柳林石西区块煤层气造穴井施工工艺

刘彦锋，张俊虎

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204)

柳林石西区块位于吕梁山脉中段之西部，西临黄河。区内山高谷深、地形复杂。区块的地势总体为东高西低，属侵蚀较为强烈的梁峁状黄土地貌。基岩地层仅出露于沟谷地带，山顶、山梁大面积为黄土覆盖，植被较发育，多为经济林——枣树林。

区块内主采煤层为山西组(3+4)号和本溪组(8+9)号煤，区块整体呈向南西倾向的单斜构造，由东向西煤层埋深逐渐增加，埋深整体介于1 200～1 700 m之间，东部总体浅于1 500 m，西部总体深于1 500 m。煤层埋深大，加之地形地貌复杂，在此区域施工煤层气直井不仅成本高且难度大。该区块是2017年山西省首批公开出让的十个煤层气勘探区块之一，勘探资料较少，煤层气开发尚属空白，目前无可供借鉴的经验。因此，寻找一种适宜该区的钻井工艺技术成为石西区块高效勘探开发煤层气的关键。

目前，煤层气开发井型繁多，有垂直井、丛式井、水平井、U型对接井等多种井型，随着技术的成熟，煤层气井的产能也得到了大幅度的提升。“U型对接井”以其“直井开采稳定、成本较低和水平井控制面积大、生产速度快”[1]的优势逐渐受到钻井专家及学者的青睐，而水平井与直井成功对接是该技术工艺的核心。本文针对石西区块基础地质特征，优化设计了一套适用于该区的煤层气井造穴工艺及钻井参数，并在探6井中得到应用，实现了水平井与造穴井成功对接，为该区煤层气井勘探提供了技术支撑。

1 煤层气井造穴工艺参数优选

煤层气造穴井就是利用机械的方法在直井的目的煤层段进行扩孔，使目的煤层段形成的洞穴直径远远大于钻孔直径。造穴井的施工目的和作用：一是为水平井定向施工时在目的煤层中放置靶点目标仪器；二是完井后作为水平分支井组煤层气抽排的通道[2]。

1.1 井身结构

造穴井为U型连通井的直井，此次设计采用二开井井身结构，见图1。

1) 一开采用D311.15 mm钻头钻进，钻入稳定基岩10 m后，下入D244.5 mm套管，固井水泥返至地面，目的是封住第四系和新生系上部易垮易漏失地层，为二开的安全钻进创造条件。

2) 二开采用D215.9 mm钻头钻进至煤层顶板上部，下入取芯钻具进行全煤层段取芯及测试。

3) 下入常规钻具钻至目的煤层底板以下30 m，常规测井后，下入D177.8 mm生产套管，目的煤层段为玻璃钢套管，固井水泥浆返至地面，使用专用工具将煤层段玻璃钢套管磨铣。

4) 采用特殊造穴工具对煤层段全段造穴，孔穴直径大于500 mm。

图1 造穴井井身结构

一开上部地层较松散，施工重点是防塌、防漏、防斜，下部地层相对稳定，整个井段的防斜、防卡工作应引起足够的重视。采取挖圆井，提前配好坂土浆，充分预水化，采用小排量开泵循环、轻压吊打的方法，钻进上部的土层；钻进下部地层加大循环排量，提高钻井液粘度防漏，使井底的岩屑能及时返出，防止卡钻。二开采用D172 mm ×1.25°螺杆复合钻进，用无线MWD随钻监测井斜，保证井眼轨迹符合要求。

1.2 造穴工艺

该设计是在煤层段下入玻璃钢套管进行造穴，玻璃钢套管在煤层气开采中的应用仍然是一项新技术[3-4]。玻璃钢套管重量轻，悬重变化不明显；材质脆，本体上遍布孔洞，在接套管联顶节时，上扣扭矩要求严格，既要上紧扣又要保护玻璃钢管不能损坏；因此，在下入玻璃钢套管时，避免硬压硬提，也不能强行转动。

使用D148 mm 的 PDC掏穴钻头锻铣玻璃钢套管以及造穴。下钻前，试验掏穴钻头的性能及参数，得到该钻具在无外阻力时张开所需的最小泵压和泵量，打开泥浆泵后，确认刀具伸缩自如，然后开始下钻。当下钻至煤层顶板时，先打开泥浆泵，采用低转速缓慢旋转，且试着下放钻具，钻具能被托住后，加大转速、钻压，锻铣玻璃钢套管，锻铣井段为煤层段，采用清水锻铣，小钻压 2～10 kN，柴油机转速950 r/min，泵压4 MPa，排量16 L/s。

套管割破后开始造穴，设计洞穴直径500 mm，然后电测造穴最大井径，以判断是否符合设计要求。

锻铣玻璃钢套管和造穴需要注意的问题：①锻铣刀下井前，必须认真检查，并开泵试验，取得打开刀头的排量与泵压等正常工作参数，避免下井后锻铣工具刀翼打不开[5]。②工具下放到掏穴井段后，要先开车慢速回转并试开泵，泵排量逐渐增大至试验值。如果扭矩大则减小泵量，这样可以减小刀体的直径，使回转阻力变小。逐步调整好泵量达到刀体最大时，可以给压钻进实施铣割作业[6]。③锻铣结束后，要对锻铣段进行多次划眼，清除残余玻璃钢，为掏穴打好基础。④造穴中，为防止对储层的伤害，钻井液应使用清水，避免使用泥浆堵塞储层的割理裂隙。⑤在造穴及洗井过程中，必须及时捞取煤屑，并堆放在一起，以便计算掏穴直径。洗井结束，将钻具下到井底硬探人工井底，确定沉渣段长度。

1.3 钻井参数优选

石西区块地层有河流相沉积，岩层岩性变化频繁，软硬变化快，部分地区存在鹅卵石层，为保证钻进效率，钻井过程中提出“三段式”钻进参数：①上部地层采用高钻速、中钻压钻进；②进入基岩后需轻压吊打防斜、纠斜钻进，此时选择低钻压和较低转速钻进；③在钻开煤层后，为了保持井壁的稳定性，选择使用了低钻压、低转速、小排量钻进。

1.4 钻井液参数优选

由于石西区块煤层埋深大，为防止井塌、维护井壁稳定，更应严格控制煤层气井钻井液密度，为此，设计了一种“分级式”钻井液，即随着井深增大钻井液密度呈阶梯式增长。

一开井段使用膨润土钻井液体系即一级钻井液，该钻井液体系具有很强的悬浮携带能力和稳定井壁能力。适合一开地层成岩性差、渗透性好、易坍塌的特点，能够及时携带岩屑防止虚厚泥饼的形成。

二开是全井钻井液工作重点，为保护好煤层，减少对煤层损坏程度，采用聚合物钻井液体系。上段采用低固相聚合物钻井液即二级钻井液，能够有效抑制并降低对煤层井段的破坏；下段采用聚磺体系钻井液即三级钻井液，该钻井液主要应用于油气钻井系统中深井条件下[7]，在煤层气钻井中应用较少，其抗高温抗盐性能强，钻井液相关技术参数见表1。

表1 钻井液技术参数

2 现场施工应用及效果

本设计方案已在石西区块探6井中得到应用，效果良好，且完成了水平井与之成功对接。

探6井是一口位于柳林石西区块的煤层气造穴井，设计井深1 558 m，目的层为石炭系本溪组8号煤层，完钻原则为进入8号煤层底板30 m后完钻，采用8号煤洞穴完井，井径不低于500 mm。实际完井井深1 571 m，目的层和完钻层位与设计相同。其中，玻璃钢套管位置在1 534.18～1 543.08 m，造穴井段位置在1 535.5～1 540.5 m。

探6井于2019年5月16日一开钻进，使用D311.2 mmPDC钻头钻至井深258.08 m，完钻后下入J55×D244.50 mm×8.94 mm表层套管，固井施工时注入冀东G级水泥20 t，水泥浆密度1.85 g/cm3，水泥返出地面，经48 h固井候凝。5月21日二开使用D215.90 mm PDC钻头钻进至8号煤层底板30 m完钻，完钻井深1 571.00 m，并下入外径177.8 mm、壁厚8.05 mm，钢级J55生产套管。固井施工时注入冀东G级水泥30.5 t，水泥浆密度最小1.43 g/cm3，水泥浆密度最大1.77 g/cm3，胶塞碰压压力10 MPa，水泥返出地面，经48 h固井候凝。

2019年6月12日进行固井质量测声幅作业，试压合格，满足后期排采要求。次日下入89 mm钻杆和掏穴钻头至1 535.5 m，柴油机转速950 r/min，泥浆泵排量12 L/s，钻压2～10 kN小钻压造穴，到6月14日至1 540.5 m，上下来回开泵划眼，采用泡沫洗井至返出清水起钻，测造穴段井径合格。

该井钻井周期11 d 8.5 h，建井周期38 d14 h。全井最大井斜1.9°，位于1 470.00 m；平均井径扩大率为7.62%；井底闭合位移：25.99 m，闭合方位60°[8]。

3 结 语

通过充分调研及技术分析，石西区块地形复杂、煤层埋深大，针对该特点设计了一套煤层气造穴井施工工艺，形成了“二开—造穴—三段—三级式”钻井技术体系，并在石西区块探6造穴井中得到应用。该钻井施工历时近40 d，也是首次在该区块钻井施工中使用掏穴工艺，不仅顺利地完成钻井设计要求，为下一步水平对接井的施工奠定了坚实的基础，同时也为今后在该区块施工造穴井提供了宝贵的经验。