石 浩，姚寧平，趙洋洋，金 新，張鐵牛

(1．中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077;2．長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)調(diào)查研究院，陜西 西安710054;3．新疆煤田地質(zhì)局156隊(duì)，新疆烏魯木齊830009)

0 引言

我國(guó)煤層氣資源儲(chǔ)量豐富，近年來(lái)，煤層氣做為一種新型清潔能源受到國(guó)家和國(guó)土資源部門(mén)的重視［1－2］。新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣資源豐富，但是由于白楊河礦區(qū)干旱缺水，地層急斜，表層由于河流沖刷等自然條件作用存在大塊卵礫石層，且存在軟硬互層及煤層自燃等因素造成的破碎帶，開(kāi)發(fā)難度大。在鉆井施工過(guò)程中極易造成鉆孔彎曲，對(duì)直井、定向井等鉆孔軌跡控制提出較高要求，極大增加了鉆井施工難度。在前期探井施工過(guò)程中采用多鉆鋌“吊打”的保直鉆井技術(shù)，進(jìn)尺慢，施工效率低，井斜常達(dá)到20°以上，且較長(zhǎng)的施工周期增大了事故產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)性。針對(duì)這些情況，分別采用了空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)及電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)井定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行施工，空氣潛孔錘鉆井技術(shù)效率高，鉆進(jìn)速度是常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)速度的3倍以上，對(duì)地層污染小，保直性好，特別適用于較堅(jiān)硬、破碎的巖層鉆進(jìn)［3－4］;電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)井技術(shù)具有測(cè)量精度高，信號(hào)傳輸性能好，已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、頁(yè)巖氣等定向鉆井工程［5］。

1 地層情況

施工地點(diǎn)位于新疆阜康白楊河礦區(qū)黃山—二工河倒轉(zhuǎn)向斜的北翼，為一向南傾的單斜構(gòu)造，走向?yàn)榻鼥|西向，地層傾角45°～53°，勘探線剖面圖如圖1所示。巖性主要由泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、砂礫巖、薄煤線和煤層組成，夾有少量中、粗砂巖，頂部夾炭質(zhì)泥巖和薄煤線［6］。區(qū)內(nèi)含煤地層中的 39、40、41、42、43和44號(hào)煤層因自燃嚴(yán)重，形成了一條近東西向的燒變巖帶。火燒后的煤層呈灰褐色、黑褐色松散或膠結(jié)在一起的渣狀物，其含水和透水性很強(qiáng)，煤層火燒影響強(qiáng)烈的圍巖，呈淺紅、褐、黑褐色熔融狀物質(zhì)，具致密、堅(jiān)硬、氣孔發(fā)育之特征。由于受烘烤后巖石(層)受重力作用，裂隙較為發(fā)育，有較強(qiáng)的透水性及貯水性。根據(jù)前期鉆探驗(yàn)證和磁法勘探的結(jié)果，區(qū)內(nèi)煤層自燃形成的燒變巖深度大部地段在垂深250～550 m。由于以上特殊的地層及巖性情況，在施工過(guò)程中極易造成鉆孔彎曲、坍塌、涌水等事故，給成孔帶來(lái)較大困難。

圖1 阜康白楊河礦區(qū)勘探線設(shè)計(jì)剖面圖

2 鉆探設(shè)備及鉆井設(shè)計(jì)

2．1 主要鉆探設(shè)備

鉆機(jī)采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的ZMK5530TZJ60型全液壓車載鉆機(jī)，如圖2所示，鉆機(jī)提升能力600 kN，具有移動(dòng)搬遷迅速、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，采用伸縮式桅桿結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊可以滿足600 m(711 mm)大口徑礦山應(yīng)急救援井及1500 m(216 mm)以淺煤層氣井快速成孔要求，具有主軸制動(dòng)功能，能夠施工多分支煤層氣定向井。

圖2 ZMK5530TZJ60型全液壓車載鉆機(jī)

定向裝備采用NOV公司blackstar電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，其主要由測(cè)量探管、電池筒、發(fā)射器、信號(hào)接收器、信號(hào)放大器、計(jì)算機(jī)等部分組成，結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示，其工作時(shí)通過(guò)儀器測(cè)量相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過(guò)絕緣短節(jié)將鉆桿柱與測(cè)量?jī)x器形成兩極，編碼后發(fā)射器以地層為介質(zhì)向上傳輸，地面接收器接收后經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器放大信號(hào)然后解碼，得到相關(guān)參數(shù)。具有信號(hào)穩(wěn)定，測(cè)量精確，傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。

其他主要鉆井工具包括青州QF－500型泥漿泵、壽力DLQ900XHH/1150XH型雙工況空壓機(jī)、TD216型空氣潛孔錘、127 mm 鉆桿、172/165 mm鉆鋌、311/216 mm牙輪/PDC鉆頭等。

圖3 blackstar電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

2．2 鉆井設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次施工從式井一組，共3口煤層氣井，其中直井FS－58、FKQ－1，設(shè)計(jì)井深分別為765、730 m;定向井FS－44設(shè)計(jì)井深685 m，設(shè)計(jì)剖面圖如圖1所示。兩口直井要求500 m內(nèi)井段井斜≯1.5°，500～1000 m 井段井斜≯3°;定向井要求直井段井斜≯1°，造斜點(diǎn)70 m，造斜率控制在0.1～0.2(°)/m，穩(wěn)斜角 22.89°，最大井斜≯27.89°，全角變化率≯5°，靶點(diǎn)水平位移176.64 m，靶點(diǎn)垂深604.4 m，中靶半徑＜25 m。

3 施工情況

結(jié)合前期探井施工經(jīng)驗(yàn)，由于地層急斜等原因，極易造成鉆孔彎曲，采用增加剛性鉆鋌的“吊打”方式亦未取得良好效果，直井施工測(cè)井結(jié)果顯示最大井斜超過(guò)20°，同時(shí)“吊打”控速鉆進(jìn)進(jìn)尺慢，效率低，一口井施工往往達(dá)到數(shù)個(gè)星期甚至超過(guò)一個(gè)月，大大增加鉆井成本及事故產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。本次施工3口井一開(kāi)施工均采用311 mm三牙輪鑲齒鉆頭普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆具組合:311 mm牙輪鉆頭+178 mm鉆鋌+178 mm鉆鋌+127 mm鉆桿。為保直鉆進(jìn)，給進(jìn)壓力較小，鉆進(jìn)基巖后下入244 mm套管，F(xiàn)S－44、FS－58、FKQ －1套管下深分別為 47、55、52 m。FS－58、FKQ－1直井二開(kāi)首先采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，在風(fēng)量不足以排渣后改為螺桿馬達(dá)結(jié)合無(wú)線電磁波隨鉆測(cè)井定向鉆進(jìn)技術(shù);FS－44定向井采用定向鉆進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)至終孔。

3．1 空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)

空氣潛孔錘鉆進(jìn)是以壓縮空氣作為動(dòng)力，利用潛孔錘對(duì)錘頭的往復(fù)沖擊作用，來(lái)達(dá)到破碎巖石的目的，從潛孔錘排出的壓縮氣體經(jīng)鉆頭通風(fēng)孔沖洗清潔鉆孔，潛孔錘單次沖擊功較大，一般可達(dá)數(shù)百至上千焦耳，鉆進(jìn)速度快，隨孔深增加對(duì)鉆速影響很小，孔底清洗及冷卻條件好，轉(zhuǎn)速、扭矩和鉆壓要求較低，能明顯減少鉆桿磨損和折損事故，保持鉆孔平直度。適合于需保直鉆進(jìn)的急斜地層以及破碎、堅(jiān)硬等地層。

以FS－58井二開(kāi)空氣潛孔錘鉆進(jìn)為例，潛孔錘后接無(wú)磁鉆鋌，每50～60 m采用單點(diǎn)測(cè)斜儀測(cè)量井斜一次。鉆具組合:216 mm空氣潛孔錘 +165 mm無(wú)磁鉆鋌+165 mm鉆鋌+127 mm鉆桿。鉆進(jìn)參數(shù):鉆壓選擇根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式0.09 kN/mm×錘頭直徑(216 mm)約為20 kN，轉(zhuǎn)速20～30 r/min;風(fēng)動(dòng)工具:TopDrill;空壓機(jī)參數(shù):美國(guó)壽力DLQ900XHH/1150XH型，風(fēng)量 25.5或 32.6 m3/min，風(fēng)壓 3.45/2.41 MPa。

首先將空壓機(jī)風(fēng)量調(diào)整為25.5 m3/min，純進(jìn)尺速度達(dá)到38 m/h，最大進(jìn)尺速度達(dá)到46 m/h，鉆進(jìn)至121 m處出現(xiàn)少量涌水，至160 m涌水增大，將空壓機(jī)風(fēng)量調(diào)整為32.6 m3/min，并添加少量泡沫劑，此時(shí)鉆進(jìn)速度雖有所下降，仍達(dá)到28 m/h，鉆進(jìn)至281 m時(shí)由于風(fēng)量不足，返渣量減少，進(jìn)尺速度降低，為防止孔內(nèi)事故提鉆更換螺桿馬達(dá)結(jié)合無(wú)線電磁波隨鉆測(cè)井定向鉆進(jìn)至終孔。空氣潛孔錘鉆進(jìn)過(guò)程返渣照片如圖4、圖5所示?？諝鉂摽族N鉆進(jìn)期間，平均鉆進(jìn)速度達(dá)到35.2 m/h，達(dá)到常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)速度的3倍以上，在70、120、180、240 m 分別采用單點(diǎn)測(cè)斜，井斜依次為 0.4°、0.4°、0.5°、0.7°，較好地達(dá)到保直快速鉆進(jìn)目的。

3．2 定向鉆進(jìn)技術(shù)

圖4 空氣潛孔錘正常返渣照片

圖5 孔內(nèi)涌水后空氣潛孔錘返渣照片

螺桿馬達(dá)結(jié)合blackstar無(wú)線電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)定向鉆進(jìn)技術(shù)具有測(cè)量精度高、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量主要參數(shù)有井斜、方位、重/磁工具面、磁場(chǎng)強(qiáng)度、重力和、溫度、電壓等，同時(shí)還可以測(cè)得高邊伽馬、低邊伽馬與環(huán)空壓力兩個(gè)參數(shù)，不僅可以準(zhǔn)確辨別地層層位，提高煤層鉆遇率，而且有利于判定破碎易坍塌等復(fù)雜地層情況，提前預(yù)防井下事故的發(fā)生［7－8］。

FS－58、FKQ－1井由于空氣潛孔錘鉆進(jìn)風(fēng)量不足，分別在281、265 m提鉆更換螺桿馬達(dá)結(jié)合blackstar電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)定向鉆進(jìn)，為提高鉆進(jìn)效率定向鉆進(jìn)結(jié)合復(fù)合鉆進(jìn)，平均進(jìn)尺速度15 m/h，至終孔孔深765、730 m最大井斜分別為1.4°、0.9°，水平位移 10.2、2.1 m，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。FS－44定向井采用“直－增－穩(wěn)”三段式設(shè)計(jì)，二開(kāi)即采用定向鉆進(jìn)技術(shù)，鉆具組合:216 mm PDC鉆頭+1.25°165 mm螺桿馬達(dá)+定向短節(jié)(UBHO)+探管短節(jié)+絕緣短節(jié)+電池短節(jié)+165 mm鉆鋌×4根+127 mm鉆桿。鉆進(jìn)至造斜點(diǎn)70 m(井斜0.6°)開(kāi)始造斜，至298 m 傾角增至22.9°，穩(wěn)斜至終孔。設(shè)計(jì)及實(shí)鉆參數(shù)如表1所示，通過(guò)精確軌跡測(cè)量與控制順利達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其中中靶半徑1.45 m，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求25 m，鉆孔空間設(shè)計(jì)及實(shí)鉆軌跡圖如圖6所示，其中圓圈為設(shè)計(jì)靶區(qū)范圍。本次施工采用165 mm五級(jí)螺桿馬達(dá)，最大進(jìn)尺速度21 m/h，平均進(jìn)尺14.5 m/h，日最大進(jìn)尺310 m，鉆進(jìn)速度達(dá)到常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)2倍以上。

表1 FS－44井設(shè)計(jì)和實(shí)鉆測(cè)井參數(shù)對(duì)比

圖6 FS－44井設(shè)計(jì)與實(shí)鉆空間軌跡圖

4 結(jié)論

對(duì)于新疆阜康白楊河礦區(qū)急斜地層直井施工采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)速度快，保直性好，最大進(jìn)尺速度46 m/h，平均進(jìn)尺速度35.2 m/h，效率達(dá)到常規(guī)鉆井的3倍以上，有效地解決了鉆孔彎曲、坍塌等問(wèn)題。為鉆進(jìn)較大深度，在今后的施工中可采用多臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)的方式提高風(fēng)量，達(dá)到高速高效鉆進(jìn)目的;定向井施工采用螺桿馬達(dá)結(jié)合blackstar電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x定向鉆進(jìn)技術(shù)測(cè)量精度高，進(jìn)尺速度快，最大進(jìn)尺速度21 m/h，平均進(jìn)尺速度14.5 m/h，利用軌跡控制技術(shù)較高水平達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2種鉆井技術(shù)在新疆阜康急斜地層煤層氣井施工過(guò)程中較好地解決了鉆孔彎曲、坍塌等問(wèn)題，且達(dá)到高效快速鉆進(jìn)，在類似地層鉆井施工過(guò)程中有借鑒意義。

［1］ 李景明，巢海燕，李小軍，等．中國(guó)煤層氣資源特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)對(duì)策［J］．天然氣工業(yè)，2008，29(4):9 －13．

［2］ 馮明，陳力，徐承科，等．中國(guó)煤層氣資源與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略［J］．資源科學(xué)，2007，29(3):100 －104．

［3］ 董潤(rùn)平，胡忠義．RD20－型鉆機(jī)及空氣潛孔錘鉆進(jìn)施工中若干問(wèn)題探討［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(12):50 －53．

［4］ 莫日和，郭本廣，孟尚志，等．空氣鉆井技術(shù)在柳林煤層氣井的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(2):35 －38．

［5］ 施斌全，亢武臣．E_link電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在煤層氣鉆井中的應(yīng)用［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2010，38(2):68 －70．

［6］ 王生維，王峰明，侯光久，等．新疆阜康白楊河礦區(qū)急傾斜煤層的煤層氣開(kāi)發(fā)井型［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(9):1915 －1918．

［7］ 沈建中，張斌，李紅偉．電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在煤層氣鉆井中的應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2011(S1):54－56．

［8］ 邵養(yǎng)濤，姚愛(ài)國(guó)，張明光．電磁波隨鉆遙測(cè)技術(shù)在鉆井中的應(yīng)用與發(fā)展［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2007，35(3):77－80．