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钻探技术在超大瓦斯抽排井施工中的应用 杜贵亭 河南省煤田地质局四队,河南 467000 摘 要用钻井技术手段抽取煤层中的瓦斯,是降低煤矿安全风险的有效途径之一,对煤矿的安全生产有着极为重要的意义。本文介绍了在中平能化集团施工的瓦斯抽排井,针对矿区的具体特点,采取了有效的钻井措施,完成钻井作业。关键词煤层气 钻井 工艺 措施 Application of CB M Well Drilling Technique in Coal Mine Gas Drainage Wells Du Guiting No 14Team of Henan Province Coal Geology B ureau,Henan 467000 AbstractThe means of building CB M w ells to drain coalbed methane in the coal seam will not only reduce the safety risks during coal mining process,which has a great significance for coal mining.The paper intro 2duces the c oal methane well in Zhongping Energy Chemical Group.Based on the characteristic of the area,a series of measurement has been adopted to complete the well drilling.Keywor dsCB M;drilling;cementing;equipment 煤层气俗称/瓦斯0,深藏于煤层中,据有关部门统计,目前瓦斯已经成为我国煤矿矿难的/头号杀手0,每年因瓦斯爆炸而引发的矿难,就占全国煤矿重特大事故死亡人数的7080,由此而造成的直接经济损失就达7亿多元。随着国民经济的高速发展和对煤炭资源需求的大幅度增长,煤矿开采的强度也逐年加大,对严重危及煤矿安全生产的瓦斯的先期处置就显得十分重要了。针对这一问题,我队在中平能化集团十三矿开展了用大口径钻井技术、通过钻井方法建立起瓦斯抽排放系统,以达到降低瓦斯对煤矿安全生产危害的目的。所施工的瓦斯抽排放井,位于中平能化集团十三矿东风井 院内,该井设计井深600m,设计孔径750mm,终孔偏斜距离不大于3m 。固井后,水泥固结体抗压强度不小于10M Pa 。成井后井底沉渣不大于015m,井内水柱不大于20m 。 1 地层概况 中平能化集团十三矿地层自上而下为松散岩组层厚96100m 左右。以耕植土,黄灰色粘土、亚粘土为主,局部夹砂砾石,松散易垮塌。基岩风化组层厚39100m 左右。上部为灰色泥岩、灰绿色砂质泥岩,夹薄层浅灰色细粒砂岩;中部为灰色、灰绿色泥岩,夹薄层浅灰色细粒砂岩;下部为 作者简介 杜贵亭,男,钻探工程师,现任河南省煤田地质局四队第三工程处副处长,长期从事煤田地质钻探技术工作。 第7卷第4期 中国煤层气 Vol 17No 142010年8月 C HINA C OA LBED MET HAN E A ugust 12010 灰绿色、深灰色泥岩、浅灰色细粒砂岩。基岩组层厚470100m左右。上、中部以灰色、深灰色泥岩、砂质泥岩,浅灰色细粒砂岩,夹薄煤层;下部为灰色、深灰色泥岩,浅灰色、灰色砂质泥岩,浅灰色细粒砂岩及煤层。岩性多为浅灰色、灰色砂质泥岩,深灰色泥岩,浅灰色中、细粒砂岩及煤层。二1煤位于该组579m处,煤层厚度为6m,是该煤层气井的抽排目的煤层。 2钻孔结构 考虑到成井目的、管材及安全钻进等因素,该孔按两级孔径设计一开第四系覆盖层见基岩150m,设计孔径1080mm,下U820mm12的螺旋护壁管,封隔主要粘土、砂层和砾石层,防止孔壁垮塌、缩径、确保下步安全施工;二开以下设计孔径750mm,下入U53014无缝管,固井成井。 3设备的选择 根据地层情况并考虑到该井的实际情况以及施工井径和最后在成井时套管的重量等到具体问题,我们选择 钻塔JJ110-28A 钻机GZ-2600 动力电约600K W电压380V; 泥浆泵3NB3501台钻井施工时使用 泥浆泵TB W8502台固井时使用 以及8吨吊车一台下套管时吊管子时用和其他钻井附属材料等。 4钻井施工工艺 411钻孔结构设计 该孔钻孔结构按两级孔径设计一开设计孔径U1080mm,工程量约150m,穿过第四系,见基岩后下入U82012螺旋护壁管后固井。本段下套管的目的是封隔主要粘土、砂层和砾石层,防止孔壁垮塌、缩径、确保下步安全施工;二开设计孔径U750mm,工程量450米,下入U530mm14无缝管后,水泥固井成井,详见表1。 412钻井施工方法 41211导向孔施工 为了孔内施工安全,有效预防孔斜,保证成井质量,先施工一个孔径为U21519m m导向孔,钻探工程量605m,其中视实际情况多钻5米的沉渣段,而后二级扩孔成井的施工工艺。导向孔采用小径U21519mm牙轮钻头喷射钻进工艺,使用电子多点测斜仪监测孔斜。 表1钻孔结构设计 施工 顺序 孔径 mm 套管 程序 钻进井段 m 套管尺寸 mm 套管下 深m 备注 一开U1080表层套管0150U82012150 水泥返 至地面二开U750技术外管150600U53014600 水泥返 至地面41212第四系覆盖层段 利用导向孔导向,使用U380mmU21519mm、U750mmU380mm、U1080mmU750m m三种组合牙轮钻头分三级扩孔,使孔径达到设计孔径U1080mm,,孔深150m,下入U82012mm螺旋套管约150m,水泥固井,候凝4872小时。 41213煤系地层段 利用导向孔导向,用U380m mU21519mm、U750mmU380mm两种组合牙轮钻头分二级扩孔达到设计孔径U750mm,钻井工程量450米,下入外管U53014mm无缝钢管600m,水泥固管。 413钻头选择 41311导向孔 采用U21519mm牙轮喷射钻头或PDC复合片钻头,覆盖层使用U1080mm组合钻头扩孔。41312基岩导向孔 以U21519m m带喷嘴镶齿牙轮钻头为主,石英砂岩采用紫色球齿喷射牙轮钻头。 41313基岩扩孔 使用组合牙轮钻头,用若干个镶齿式球齿牙轮钻头的单掌组焊成U380mm和U750mm扩孔钻头,选用单掌时规格和新旧程度应一致,排放高度、角度严密均匀,加焊挡板,防止牙轮脱落,造成钻头损坏及孔内事故。 414钻进参数选择 为了保证安全,提高效率,防止孔斜,采用喷射钻进,根据孔深、孔径和岩性综合选择钻进参数见表2。 415导向孔施工技术 导致钻孔弯曲的因素很多,都有一定的规律,但钻孔弯曲是不可避免的。大口径瓦斯抽排孔力求 32中国煤层气第4期 垂直,否则不仅会给钻进造成困难,而且粗大的井管也难以下入孔内。本工程采用导向钻进技术,目的就是为防斜,力求钻孔垂直,保证成孔质量,在发现导向孔偏离预定轨迹到一定程度时,采用定向钻进技术进行纠斜,保证成孔质量。 表2钻井钻进参数表 孔径孔段 转速 r/min 钻压 K N 泵量 L/min U21519mm 导向孔钻进 全孔43156801008501000 大口径扩孔钻进第四系地层439310012010001430煤系地层439310012010001430 41511防斜措施 把握好安装、开孔、换径三个关键环节,有效 预防孔斜;使用U127粗径钻具和U178mm钻铤,防斜钻具组合采用三个U21519mm扶正器,扶正器与U21519mm钻头同径,分别连接在U178mm钻铤的三个不同部位,使满眼钻进长度达到20m,有效地减少钻具与孔壁之间的间隙,最大限度控制钻孔偏斜;采用轻压悬吊式钻进方法,根据地层情况,合理控制钻压,把孔斜控制在最小范围之内;所施工钻孔基岩段较厚,施工中可根据井区地层产状,利用钻孔一般逆向地层倾斜偏移的规律,保证少采用钻孔纠偏而中靶,以提高钻效,使下管更顺利。41512导向孔质量检测 钻孔的成孔质量取决于导向孔的质量,为确保导向孔的质量,应高度重视导向孔的测斜与纠斜工作,这是钻孔成败的关键。在钻进过程中为了及时掌握钻孔轨迹,每钻进20m使用电子多点测斜仪测斜1次,及时掌握钻孔全孔的孔斜和方位角变化情况,钻进至终孔层位后,进行1次系统测斜工作,确保钻孔中靶和安全顺利下管;通过测斜发现孔斜超标时应及时进行纠斜,控制好井眼轨迹,确保先导孔孔斜控制在设计范围之内;纠斜方法选择随钻螺杆定向钻进技术,这是保证中靶钻进最可靠的钻探工艺技术;准确测量钻具长度以便于准确确定下管深度。 41513二级扩孔施工技术措施 第四系和基岩风化带扩孔段孔径U1080mm,孔径较大,覆盖层主要由回填土、粘土、砂质粘土、流沙和砾石层为主,防斜和维护好井壁不垮塌是施 工技术关键。选用优质的钻井液,视地层情况选用合理的钻井参数,控制井径扩大率在允许范围;煤系地层孔段孔径U750mm,以砂岩、泥质砂岩为主,地层软硬变化较大,防斜、防止井壁垮塌和砂岩段滤失缩颈是施工技术关键。 5钻具组合 511导向孔钻具组合 U21519m m喷射牙轮钻头或PDC复合片钻头U21519mm扶正器长116mU159mm无磁钻铤1根长9mU21519mm扶正器U178mm 钻铤27根U159mm钻铤68根U127mm钻杆主动钻杆。钻铤总重量控制在1012吨左右,见图1所示。 图1钻具组合示意图 为确保先导孔打直,设计采用满眼钻具组合防斜工艺。这种钻具组合一般要装三个稳定器或在大钻铤外表面适当位置加焊硬合金扶正块,下稳定器靠近钻头,多为螺旋稳定器,依次向上是短钻铤3m左右、中间稳定器、钻铤1根和上稳定器如图2。 图2满眼防斜钻具组合示意图 512扩孔钻具组合 扩孔钻具组合与导向孔钻进相同,只需更换钻头和扶正器的类型和规格,根据岩层情况适当增加粗径钻铤,加重在35t以保证扩孔时的稳定性和扩孔进尺效率。 513纠斜钻具组合 U21519m mPD CU172mm1125b螺杆 U165mm NDC1根U159mmDC69根 33 第4期钻探技术在超大瓦斯抽排井施工中的应用 U127mmDP 6钻井液选用 611第四系冲击层 采用优质膨润土配置基浆,用碳酸钠Na2C O3、水解聚丙烯酰胺P HP、水解聚丙烯腈HPAM调整泥浆性能。该井段井壁不稳定,极易垮塌、掉块,泥浆调制中可适量加入防塌剂K31,以提高泥浆防塌能力,同时起下钻具要慢、稳,防止井内压力激动,引起井壁坍塌。施工中应严格控制泥浆的粘度、比重、失水量、含砂量、PH值,在泥浆的调配中要适量加入部分降失水剂和稀释剂。 612施工步骤 1开钻新地层上部基岩段U21519mm导向孔钻进,随钻监测孔斜,导向孔钻进至605m,可多钻5米作为沉渣段。 2扩孔覆盖层套管段U1080mm扩孔分两次进行,扩孔至150m。 3下管下入U820mm12mm螺旋护壁管150m,水泥封固表层套管;钻扫水泥塞,清理泥浆池,更换泥浆;基岩扩孔钻进,扩孔用U380m m 牙轮钻头由150m扩至605m。U750m m牙轮组合扩孔钻头或滚刀钻头由150m扩孔至605m。下入U530mm无缝管600m,水泥封固技术套管,钻扫水泥塞,成井;清除技术套管内的水或泥浆。 7井下复杂情况下对应处理措施 711防井漏措施 地表层可提高泥浆粘度以防漏,静置以堵漏;钻至易漏层段,可在泥浆中加谷壳、核桃壳、锯沫、屏蔽暂堵剂等材料以防止井漏;垮塌严重的井段,开泵不要过猛,以免压漏地层;在泥浆触变性能较大、静止时间较长的情况下,下钻要分段循环泥浆;下钻时控制速度,防止压力激动,并有专人记录泥浆返出情况和泥浆池液面变化情况。遇漏失时,记录其漏失量、漏失速度、漏失层位和泥浆性能;控制合理的泥浆密度,防止加重过度,压漏地层。 712防塌措施 坚持作好随起钻随灌泥浆的工作,钻具起完灌满钻井液;控制钻井液相对密度及性能变化的范围,控制失水,仔细观察岩屑返出情况;发现井下垮塌,要仔细观察井下情况,保持钻井液性能的相对稳定,避免大起大落;适当加大排量循环,及时将掉块带出地面;禁止在易塌井段高速起下钻;不能长时间在同一深度大排量循环泥浆,以防冲垮井壁;防止加重过猛,压漏地层而引起井下压力失去平衡,造成更严重的塌漏。 713防卡措施 加强设备的维护保养制度,保证钻具入井期间设备正常运转,以地面设备保证井下安全;调整维护好泥浆性能,控制API失水及泥浆渗透率和泥饼摩擦系数,提高钻井液润滑性;坚持短起下钻制度,保证起下钻畅通,尤其在易缩径段更应如此。根据井下情况,适当提高钻井液密度,平衡地层压力。对于易缩径地层,每打完一个单根都应反复划眼。下钻遇阻,要及时接方钻杆循环划眼,严禁硬压。起钻过程如有遇卡现象严禁硬拔,要反复划眼,直至畅通无阻;钻具在裸眼内,要严格执行活动钻具制度,每13分钟要活动一次,活动幅度尽可能大些;快速钻进时,接单根前应先循环一段时间,保证岩屑上返一定高度,接单根动作要快,在无法循环的情况下,要及时活动钻具,防止沉砂卡钻。 714防断钻具措施 在钻具入井前仔细检查钻具台肩、丝扣及本体,杜绝问题钻具下井;坚持定期错扣起钻和抽上加下倒换钻具制度,以便检查钻具及配合接头丝扣连接情况;保持丝扣清洁,涂足丝扣油,使用吊钳紧扣时,钻具的上扣力矩相匹配。 715防掉落物措施 起下钻前应检查大钳钳牙固定是否牢固,吊卡手柄等是否完好,吊卡挡销的保险绳是否合格;下钻转盘面要干净,严禁放工具;当使用卡瓦时井口操作工应仔细检查卡瓦固定是否牢靠,卡瓦有无断裂,如有断裂应及时更换;空井作业时应盖住井口;在井口作业时,所有使用的手持工具都要系保险绳。 716防钻头事故措施 钻头入井前进行/三级0检查,在确认尺寸、型号、扣型、水眼安装、钻头质量无问题后方可入井;新钻头下到井底后按规定跑合牙轮,待牙轮活动好后再加到设计钻压钻进;做好随钻地层分析工 34中国煤层气第4期 作,合理选择钻头型号;钻头在井底时,禁止带负荷起动转盘,接单根前应停止加压,适当恢复悬重后再停转盘,上提方钻杆接单根;采取有效措施,杜绝溜钻、墩钻的发生;钻头使用后应及时提醒司钻,一旦出现异常应立即起钻,绝不能敷衍。 8成井工艺 811下管工作 81111井管重量计算 U820mm12m m螺旋表层套管单重23911kg/m,则G82023911150m35865kg;U530mm14m m 无缝套管单重178114kg/m,则G530178114kg/m 600m106884kg。 81112技术套管浮力计算 技术套管长度600m,每米浮力2811kg/m泥浆密度按1120g/cm3计算; 总浮力为F2811kg/m600m16860kg。 表层套管采用直接对焊下管的方法。由于技术套管的重量大,厚度薄,在井中的悬重约100t,超过了钻塔和钻机的额定能力,为了保证井管的安全下入,下管时要视实际情况采用浮力板下管的方法。采用浮力塞下管时要在下管的同时向井管内注入泥浆,以保持井管内外的压力平衡,使井管安全顺利的下入设计位置。 81113管材的规格和材质 表层套管规格为U820mm12mm低碳双面螺旋焊接钢管;工作管规格为U530mm14mm无缝钢管。 81114管路的安装连接 井管采用直接对焊连接,利用自制的管口对接扶正卡,保证管口全缝、同心,U820mm12mm表层套管和U530mm14mm无缝管的接缝焊接,采用J507焊条两人同时焊接,确保焊缝密实、牢固,外补焊加强筋,加强筋规格及数量执行技术设计的要求。 812下管提吊方法 81211U820mm12mm套管 采用割孔穿杠钢丝绳牵引提吊的下管方法,就是在管口上端014m处对称切割U150mm圆孔。穿杠,用钢丝绳连接游车大钩,起吊井管,井管对接后,抽出穿杠,将切下的圆板填入割孔内,焊牢。然后在割孔外补焊方板加强块。U530mm14mm技术套管的下管方法按此方法下入。 81212井管准备工作 备好穿杠器具和做穿杠孔加强板及焊缝加强筋的准备工作;检查管内外径、弯曲度、管口水平度、寻求壁厚、圆度、管口、平面尺寸一致的井管,作为对接井管、编号标记,丈量长度;下管严格分工,明确目标,各负其责,保证下管一次成功;下管前用长度为12m的同径管进行顺孔,以防意外发生。 81213下管作业 套层套管下入时,可以不加浮力板直接下管,下管时应缓慢,减少下管时对孔壁的冲击作用。为防止井壁失稳,施工中除正确使用泥浆外,尽量缩短下管时间。根据实际情况,技术套管下管时应采用浮力板下管。 9固井 本孔两路井管均采用孔底灌注水泥浆从孔壁与管壁之间的环状间隙返出井口的全固管方法。 10效果 经过几个月的紧张施工,该井终孔井深605m、孔径750mm,是我队建队以来施工孔径最大、最深的一个地质勘探施工工程项目,各项施工技术完全达到了业主的要求。 参考文献 [1]赵运兴等1煤田地质勘探技术手册[M]1煤炭工业 出版社19891718 [2]李元建1河南省煤层气勘查开发现状及前景分析 [J]1中国煤层气1200916135-38 [3]河南省煤田地质四队[R]1平煤集团十三矿大口径 瓦斯抽排放井钻井施工技术设计 [4]张子戌1突出危险区域的构造应力集中[J]1焦作 工学院学报,199731 [5]张子敏,张玉贵1瓦斯地质规律与瓦斯预测[M]1 北京煤炭工业出版社,20051 [6]张子敏1瓦斯地质学[M]1徐州中国矿业大学出 版社,20091 责任编辑黄岚 35 第4期钻探技术在超大瓦斯抽排井施工中的应用