第四部分煤層氣鉆井工藝技術(shù)

學(xué)習(xí)大綱鉆井概述及國內(nèi)外鉆井現(xiàn)狀井類確定鉆井設(shè)計鉆井設(shè)備基本鉆井工藝過程特殊鉆井工藝技術(shù)鉆井過程對儲層傷害問題一、鉆井概述及國內(nèi)鉆井現(xiàn)狀

煤層氣儲層與常規(guī)砂巖儲層相比，有許多獨有的特性,這種獨特儲層和地質(zhì)特征給煤層氣井的鉆井、取心帶來了各種各樣的問題和鉆井施工工藝的變化。仔細(xì)設(shè)計煤層氣鉆井程序和使用合理、有效的鉆井工藝，是確保鉆成高產(chǎn)、高效煤層氣井的前提。

1.鉆井概述鉆井工藝流程圖鉆井設(shè)計井徑、套管選擇井身結(jié)構(gòu)選擇鉆機和鉆探設(shè)備鉆井及其他作業(yè)取心

DST測試錄井完井與固井儲層強化確定井類試驗井取心井觀測井生產(chǎn)井收集資料，進(jìn)行地層評價（包括煤層層數(shù)、埋深、厚度、地層層序、地層壓力、水文特征、井壁穩(wěn)定性等）2.鉆井工藝流程一、鉆井概述及國內(nèi)鉆井現(xiàn)狀

2002年前十年時間內(nèi),全國完成224口各類煤層氣井,全部采用常規(guī)直井鉆井技術(shù)。2005年一年完成的工程量超過了2002年前十年的總和，鉆井類型也已由造穴井、垂直井向叢式井、水平井、水平分支井發(fā)展。一、鉆井概述及國內(nèi)鉆井現(xiàn)狀

3.國內(nèi)煤層氣鉆井現(xiàn)狀5101014718181729392823201059270一、鉆井概述及國內(nèi)鉆井現(xiàn)狀

3.國內(nèi)煤層氣鉆井現(xiàn)狀煤層氣開發(fā)活動中使用了三種類型的鉆井方式，即采空區(qū)鉆井、垂直鉆井和水平鉆井。三種類型的鉆井方式基本特點比較表鉆井類型鉆井特點原理備注采空區(qū)鉆井從采空區(qū)上方由地面鉆入煤層采空區(qū)采空區(qū)頂板的塌落產(chǎn)生裂縫使氣體產(chǎn)出采出的氣體因混有空氣熱值降低垂直鉆井直接從地面鉆入未開采的煤儲層通過排水降壓使氣體解吸產(chǎn)出因目的不同可分為取心資料井、測試試驗井、生產(chǎn)井和觀測井水平鉆井1、從煤礦巷道打水平排氣井；2、從地面先打直井再造斜，沿煤層水平鉆進(jìn)更好的增大泄流面積，使壓力降低產(chǎn)出二、確定井類

鉆井設(shè)計前應(yīng)力圖準(zhǔn)備以下資料:

地層的深度、壓力、水介質(zhì)性質(zhì)；煤與非煤地層的類型（煤層的層數(shù)、厚度、煤巖、煤質(zhì)；地層的巖性、厚度、破裂程度、導(dǎo)水性等）；測井資料（自然伽馬、伽馬—伽馬、自然電位等）；鉆遇的典型問題（鉆井液的漏失、高壓儲層的井噴、井壁坍塌等）。1.鉆井設(shè)計前的資料準(zhǔn)備和地層評價三、鉆井設(shè)計

鉆井地質(zhì)設(shè)計要明確提出設(shè)計依據(jù)、鉆探目的、設(shè)計井深、目的層、完鉆層位及原則、完井方法、取資料要求、井深質(zhì)量、產(chǎn)層套管尺寸及強度要求、阻流環(huán)位置及固井水泥上返高度等；

鉆井地質(zhì)設(shè)計要為鉆井工程設(shè)計提供鄰區(qū)、鄰井資料，設(shè)計地層水、氣及巖石物性，設(shè)計地層剖面、地層傾角及故障提示等資料；2.設(shè)計的基本原則三、鉆井設(shè)計

鉆井工程設(shè)計必須以鉆井地質(zhì)設(shè)計為依據(jù)。鉆井工程設(shè)計應(yīng)有利取全、取準(zhǔn)各項地質(zhì)工程資料；保護(hù)煤層，降低對煤層的傷害；保證井身質(zhì)量符合鉆井地質(zhì)設(shè)計要求；為后期作業(yè)提供良好的井筒條件；

鉆井工程設(shè)計應(yīng)根據(jù)鉆井地質(zhì)設(shè)計的鉆井深度和施工中的最大負(fù)荷，合理選擇鉆機，所選鉆機不得超過其最大負(fù)荷能力的80%；

鉆井工程設(shè)計要根據(jù)鉆井地質(zhì)設(shè)計提供的鄰井、鄰區(qū)試氣壓力資料，設(shè)計鉆井液密度、水泥漿密度和套管程序；

鉆井工程設(shè)計必須提出安全措施和環(huán)境保護(hù)要求。三、鉆井設(shè)計

2.設(shè)計的基本原則選擇地面井位；（根據(jù)水源、道路、泥漿池位置及施工條件等選擇鉆井井位）確定井身結(jié)構(gòu)并選擇鉆機；確定鉆頭類型、尺寸及數(shù)量；設(shè)計鉆柱與下部鉆具組合；鉆井參數(shù)設(shè)計；鉆井液設(shè)計；固井設(shè)計，包括套管柱設(shè)計數(shù)據(jù)、套管柱強度設(shè)計、注水泥設(shè)計及固井要求；井控設(shè)備及工藝技術(shù)要求；固相控制要求；防止煤層傷害的技術(shù)要求及措施；環(huán)境保護(hù)要求；鉆井施工進(jìn)度要求；全井成本預(yù)算；提交資料要求；3.設(shè)計的主要內(nèi)容三、鉆井設(shè)計

鉆井設(shè)計的主要內(nèi)容包括井徑、套管選擇以及井身結(jié)構(gòu)。井徑選擇：根據(jù)下套管程序確定井徑，而不是根據(jù)已選定的井徑選擇套管。產(chǎn)量生產(chǎn)因素人工升舉方法油管尺寸完井方法進(jìn)行壓裂處理其它因素清除鉆屑進(jìn)行修井和再完井選擇最優(yōu)生產(chǎn)套管尺寸選擇生產(chǎn)井徑選擇最優(yōu)表層套管尺寸選擇地表井段井徑井徑選擇步驟3.設(shè)計的主要內(nèi)容三、鉆井設(shè)計

101.6114.3139.7127120。6149.2155.5165.1200168.3214.1193.7196.9177.8224.5200215.9222.2241.3269.9311.1219.1244.5250.8273298.4310.6339.7355.6269.9311.1347.6444.5298.4310.6339.7355.6406.4508347.6444.5508660.4406.4508609.6762套管、襯管鉆頭、井徑套管、襯管鉆頭、井徑套管鉆頭、井徑套管鉆頭、井徑套管井徑、套管和鉆頭尺寸的常用組合套管選擇三、鉆井設(shè)計

井身結(jié)構(gòu)：指一口井下入套管的層次、尺寸、深度，各層套管相應(yīng)的鉆頭尺寸以及各層的水泥返高。井孔中下入的套管類型及其作用一覽表

套管類型作用表層套管封隔上部松軟的易塌、易漏地層，安裝井口，控制井噴，支撐中層套管和產(chǎn)層套管中層套管（技術(shù)套管）封隔用鉆井液難以控制的復(fù)雜地層，保證順利鉆井產(chǎn)層套管（生產(chǎn)套管）將產(chǎn)層與其他地層及不同壓力的產(chǎn)層分隔開，形成煤層氣流通通道，保證長期生產(chǎn)，滿足開采和壓裂要求三、鉆井設(shè)計

能有效地保護(hù)煤層,降低鉆井液對不同壓力梯度煤層的傷害;

能有效地避免鉆井液過分漏失、高壓井噴、井壁坍塌和卡鉆等復(fù)雜情況的發(fā)生，為安全鉆進(jìn)創(chuàng)造條件；下套管過程中，不會因井內(nèi)鉆井液液柱壓力和地層壓力之差產(chǎn)生壓差卡鉆。（一）確定井身結(jié)構(gòu)的原則和依據(jù)三、鉆井設(shè)計

煤層氣井的井身結(jié)構(gòu)，主要取決于完井方式。不同的完井方式，井身結(jié)構(gòu)也不相同。而完井方式的選擇，必須考慮煤層氣的儲層特性和地質(zhì)條件變化。目前國內(nèi)外常用的完井方法有：套管完井、混合完井（套管-裸眼、套管-篩管）和洞穴完井。（二）井身結(jié)構(gòu)的確定三、鉆井設(shè)計

保護(hù)井口附近的表土地層，防止被經(jīng)常流出的鉆井液體沖垮鞏固上部比較疏松易塌的不穩(wěn)定巖層；安裝防噴器等井口設(shè)備，控制鉆開高壓層時可能發(fā)生的井噴現(xiàn)象封隔某些難以控制的復(fù)雜地層，以便能順利地鉆達(dá)預(yù)定的生產(chǎn)目的層封隔氣水、煤儲層，保證煤層氣井的正常生產(chǎn)生產(chǎn)套管技術(shù)套管表層套管導(dǎo)管指井內(nèi)所下套管層數(shù)、尺寸、深度、水泥返高等。（三）井身結(jié)構(gòu)三、鉆井設(shè)計

我國目前常用的井身結(jié)構(gòu)簡圖開鉆序號鉆頭直徑mm套管外徑mm壁厚mm備注一開311.15244.58.94水泥返回地面二開215.9177.88.05三開152.4我國目前常用的井身結(jié)構(gòu)簡表三、鉆井設(shè)計

鉆井設(shè)備包括鉆機類型和鉆探設(shè)備。

目前，我國煤田施工隊伍常用的鉆機大多是煤田地質(zhì)勘探鉆機或水文水井鉆機。如TSJ-1000型水源鉆機、TK-3型立軸鉆機和C-1500、ZJ-15型鉆機。在國外，對于鉆進(jìn)較淺的煤層氣井，大多選用移動式車載鉆機，車載鉆機一般比普通鉆機更經(jīng)濟(jì)，幾乎不需要裝拆時間。1.鉆機類型四、鉆井設(shè)備

德國寶峨-PRAKLA煤層氣鉆井設(shè)備四、鉆井設(shè)備

鉆探設(shè)備主要包括空氣壓縮機、鉆塔、驅(qū)動系統(tǒng)、防噴器、排泄管、泥漿泵、流量計、壓力表和燃燒器等。2.鉆探設(shè)備空氣壓縮機，在煤層氣井鉆進(jìn)過程中十分有用；驅(qū)動系統(tǒng)通常有兩種：一種是普通轉(zhuǎn)盤卡瓦系統(tǒng)（煤田系統(tǒng)常用），另一種是頂端驅(qū)動系統(tǒng)（較少的鉆桿接頭，縮短鉆進(jìn)工期，且更加安全）。防噴器是一種安全保護(hù)裝置。四、鉆井設(shè)備

T685WS空氣鉆機

T685WS空氣鉆機是美國Schramm公司生產(chǎn)的車載頂驅(qū)鉆機動力系統(tǒng)：主發(fā)動機為康明斯QSK-19型，功率563KW?；剞D(zhuǎn)及提升給進(jìn)系統(tǒng)：由全自動液壓動力頭驅(qū)動，最大提升能力45噸，最大扭矩12045N×m，轉(zhuǎn)速0~143r/min無極調(diào)速?？諌簷C系統(tǒng)：空壓機最大排量36m3/min，最大排放壓力2.4pa，并配有外接空壓機、增壓機接口。操作系統(tǒng)：該鉆機回轉(zhuǎn)及提升給進(jìn)系統(tǒng)操作手柄集中，可根據(jù)井內(nèi)情況調(diào)節(jié)給進(jìn)壓力、轉(zhuǎn)速。該鉆機非常適合煤層氣直井的鉆井施工。目前國內(nèi)有10臺左右。3.國內(nèi)空氣鉆井設(shè)備四、鉆井設(shè)備

T685WS空氣鉆機四、鉆井設(shè)備

T130XD空氣鉆機

T130XD空氣鉆機是美國Schramm公司生產(chǎn)的車載頂驅(qū)鉆機。該鉆機主動力760馬力，名義鉆井深度1900米（311mm井徑，114mm鉆桿）。提升能力60t，頂驅(qū)給進(jìn)能力14.5t，扭矩12KN×m，車載空壓機2.4MPa，排量38m3/min。井臺可伸起2.41m，可以直接安裝防噴器。

該鉆機非常適合煤層氣水平井的施工。中煤公司進(jìn)口的意大利生產(chǎn)的G55鉆機與該鉆機性能基本相同。3.國內(nèi)空氣鉆井設(shè)備四、鉆井設(shè)備

T130XD空氣鉆機四、鉆井設(shè)備

三個階段：即鉆前淮備、鉆進(jìn)以及固井與完井1．鉆前準(zhǔn)備修公路、平井場及打水泥基礎(chǔ)、鉆井設(shè)備的搬運和安排、井口準(zhǔn)備（打?qū)Ч芎豌@鼠洞）、備足鉆井所需要的各種工具、器材等。2．鉆進(jìn)鉆進(jìn)是進(jìn)行鉆井生產(chǎn)取得進(jìn)尺的唯一過程。五、基本鉆井工藝過程

其基本工藝過程有：①第一次開鉆(一開)從地面鉆出一個大井眼，然后下表層套管。②第二次開鉆(二開)用較小一些的鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，若遇到復(fù)雜地層，用鉆井液難以控制時，便要下技術(shù)套管(中間套管)。③第三次開鉆(三開)再用小一些的鉆頭往下鉆進(jìn)，直到設(shè)計井深，下套管，進(jìn)行固井、完井作業(yè)。鉆進(jìn)工藝技術(shù)：鉆進(jìn)是通過選擇和使用合適的工具，根據(jù)所鉆地層的特點，選擇合理的工藝技術(shù)，使鉆頭在地層中沿預(yù)定的軌道前進(jìn)的過程，是一口井建井過程的最主要的環(huán)節(jié)。鉆進(jìn)的任務(wù)是破碎巖石，鉆進(jìn)的速度快慢、質(zhì)量和成本的高低，受到地層的物理機械性能的制約，同時也受到鉆進(jìn)設(shè)備、工具的性能及鉆進(jìn)工藝技術(shù)措施的影響。五、基本鉆井工藝過程

影響鉆進(jìn)的主要因素：影響鉆進(jìn)的因素按其本身可否改變可分為兩大類：不可變因素可變因素指已經(jīng)客觀存在、無法改變的因素，如所要鉆進(jìn)地層的巖石物理機械性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地層壓力分布及地層中的流體性質(zhì)等。利用其有利方面，并調(diào)節(jié)可變因素適應(yīng)之指可以人為的選擇和改變的因素，如鉆頭和鉆具、鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)、鉆井液性能及洗井技術(shù)等。優(yōu)選、設(shè)計五、基本鉆井工藝過程

是直接作用于鉆頭上的壓力，是使鉆頭破碎巖石的最基本參數(shù)，也是最活躍的因素。1.鉆壓鉆進(jìn)速度鉆頭的磨損速度和工作壽命確定鉆壓的大小圖鉆壓與鉆速的關(guān)系曲線鉆壓(W)與鉆速(Vm)(直線ab段)的關(guān)系：W。稱為門限鉆壓。它是ab線在鉆壓鈾上的截距，相當(dāng)于牙齒開始壓入巖石時的鉆壓，其數(shù)值主要與巖石性質(zhì)有關(guān)。五、基本鉆井工藝過程

鉆壓對鉆頭牙齒磨損速度的影響關(guān)系式為：鉆壓與軸承磨損速度的關(guān)系式為：鉆頭牙齒的磨損量對鉆速的影響關(guān)系式：h為牙齒的磨損量；Dl和D2為鉆壓影響系數(shù)，與鉆頭的尺寸有關(guān)；B為軸承的磨損量；y是鉆壓指數(shù)，對于普通的水基洗井液y=1.5；C2為牙齒磨損系數(shù)，與牙齒結(jié)構(gòu)及地層巖性有關(guān)。五、基本鉆井工藝過程

2.轉(zhuǎn)速圖轉(zhuǎn)速與鉆速的關(guān)系曲線1－軟地層，井底清潔；2－軟地層，井底不凈；3－硬地層，凈化不充分。如果每旋轉(zhuǎn)一周都有相同的破碎深度，那么鉆速將會隨轉(zhuǎn)速的增加而直線地增大。但實際上并非如此。轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：λ為轉(zhuǎn)速指數(shù)，一般小于1，其值與巖性有關(guān)。n為轉(zhuǎn)速；在鉆壓一定時，如果增加轉(zhuǎn)速，牙齒和軸承的磨損速度也將加快，它反過來又會影響到機械鉆速和鉆頭壽命等。五、基本鉆井工藝過程

3.水力因素在鉆進(jìn)過程中，從鉆頭上的噴嘴中噴射出的鉆井液(射流)，對鉆進(jìn)過程發(fā)揮著三種作用：清潔、凈化井底，避免重復(fù)切削；保持和擴(kuò)大預(yù)破碎帶裂縫；直接水力破巖。最主要的作用保持井底清潔要經(jīng)過三個過程：首先是使破碎的巖屑離開巖石母體；然后是巖屑在井底被移動；最后由上返的鉆井液將其從環(huán)空舉升到地面。對鉆速的影響最大五、基本鉆井工藝過程

常用鉆頭水功率表示：壓持效應(yīng)：由于井內(nèi)鉆井液柱所形成的靜液壓力大于地層壓力，使得巖屑被壓持在井底不易脫離的現(xiàn)象?？朔撼中?yīng)依靠射流的沖擊壓力和漫流的橫向推力。射流噴速和流量(洗井液的水力能量)Nb——鉆頭水功率，kW；Pb——鉆頭噴嘴壓降，MPa；Q——排量，L／S。五、基本鉆井工藝過程

鉆頭水功率大，就會使井底的清潔程度高，從而減小重復(fù)破碎所消耗的機械能，并能在一定程度上增加水力破碎和使破碎帶裂縫擴(kuò)大的效果，使機械鉆速提高。圖鉆速與水力參數(shù)的關(guān)系曲線五、基本鉆井工藝過程

4.鉆井液清洗井底，攜帶巖屑，保持井底清潔，冷卻鉆頭；平衡地層壓力，穩(wěn)定井壁，防止井塌、井噴、井漏，有效地保護(hù)儲層不受傷害；為井下動力鉆具傳動動力；進(jìn)行地質(zhì)錄井和氣測錄井。（一）鉆井液的作用五、基本鉆井工藝過程

鉆井液對地層壓力控制、地層損害可能性以及成本之間的關(guān)系見下表。鉆井液對比表鉆井液壓力控制地層損害費用加重鉆井液好可能中等質(zhì)重液好不太可能高采出水較好不太可能低天然氣或空氣差不太可能中等空氣霧差不太可能中等泡沫較好不太可能中等-高（二）鉆井液的種類

目前我國煤層氣井所采用的鉆井液主要有優(yōu)質(zhì)鉆井液、無粘土鉆井液、清水及空氣泡沫鉆井液。五、基本鉆井工藝過程

（三）鉆井液性能鉆井液密度、粘度、固相含量及其分散性等性能指標(biāo)對鉆速都有明顯的影響。(1)鉆井液密度對鉆速的影響鉆井液密度↗，壓持效應(yīng)↗，鉆頭的破碎效率↘，鉆速↘。(2)鉆井液粘度對鉆速的影響鉆井液粘度↘，循環(huán)系統(tǒng)的壓耗↘，鉆頭噴嘴的壓降↘，射流對井底的沖擊作用↗，改善清巖效果，鉆進(jìn)速度↗。(3)鉆井液固相含量及其分散性對鉆速的影響固相含量增加會降低鉆進(jìn)速度和鉆頭、泥漿泵壽命；小于lμm的膠體顆粒越多，對鉆速的影響越大。為了提高鉆速，應(yīng)盡可能采用低固相不分散體系鉆井液。五、基本鉆井工藝過程

5.鉆進(jìn)參數(shù)選擇鉆進(jìn)是鉆壓、鉆速、水力參數(shù)、鉆井液性能等共同作用的過程。要達(dá)到高效率、低成本鉆井的目的，必須合理確定出鉆進(jìn)施工中的各參數(shù)值及其相互的配合關(guān)系，采用先進(jìn)技術(shù)，提高鉆進(jìn)效益。（一）平衡壓力鉆井技術(shù)基本內(nèi)容：在井內(nèi)鉆井液壓力與地層壓力相平衡的條件下進(jìn)行鉆進(jìn)，以便有效地保護(hù)煤儲層不受鉆井液的侵污，保證煤層氣井的生產(chǎn)能力，同時保證較高的鉆進(jìn)速度，縮短建井周期，降低鉆井成本?？茖W(xué)依據(jù)：根據(jù)地層的壓力來確定所用鉆井液的密度。五、基本鉆井工藝過程

（二）潛孔錘欠平衡鉆井技術(shù)基本內(nèi)容：是一種以壓縮空氣作為動力介質(zhì)，驅(qū)動潛孔錘工作的欠平衡鉆井工藝。壓縮空氣兼做洗井介質(zhì)，將井底巖屑攜帶至地面。在巖石硬度較大的地層中鉆進(jìn)時，空氣潛孔錘鉆井工藝與常規(guī)鉆井工藝相比，能大大提高鉆井效率。工藝原理：作用在潛孔鉆頭切削刃具上的載荷為沖擊載荷，接觸應(yīng)力瞬時可達(dá)極高值，應(yīng)力集中，促進(jìn)巖石裂隙發(fā)育。切削刃具磨損減少。沖擊頻率高，有利于巖石破碎。井底干凈，最大限度地減少了重復(fù)破碎。五、基本鉆井工藝過程

潛孔錘五、基本鉆井工藝過程

優(yōu)點：鉆進(jìn)效率高。設(shè)備數(shù)量少，易于搬遷，非常適合丘陵地區(qū)施工。由于采用空氣或空氣泡沫作為鉆井介質(zhì)，基本實現(xiàn)了欠平衡鉆井，因此對儲層傷害較小。利于巖屑錄井。采用空氣鉆井工藝鉆進(jìn)時，巖屑顆粒大，且由于巖屑上返速度快，遲到時間極小，非常利于巖屑錄井。對環(huán)境污染小。

（二）潛孔錘欠平衡鉆井技術(shù)五、基本鉆井工藝過程

常規(guī)鉆進(jìn)與欠平衡鉆進(jìn)對比表（對沁南3#煤層）鉆進(jìn)工藝鉆井周期鉆井液密度設(shè)備組合煤層對鉆井液暴露時間儲層傷害常規(guī)鉆進(jìn)10-15d1.05-1.08比較復(fù)雜比較長較大欠平衡鉆進(jìn)5-8d<1車載；輕便短小

（二）潛孔錘欠平衡鉆井技術(shù)五、基本鉆井工藝過程

6.優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)1．鉆速模式使用最廣泛楊格(YoungF．S)修正公式K───巖石可鉆性系數(shù)，與巖石硬度、鉆頭類型及洗井液性能有關(guān)，可由實驗確定；Cp───壓差影響系數(shù)，當(dāng)壓力平衡時，Cp＝1；Ch───水力參數(shù)影響系數(shù)，井底達(dá)到充分凈化時，Ch＝1．五、基本鉆井工藝過程

2．鉆頭牙齒磨損速度模式Af───地層研磨性系數(shù)，其含義是當(dāng)鉆壓、轉(zhuǎn)速和牙齒的磨損狀況一定時，牙輪鉆頭牙齒的磨損速度與地層的研磨性成正比，具體數(shù)值可由實驗確定；Q1和Q2───由鉆頭類型決定的轉(zhuǎn)速影響系數(shù)；D1和D2───由其直徑?jīng)Q定的鉆壓影響系數(shù)；C1───牙齒磨損減慢系數(shù)，均可從相應(yīng)表中查得。6.優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)五、基本鉆井工藝過程

3．鉆頭軸承磨損速度模式b為軸承工作系數(shù)，它取決于軸承結(jié)構(gòu)、鉆頭類型、尺寸以及洗井液性能等因素，由實際鉆井資料中求出。B為鉆頭的軸承磨損量，單位時間內(nèi)的磨損量即為磨損速度，新鉆頭B＝0，軸承損壞則B＝1。6.優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)五、基本鉆井工藝過程

4．鉆進(jìn)成本模式Ct───每米鉆進(jìn)成本，元／米；Cb───鉆頭成本，元／只；Cr───鉆機作業(yè)費，元／時；Tt、Ts、Td───分別為起下鉆時間，接單根時間和純鉆進(jìn)時間，時；H───鉆頭總進(jìn)尺，米。6.優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)五、基本鉆井工藝過程

7.井斜及控制（一）井斜的基本概念井斜：井眼軸線和鉛垂線之間的偏離。井斜角α：井眼軸線的切線與鉛垂線之間的夾角。圖井身軸線的垂直投影和水平投影圖方位角θ：井眼軸線在水平面上投影的切線與正北方向的夾角(順時針方向)。井底水平位移S：指井眼軌道上某點至井口的距離在水平面上的投影。井斜變化率：指單位井眼長度井斜角變化值。指單位井眼長度方位角變化值。指單位井眼長度內(nèi)井眼全角的變化值，通常也叫狗腿度。方位變化率：井眼曲率：五、基本鉆井工藝過程

（二）井斜的危害井深會被歪曲，地質(zhì)資料不真實；由于實際鉆開點和設(shè)計點偏離較遠(yuǎn)，可能會打亂煤層氣井的開發(fā)方案，降低煤層氣采收率；起下鉆困難，鉆柱工作條件惡化，還會造成粘附卡鉆、鍵槽卡鉆等復(fù)雜情況；固井時，下套管遇阻，套管不能居中，固井質(zhì)量難以保證；會對以后的采氣、修井等作業(yè)帶來困難。7.井斜及控制五、基本鉆井工藝過程

（三）井斜的原因1．地質(zhì)條件對井斜的影響沉積巖大都是非均質(zhì)的，具有典型的各向異性。平行于層理方向的巖石強度大，破碎比較困難。由于巖性的變化、軟硬交錯而引起井斜。2．下部鉆柱彎曲對井斜的影響3．鉆井設(shè)備安裝不合適，鉆具本體彎曲，絲扣歪曲等也會引起井斜7.井斜及控制五、基本鉆井工藝過程

（四）井斜的控制井斜出現(xiàn)后采取相應(yīng)的糾斜鉆具和措施進(jìn)行糾斜。通過使用防斜鉆具和措施防止井斜的出現(xiàn)；1．防斜鉆具及原理防斜原理：使鉆頭上面的一段鉆鋌具有盡可能大的剛度和大的直徑，與井眼保持較小的間隙，以便在鉆進(jìn)過程中受鉆壓作用時不易彎曲，并保持鉆柱始終居于井眼中心，使鉆頭軸線與井眼軸線基本一致，迫使鉆頭沿著原來的井眼方向鉆進(jìn)。防斜鉆具：一般是采用剛性強的大尺寸鉆具，常用的有扶正器組合剛性滿眼鉆具、塔式防斜鉆具、方鉆鋌防斜鉆具等。五、基本鉆井工藝過程

套管扶正器浮閥扶正器滿眼鉆具塔式防斜鉆具2．糾斜鉆具及原理(1)鐘擺鉆具糾斜利用斜井內(nèi)切點以下鉆鋌重量所產(chǎn)生的橫向力將鉆頭推向井眼下側(cè)，以達(dá)到減小井斜的目的。鐘擺力(2)偏重鉆鋌糾斜偏重鉆鋌即是沿普通鉆鋌的一根母線鉆一排均勻分布的孔，從而使鉆鋌一邊重，一邊輕。鉆具在旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一個朝向重邊的離心力，且轉(zhuǎn)速越高，離心力越大。這樣就對斜井眼的下側(cè)井壁產(chǎn)生一個較大的沖擊力，而使井斜減小。(3)渦輪鉆具糾斜渦輪鉆具與造斜工具相結(jié)合，向原井斜的反方向造斜，以達(dá)糾斜之目的。五、基本鉆井工藝過程

3.固井固井：在鉆出的井眼內(nèi)下入套管柱，并在套管柱與井壁之間注入水泥漿，使套管與井壁固結(jié)在一起的工藝過程。主要包括：下套管和注水泥兩個過程。(一）固井的目的1、安裝井口裝置：控制鉆進(jìn)過程中遇到的高壓氣水層；2、鞏固疏松井段，隔離復(fù)雜地層；3、封隔地下煤儲層，防止上下串通；4、封隔暫不開采的煤儲層；5、鉆井或作業(yè)中出現(xiàn)井噴時，不會因壓井而壓裂地層；6、為煤層氣井生產(chǎn)建立長期穩(wěn)定的通道。五、基本鉆井工藝過程

（二）下套管1、定義：將按強度要求設(shè)計好的套管及其附件組成的套管柱下入井眼內(nèi)的工藝2、套管性質(zhì)：煤層氣井用套管使用無縫鋼管制成的，長度一般為10m左右，要滿足鉆井和采氣的需要，必須要有足夠的強度。⑴套管抗拉強度：套管柱是由絲扣連接而成的，因此絲扣是套管柱最薄弱的環(huán)節(jié)⑵套管抗擠強度：當(dāng)套管受外擠壓力大于本身的抗擊強度時就會發(fā)生失穩(wěn)擠扁、破壞⑶套管抗內(nèi)壓強度：套管的切向應(yīng)力達(dá)到鋼材平均屈服極限時的內(nèi)壓力3、套管柱設(shè)計：尺寸設(shè)計、強度和密封性設(shè)計五、基本鉆井工藝過程

（三）注水泥水泥漿是由干水泥和水配制而成，用一套專用設(shè)備（水泥車、混合漏斗、灰罐車）將水泥漿按設(shè)計用量注入井內(nèi)，使其返至套管外設(shè)計的位置。水泥返高指固井時套管與井壁之間水泥環(huán)上升的高度，常指水泥環(huán)上端到井口方補心的距離。五、基本鉆井工藝過程

注漿封孔材料的種類及配比實驗研究，不同注漿材料配比下漿體的粘度、凝膠時間、力學(xué)強度及氣體滲透率初步測試?？紤]到煤礦鉆孔施工的非永久性、施工量大以及其他不利因素，本次研究擬選用水泥基材料作為主要注漿材料開展試驗研究，同時以粉煤灰、硅灰、聚乙烯醇作為外加劑，進(jìn)行注漿材料試驗。水泥粉煤灰硅灰聚乙烯醇ZKS-100型砂漿凝結(jié)時間測定儀適用于以貫入阻力表示的砂漿凝結(jié)速度和凝結(jié)時間水泥漿稠度儀工作原理是被測漿液充滿容器后，記錄從孔內(nèi)全部流出所需時間來確定漿液粘度fusntcut=c+sn

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利用萬能壓力機對固結(jié)體進(jìn)行三軸壓縮試驗，獲得三軸壓縮下的固結(jié)體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對比分析固結(jié)體隨時間變化的抗壓強度的變化規(guī)律。

分別對固結(jié)體進(jìn)行氣體滲透率測定，獲得軸向荷載下的氣體滲透率曲線，對比分析不同注漿材料對氣體滲透率的影響。人造巖心模具采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼制成，工作壓力≤40MPa，運動系統(tǒng)即手動壓力臺由優(yōu)質(zhì)直線滑動軸承支持，行動靈活無運行阻力，保證樣品均勻受壓，升壓系統(tǒng)采用千斤頂，快捷穩(wěn)定，操作簡單。模具分大、小兩種，較大模具壓制煤樣尺寸為50*100mm圓柱體，小模具可壓制煤樣尺寸為25*30mm圓柱體。

為進(jìn)行注漿材料力學(xué)性質(zhì)試驗，實驗室購置了濟(jì)南東方試驗儀器有限公司生產(chǎn)的YAW-2000型微機控制恒應(yīng)力壓力試驗機，該試驗機由液壓式主機和控制器、計算機控制系統(tǒng)三大單元組成，能完全滿足GB/T50081-2002等試驗方法的要求，很好的解決了材料抗壓強度試驗的閉環(huán)控制。配置必要的夾具（卡具），還可做其它等材料的等速加荷抗壓強度試驗。項目組設(shè)計了鉆孔密封試驗裝置并委托飛宇石油科技開發(fā)有限公司對裝置進(jìn)行加工制造，本實驗裝置可通過模擬鉆孔、封孔過程，在不同的鉆孔直徑、脈動壓力料等條件下，研究不同封孔材料的密封效果。結(jié)構(gòu)示意圖注水管道封孔管道測定煤層氣含量;

測定煤的等溫吸附線;

割理、裂隙描述及方向測定；進(jìn)行煤的工業(yè)分析（煤巖、煤質(zhì)、煤級、孔隙度等）。高的煤心采取率;

短的氣體散失時間。取心后裝罐時間一般應(yīng)小于15min;

較大的煤心直徑。通常以7.6-10.2cm較為適宜；保持完好的原始結(jié)構(gòu)；降低煤心污染程度，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。1．取心目的2．取心要求（一）取心鉆井六、特殊鉆井工藝技術(shù)3．取心方法各種取心方法優(yōu)缺點比較表取心方法關(guān)鍵技術(shù)方法優(yōu)缺點備注常規(guī)取心在鉆進(jìn)過程中通過提取鉆柱來采取提鉆時間長、氣體大量散失；取心率較高不常采用井壁取心由裝有彈頭的空管（可被射入地層）組成的繩索工具從鉆井井壁采取的具有良好的樣品深度分辨能力（<7.6cm)，可在裸眼井測井后進(jìn)行，可采集各種體積密度的含炭巖層段樣品不常采用繩索取心在地面鉆探設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加一套卷揚機系統(tǒng)和附加一些井下設(shè)備，用繩索快速提出巖心大大縮短樣品采集時間和提升時間，減少氣體散失時間目前最常用保壓取心將煤樣在儲層條件下密封使散失氣體降至最??；直接測量可采氣體；價格昂貴，潛在工具選擇問題，選取巖心點困難六、特殊鉆井工藝技術(shù)4．取心工具取芯工具組成示意圖1－取芯鉆頭；2－巖心爪；3－內(nèi)巖心筒；4－外巖心筒；5－扶正器；6－回壓凡爾；7－懸掛軸承；8－懸掛裝置取出巖心取心過程三個環(huán)節(jié)：鉆出巖心保護(hù)巖心取心工具：取心鉆頭、巖心筒及懸掛裝置、巖心爪等六、特殊鉆井工藝技術(shù)5．取心工藝(1)取心工具的選擇主要依據(jù)地層巖性和井下條件，合理選擇鉆頭、巖心爪的類型及工具長度。(2)取芯鉆進(jìn)參數(shù)配合鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量等參數(shù)均要比全面鉆進(jìn)鉆頭用的要小些。但要適當(dāng)，否則，太小則鉆速慢、進(jìn)尺低，取心時間長、效益低，且對保護(hù)巖心亦不利。六、特殊鉆井工藝技術(shù)(3)取心工藝流程做好準(zhǔn)備工作開泵循環(huán)緩慢下放到井底取心鉆進(jìn)割心操作起鉆到地面取出巖心測量、記錄距井底10m到達(dá)預(yù)定進(jìn)尺慢轉(zhuǎn)一段時間5．取心工藝六、特殊鉆井工藝技術(shù)（二）定向鉆井定義：使井身沿著預(yù)先設(shè)計的方向和軌跡鉆達(dá)目的層的鉆井工藝方法。定向井井身剖面設(shè)計原則必須保證實現(xiàn)定向鉆井的目的；盡可能利用地層自然造斜規(guī)律；有利于安全、快速鉆進(jìn)；有利于以后的采氣和修井作業(yè)。六、特殊鉆井工藝技術(shù)

（三）多分支水平鉆井多分支水平鉆井：指在一個主井眼兩側(cè)再側(cè)鉆出多個分支井眼作為泄氣通道，分支井筒能夠穿越更多的煤層割理裂隙系統(tǒng)，最大限度地溝通裂縫通道，增加泄氣面積和氣流的滲透率，使更多甲烷氣進(jìn)入主流道，提高產(chǎn)量。1．水平井剖面類型圖各類水平井的剖面對比a一超短曲率半徑水平井；b—短曲率半徑水平井；c一中曲率半徑水平井；d一長曲率半徑水平井。表水平井分類及特點六、特殊鉆井工藝技術(shù)2．水平井鉆井系統(tǒng)能夠完成水平井鉆井工藝過程的配套設(shè)備和工具。水平鉆井系統(tǒng)：(1)超短曲率半徑水平鉆井系統(tǒng)靠作用在射流噴嘴內(nèi)腔的靜液壓力自動送鉆；特點：用高壓水射流破巖鉆進(jìn)而不用鉆頭機械鉆進(jìn)；鉆柱不旋轉(zhuǎn)；只需要功率較小的車裝鉆機作為起升設(shè)備。功能：目前同一水平最多可鉆24口井，徑向長度達(dá)488m，鉆井速度3m/min以上。設(shè)備：能夠在300mm的垂直井段中完成從垂直轉(zhuǎn)向水平。六、特殊鉆井工藝技術(shù)(2)短曲率半徑水平鉆井系統(tǒng)設(shè)備：地面設(shè)備與常規(guī)的鉆井設(shè)備相同。按動力來源的不同可分為兩種：地面動力鉆井系統(tǒng)和井下動力鉆井系統(tǒng)?，F(xiàn)常用的是井下動力鉆井系統(tǒng)。功能：可以鉆出300～500m長水平井眼。(3)中曲率半徑鉆井系統(tǒng)a－造斜馬達(dá)b－穩(wěn)斜馬達(dá)1－彎接頭；2－低轉(zhuǎn)速，大扭矩馬達(dá)；3－鉆柱穩(wěn)定器；4－旁通閥；5－造斜接頭；6－帶穩(wěn)定器的上軸承外殼；7－鉆柱穩(wěn)定器；8－帶穩(wěn)定器的軸承外殼；9－低轉(zhuǎn)速，大扭矩馬達(dá)；10－雙斜式萬向節(jié)外殼圖中曲率半