大口径绳索取芯钻进工艺在介探1井中的应用_汪栋.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-15 作者简介 汪栋 （1971-） ， 男 （汉族） ， 山西大同人， 高级工程师， 现从事探矿工程工作。 大口径绳索取芯钻进工艺在介探1井中的应用 汪栋* 山西省地质勘查局二一七地质队， 山西 大同 037008） 摘要 通过大口径绳索取芯工艺在介探1井煤层气参数井中的应用实例， 详细介绍该技术在钻孔 施工过程中的应用方法和存在问题及解决办法， 同时针对在不同地层条件下， 对该井取芯过程中钻 井冲洗液的性能及钻井参数的优选方法进行了阐述， 为该类钻探工程工作提供了参考的经验。 关键词 大口径绳索取芯工艺； 煤层气参数井； 液压动力头钻机 中图分类号 P634.5 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202010-0081-05 1概况 某公司为了勘探介休区块的煤层气资源， 在探查区 域内部署了一口煤层气参数井， 以获取各项工程参数和 煤储层参数， 为资源潜力评价和地质研究提供基础支 撑。该井要求对石盒子组800.0m以下固定取芯， 其他 层段见气显示取芯； 山西组、 太原组及本溪组进行固定 取芯， 设计取芯长度170.0m。通过对煤层解吸、 定量分 析求产与科研化验和分析等， 了解该区块的煤层气储存 情况， 并以此为依据确定该区煤层气田开发计划。 由于该井需要对相关层位进行评价， 以确定砂岩含 气段、 煤层含气性、 地化指标、 储层物性、 力学性质等关键 参数， 并在现场做煤芯煤层气解析压力、 煤层气含气量测 定等， 因此对煤芯的采取率以及煤层原生结构的保持要 求极高， 本孔决定采用绳索取芯工艺对岩芯进行采取。 介探1井 （设计） 行政区划为介休市张兰镇， 构造上位 于晋中盆地西南部平遥凸起。区内未施工煤层气探井， 设 计井周边有3口煤探钻孔， 含煤地层主要为山西组和太原 组， 而本溪组和下石盒子组仅含薄煤层或煤线。主力煤 层， 厚度相对较大， 埋深介于710～1260m， 变化较大。 2钻孔地层 本孔所揭露的地层， 自下而上主要发育下古生界 奥陶系中统峰峰组、 上古生界石炭系中统本溪组， 二叠 系下统太原组、 山西组， 下石盒子组和二叠系上统上石 盒子组、 石千峰组， 三叠系下统刘家沟组、 第四系。由 下而上简述如下。 2.1奥陶系中统峰峰组 （O2f） 岩性为深灰色、 灰色灰岩、 灰色泥质灰岩， 溶孔、 溶 穴及构造裂隙发育， 一般为方解石充填。 2.2石炭系中统本溪组 （C2b） 下部为硫铁矿层、 灰色铝质泥岩、 铝土岩等； 上部 为黑色煤， 灰黑色、 深灰色泥岩、 深灰色泥质灰岩、 灰色 灰岩、 灰黑色炭质泥岩。与下伏奥陶系中统峰峰组为 平行不整合接触。 2.3二叠系 （P） 下统太原组 （P1t） 岩性为深灰、 浅灰、 黑色砂岩、 砂 质泥岩、 细砂岩、 泥岩、 煤层及灰岩。含煤5层， 主要是 3号、 6号、 7号、 10号及11号煤层分布稳定； 与下伏本溪 组整合接触。 下统山西组 （P1s） 岩性为深灰色泥岩、 灰色细砂 岩、 黑色煤、 深灰色砂质泥岩。含煤1层， 主要是2号煤 层。底部发育灰白色中厚层状中细砂岩或粉砂岩 （K7） ， 与下伏太原组呈整合接触。 中统下石盒子组 （P2x） 岩性为棕褐色、 深灰色、 灰 色泥岩， 灰绿色砂质泥岩、 灰色泥质粉砂岩、 浅灰色细 砂岩、 浅灰色中砂岩、 灰色泥质砂岩。顶部为灰绿色夹 紫红色含铝质及铁质鲕粒的泥岩， 俗称桃花泥岩。底 部为浅灰、 灰绿色细砂岩。与下伏山西组呈整合接触。 中统上石盒子组 （P2s） 岩性组合可分为三段 下段 （P2s1） 岩性为棕褐色、 棕灰色、 灰色、 棕色泥 岩， 棕色、 灰色、 灰绿色泥质砂岩， 浅灰色含气细砂岩。 底部砂岩 （K10） 为浅灰、 灰绿色中细砂岩。 中段 （P2s2） 岩性为紫红色、 棕褐色泥岩， 灰绿色、 浅灰色、 灰白色细砂岩， 灰绿色、 棕灰色、 灰色砂质泥 岩。底部砂岩 （K12） 为中细粒砂岩。 上段 （P2s3） 岩性为灰绿色、 紫红色、 棕褐色泥岩， 灰 色、 灰绿色、 棕色泥质砂岩、 灰白色细砂岩。上部泥岩夹 81 2020年第10期西部探矿工程 硅质条带。底部砂岩 （K13） 为中细砂岩， 底部含细砾。 上统石千峰组 （P3g） 上部岩性主要为浅紫红色、 紫红色泥岩、 砂质泥岩夹薄层状紫灰色中细砂岩、 中 砾岩。下部岩性主要为灰绿色、 浅灰色细砂岩， 棕红 色、 紫红色泥岩， 泥岩为厚层状。底部砂岩为灰绿色、 浅灰色中细粒砂岩。 2.4三叠系下统刘家沟组 （T1l） 岩性为棕红色泥岩、 紫红色、 棕色泥质粉砂岩， 棕 色砂质泥岩、 灰紫色细砂岩。细粒砂岩、 粉砂岩具大型 板状交错层理， 含杏仁状泥砾。 2.5第四系 （Q） 岩性以黄土为主， 底部有砾石层。与下伏各时代 地层呈角度不整合接触。 3施工设备 本工程投入的主要机械设备见表1。 4施工工艺 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 名 称 钻机 发动机 桅杆 动力头 辅助绞车 柴油机 柴油发电机组 柴油发电机组 泥浆泵 柴油罐 固控系统 固控系统 固控系统 除砂、 除泥一体 化清洁器 离心机 振动筛 MWD无线随钻 测斜仪 绳索取芯绞车 大口径绳索取 芯钻具 大口径绳索取 芯钻具 数量 个 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 型号 100 KTA19-P750 KTA19-P700 HJI-200 KY250GF F-500 5t装 1号 （沉砂） 罐 2号 （净化） 罐 3号 （吸入） 罐 ZCSN2501-1005 LW600-1019N ZGWS-2200/3P HL-48R JS-2500B MC215 载荷 （kN） 1000 1000 扭矩27.5kNm 45 功率 （kW） 559 200 250 373 71.4 114.2 60 3 40 3.68 1.1 备注 总长13.2m， 总高21m 提升能力100t， 下压能力20t 3.30.10.7 泥浆泵 2个 25.12m3 34.6m3 26.46m3 处理量60m3/h 特制 生产厂家 北京天和众邦 重庆康明斯 北京天和众邦 北京天和众邦 北京天和众邦 重庆康明斯 重庆康明斯 重庆康明斯 河北永明 采购 西安兴庆 西安兴庆 西安兴庆 西安兴庆 西安兴庆 西安兴庆 北京海蓝 唐山金石 河南平顶山 表1主要机械设备 4.1钻孔结构见表2 4.2井身结构及钻具组合见表3 4.3钻头使用及钻进参数见表4 由于该地区的主要煤层井段大多为粉煤， 根据本 井在主要煤层的多次实践探索， 粉煤的钻井参数一般 选用低排量、 低泵压、 低转速和较大的钻压。 4.4钻井液的选取 4.4.1钻井液性能及要求 钻井液的选择应四个有利于 有利于含气层、 煤层 快速、 安全钻进； 有利于环境保护； 有利于地质资料录 82 2020年第10期西部探矿工程 取； 有利于复杂情况的预防和处理。 本次探井在钻遇下石盒子组之前， 对钻井液不作 特殊要求， 符合常规性能、 满足各项录井及安全快速钻 进即可。进入下石盒子组后， 考虑到砂岩段有可能存 在含气层， 采用了低固相钻井液进行钻进； 山西组以下 为煤层发育段， 煤层的机械强度较弱， 很容易受到钻井 液的侵害， 为了最大限度地减少钻井液对煤层的伤害， 并保证煤芯的收获率， 优先采用无固相聚合物钻井液 进行钻进， 并在进入目的层之前彻底更换钻井液， 同时 用振动筛及除砂、 除泥器清除钻井液中的岩粉。 在实际钻进中钻至385～395m发生井塌、 井漏， 经 三次水泥封固复杂段后， 恢复正常钻进。由于本次探 井涉及到取芯， 且多数地层处于欠压状态。为了确保 孔内安全、 保证取芯质量和效率达到优质高效钻井的 目的， 根据实际情况结合设计要求进入目的层后决定 改用低固相聚合物钻井液进行钻进。 4.4.2钻井液性能见表5 根据不同的施工顺序和井下情况及时调整钻井液性 能， 保证了各层位取芯、 电测、 下套管、 固井等的顺利施工。 4.5取芯情况与效果 4.5.1取芯钻具的选择 本井设计为煤层气参数井， 根据井身结构和施工 工艺， 采用大口径绳索取芯钻具进行取芯。所采用的 取芯钻具内管内径为65mm， 外径73mm， 内管长 3.00m， 取岩芯时内管采用整管， 外管上部通过接头直 接与127mm钻杆内平连接； 同时， 现场备足两套取 芯内管， 一根进行出芯的同时， 将另一根内管进行投 放， 从而进一步缩短了取芯作业时间、 降低了取芯作业 成本、 提高了取芯效率。 4.5.2取芯过程遇到的问题 根据地质地层结构和钻进工艺， 本次大口径绳索 取芯钻头优先采用八翼阶梯式刮刀PDC保径钻头 （如 图1所示） ， 该钻头具有机械转速高、 寿命长、 低压降、 低 侵蚀的特点。阶梯式结构有效地减小了钻头与孔底的 开钻 序号 一开 二开 钻头外径 mm 311.2 215.9 钻达井深 m 134.91 990.00 套管尺寸 mm 244.5 139.7 钢级 J55 N80 壁厚 mm 8.94 7.72 套管下深 m 134.56 989.91 备注 固井水泥返至地表 固井水泥返高440.5m 表2钻孔结构 表3井身结构及钻具组合 序号 1 2 3 4 5 井段m 2～134.91 134.91～808.22 808.22～817.66 817.66～927.30 927.30～990 钻具组合 311.2mmPDC钻头177.8mmDC3127DP11 215.9mmPDC钻头165mm螺杆159mm无磁钻铤177.8mmDC5127DP77 215.9mmPDC取芯钻头146mm取芯外管127DP84 215.9mmPDC取芯钻头140mm取芯外管127DP95 215.9mm钻头165mm螺杆159mm无磁钻铤177.8mmDC1127DP100 注 井身结构 311.2mm134.91m215.9mm990.00m； 套管程序 244.5mm134.56m139.7mm989.91m。 编号 1 2 3 4 5 钻头 型号 PDC PDC PDC取芯 PDC取芯 PDC 尺寸 mm 311.2 215.9 215.9 215.9 215.9 钻进井段 m 2～134.91 134.91～808.22 808.22～817.66 817.66～927.30 927.30～990 进尺 m 134.91 673.31 9.44 109.64 62.7 纯钻时间 hmin 1430 15945 1140 8115 4250 机械钻速 m/h 9.3 4.2 0.8 1.35 1.46 钻进参数 钻压 kN 20 20 20 30 20 转速 r/min 80 螺杆 90 90 螺杆 排量 L/s 25 25 20 15 25 泵压 MPa 1.5 2.5 3 2.5 3 钻头 磨损 正常 正常 正常 正常 正常 表4钻头使用及钻进参数 83 2020年第10期西部探矿工程 接触面积， 钻头的水眼设计采用小角度内倾水眼和外 倾斜水眼相结合， 使钻井液对岩芯冲蚀破坏最小。 图1八翼阶梯式刮刀PDC保径钻头 为保证取芯顺利， 在进入目的层前进行了试取芯， 但取芯效果不理想， 多次打捞器捕捞住内管后提拉不 动， 需要起钻取芯， 严重影响到岩芯质量和取芯效率。 在逐一排除钻进参数、 钻井液性能等影响后， 打捞器捕 捞住内管后仍提拉不动。提钻检查后发现， 因钻遇松 软而且粘性很强的泥岩， 钻头的底部很容易被泥岩包 裹 （如图2所示） ， 将底部水眼堵死， 造成泥岩堵塞钻头， 进而形成烧钻 （如图3所示） ； 岩芯堵塞后卡簧座倒扣， 使取芯内管在钻头内台阶和弹卡挡头之间上下顶死， 弹卡不能收拢， 打捞器捕捞住内管后也就提拉不动了。 4.5.3解决问题的方法 为解决上述问题， 首先采用传统方法即封堵钻头 个别水眼， 用以增强钻头水眼水动力， 增加钻井液清洗 钻头能力。该取芯钻头在钻头翼片和钻尖各有8个水 眼， 对称均匀的翼片水眼用木塞封堵四个后， 进行下钻 试取芯， 结果打捞器捕捞住内管后仍旧提拉不动， 起钻 后发现钻头仍被泥皮包裹并出现轻微的烧钻。随后， 根据实际情况并结合岩层特征对PDC取芯钻头进行 了更换 （如图4所示） 。 更换后的取芯钻头胎体采用短抛物线冠部设计、 弧线型四刀翼， 刀翼数的减少使钻头具有较强的攻击 性。大倾斜水眼设计， 使井底流场最优化， 有效地避免 层位 一开 进煤前 目的层 完井液 井段 m 0～134.91 134.91～808.22 808.22～927.30 完钻 钻井液 类型 - 低固相 低固相 低固相 常 规 性 能 密度 g/cm3 1.05～1.15 1.06～1.10 ≤1.08 粘度 s 28～38 30～33 30～35 45 失水量 mL 15～20 10 8～6 8 泥 饼 mm ≤2 ≤1.5 0.5 1 pH值 8～9 9 9 9 含砂量 （） ≤0.3 ≤0.2 表5钻井液性能 图2钻头泥包 图3烧钻 84 2020年第10期西部探矿工程 了钻头泥包， 并且减少了井底的重复循环， 增强了钻头 清洗、 冷却能力， 有利于岩屑的及时上返。适用于抗压 强度低且带有夹层的软到中硬地层。 根据地质地层结构和钻进工艺， 所采用的新型 PDC取芯钻头， 一次性实际取芯进尺109.64m， 顺利完 成该井的取芯工作。 4.5.4取芯进尺及收获率 取芯总进尺119.08m， 总采长92.78m， 平均收获率 77.91， 其中合同取芯长20m； 另有， 44.23m作为自主取 芯， 采长31.51m， 不计入最后取芯评判标准 （详见表6） 。 4.5.5取芯保障措施 （1） 取芯工具到场后应由技术人员验收， 并检查相 关配件是否齐全； （2） 取芯工具下井前要做好检查， 在使用过程中要 及时保养； （3） 取芯内、 外管丝扣连接部分必须完好无损， 组 表6取芯情况一览表 取芯段 合同取芯 第一段取芯 自主取芯 第二段取芯 合计 岩芯煤芯 取芯进尺 m 25.63 24.12 44.23 23.80 采长 m 20.38 23.47 31.51 17.42 收获率 79.51 97.3 71.24 73.19 岩芯 取芯进尺 m / 22.04 17.5 39.54 采长 m / 21.39 14.52 35.91 收获率 / 97.05 82.97 90.82 煤芯 取芯进尺 m 1.97 2.08 6.30 10.35 采长 m 1.97 2.08 2.90 6.95 收获率 100 100 46.03 67.15 图4胎体四刀翼PDC保径钻头 装时必须上紧； （4） 取芯内、 外管无变形、 伤痕、 裂纹和弯曲。 5结论 在我国经济结构和能源结构转型的关键期， 煤层气 产业作为一种重要的新兴能源产业面临着巨大的发展机 遇。此次煤层气探井施工从总体上来讲， 在煤层气方面 的研究， 还存在着研究深度、 投入力度等方面的不足， 与 煤层气井相关的勘探工艺、 设备和技术仍需进一步提高。 本次煤层气探井施工， 利用施工现场现有的127mm 钻杆内平做专用绳索取芯钻杆， 结合73～140mm内 外管总成绳索取芯钻进工艺， 采用优化改进的PDC取 芯钻头是我队在实践中摸索出来的一套行之有效的钻 进取芯工艺。经过介探1井取芯验证， 此套取芯钻具 内、 外管结构简单、 组装方便； 所采用胎体四刀翼PDC 保径钻头在单只钻进进尺和机械钻速方面均取得了良 好的成绩， 且减少了起下钻次数， 提高了经济效益， 完 全适合煤层气探井的相关取芯需求， 并顺利完成介探1 井的相关取芯工作。获得了介休煤层气区块煤层气探 井施工的宝贵经验。 参考文献 [1]周全兴.钻采工具手册[M].北京科学出版社，2002. [2]韩广德，金宝昌，丁祥发.中国煤炭工业钻探工程学[M].北京 煤炭工业出版社，2000. [3]胡晨光.钻探工程技术[M].安徽合肥安徽文化音像出版社， 2004. [4]曾铁军，左明星，徐培武.煤层气钻井技术的应用研究[J].探矿 工程岩土钻掘工程，2005，3211. [5]朱景萍，邹博.绳索取心技术在深部钻探南岭于都赣县矿 集区科学验证孔施工中的应用[C].中国地质学会，2013300- 304. 85