drillingfluid萬方

⑴ 水平連通井關鍵技術及在三交地區的應用

鄧鈞耀 鮮保安

作者簡介:鄧鈞耀,1984年生,男,工程師,碩士研究生,2010年畢業於西南石油大學石油工程專業,現在中聯煤層氣國家工程研究中心鑽井完井所從事煤層氣鑽完井技術研究與管理工作。地址:北京市海淀區環保科技示範園地錦路7號院1號樓,郵編:100095。電話:18791328408,電子郵箱:[email protected]

(中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司 北京 100095)

摘要:我國大多數煤儲層具有「低孔」、「低滲」、「低壓」的特性。這種「三低」特性是導致我國的煤層氣井「低產」且「不穩定」的主要因素之一。水平連通井能最大程度穿越煤層割理裂隙系統、溝通煤層裂隙通道以提高滲透率;擴大煤層降壓范圍、降低煤層水排出時的摩阻、從而大幅度提高單井產量和採收率,以達到產能最大化的目的。文章從三交地區的地質情況出發,分析了洞穴完井的工藝條件及在該區塊實施水平連通井的可行性;闡述了施工水平連通井所採用的井身結構設計、造穴技術、水平連通等關鍵技術;介紹了在該區實施水平連通井的具體情況以及實施過程中復雜情況的應對措施;提出了一套鑽井液優化設計與維護措施;並對今後在該區實施水平連通井提出了建議。水平連通井技術的應用,不僅可以保護煤層原生結構及煤儲層,而且能為之後的分級壓裂作充分准備,具有重要的經濟意義。

關鍵詞:煤層氣 水平連通井 三交地區 造穴技術 井眼軌跡

The key Technology of Horizontal Connected Wells and Application in the Sanjian Area

DENG Yunyao XIAN Baoan

(China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Co., Ltd, Beijing 100095, China)

Abstract: Most coal reservoirs in China have 「low porosity」、 「low permeability」 and 「low pressure」 fea- tures.This 「three lows」 features are one of the main factor s of 「low yield」 and 「unstable 「 in the China's coal- bed methane wells.Horizontal Connected wells can communicate seam fracture in order to enhance permeability; Enlarging the range of pressure dropping of coal reservoir.Recing the friction when water discharge out of the coal reservoir in order that improving the yield of per well and recovery ratio, achieving the purpose of maximizing proctivity finally.This thesis start with the geological situation in sanjiao area, analysising the technology condi- tions of the well caving completion and implementing horizontal connected drilling's feasibility; Describing casing program design、 well caving completion technology and horizontal connection technology; Introcing concrete circumstances in Sanjiao area and complex situation's measures.Proposing a set of optimal design and maintenance measures of drilling fluid.Giving recommendations in the area implementing horizontal connected wells.The appli- cation of horizontal connected technology not only can protect the primary structure and coal seam reservoir but also be ready for the preparing of classification in the future.Those has important economic significance.

Keywords: CBM; horizontal connected well; Sanjiao area; caving technology; well trajectory

引言

煤層氣水平井與常規油氣水平井最大不同之處在於一般不單獨施工水平井,而是與預先鑽好的直井相連通。水平井產氣,直井排采。採用水平井開採煤層氣可有效增加供給范圍,增大導流能力,從而提高單井產量。連通水平井技術最早用於救援井施工,當一口井發生井噴或失火時,在距該井一定距離處,鑽一口井與其連通,通過注入高密度鑽井液壓井或採取其他措施來處理井下事故。但其特殊工藝也給施工水平井增加了技術難度。目前國外在煤層中鑽水平連通井的技術已日臻完善,但國內相關工作起步較晚,許多理論與關鍵技術仍有待進一步提高。

1 概述

三交地區地處鄂爾多斯盆地東部邊緣。該地區從構造上講呈南北條帶狀展布,屬於呂梁山復背斜西翼的一部分;總體構造形態表現為西傾的單斜構造,構造較為簡單。總體而言,構造特點對煤層氣的生成和賦存條件是有利的。

三交地區各類岩層均有局部出露,第四系廣泛遍布於山樑和溝谷中。據鑽探揭露地層由老至新依次為:奧陶系中統馬家溝組、峰峰組;石炭繫上統本溪組;二疊系下統太原組、山西組、下石盒子組,上石盒子組、石千峰組;三疊系下統劉家溝組、和尚溝組、中統二馬營組;以及新生界第三繫上新統保德組、第四系中更新統離石組、上更新統馬蘭組和全新統。

從分布於全區的煤層氣及煤炭鑽井資料來看,主力煤層廣泛發育且分布穩定。根據區內煤炭鑽孔及煤層氣鑽孔資料統計數據:主要目的煤層為4+5號、8+9號煤層。從平面分布上看,4/5號煤整體西厚東薄,厚度2.5~10.1m;埋深在300~550m。8/9號煤層分布穩定、厚度較大,埋深一般在300~850m。據取自區內多口探井中的兩百餘個樣品測試表明:4/5號煤層噸煤含氣量一般為6~12m³,最大達18m³,平均為8.48m³;8/9號煤層噸煤含氣量一般為10~16m³,最大達23m³。

2 實施「U」型水平連通井的優點與難點

與直井相比,「U」型水平連通井能擴大煤層氣供給范圍,提高導流能力,增大解吸波及面積,因而可大幅提高單井產量。對兩連通井眼循環洗井,可有效解除井眼可能發生的堵塞;同時水平段沿儲層下傾方向鑽進利於控制井眼軌跡^[1]。

但該區塊部分井所鑽遇的第四系地層為流砂層;太原組易水侵、易漏失;局部煤層為塊狀碎裂煤、裂縫較發育、且含有1~2層較薄碳質泥岩夾矸。上述特點導致在該區塊施工連通水平井存在如下難題:

(1)井眼軌跡控制方面。水平連通井井淺、造斜率高、造斜井段軌跡控制精度要求高。這對造斜及兩井水平連通的工具和儀器精度將提出更高要求。

(2)井眼穩定方面。由於煤層本身膠結疏鬆、質脆,存在著互相垂直的天然裂縫;加之進入煤層段鑽進時採用清水或低固相鑽井液對煤層抑制能力差,因此常會引起煤層坍塌、卡鑽甚至井眼報廢等復雜情況的發生。

(3)儲層保護方面。一方面由於煤儲層自身的特性(如吸附能力、應力敏感性、速敏性、水敏性等)決定了煤層易受損害。二是由於煤儲層的壓力低,鑽井液中的固相顆粒在液柱壓差作用下易於進入煤層孔隙和裂縫,造成煤層損害。

3 關鍵技術研究

3.1 井身結構設計技術

三交地區的直井採用常規井身結構。但與常規油氣井井身結構設計所不同的是「U」型水平連通井需考慮直井與水平井的連通、後期的排水采氣、煤層段井壁穩定及水平井煤層井段下套管固井等因素:

(1)在連通井井段造洞穴,須在井底留足口袋。以不揭開下部含水層的原則下應考慮增大口袋留深。

(2)著眼於排采考慮,煤層上部出水量大的層位必須用套管封堵。

(3)需將井壁穩定性及儀器設備的配套性納入水平井段井眼大小的考慮范圍中,通常優先考慮小尺寸井眼。

結合上述因素,研究確定三交區塊水平連通井的井身採用三級結構:水平段採用φ120.65mm井眼。具體結構為:φ311.1mm井眼×φ244.5mm表層套管+φ215.9mm井眼×φ139.7mm技術套管+φ120.65mm水平井眼。

3.2 井眼軌跡設計與控制技術

1.井眼軌跡設計

根據煤層氣水平井的特點,井眼軌跡設計要著重考慮以下兩方面因素^[2]:

(1)井眼軌跡控制。由於煤層氣井埋藏較淺,兩井連通前可供控制的井段較短,因此,設計的井眼軌跡應有利於控制,保證兩井准確連通。

(2)水平井段加壓。煤層氣水平段鑽柱提供的鑽壓有限,特別是在水平井段滑動鑽進時加壓更加困難。所設計的水平井井眼軌道應採用「直—增—穩—增—水平」五段制軌道。盡可能保證設計出的井眼軌跡光滑,最大限度減少摩阻。

2.井眼軌跡控制

(1)直井段。控制井斜,為下部井段施工創造條件。可選塔式鑽具組合。

(2)造斜段。確保工具的造斜率達到設計要求,保證井眼軌跡在煤層中准確著陸。採用「導向馬達+MWD」的常用定向鑽具組合。

(3)水平段。重點確保井眼軌跡在目的層的穿透率。可採用「單彎螺桿鑽具+LWD」的地質導向鑽具組合。

(4)連通段。一是保證在連通儀器探測距離范圍之外的井段方位偏差不大;二是要准確判斷距直井20m以內的井底方位。

3.3 鑽井液體系設計

針對三交地區地層的特點,優選出相適應的鑽井液體系方案如下:

(1)一開設計為低固相坂土鑽井液。性能以防垮、防漏為主。

(2)二開直井段鑽進:根據鑽井設計預測的井下地層復雜情況,採用聚合物鑽井液。視井下情況,加入一定量的膨潤土控制濾失,用CMC輔助增粘、降失水,用腐殖酸鉀防止泥岩因水化膨脹而產生坍塌和掉塊。

(3)二開定向段鑽進:採用低固相聚合物鑽井液,鑽井液的附加系數0.05~0.10g/cm³,盡可能取小值,鑽井液密度控制在1.10g/cm³左右,以保護目的煤層。

(4)三開前配鑽井液體系:清水+生物聚合物鑽井液。在水平井段用清水鑽進中岩屑若不能完全有效清除,會在井筒內形成岩屑床而造成泵壓升高、摩阻增大,嚴重影響井下安全和施工進度。鑽進中不定時泵入高粘XG(生物聚合物)溶液,提高鑽井液懸浮攜砂能力以解決岩屑堆積形成的岩屑床問題^[3]。

4 煤層造穴及兩井連通工藝技術

4.1 造穴工藝應具備的條件

(1)較好的儲層條件。要求含氣量最好大於10m³/t,滲透率相對較高。

(2)較好的圍岩特徵。煤層頂、底板封閉性好、機械強度高、不能有斷層或漏失層段。

(3)煤層厚度較大,主要為塊煤,無夾矸。

(4)井壁穩定,區域地層相對穩定。

4.2 造穴工藝技術原理

在實際應用中煤層造穴工藝主要具有如下特徵^[4]:

(1)實際洞穴有效直徑。實際洞穴的有效直徑工程上通過返出的煤、岩屑的體積計算得出。實際上有效井徑形狀不規則、表面參差不齊的特點也增大了煤層的裸露面積。

(2)在井筒周圍形成一定范圍的破碎帶。使洞穴以外的煤層在造穴後發生張性和剪切破裂,形成更大范圍的破碎帶。它們能溝通處於煤層內封閉或半封閉狀態下的原始微裂縫,提高煤層滲透率。

(3)保護煤層原生結構。採用空氣加清水通過瞬間釋放壓力的方法造穴,可有效保護煤層原生結構,避免常規泥漿鑽井、固井、壓裂等對煤層的破壞。

將圖1所示的切削玻璃鋼套管用的割刀裝在圖2造穴鑽頭的孔內,安裝好後進行調試。調試完成後下入鑽頭到玻璃鋼套管頂端,下入鑽頭的整個過程中刮刀始終處於造穴鑽頭孔內;在鑽井液沖擊下刮刀自動張開,在方鑽桿的帶動下,鑽頭在玻璃鋼套管內作圓周運動,完成對玻璃鋼套管的切削。完成對玻璃鋼套管切削後就可以對裸露的煤層進行擴孔,該過程與上述對玻璃鋼套管的切削過程大致相同。將圖3所示的擴孔刮刀置於圖4所示的擴孔鑽頭內,在鑽桿的帶動下即可對煤層擴孔。擴孔刮刀長度一般約為25~30cm,因而用它所完成的煤層洞穴直徑一般在50~60cm左右。

4.3 兩井連通技術

兩井連通採用近鑽頭電磁測距法(RMRS技術)。鑽具組合為:鑽頭+永磁短節+馬達+無磁鑽鋌+隨鑽測斜儀+鑽桿^[5]。采氣的直井先於水平井施工,並在煤層段造穴,以便水平井眼順利穿過。但由於直井軌跡的漂移、裸眼洞穴直徑的限制及受造斜段隨鑽監測精度的影響,兩井連通是一個較大的難題。因此,在兩井連通前必須做到以下兩點:(1)對直井進行多點測量或陀螺測量,確切搞清裸眼洞穴點的坐標和井深位置;(2)在裸眼洞穴以下井段打水泥塞,將裸眼洞穴下部井眼封住,再進行連通工作。這樣鑽頭通過裸眼洞穴時就不會因重力而進入下部井眼,可以避免發生復雜情況^[6]。

圖1 切削玻璃鋼套管用的割刀

圖2 造穴鑽頭

圖3 用於擴孔的刀片

圖4 擴孔用的鑽頭

圖5 兩井連通示意圖

連通過程中,在直井中下入探管,鑽頭處連接一個永磁短節。根據採集的測點數據判斷出當前的井眼位置,預測鑽頭處方位的變化;通過調整工具面,及時糾正井眼方向至洞穴中心位置^[7]。接近洞穴時,運用專用軌跡計算軟體准確判斷水平井與洞穴中心的距離,實時、連續監測鑽頭位置,確保連通的成功率,如圖5所示。

5 井壁穩定控制技術

井壁穩定技術是煤層氣井鑽水平井段急需解決的關鍵問題之一,它是兩井能否實現順利連通的前提^[8]。它包括:

(1)盡量採用結構簡單的鑽具組合以減小煤層井壁碰撞和起下鑽時掛拉;

(2)造斜點以下地層和煤層段全部採用井下動力鑽具。鑽柱不旋轉,相對而言工作較平穩,有利於保持煤層井壁穩定;

(3)盡量縮短煤層水平段鑽井時間,減少鑽井液對煤層的浸泡時間;

(4)盡可能使井眼軌跡位於相對穩定的塊狀煤體中。

實際工作中主要從優化井身結構設計、合理控制鑽井液密度和穩定井眼的工程技術措施來實現^[9]。

(1)優化井身結構設計。重點考慮井下安全,兼顧避免對煤儲層造成傷害。

(2)合理控制鑽井液體系。鑽井液密度過低,會引起煤岩構造應力釋放,使煤層沿節理或裂縫斷裂、坍塌。鑽井液密度過高,在壓差作用下鑽井液進入煤層會撐開煤層裂隙結構,使煤層中侵入固相顆粒^[10]。根據三交地區煤層氣鑽井實踐,以清水為介質配合欠平衡技術鑽進水平段煤層。為提高井底的凈化效果、增強攜岩性和防塌性能,可根據返屑情況加入羧甲基纖維素CMC。

6 現場應用

2009年中石油在三交地區施工了一口水平連通井。該井於2009年7月11日開鑽,10月7日完鑽,歷時89天。採用了煤層造洞穴、注氣欠平衡鑽井、兩井連通、隨鑽地質導向等先進技術。

6.1 井身結構

如圖6所示。

6.2 鑽具組合

1.一開鑽進

φ311.1mm³A鑽頭*0.30m+630×4A10接頭*0.46m+φ159mmDC*46.92m+4A11×410接頭*0.43m+方鑽桿。

2.二開直井鑽進

φ215.9mm³A鑽頭*0.25m+430×4A10×*0.30m+φ159mmDC*81.68m+4A11×410*0.38m+φ127mmDP*213.86m+方鑽桿。

3.二開定向鑽進

215.9mm³A鑽頭*0.25m+φ172mm螺桿*7.60m+φ165mm短無磁*1.60m+φ165mm定向接頭*1.43m+φ159mm無磁鑽鋌*9.11m+φ127mm無磁承壓*9.05m+φ127mmDP*482.49m+方鑽桿。

4.連通

φ120.65PDC*0.18m+φ95mmRMRS*0.41m+φ95mmMotor*3.78+φ95mmF/V*

6.3 鑽井液體系及維護

根據該井鑽井設計的井身結構、施工進度安排,結合鑽井的目的,一開、二開鑽進中著力對鑽井液做好以下幾方面的准備及維護(如表1)^[11]:

圖6 井身結構示意圖

表1 三交地區某井一、二開鑽井液性能表

(1)一開用坂土漿鑽井液施工,CMC增粘、降失水。粘度30~37MPa·s。

(2)二開鑽完水泥塞後,置換被污染的鑽井液,用水基膨潤土鑽井液開鑽施工,鑽井液用CMC輔助提粘、降失水,用NPAN降粘控制流變性。

(3)正常鑽進,可視井下情況,加入一定量的膨潤土形成緻密濾餅控制失水;在定向段鑽進時,用高密度低固相鑽井液,盡可能實現近平衡鑽井;控制鑽井液上返流速;用CMC維持粘度,NaOH控制濾失、調整流變性,防止泥岩地層水化分散而造成鑽井井壁坍塌、縮徑。

(4)為盡可能減小對煤層的損害,要嚴格控制鑽井液密度、濾失量,少加高分子處理劑。

6.4 應用效果

該井一開鑽至49.83m,下入Φ244.5m表層套管。二開鑽至518m完鑽。煤層段為448.38~453.73m,於井段445.87~454.10m下入8.23m長的玻璃鋼套管,於449~453m使用直徑為600mm的割刀對煤層段造穴4.00m。該井的水平井一開井深58.38m,二開鑽至521m,技術套管下深519.47m。水平井距直井洞穴水平位移198.33m。兩井連通垂深451.14m。全井施工順利,井下安全無事故,為後期排采提供了良好的井眼。

根據該井直井排采數據顯示:該井自2010年2月9日至2010年4月20日連續69天穩產在1萬方以上,最高日產氣量超過1.5萬方,排采效果良好。

7 結論與建議

(1)隨著能源需求的日益增長和煤層氣工業的發展,水平連通井將成為煤層氣開採的重要手段之一。但針對不同地區不同儲層的適應性問題尚需進一步論證。

(2)優化井身剖面可以降低井眼軌跡控制的難度;著陸控制和水平控制是水平井井眼軌跡控制的關鍵技術;而工具造斜率的確定、閉合方位控制、矢量進靶、動態監控等則是水平井井眼軌跡控制的重要手段。

(3)軌跡控制和優化鑽井液體系是成功實施水平連通井的關鍵。隨鑽地質導向、兩井連通技術及針對鑽遇地層和相應井段特點優選出的鑽井液體系為三交地區「U」型水平連通井的實施奠定了基礎。而電磁波無線隨鑽測量系統、低轉速高扭矩馬達、強磁導向系統等先進工具儀器則為三交地區「U」型水平連通井的實施提供了保障。

(4)水平段採用清水或低固相鑽井液鑽進能起到良好的儲層保護效果,但不利於井眼穩定。建議今後在該區塊嘗試採用空氣、泡沫等進行欠平衡鑽井,在提高鑽井速度的同時達到儲層保護的目的。

(5)三交地區的「U」型水平連通井普遍採用裸眼完井,後期排采表明部分井眼存在堵塞現象。建議今後在該區塊實施水平連通井時下入PVC連續篩管完井。

參考文獻

[1]鮮保安,高德利等.2005.煤層氣定向羽狀水平井開采機理與應用分析[J].天然氣工業,25(1):114~116

[2]王洪光,肖利民,趙海艷.2007.連通水平井工程設計與井眼軌跡控制技術[J].石油鑽探術,35(2):76~78

[3]劉春生.2002.T96對接連通井多分支水平井鑽井技術[J].岩土鑽掘工程,29(增刊1):33~35

[4]包全貴.2007.煤層氣鑽井工程中幾個重點技術問題的探討[J].探礦工程(岩土鑽掘工程),(12)

[5]梁大川.1995.吐哈油田煤層鑽井液技術[J].鑽井液與完井液,12(4):33~37

[6]饒孟余,楊陸武,張遂安等.2007.煤層氣多分支水平井鑽井關鍵技術研究[J]天然氣工業,27(7):52~55

[7]莫日和.2007.煤層氣井造穴技術的實踐與研究[J].中國煤層氣,(4),3

[8]新明.1998.完美的導向鑽井系統.石油鑽采上藝.(增刊)

[9]蘇義腦著.2007.水平井井眼軌道控制[M].北京:石油工業出版社

[10]王平全.1995.吐哈盆地西山窯八道灣煤層井壁不穩定機理探討[J].西南石油學院學報,17(2):33~37

[11]王彥琪.2010.和順區塊煤層氣遠端連通水平井鑽井關鍵技術研究[J].中國煤層氣,7,(1):20~21