煤层气井定向井钻井技术

一、内容概述

墨西哥EPC项目地处墨西哥东部的EPC（Ebano-Panuco-Cacalilao）区块，主要开发层位为白垩系Kan层，主要岩性为灰岩。由于该区块已开发一个多世纪，高含水及低压、低渗、低产是该地区面临的主要问题。目前，该区块所钻井均设计为小井眼ϕ152.4mm中短半径水平井，造斜率（40°～60°）/100 m，垂深400～700m，水平段长约400m，目的层钻进采用充氮气欠平衡钻进方式。

施工初期，所用动力钻具在高造斜率情况下无法进行复合钻进，造成起下钻频繁，钻井周期延长。该区块采用欠平衡钻井技术钻进目的层，对无线随钻测量仪器和钻井液性能的要求较高。为提高钻井速度，缩短钻井周期，降低钻井成本，研制了可复合钻进的新型大角度动力钻具，选择了合适的随钻测量仪器，优选了钻进参数并优化了钻井液性能，形成了一套适用于墨西哥 EPC 区块的优快钻井配套技术。EPC区块钻遇的地层为KM、KSF和Kan层，地质构造复杂，有断层、裂缝，易发生井漏、井涌等井下故障，个别地层含硫化氢，在KM层底部存在较高压力的气层，需要下入技术套管进行封隔。

在钻井过程中，除了存在普通小井眼钻井的技术难点以外，还面临以下技术难点：①早期，国内没有适用于浅层小尺寸中短半径水平井复合钻进的大角度动力钻具。施工中，多次起钻换动力钻具，大大延长了定向施工周期。②个别层位压力较高，钻进过程中会发生边钻进边点火放喷的现象，更换合适的动力钻具和倒装钻具比较困难。③目的层钻进时，采用充氮气欠平衡方式钻进，无法使用依靠钻井液传递脉冲信号的常规测量仪器。④造斜点浅，钻压传递困难，易出现托压现象，尤其在水平段钻进过程中更加明显，更易导致井下其他故障的发生。⑤使用普通PDC钻头钻进时，工具面对钻压较为敏感。钻压太小，机械钻速较低；钻压稍大就会出现工具面“乱窜”的现象。

1.钻具组合优选

设计造斜点浅，其垂深多在260～400 m，而水平段长约400 m，如何保证钻进过程中钻压的传递是关键。考虑到钻铤刚性较大，进入斜井段后易发生卡钻等井下故障，因而在优选钻具组合时，用加重钻杆代替钻铤；考虑到水平段钻进时的加压问题，适当倒装钻具，解决了钻进过程中钻压传递困难的问题。

现场施工时，钻具组合需满足以下2个条件：一是保证完钻时所有加重钻杆位于井斜角小于50 °的井段；二是保证震击器位于井斜角30 °～60 °的井段。

2.钻头优选

滑动定向钻进时，为保持工具面的稳定，选择了贝克休斯公司的HC405 Z型六刀翼PDC钻头。该钻头是一种定向钻头，除了在切削齿大小、数量和角度等方面进行了有利于定向钻进的设计外，在切削齿的根部有“磨损带”，像钻头的“天花板”，可以控制切入地层的深度，从而在钻进过程中产生平稳的扭矩，不至于使螺杆钻具出现失速现象。图1是普通PDC钻头和定向PDC钻头螺杆扭矩与钻压的关系对比图。从图1可以看出，与普通PDC钻头相比，定向PDC钻头能够产生稳定的扭矩。由于定向PDC钻头在钻进速度和使用时间上都有PDC钻头的特点，能够很好地匹配地层特性，因此，较适合于EPC区块小井眼中短半径水平井钻井。

图1 两种PDC 钻头扭矩与钻压的关系

3.动力钻具优选

EPC油田生产井的造斜率为（40° ～60°）/100 m，需要1.75° ～2.25°大角度单弯动力钻具才能达到造斜要求。通常情况下，这种大角度动力钻具不可以进行复合钻进，在定向过程中需要根据实际造斜要求，多次起下钻更换不同角度的动力钻具来达到设计造斜率。为了能够减少起下钻次数，根据钻具的造斜率与动力钻具的弯曲角及长度等相关理论，与国内动力钻具厂家联合研制出了1.75 °～2.25 °适合浅层小尺寸中短半径水平井可复合钻进的动力钻具，不但满足了施工井造斜段的要求，而且在进入水平段后不用起钻更换小角度动力钻具，这样就使一趟钻钻完全部斜井段成为可能。

该动力钻具具有以下特点：①动力钻具按角度分为1.75°、2.00°和2.25°3种，可根据不同的设计造斜率选择相应角度的动力钻具，以满足墨西哥EPC区块施工井造斜率的需要，使用寿命大于120 h；②本体不带稳定器，弯壳体、旁通阀和轴承等关键部件采用特殊材料进行了加固或加厚，这种设计不但有效减小了复合钻进过程中的扭矩，而且不会因扭矩增大而产生断裂或紧扣。十几口井的施工经验证明，这3种型号的大角度单弯动力钻具能够满足现场需要。

4.无线测量仪器优选

EPC区块目的层采用充氮气欠平衡钻进，基于钻井液脉冲传输信号的常规测量仪器无法使用。由于电磁波无线随钻测量仪的电磁波信号主要依靠地层介质来传输，井下仪器将测量数据加载到载波信号上，测量信号随载波信号由电磁波发射器向四周发射，地面检波器将检测到的电磁波中的测量信号卸载，之后通过解码、计算得到测量数据。因此，选用电磁波无线随钻测量仪器E-link MWD实时监测井下数据。

E-link MWD的主要性能参数为：抗压强度140 MPa；工作温度0～150℃；震击极限2000 g/m；振动极限15 g；含砂量小于0.5；钻井液密度无要求；钻井液固相含量无要求；最佳施工地层电阻率10～20Ω·m。

E-link MWD主要具有以下特点：①数据传输速度快，仪器故障率较低；②适用于普通钻井液、泡沫钻井液、空气钻井和激光钻井等钻井施工中传输定向和地质资料参数；③当地层电阻率为10～20Ω·m时，在井下不加信号放大器的情况下，最大钻进垂深可达2700 m。

5.钻井液性能优化

为尽可能减小对地层的污染，且要具备足够的携岩能力和便于返出后分离油气，有效提高钻井液润滑性能，降低摩阻系数，该油田油井多采用QMAX公司的无固相钻井液体系钻进。该钻井液体系抑制能力强，维护简单，性能稳定。根据地层有断层、裂缝易发生井漏、井涌等复杂情况及充氮气影响钻井液携岩能力等特点，对钻井液性能进行优化，优化后的主要性能参数为：密度1.0～1.03kg/L，塑性黏度8mPa·s，动切力0.4Pa。根据井下需要加入润滑剂，保证钻井液的润滑性，满足中短半径水平井钻井的要求，为高造斜率井段安全、高效定向钻进创造条件。

6.其他工程技术措施

合理选择侧钻点。目前，墨西哥EPC区块所钻井均三开打导眼，填井侧钻。侧钻点的选择需要考虑两方面内容：①侧钻点距离二开套管底部18 m以上，以防止E-link MWD受磁干扰，无法工作；②在满足井眼造斜率要求的基础上，造斜率越低，使用的动力钻具角度越小，井下越安全。

确定最佳的钻井液排量。结合测量仪器和螺杆钻具的性能、特点，确定最佳的钻井液排量，使仪器、螺杆钻具一直处于最佳的工作状态，同时达到充分携岩以及彻底净化井眼的效果。EPC区块的最佳排量为19 L/s。

确定合理的钻压。在增斜段，动力钻具对钻压及加压方式十分敏感。在钻井过程中，钻压20～30 kN，同时采用连续加压、快速间断加压等方法，确保工具面稳定，提高施工效率，保证施工安全。在水平段，采用小钻压（30 ～50 kN）、低转速（小于35 r/min）复合钻进，既可以提高机械钻速，又能避免井下大角度动力钻具复合钻进时发生故障。

随钻震击器的使用。随钻震击器具有两方面的作用：一方面随钻震击器处于钻具组合中，方便处理卡钻事故，有利于安全钻进；另一方面，水平段后期钻进时，过大的摩阻使钻压很难传递到钻头，钻具的大部分重量加到震击器上，通过震击器向下震击传递钻压，推动钻头前进，提高滑动钻进速度。

二、应用范围及应用实例

2010年，EPC区块10口井应用了该优快钻井技术，除其中1口井因动力钻具实际造斜率达不到设计造斜率，起钻更换钻具外，其他9口井从造斜点至完钻，均一趟钻完钻，总进尺5738.60 m，平均钻速由应用优快钻井技术前的3.50 m/h提高至10.16 m/h，钻井提速效果显著。

以E-1071 H井为例，介绍现场应用情况。E-1071 H井的设计井身结构如图2所示。

图2 E-1071H井井身结构设计

该井采用“直-增-稳”三段制井身剖面。该井三开钻完直导眼后填井侧钻，为了不影响E-link-MWD仪器的正常工作，侧钻点选在井深288.00 m处，距离二开套管底部18 m。

E-1071井所采用的钻具组合为：ϕ152.4mm PDC钻头×0.24m＋ϕ120.0mm 1.75°单弯螺杆×6.30m＋331×310回压凡尔×0.61m＋120.0mm无磁钻铤×9.05m＋120.0mm无磁悬挂短节×1.45m＋ϕ88.9mm斜坡钻杆×422.40m＋ϕ88.9mm 加重钻杆×19.00m＋ϕ120.0mm震击器×9.29m＋ϕ88.9mm 加重钻杆×260.00 m＋ϕ88.9mm钻杆。

可以看出，应用优快钻井技术前，从侧钻点至水平段完钻，平均需要4趟钻，应用后仅用1趟，平均钻速从3.68 m/h提高至12.84 m/h。以国际市场钻井成本1 500美元/h计算，应用优快钻井技术后，每米钻井成本节约289美元。可见，应用优快钻井技术大大减少了施工环节，避免了起钻过程中发生的很多井下复杂情况，缩短了钻井周期，提高了钻井时效，降低了钻井成本。

三、资料来源

许孝顺.2011.墨西哥EPC区块优快钻井技术.石油钻探技术，39（5）

钻井行业的有关知识

侯岩波 孙建平 张 健 孙 强 李绍勇

( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)

摘 要: 煤层气储层特征等方面与常规天然气储层的差异，决定了煤层气钻井、完井、储层保护等技术的特殊性。在不断试验和总结的基础上，本文研究出了一整套适合煤层气开发的定向井钻井工艺技术及井身质量控制措施，符合产业化、商业化开发煤层气对降低钻井及生产成本的诉求，对经济高效开发煤层气具有借鉴意义。

关键词: 煤层气 定向井 钻井工艺 井身质量

Drilling Technology in Coalbed Methane Directional Well

HOU Yanbo SUN Jianping ZHANG Jian SUN Qing LI Shaoyong

( China United Coalbed Methane Co. ，Ltd，Beijing，100011，China)

Abstract: The reservoir of coal bed methane has many differences from conventional natural gas. These differences determine particularity of coal bed methane in drilling，well completion and reservoir protection. In the foundation of continuous experiment and summarize，this article study out a technical system in the drilling tech- nology in directional coal bed methane well and well quality controlling. These meet the requirements of reduce drilling and production cost in coal bed methane industrialization and commercialization. It has reference signifi- cance in exploiting coal bed methane economically and efficiently.

Keywords: coal bed methanedirectional welldrilling technologywell quality

基金项目:国家科技重大专项《山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程》(编号2009ZX05060)

作者简介:侯岩波，1983年出生，男，河北迁安人，硕士，2009年毕业于中国矿业大学(北京)地质工程专业，现在中联煤层气有限责任公司从事煤层气勘探开发工作。Email:hybjerry@163.com

柿庄南区块位于沁水盆地南部太行山西麓，行政隶属于山西省晋城市沁水县及高平市。该区向北距山西省省会太原260公里，向东南距晋城市60公里，区块总面积约388km2，3#煤层资源丰度1.69亿m3/km2，本区块已成功开发了400余口煤层气井，单井平均产气量>1000m3/d。由于本区山峦重叠，沟壑纵横，森林密布，从保护环境，降低征地及钻前施工难度方面考虑，在局部地形复杂、林地密集地区部署2至4口定向井的丛式井井组进行煤层气开发，丛式井还可有效降低地面集输建设成本及日后排采的生产管理成本，是一种适用于该地区煤层气大规模开发的钻井技术。

1 地质概况

柿庄南区块第四系黄土层厚约30m，开发3#煤层钻遇基岩地层自上而下依次为刘家沟组、石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组(未钻穿)，完钻原则为3#煤层底板以下50m，详见表1，总体而言该区地质条件简单，煤储层埋深适中，煤层气资源丰度高，开发条件优越。

表1 柿庄南区块地层特征简表

2 施工设计

以TS04C丛式井井组为例，该井组包括4口定向井，大门方向86°，磁偏角为－2.9°，井口间距5m且呈直线排开，设计时应充分考虑防碰措施，合理安排钻井顺序，使各井设计方位呈放射状分布，井眼轨迹不互相交错，具体设计见图1、图2。

成井工艺:一开井径φ311.15mm，钻至稳定基岩10m完钻，下入φ244.5mm×8.94mm表层套管，固井水泥需返至地面，二开井径φ215.9mm，钻至井深100m左右，开始改用螺杆钻具定向钻进，采用直增稳三段制井身剖面，最终稳斜至3#煤以下50m井深完钻，下入φ139.7mm×7.72mm生产套管固井。

图1 TS04C井组水平投影图

图2 TS04-4D井身轨迹数据

3 钻井设备与钻具

3.1 设备

钻机:TSJ-2000GZ2000GZ2600。钻塔:A字型，负荷≥700KN。泥浆泵:3NB-3503NB-5003NB-800，排量20～30L/s。动力:12V135，8V190，12V190柴油机。

3.2 钻具及其他

φ127mm钻杆、φ159mm无磁钻铤、φ159mm钻铤、φ165mm(1.25°/1.5°)单弯螺杆、φ214mm稳定器、单点照相/电子测斜仪。

4 钻井工艺

4.1 泥浆工艺

一开用膨润土粉、纯碱、烧碱、少量的聚丙烯酰胺钾盐KPAM及钠羧甲基纤维素CMC等有机处理剂配置低固相钻井液。纯碱及烧碱主要起改善粘土的水化分散相能，起到降失水、增粘和调节泥浆PH值的作用。CMC降失水剂提高了粘土颗粒的聚结稳定性，有利于保持钻井液中细颗粒的含量，形成致密的滤饼，降低滤失量，抑制泥岩等水敏地层膨胀，能有效巩固井壁，此外还有增粘作用，提高钻井液的携带岩屑能力，使含砂量降低，有效控制有害固相含量，减少重复破岩的几率，可延长钻头及螺杆等钻具的使用寿命，提高钻进效率。KPAM具有控制地层造浆的作用并兼有降失水、改善流型及增加润滑性等功能，能起到稳定井壁、降低钻井液滤失量，达到提高钻速的作用。在钻至目的煤层时，钻井液换用清水钻进直至完钻，若钻遇漏层或易垮地层，在保护储层的前提下可适当调整泥浆性能，酌情填加堵漏剂及其他处理剂以保证工程顺利完成。

煤层段钻井液性能:密度1.02～1.05g/cm3，粘度22～25s，pH值7.5～8.5，含砂量<0.2%。

4.2 表层钻进技术

钻具组合:φ311.15mm三牙轮钻头+φ159mm钻铤+φ127mm钻杆。

一开井段为第四系黄土层并含少量卵石，结构疏松，易漏易垮，钻进时主要保证不漏，适当调整泥浆，在钻进开始时要慢钻、吊打，保证不塌、打直，控制泵压、排量，防止把黄土层打漏。

一开采用φ311.15mm牙轮钻头钻进，钻压30～50KN，泵压2MPa。一开钻穿基岩超过10m后完钻，下入φ244.5mm×8.94mmJ55表层套管，套管节箍与地面水平，采用密度1.80g/cm3水泥固井并返至地面。

4.3 直井段钻井技术

钻具组合:φ215.9mm钻头+φ159mm钻铤+φ127mm钻杆。

二开直井段地层以砂岩、泥岩为主，可钻性较好，采用常规塔式钻具结构，为防止井斜钻进参数仍采用轻压吊打原则，并每钻进30m测斜一次，尽早跟踪监测井斜及方位变化，做好防碰，降低施工风险。

4.4 定向造斜段钻井技术

钻具组合:φ215.9mm钻头+φ165mm(1.25°/1.5°)单弯螺杆+φ159mm无磁钻铤+φ159mm钻铤*6根+φ127mm钻杆。

二开钻进至井深约100m时开始定向造斜，造斜定向造斜时要锁死转盘，采用单弯螺杆或直螺杆加弯接头定向造斜。测斜仪器要定期校正罗盘，保证数据采集准确，钻进1至2个单根测斜一次，螺杆钻进井段测斜间距≤20m。应在定向初期控制好井斜、方位，以防工具面常摆不到位，难以控制。在防碰井段及定向造斜段钻进时，钻井队要加密测点，勤计算，勤作图，密切掌握和预测井眼轨迹的变化勤捞砂样观察是否出现水泥钻屑认真分析蹩、跳钻现象。钻进参数:钻压50～60KN，泵压3～4MPa，螺杆马达转速200～300r/min，钻进过程中根据井眼轨迹实时调节钻进参数，方位误差变大则转速降低稳步控制方位。

考虑到煤层气井排采生产的特殊性、稳定性与连续性，产能建设单位对井眼轨迹尤其是定向造斜段有着较高要求，井眼轨迹越平滑曲率越小，泵抽系统与地层间的偏磨损耗则越小，越有利于生产单位连续稳定排采，因此要求造斜段造斜率≤4°/30m，造斜和扭方位井段连续三个测点的全角变化率≤5°/25m。

4.5 稳斜段钻井技术

钻具组合:φ215.9mm钻头+φ214mm稳定器+φ159mm无磁钻铤+φ159mm钻铤×6根+φ127mm钻杆。

由于采用直增稳三段制井身剖面，稳斜段原则上不允许下调顶角，为了避免出现定向井井眼轨迹失控现象，钻井施工中应以过程控制为重点。稳斜段要求送钻及钻速均匀，保证钻具负荷均匀，平稳工作。钻具组合在钻穿煤层时尽量去掉稳定器，虽煤层段以下井斜会微降2°～3°，但可有效防止煤层段井径严重垮塌，避免埋钻等事故发生几率，降低钻井施工风险。

根据要求靶点闭合方位误差小于5°，靶区半径20m，稳斜段钻井技术的核心就是严密控制井眼轨迹及方位漂移情况，根据测斜情况及时调整钻井参数及钻具组合，保证该井顺利中靶，主要措施是调整稳定器安放位置，改变稳定器外径，调整钻铤长度及钻压等参数以达到稳斜稳方位效果，在实际应用中，双扶钟摆钻具的井眼轨迹控制效果最佳，双扶可以有效减少局部狗腿问题，使轨迹更平滑，虽然增加了钻井的难度，但是为后期完井和下套管作业打下了较好的基础。钻进参数:钻压80～120KN，泵压3MPa。完钻后下入φ139.7mm×7.72mmJ55生产套管，通过在套管鞋和回压凡尔之间下入一根3m左右的短套管，可有效增加排采口袋长度，在增斜段等狗腿较大井段增加套管扶正器安放个数，采用密度1.65g/cm3水泥固井，水泥浆返至目的煤层以上200m。

5 煤层气定向井钻井新工艺

目前，钻井施工单位为提高钻进效率，普遍采用螺杆钻具和转盘相结合的复合钻进技术，从而减少旗下钻次数，并通过转盘和螺杆水力马达的配合提高机械转速，此外如需调整井斜与扭方位，不需起下钻，可根据井眼轨迹情况随时调整，对钻井轨迹控制及时高效，若与PDC配合组成四合一钻具结构，一趟钻便可完成从二开到完井，可以明显缩短钻井周期并将井身轨迹控制到最优。钻具组合:φ215.9mmPDC钻头+φ165mm.1.25°单弯螺杆+φ159mm钻铤×3m+φ210mm稳定器+φ165mm定向接头(0°)+φ159mm无磁钻铤+φ159mm钻铤+φ127mm钻杆。钻进参数:钻压50～60KN，泵压3～4MPa，螺杆马达转速200～300r/min。

由于对煤层气井定向井井身轨迹及钻进效率要求越来越高，可以引入MWD技术与复合钻进技术相结合，可以更好更方便地控制井眼轨迹，提高钻进效率。由于低成本钻井技术是目前中国煤层气资源开发的趋势，照搬应用常规油气田开发的随钻测井装备及技术会对钻井成本产生较大影响，但随着煤层气的大规模开发和对钻井工程提出越来越高的要求，不久的将来会出现适用于中国煤层气开发现状的MWD和LWD技术，其有着非常广阔的发展前景。

6 结论

(1)采用丛式井钻井技术开发煤层气资源，可节约土地资源，保护环境并有效降低地面集输工程及后期生产运营成本，经济效果显著。

(2)直增稳三段制井身剖面可靠合理，最有利于井身轨迹的控制和钻井施工，适宜煤层气的排采生产。

(3)不同井段在钻进过程中结合地层及井眼轨迹实际情况合理优化钻进参数，过程控制是定向井钻井技术的关键，只有严密监测井身轨迹并结合高效的钻井工艺，才能保证每口井以最优的井眼轨迹顺利中靶。

(4)使用四合一钻具结构有很强的稳斜、稳方位能力，并减少起下钻次数，与MWD相结合可减少井眼轨迹失控风险，并能有效提高钻进时效。

参考文献

吕贵州.2010.定向井的井身轨迹控制［J］.陕西煤炭，1:85～86

吴小建.2006.螺杆钻定向钻探技术在煤层气钻井中的应用［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，11:48～49

席红喜，刘强，刘星光.2005.丛式井钻井技术在陕北油田的应用［J］.科技情报开发与经济，15(7):293～294

把你的邮箱告诉我，我发给你一套《钻井与完井工程教材》，以下是这套教材我复制的部分。

第二节、钻井与完井工程的主要内容

当今的钻井技术已相当成熟，钻井的旋转钻井（见图1-1）方式也已被普遍采用。在旋转钻井方式中，钻井与完井工程的主要内容如下：

一、钻进

钻进就是用足够的压力把钻头压到井底岩石上，使钻头牙齿吃入岩石中，用钻杆带动钻头旋转破碎井底岩石，从而达到增加井深的目的。加到钻头上的压力叫钻压。钻压是靠钻柱的重量产生的。钻进的快慢用钻速（一般称为机械钻速）表示，它是单位时间里的进尺数，单位为米／小时。另一种表示法是钻时，它是单位进尺所需要的时间，单位为分钟／米。

钻进是钻井工程的主要内容，它是指用钻头破碎岩石，使井眼不断加深的过程。由于钻进，井不断加深，钻柱也要及时加长。钻柱主要由钻杆组成，钻进过程中，每当井加深了一根钻杆的长度后，就向钻柱中接入一根钻杆，这个过程叫接单根。

钻头在钻进过程中会逐渐磨损，磨损后就应予以更换。为此需要将全部钻柱从井中起出来，更换新钻头。换上新钻头后再重新将钻柱全部下入井内，这个过程叫起下钻。但也可能因为其它原因而进行起下钻。

影响钻速的因素主要有岩石可钻性、钻头的类型、钻井液性质、钻压、转速、钻井液排量、钻头水力功率的大小等。因此，研究地层的基本物理机械性质和基本的破碎规律以及影响这些规律的因素，研究钻头破岩的机理、结构特点，制造工艺及其对地层的适应性，研究钻井液的性质与井眼安全和钻井速度的关系，研究钻井参数（钻压、转速、钻井液排量、钻头水功率）对钻井速度和井身质量影响的规律对安全、优质、快速钻井的方案的制定和组织实施都有极其重要的意义。在研究各种因素对钻井速度、安全和井身质量影响规律的基础上，结合经济评价，建

以上就是关于石油的钻采设备及工艺全部的内容，如果了解更多相关内容，可以关注我们，你们的支持是我们更新的动力！