.0 0 m，层信息传输滞后，应根据钻进过程中地层参数、随钻测量参数最大井斜角93.6，全井平均机械钻速8.14m/h，全井无事故，为以及录井参数及时准确预测当前实钻钻头的信息，实现轨迹后期压裂排采作业提供了良好的井筒条件。控制及精准着陆。三开水平段钻进过程中，通过复合钻进与滑动钻进相结合3.5水平段井眼轨迹精确控制随时校正井斜、方位，并依据导眼孔测井伽马数据（9 号煤层伽三开水平段钻具组合：215.9mmPDC钻头+17 2 mmx马值2 5 55API,9号煤层顶板泥质粉砂岩伽马值7 0 10 4API，1.5螺杆+411410 定向接头+16 5mm无磁+411410 陶瓷接9号煤层底板泥岩伽马值110 16 0 API），结合无线随钻测量的头+16 5mm无磁+12 7 mm钻杆。方位伽马值、岩屑录井、钻时录井、气测录井及间断探煤顶等判钻进参数：钻压30 kN、排量2 6 2 8 L/s、泵压4 5MPa。识手段，综合对比分析，使水平段井眼轨迹在煤层顶板0 2 m范钻井液：清水+2%6%KCL+1%2%瓜尔胶+0.1%0.2%防围内得到了精准控制。最后，通过套管下入技术措施，生产套水锁剂+铵盐10 2 0 kg/m+LV-CMC510kg/m+HV-CMC管全部下放到位，固井水泥返至地面。35kg/m+润滑剂5 10 kg/m。该井后期经过分段压裂及排采作业，于2 0 2 1年1月投入三开钻进过程中，利用BlackStarEM无线随钻测斜仪实生产。截至2 0 2 3年1月，该井累计产气量10 6 余万m,最高产测方位伽马值,并结合钻时、岩屑、气测全烃值等4要素，与二气量5334m/d，稳定产气量40 50 m/d。开导眼段测井所获取的9 号煤层及其顶底板4要素数值进行5结论综合对比分析，实施监测水平段井眼轨迹情况，保证井眼在煤(1)针对新田矿区地层岩性特征及煤体结构条件,将L型层顶板2 m范围内有效钻进。水平井布置于煤层顶板岩层中，通过井眼轨迹优化设计、井身三开水平段采用柔性钻具组合，复合钻进时，缓慢转动顶结构优选、巨厚灰岩层防漏堵漏技术、定向造斜段及水平段井驱钻进，密切注意观察扭矩变化，若扭矩太大则不能继续转身轨迹精确控制、生产套管下入技术，研究形成沿煤层顶板动，采用螺杆钻具滑动钻进。对测量数据及时处理，对并底数L型水平井安全优快钻井技术。为新田矿区后续规模开发乃至据准确预测，及时调整钻井参数和井身轨迹，避免大幅度调整同类型地质条件下沿煤层顶板水平井钻井施工提供实践指导。井斜、方位，尽量减小摩阻。每钻进10 0 m进行短起下一次，必(2)综合利用无线随钻测量数据、岩屑录井、钻时录井、气要时起过复杂井段或起至套管鞋以上。测录井等信息分析,并通过水平井钻井技术的优化研究，井身基于目标煤层有一定起伏变化，造斜规律易发生多变，及轨迹控制精度进一步提高，确保水平井水平段始终在煤层顶时加密BlackStarEM无线随钻测斜数据，读数出上一单根的板0 2 m范围内有效钻进顺利完井。使井下复杂事故得以有定向效果，提高井底井斜的预测精度，并根据井斜角平均值与效避免，钻井周期大幅缩短，钻井成本大幅降低，并经过后期指令差值，计算轨迹垂深变化，进行控制调整，满足指令要求。分段压裂及排采作业，单井产气量可观，安全经济效益显著。结合岩屑、气测、荧光显示、伽马电阻曲线等变化，根据增斜率为高突矿井地面区域瓦斯治理指明了新的方向，具有一定的判断井眼轨迹在目的煤层顶板中位置，并加强井斜、方位监推广应用价值。测，及时对井眼轨迹做出预测，并根据实际情况调整钻具组合参考文献和钻井参数，控制狗腿度在 5范围内，确保在目标靶体内钻进。1张廷山，张志诚，伍坤宇.滇黔北地区地层压实恢复及沉积速率反同时采用间断探煤方式来进行水平段的轨迹精确控制。演J.岩性油气藏,2 0 16,2 8(5)：99-10 6.通过设计下探目的煤层轨迹，优化调整井斜角钻进直至进入煤2覃军，张介辉，徐克定，等.中国大陆南方煤层气勘探前景评价J(下转第8 8 页）2023.NO.4.49源卤环境污染防治技术1SSN1672-9064CN35-1272/TK2中国电建（集团）华东勘测设计研究院有限公司.福建省晋江市水资源配置规划报告（2 0 192 0 35.杭州：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，2 0 2 2.3马玉坤，朱翔，彭福全，等.西北干旱区流域水污染特征与控制策略：以宁夏清水河流域为例J.环境工程技术学报,2 0 2 2,12(5)：1369-1377.4第一次全国污染源普查资料编委员会.污染源普查产排污系数(上接第49页）新疆石油地质，2 0 0 6,2 7(1):118-12 0.3黄长国，罗国辉，康建宁，等.西南地区煤矿瓦斯灾害现状及防治对策研究J.矿业安全与环保，2 0 15,42(5)：112-115.4苏现波，陈江峰，孙俊民，等.煤层气地质学与勘探开发M.北京：科学出版社,2 0 0 1.5马耕，巩春生，虚拟储层抽采瓦斯技术探讨J.煤矿安全,2 0 0 9,40(5):94-95.手册（上)M.北京：中国环境科学出版社，2 0 11.5李阳.潘径流域水环境分析及治理对策探究J.绿色科技,2 0 2 1,2 3(2):7780.6刘学雷.科学施肥技术要点及推广对策J世界热带农业信息，2021(06):9-10.6贾建称，陈晨,董夔，等.碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂高效抽采煤层气技术研究J.天然气地球科学，2 0 17，12（2 8）：18 7 3-18 8 1.7鲍清英，张义，何伟平，等煤层气羽状水平井井眼轨迹控制技术J.石油钻采工艺,2 0 10,32(4)：8 6-90.8郭元恒，何世明，刘忠飞，等.长水平段水平井钻井技术难点分析及对策J.石油钻采工艺,2 0 13,35(1)：14-18.2023.NO.4.88