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
我国煤矿井下水平定向钻进技术的发展和应用现状
特点如下:
1、设备采用履带行走,整机宽度小于1.2米,结构紧凑,可适应于狭窄巷道多用途钻孔施工
2、设备独有电子标签识别技术实现钻进深度的自动记录,降低轨迹计算过程中人为因素的干扰,施工效率更高
3、随钻测量系统采用无线数据传输,具有操作简单、传输效率高、数据解析快、准确度高等特点,减少施工方的钻具成本
4、钻机锚固采用液压四支腿与双立柱顶底支撑的方式,锚固过程简单、效率高,锚固稳定
5、钻机打钻机构具有全方位钻孔功能,开孔水平角度0~180°,仰俯角度±90°,开孔范围广,适应能力强。
6、钻机采用先进的负载敏感系统和先导比例控制系统,能精确控制给进速度和旋转速度,具有节能、流量控制精度高和过载保护等特点
7、钻机自带大屏幕防爆计算机,便于施工过程中参数的读取、数据记录与钻孔纠偏
8、设备配套螺杆马达与泥浆泵站实现钻孔方位角调整,配合随钻测量系统实现设备定向钻进。
几吨定向钻机算小型
我国煤矿井下水平定向钻进技术研究始于20世纪90年代初。1993年煤炭科学研究总院西安院在大同矿务局四台矿施工地质异常体的近水平勘探钻孔，采用稳定组合钻具为主，局部孔段使用国产的孔底马达纠斜钻进的方法，孔深达到302.5m。由于受当时国内孔底马达、测斜仪器等制造技术落后的限制，西安院当时放弃了孔底马达定向钻进的技术途径，在接下来的10余年时间里，倡导并积极推进以稳定组合钻具为主要手段的煤矿井下近水平定向钻进技术，并取得了很好的效果，分别于1999年、2000年和2002年完成603m、721m和865m的煤矿井下近水平定向钻孔，创造了当时国内煤矿井下定向钻孔施工深度的最高纪录。这一期间，鉴于国外采用孔底马达进行定向钻孔施工的成功案例，国内一些煤矿企业也先后从美国、澳大利亚等国进口了数台千米定向钻机，但由于这些钻机大部分不适应我国煤矿的复杂地质条件，成孔率非常低，且经常发生掉钻、卡钻等孔内事故，所以应用效果并不理想。2003年山西亚美大宁能源公司引进澳大利亚的VLD深孔钻机完成1002m的瓦斯抽采定向钻孔后，国内一些类似煤层条件的矿井也相继引进VLD钻机进行瓦斯抽采定向钻孔施工，并取得成功应用，如晋城寺河矿2006年完成主孔深度1005m的瓦斯抽采孔，宁煤集团在白箕沟矿采用同一机型完成了一个1023m的半煤半岩瓦斯抽采孔。虽然部分煤矿企业通过引进国外技术和装备在煤矿井下随钻测量定向钻孔施工方面取得了成功应用，但是由于进口设备价格昂贵、服务滞后，在后期使用过程中，设备故障、配件供应等原因往往给生产带来很大的麻烦，加之进口钻机的配套钻具和工艺很大程度上不适合我国煤矿的地质条件，还经常出现断钻杆、掉钻具等孔内事故，严重影响生产进度和施工安全。从2005年起，煤炭科学研究总院西安院对孔底马达定向钻进技术与配套机具进行研究开发，成功研制了适合我国矿井地质条件的千米履带定向钻机、高强度大通孔通缆钻杆、新型随钻测量系统，并开发了孔底马达定向钻进工艺技术。该套装备及技术自2008年试验成功以来，先后在彬长大佛寺矿、长武亭南矿、晋城寺河矿进行了现场应用。应用效果表明:钻机移动便捷、故障率降低60%，钻进效率提高2～3倍，瓦斯抽采效率提高60%以上，试验期间完成的钻孔最大孔深达到了1046m。截至2011年8月该套装备和技术已在我国神华宁煤汝箕沟矿、神华神东保德矿、神华宁东红柳矿、神华乌海能源公司平沟矿、内蒙古太西煤业松树滩煤矿、山西焦煤杜儿坪矿、山西阳煤集团新景煤矿、山西阳煤集团二矿、山西晋城煤业集团寺河、陕西长武亭南、陕西黄陵煤业股份有限公司、陕西铜川陈家山煤矿、山西沁河能源端氏煤矿、焦煤集团赵固一矿、焦煤集团九里山煤矿、淮北煤业朱仙庄煤矿及淮北煤业集团杨柳煤矿等30个矿井进行推广应用，施工最大主孔孔深1212m，最大分支孔孔深915m，累计施工钻孔深度数百万延米。不但为煤矿企业的安全生产提供了保障，同时也提高了矿井瓦斯抽采利用率，为煤矿企业带来可观的经济效益。
我国虽然在煤矿井下随钻测量系统配套和定向钻进技术方面取得了重大突破，但是，由于整个工艺流程还处在不断地摸索和总结阶段，从煤矿井下定向钻进技术的总体发展来讲，我国煤矿井下随钻测量系统的发展刚刚处于起步阶段，在硬件和软件方面还有待进一步完善。
定向钻工作坑一般多大
13吨以下。13吨以下吨定向钻机算小型，定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施（管道、电缆等）的一种施工机 械，其广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等柔性管线铺设施工中，适用于沙土、粘土、等地况，不适宜地下水位较高及卵石地层，中国大部分非硬岩地区都可施工。
定向钻机钻坑直径10cm-50cm，深度1米-2.8米。根据可查询到的相关公开信息显示，水平定向钻机钻坑直径一般为10-50cm，深度一般为1-2.8米。定向钻是工程技术行业的一种管道施工工艺，一般多用于石油、天然气以及一些市政管道建设，由大型的定向钻机进行定位钻孔、扩孔、清孔、管道回拖等过程以后再进行管道施工。
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