徐培遠

(1.河南省煤田地質局,河南 450046;2.河南省煤層氣鉆井工程技術研究中心,河南 450053)

1 前言

繩索取芯鉆探具有結構簡單、鉆進效率高、巖芯質量好、鉆頭壽命長、勞動強度低等特點。目前廣泛用于煤層氣參數井施工中,繩索取芯鉆探不僅要熟練掌握繩索鉆具的結構和工作原理,還要注重現場一系列的工作。如：繩索取芯鉆具的選用、鉆頭的選擇、鉆井液的參數調整、下鉆及鉆進過程中的注意事項、加強對繩索取芯設備的保養(yǎng)等,只有認真研究施工方案,因地制宜的做好這些工作,才能提高繩索取芯的鉆進效率、保證質量,降低成本、提高經濟效益。本文以河北大城24-3井煤層氣井施工情況為例對深井取芯技術進行探討。

2 地質概況

根據臨近孔的地質資料,預計該孔鉆遇地層為新生界第四系 (Q)、第三系 (N),古生界二疊系下統(tǒng)唐家莊組、大苗莊組,石炭系上統(tǒng)趙各莊組。目的煤層為二疊系下統(tǒng)唐家莊組、大苗莊組5#、7#、8#、9#煤層、石炭系上統(tǒng)趙各莊組12#煤層,施工設計對目的煤層以及頂底板進行取芯。

完鉆層位：石炭系上統(tǒng)趙各莊組。詳見表1。

揭露地層的特征如下：

①第四系、第三系：2.90～1072.95m,厚1070.05m。頂部為紅色、土黃色耕植土和黃色流砂層。其下部為黃色粘土層與灰色礫石層不等厚互層。松散易垮塌。與下伏地層呈角度不整合接觸。

表1 地層分界預測表

②二疊系下統(tǒng)下石盒子組：井深1072.95～1126.10m,厚53.15m。其巖性特征是以灰色、深灰色砂質泥巖、灰色、灰白色粉砂巖、細砂巖為主,其次為深灰色泥巖。與下伏二疊系下統(tǒng)山西組地層呈整合接觸。

③二疊系下統(tǒng)山西組：井深 1126.10～1236.35m,厚110.25m。其巖性特征以灰黑色泥巖,深灰色砂質泥巖和粉砂巖為主,其次為灰白色細砂巖和煤層,局部夾黑色炭質泥巖。泥巖、砂質泥巖中植物化石含量豐富,3#煤層位于該組下部。與下伏石炭系上統(tǒng)太原組地層呈整合接觸。

④石炭系上統(tǒng)太原組：井深 1236.35～1373.60m,厚137.25m。其巖性特征以深灰黑色～灰黑色泥巖,灰色砂質泥巖,淺灰色～灰白色粉砂巖、細砂巖為主,其次為灰白色中、粗砂巖及煤層,含有少量黑色炭質泥巖,泥巖、砂質泥巖中植物化石含量豐富,6#煤層位于該組下部。與下伏石炭系中統(tǒng)本溪組地層呈整合接觸。

⑤石炭系中統(tǒng)本溪組：井深 1373.60～1433.50m,厚59.90m。巖性特征以灰綠色鋁土質泥巖,灰白色、淺灰色、深灰色粉砂巖、細砂巖,灰色石灰?guī)r為主,其次為深灰色泥巖。與下伏奧陶系中統(tǒng)馬家溝組地層呈整合接觸。

⑥奧陶系中統(tǒng)馬家溝組：井深 1433.50～1450.00m,厚16.50m(未鉆穿)。它的巖性特征巖性為淺灰色灰?guī)r。本組地層巖性組合與區(qū)域上基本一致。該組地層未鉆穿。

3 鉆具組合

合理的使用繩索取芯進行鉆進,不但能提高效率而且節(jié)約成本,一般煤層氣參數井的成孔直徑為φ215.9mm,繩索取芯鉆具常選用φ127mm鉆桿,鉆桿鋼級為E級,內徑與繩索取芯內管總成配套使用;一般選用取芯器規(guī)格最大為φ68mm即可滿足業(yè)主要求。鉆頭選用215.9mm取芯鉆頭,鉆頭以外錐型和階梯型鉆頭最佳。

表2 24-3孔鉆具組合表

4 鉆井液

繩索取芯鉆進應根據地層特點、鉆孔設計深度來合理選用鉆井液。對于較深井進行取芯,主要考慮的關鍵問題即在于孔壁壓力。井越深孔壁壓力越大。在鉆井液材料的選擇上,對于高壓地層,為了保持孔壁穩(wěn)定應選用膨潤土泥漿。適當的泥漿粘度和密度可以有效的平衡地層壓力,維護孔壁穩(wěn)定。根據全井壓力剖面 (地層壓力剖面、地層破裂壓力剖面和坍塌壓力剖面)及淺氣層資料,分段設計確定鉆井液密度,其方法如下：

式中ρm——鉆開地層壓力為ρp的鉆井液密度,g/cm3;

ρp——地層壓力當量密度,g/cm3;

ρe——附加當量密度 (安全余量),g/cm3。油井：ρe= (0.05～ 0.10)g/cm3(或 1.5～3.5MPa);

氣井：ρe= (0.07～ 0.15)g/cm3(或 3.0～5.0MPa)。

地層壓力Pp是指地層孔隙中流體具有的壓力,也稱地層孔隙壓力。

(1)地層壓力Pp計算公式：Pp=0.0098ρpHp

式中Pp——地層壓力,MPa;

ρp——地層壓力當量密度,g/cm3;

H地層壓力當量密度ρp計算公式：

ρp=Pp/0.0098Hm=102Gp

在鉆井過程中遇到的地層壓力可分為三類：

(a)正常地層壓力：ρp=1.0～1.07g/cm3;

(b)異常高壓：ρp＞1.07g/cm3;

(c) 異常低壓：ρp＜1.0g/cm3。

地層當量密度ρp約為1g/cm3,附加當量密度ρe=0.07g/cm3,由此計算得出的鉆井液密度ρm=ρp+ρe=1.07g/cm3

(2)大城24-3煤層氣井選用的鉆井液

一開采用較高密度的鉆井液,泥漿材料以粘土粉、CMC、火堿為主。主要解決大口徑鉆進的巖屑攜帶和井壁保護問題。

二開初始采用低固相鉆井液,鉆井液密度保持在1.07g/cm3以下,在鉆進目的煤層段時,鉆井液密度小于1.05g/cm3。該井實際使用的鉆井液的性能情況見表3。

表3 24-3孔鉆井液性能表

5 深井繩索取芯的注意事項

(1)取芯工具下井前做到井壁、井底清潔,井眼暢通,鉆井液性能穩(wěn)定,符合要求,確保起下取芯筒順利。

(2)嚴格檢查取芯筒各部分聯接情況,配合間隙符合要求,水眼暢通,懸掛軸承保證轉動靈活,組裝后吊在井口用手能輕松轉動內筒。內外筒之間清潔無異物,巖芯卡簧完好、尺寸相符。

(3)組裝好的取芯外筒在井口用大鉗逐一緊扣,并放入內筒檢查裝配間隙是否合適。

(4)井場鉆具在進行取芯前應進行通徑檢查,保證取芯內筒順利通過。取芯時上下無阻。

(5)下鉆操作平穩(wěn),杜絕猛剎、猛放,控制下放速度,以防水眼堵塞嚴防頓鉆。下鉆距離井底一個單根深度,提前開泵循環(huán),下放鉆具清潔井底。中途遇阻以沖洗為主,少劃或不劃眼,嚴重遇阻時改用牙輪鉆頭通井劃眼至暢通為止。

(6)避免用取芯鉆頭劃眼,下鉆最阻不超過30kN,經上下活動無效后,立即循環(huán)鉆井液起鉆。

(7)井內循環(huán)壓力正常,井底無沉砂、掉塊,井眼暢通無阻,方可送入取芯管。取芯管應使用矛頭和繩索吊下去,到位后利用脫卡裝置將其脫開。取芯管投入后,經確認到位后方可進行取芯鉆進。

(8)取芯鉆進前循環(huán)處理好鉆井液,并清潔井底,造芯時輕壓 (10～20K N)起動,仔細造芯,

樹芯進尺0.5m后則可加足鉆壓。

6 大城24-3井繩索取芯質量評價

按設計要求,巖煤芯錄井段為二開至井底;巖煤芯收獲率不低于 80%。根據甲方要求從1099.05m開始取芯,取至井深1450.00m,全井實際取芯422回次,取芯段為1099.05～1450.00m;3#煤層段取芯10個回次,6#煤層段取芯10個回次。全井取芯總進尺350.95m,芯長342.77m,收獲率97.7%。

錄井煤層頂板、底板取芯段長及巖煤芯收獲率見表4。

表4 24-3孔錄井煤層取芯情況表

錄井3#煤層收獲率平均為99.4%,頂板收獲率平均為100.0%,底板收獲率平均為100.0%,符合設計要求。6#煤層收獲率平均為91.6%,頂板收獲率平均為93.4%,底板收獲率平均為92.3%,符合設計要求。

結合測井、錄井資料,綜合解釋3#煤層取芯井段為1218.50～1224.88m,取芯進尺6.38m,心長6.16m,收獲率為96.5%;6#煤層取芯井段為1312.68～1317.00m,取芯進尺4.32m,心長3.60m,收獲率為83.3%。

[1] 王昌真,劉永貴.慶深氣田深層勘探鉆井配套技術研究與應用 [J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2008,35(9).

[2] 孔凡軍,劉永貴,張顯軍,等.徐深氣田深層氣體鉆井設計及對策 [J].天然氣工業(yè),2008,28(8)：64-66.

[3] 李五忠,吳國干,等.中國煤層氣開發(fā)與利用[M].石油工業(yè)出版社,北京,2008.