空氣潛孔錘鉆井工藝在煤層氣開發中的應用
孫建平
（中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011）
摘要 空氣潛孔錘鉆井工藝采用壓縮空氣作為動力兼循環介質，驅動潛孔錘工作，在煤層氣井施工中實現欠平衡鉆井，能提高鉆井效率，降低煤層氣開發成本，減少對煤儲層的傷害。
關鍵詞 空氣潛孔錘 鉆井 煤層氣
Application of Air-flush Hammer Drilling Technology in CBM Development
Sun JianPing
（China United Coalbed Methane Corp.，Beijing 100011）
Abstract：The air-flush hammer drilling technology uses compressed air as the power and circulation medium to drive working of the hammer，which can realize under balance drilling of CBM，enhance drilling efficiency，lower development cost and relieve the damage to coal reservoirs.
Keywords：Air-flush Hammer Drilling；Drilling；CBM
前言
空氣潛孔錘鉆井工藝是壹種以壓縮空氣作為動力介質，驅動潛孔錘工作的欠平衡鉆井工藝。在國外鉆井施工中，由於空氣潛孔錘鉆井工藝具有鉆井速度快，對儲層的傷害小的特點，得到了廣泛利用。空氣潛孔錘鉆井工藝適用於鉆井直徑102～311mm，鉆井深度小於1000m，地質條件相對簡單的鉆井。煤層氣井壹般設計深度在300～1000m之間，生產套管直徑多為139.72mm，地質條件相對簡單，對儲層保護要求高，非常利於空氣潛孔錘鉆井工藝的推廣使用。為了在煤層氣開發中縮短建井周期，降低建井成本，克服丘陵地區設備搬遷困難，中聯煤層氣公司在山西沁水潘河項目煤層氣鉆井工程中引進了兩臺T685WS空氣潛孔錘鉆機進行施工，取得了較好的效果。
1 空氣潛孔錘鉆井工藝原理
空氣潛孔錘鉆井工藝是壹種以壓縮空氣作為動力介質，驅動潛孔錘工作的欠平衡鉆井工藝。壓縮空氣兼做洗井介質，將井底巖屑攜帶至地面。在巖石硬度較大的地層中鉆進時，空氣潛孔錘鉆井工藝與常規鉆井工藝相比，能大大提高鉆井效率。空氣潛孔錘鉆井效率高，有以下幾個有利因素：
（1）作用在潛孔鉆頭切削刃具上的載荷為沖擊載荷，接觸應力瞬時可達極高值，應力集中，促進巖石裂隙發育。
（2）切削刃具磨損減少。
（3）沖擊頻率高，有利於巖石破碎。
（4）井底幹凈，最大限度地減少了重復破碎。
2 空氣潛孔錘鉆井工藝的特點
與常規鉆井工藝相比，空氣潛孔錘鉆井工藝具有以下特點：
（1）鉆進效率高。在潘河項目鉆井施工中，鉆進基巖平均鉆速達到了240m/d。
（2）設備數量少，易於搬遷，非常適合丘陵地區施工。
（3）對儲層傷害較小。由於鉆井時采用空氣或空氣泡沫作為鉆井液循環介質，井內鉆井液壓力遠低於地層壓力，實現了欠平衡鉆井；另外，由於空氣潛孔錘鉆進時，巖屑顆粒大，井底幹凈，大大減少了固相顆粒進入儲層的可能。因此，空氣潛孔錘鉆井工藝能減少對儲層的傷害。
（4）利於巖屑錄井。采用空氣潛孔錘鉆井工藝鉆進時，巖石破碎機理主要是依靠高頻率沖擊形成體積破碎，巖屑顆粒大，由於巖屑上返速度快，遲到時間極小，非常利於巖屑錄井。
（5）對環境汙染小。空氣或空氣泡沫中不添加任何化學試劑，巖屑上返至地面後，固相、液相及氣相迅速分離，基本上不存在鉆井液汙染。
3 空氣潛孔錘鉆井工藝的適用範圍
空氣潛孔錘鉆井工藝的推廣使用主要受制於鉆井井徑及地質、水文條件。
3.1 鉆井井徑
空氣潛孔錘鉆井工藝攜帶巖粉的能力主要取決於空氣上返速度，鉆井外環空間過大時巖粉上返困難，因此空氣潛孔錘鉆井通常廣泛用於井徑400mm以下的鉆井施工。目前，國外公司通過增加空氣壓縮機風量、風壓，開始將空氣潛孔錘鉆井工藝用於井徑400～600mm的鉆井施工。
3.2 地質條件
空氣潛孔錘鉆井工藝最適宜鉆進粗粒而不均勻的地層，在6～9級巖石中鉆進效果尤為突出。鉆進裂隙發育的地層時，往往由於空氣漏失，風壓下降，鉆進速度相對降低。
3.3 水文條件
空氣潛孔錘鉆井時，空氣快速上返造成井內液註壓力遠小於地層壓力，形成抽水現象，如水量大於10m3/h，鉆速將大大下降。
3.4 鉆井深度
鉆井深度超過1000m時，由於受風壓機風壓、風量的限制，巖粉返排困難，空氣潛孔錘鉆井工藝鉆進效率低於常規鉆井工藝效率。
4 空氣潛孔錘鉆井工藝主要鉆進參數的選擇
影響空氣潛孔錘鉆井速度的參數主要是軸向壓力、回轉速度、沖擊功及沖擊頻率等。對於不同硬度的巖石，參數的選擇差異較大。鉆進硬度小的巖石時，鉆進參數應主要滿足回轉切削碎巖的要求；鉆進堅硬但膠結不好的巖石時，鉆進參數應滿足沖擊碎巖的需要，以形成體積破碎；鉆進堅硬致密的巖石時，鉆進參數則應滿足沖擊和回轉兩種碎巖作用。
5 工程實例
在山西沁南潘河煤層氣項目施工中，空氣潛孔錘鉆井工藝得到了大規模的推廣使用。
5.1 潘河項目煤層氣井鉆井工程概況
潘河煤層氣井主要布置在沁水盆地潘莊1號井田，壹期工程第壹階段***布置煤層氣井40口，目標煤層為3＃煤層，厚度約6m。該區鉆井設計井深 300～520m，采用直徑139.72mm生產套管完井，布井間距300m。該區煤層穩定，構造簡單，但地形起伏較大，不適於大型設備搬遷。為減少井場占地面積，提高鉆井速度，並降低對煤儲層的傷害，引進了兩臺T685WS空氣潛孔錘鉆機進行施工。
5.2 T685WS 空氣潛孔錘鉆機主要配置及性能
T685WS空氣潛孔錘鉆機是美國Schumm公司生產的車載頂驅鉆機，車身長15m，寬2.3m，自重30t，主要配置如下：
5.2.1 動力系統。主發動機為康明斯QSK-19型，功率563kW，由曲軸前法蘭盤向液壓泵提供動力，從飛輪壹端驅動空壓機。
5.2.2 回轉及提升給進系統。由全自動液壓動力頭驅動，最大提升能力45t，最大扭矩12045N·m，轉速0～143r/min無極調速。該鉆機頂驅動力頭既可加壓給進，也可通過上提鉆具減壓給進。
5.2.3 井架結構。井架為焊接的巨型鋼管結構，最大提升高度11.80m。井架底部的滑塊箱內有用於114mm、203mm、368mm標準鉆具的滑塊套子。井架底部最大開口直徑為711mm。
5.2.4 空壓機系統。該鉆機配置兩擋油淹沒旋轉螺桿空壓機，配有空氣釋放控制裝置。空壓機最大排量36m3/min，最大排放壓力2.4Pa，並配有外接空壓機、增壓機接口。
5.2.5 操作系統。該鉆機回轉及提升給進系統操作手柄集中，可根據井內情況調節給進壓力、轉速。該鉆機還配有起加卸鉆具、套管的專用快繩。
5.3 空氣潛孔錘鉆井工藝使用情況
在潘河壹期40口鉆井施工中，有30口鉆井采用空氣潛孔錘鉆井工藝施工。鉆井結構均為壹開井徑311mm，二開井徑215.9mm。在施工中，全井采用英格索爾-蘭德公司生產的DHD系列無閥風動沖擊器鉆進。
5.3.1 鉆進參數的選擇。T685WS空氣潛孔錘鉆機常規配備的風壓機出口壓力為2.4MPa，風量為36m3/h。采用鉆進參數見表1。
表1 鉆進參數表
5.3.2 鉆進效率分析。在潘河項目30口煤層氣井施工中，26口井鉆進時井內最大湧水量小於8m3/h，非常適合空氣潛孔錘鉆進。在施工中，最高鉆速達30m/h，平均鉆速10m/h，單井平均建井周期6.5天，僅為常規鉆井工藝建井周期的壹半。
其余4口井在施工中井內湧水量較大，最大湧水量達30m3/h，井內液柱壓力大，巖屑上返困難，潛孔錘不能正常工作，鉆速較低。為實現欠平衡鉆進，通過鉆機泡沫註入泵註入2%濃度的ADF泡沫劑，降低井內液柱壓力，實現正常鉆進。在這4口煤層氣井的施工中，最低鉆速達4m/h，平均鉆速達7m/h，平均建井周期9d，較常規鉆井工藝建井周期減少4d。
5.3.3 工程質量分析。在煤層氣井鉆井施工中，采用空氣潛孔錘鉆井工藝，不僅能大大提高鉆井速度，還能提高井身質量，降低對煤儲層的汙染。潘河項目30口煤層氣井井身質量見表2。
表2 井身質量統計表
采用空氣潛孔錘鉆井工藝施工煤層氣井時，由於空氣上返速度快，非常利於攜帶巖屑，避免了重復破碎，巖屑顆粒較大，能大大降低地質錄井工作難度。在施工的30口井中，巖性剖面符合率達95%以上，煤層深度誤差小於0.4m。
在保護儲層不受傷害方面，空氣潛孔錘鉆井工藝主要采用欠平衡鉆進，井內液柱壓力遠低於地層壓力，對煤儲層傷害遠小於常規鉆井工藝。
5.3.4 經濟效益分析。采用空氣潛孔錘鉆井工藝施工時，施工設備數量少，非常利於搬遷，且鉆進速度快，能大大提高經濟效益。在潘河項目施工中，采用常規鉆井工藝施工時，單井施工成本約為42萬～45萬元；采用空氣潛孔錘鉆井工藝施工時，單井成本約為37萬～40萬元。
6 空氣潛孔錘鉆井工藝推廣使用的建議
在潘河項目煤層氣開發中，空氣潛孔錘鉆井工藝第壹次在國內得到了大規模推廣使用。從使用效果看，空氣潛孔錘鉆井工藝能降低煤層氣開采成本，確保井身質量，減少對煤儲層的傷害，從而加快煤層氣開發進程。但潛孔錘鉆井工藝是否能對增加煤層氣井產能有積極作用，還要經過開采過程的驗證。