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⑴ 水平连通井关键技术及在三交地区的应用

邓钧耀 鲜保安

作者简介:邓钧耀,1984年生,男,工程师,硕士研究生,2010年毕业于西南石油大学石油工程专业,现在中联煤层气国家工程研究中心钻井完井所从事煤层气钻完井技术研究与管理工作。地址:北京市海淀区环保科技示范园地锦路7号院1号楼,邮编:100095。电话:18791328408,电子邮箱:[email protected]

(中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司 北京 100095)

摘要:我国大多数煤储层具有“低孔”、“低渗”、“低压”的特性。这种“三低”特性是导致我国的煤层气井“低产”且“不稳定”的主要因素之一。水平连通井能最大程度穿越煤层割理裂隙系统、沟通煤层裂隙通道以提高渗透率;扩大煤层降压范围、降低煤层水排出时的摩阻、从而大幅度提高单井产量和采收率,以达到产能最大化的目的。文章从三交地区的地质情况出发,分析了洞穴完井的工艺条件及在该区块实施水平连通井的可行性;阐述了施工水平连通井所采用的井身结构设计、造穴技术、水平连通等关键技术;介绍了在该区实施水平连通井的具体情况以及实施过程中复杂情况的应对措施;提出了一套钻井液优化设计与维护措施;并对今后在该区实施水平连通井提出了建议。水平连通井技术的应用,不仅可以保护煤层原生结构及煤储层,而且能为之后的分级压裂作充分准备,具有重要的经济意义。

关键词:煤层气 水平连通井 三交地区 造穴技术 井眼轨迹

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

煤层气水平井与常规油气水平井最大不同之处在于一般不单独施工水平井,而是与预先钻好的直井相连通。水平井产气,直井排采。采用水平井开采煤层气可有效增加供给范围,增大导流能力,从而提高单井产量。连通水平井技术最早用于救援井施工,当一口井发生井喷或失火时,在距该井一定距离处,钻一口井与其连通,通过注入高密度钻井液压井或采取其他措施来处理井下事故。但其特殊工艺也给施工水平井增加了技术难度。目前国外在煤层中钻水平连通井的技术已日臻完善,但国内相关工作起步较晚,许多理论与关键技术仍有待进一步提高。

1 概述

三交地区地处鄂尔多斯盆地东部边缘。该地区从构造上讲呈南北条带状展布,属于吕梁山复背斜西翼的一部分;总体构造形态表现为西倾的单斜构造,构造较为简单。总体而言,构造特点对煤层气的生成和赋存条件是有利的。

三交地区各类岩层均有局部出露,第四系广泛遍布于山梁和沟谷中。据钻探揭露地层由老至新依次为:奥陶系中统马家沟组、峰峰组;石炭系上统本溪组;二叠系下统太原组、山西组、下石盒子组,上石盒子组、石千峰组;三叠系下统刘家沟组、和尚沟组、中统二马营组;以及新生界第三系上新统保德组、第四系中更新统离石组、上更新统马兰组和全新统。

从分布于全区的煤层气及煤炭钻井资料来看,主力煤层广泛发育且分布稳定。根据区内煤炭钻孔及煤层气钻孔资料统计数据:主要目的煤层为4+5号、8+9号煤层。从平面分布上看,4/5号煤整体西厚东薄,厚度2.5~10.1m;埋深在300~550m。8/9号煤层分布稳定、厚度较大,埋深一般在300~850m。据取自区内多口探井中的两百余个样品测试表明:4/5号煤层吨煤含气量一般为6~12m³,最大达18m³,平均为8.48m³;8/9号煤层吨煤含气量一般为10~16m³,最大达23m³。

2 实施“U”型水平连通井的优点与难点

与直井相比,“U”型水平连通井能扩大煤层气供给范围,提高导流能力,增大解吸波及面积,因而可大幅提高单井产量。对两连通井眼循环洗井,可有效解除井眼可能发生的堵塞;同时水平段沿储层下倾方向钻进利于控制井眼轨迹^[1]。

但该区块部分井所钻遇的第四系地层为流砂层;太原组易水侵、易漏失;局部煤层为块状碎裂煤、裂缝较发育、且含有1~2层较薄碳质泥岩夹矸。上述特点导致在该区块施工连通水平井存在如下难题:

(1)井眼轨迹控制方面。水平连通井井浅、造斜率高、造斜井段轨迹控制精度要求高。这对造斜及两井水平连通的工具和仪器精度将提出更高要求。

(2)井眼稳定方面。由于煤层本身胶结疏松、质脆,存在着互相垂直的天然裂缝;加之进入煤层段钻进时采用清水或低固相钻井液对煤层抑制能力差,因此常会引起煤层坍塌、卡钻甚至井眼报废等复杂情况的发生。

(3)储层保护方面。一方面由于煤储层自身的特性(如吸附能力、应力敏感性、速敏性、水敏性等)决定了煤层易受损害。二是由于煤储层的压力低,钻井液中的固相颗粒在液柱压差作用下易于进入煤层孔隙和裂缝,造成煤层损害。

3 关键技术研究

3.1 井身结构设计技术

三交地区的直井采用常规井身结构。但与常规油气井井身结构设计所不同的是“U”型水平连通井需考虑直井与水平井的连通、后期的排水采气、煤层段井壁稳定及水平井煤层井段下套管固井等因素:

(1)在连通井井段造洞穴,须在井底留足口袋。以不揭开下部含水层的原则下应考虑增大口袋留深。

(2)着眼于排采考虑,煤层上部出水量大的层位必须用套管封堵。

(3)需将井壁稳定性及仪器设备的配套性纳入水平井段井眼大小的考虑范围中,通常优先考虑小尺寸井眼。

结合上述因素,研究确定三交区块水平连通井的井身采用三级结构:水平段采用φ120.65mm井眼。具体结构为:φ311.1mm井眼×φ244.5mm表层套管+φ215.9mm井眼×φ139.7mm技术套管+φ120.65mm水平井眼。

3.2 井眼轨迹设计与控制技术

1.井眼轨迹设计

根据煤层气水平井的特点,井眼轨迹设计要着重考虑以下两方面因素^[2]:

(1)井眼轨迹控制。由于煤层气井埋藏较浅,两井连通前可供控制的井段较短,因此,设计的井眼轨迹应有利于控制,保证两井准确连通。

(2)水平井段加压。煤层气水平段钻柱提供的钻压有限,特别是在水平井段滑动钻进时加压更加困难。所设计的水平井井眼轨道应采用“直—增—稳—增—水平”五段制轨道。尽可能保证设计出的井眼轨迹光滑,最大限度减少摩阻。

2.井眼轨迹控制

(1)直井段。控制井斜,为下部井段施工创造条件。可选塔式钻具组合。

(2)造斜段。确保工具的造斜率达到设计要求,保证井眼轨迹在煤层中准确着陆。采用“导向马达+MWD”的常用定向钻具组合。

(3)水平段。重点确保井眼轨迹在目的层的穿透率。可采用“单弯螺杆钻具+LWD”的地质导向钻具组合。

(4)连通段。一是保证在连通仪器探测距离范围之外的井段方位偏差不大;二是要准确判断距直井20m以内的井底方位。

3.3 钻井液体系设计

针对三交地区地层的特点,优选出相适应的钻井液体系方案如下:

(1)一开设计为低固相坂土钻井液。性能以防垮、防漏为主。

(2)二开直井段钻进:根据钻井设计预测的井下地层复杂情况,采用聚合物钻井液。视井下情况,加入一定量的膨润土控制滤失,用CMC辅助增粘、降失水,用腐殖酸钾防止泥岩因水化膨胀而产生坍塌和掉块。

(3)二开定向段钻进:采用低固相聚合物钻井液,钻井液的附加系数0.05~0.10g/cm³,尽可能取小值,钻井液密度控制在1.10g/cm³左右,以保护目的煤层。

(4)三开前配钻井液体系:清水+生物聚合物钻井液。在水平井段用清水钻进中岩屑若不能完全有效清除,会在井筒内形成岩屑床而造成泵压升高、摩阻增大,严重影响井下安全和施工进度。钻进中不定时泵入高粘XG(生物聚合物)溶液,提高钻井液悬浮携砂能力以解决岩屑堆积形成的岩屑床问题^[3]。

4 煤层造穴及两井连通工艺技术

4.1 造穴工艺应具备的条件

(1)较好的储层条件。要求含气量最好大于10m³/t,渗透率相对较高。

(2)较好的围岩特征。煤层顶、底板封闭性好、机械强度高、不能有断层或漏失层段。

(3)煤层厚度较大,主要为块煤,无夹矸。

(4)井壁稳定,区域地层相对稳定。

4.2 造穴工艺技术原理

在实际应用中煤层造穴工艺主要具有如下特征^[4]:

(1)实际洞穴有效直径。实际洞穴的有效直径工程上通过返出的煤、岩屑的体积计算得出。实际上有效井径形状不规则、表面参差不齐的特点也增大了煤层的裸露面积。

(2)在井筒周围形成一定范围的破碎带。使洞穴以外的煤层在造穴后发生张性和剪切破裂,形成更大范围的破碎带。它们能沟通处于煤层内封闭或半封闭状态下的原始微裂缝,提高煤层渗透率。

(3)保护煤层原生结构。采用空气加清水通过瞬间释放压力的方法造穴,可有效保护煤层原生结构,避免常规泥浆钻井、固井、压裂等对煤层的破坏。

将图1所示的切削玻璃钢套管用的割刀装在图2造穴钻头的孔内,安装好后进行调试。调试完成后下入钻头到玻璃钢套管顶端,下入钻头的整个过程中刮刀始终处于造穴钻头孔内;在钻井液冲击下刮刀自动张开,在方钻杆的带动下,钻头在玻璃钢套管内作圆周运动,完成对玻璃钢套管的切削。完成对玻璃钢套管切削后就可以对裸露的煤层进行扩孔,该过程与上述对玻璃钢套管的切削过程大致相同。将图3所示的扩孔刮刀置于图4所示的扩孔钻头内,在钻杆的带动下即可对煤层扩孔。扩孔刮刀长度一般约为25~30cm,因而用它所完成的煤层洞穴直径一般在50~60cm左右。

4.3 两井连通技术

两井连通采用近钻头电磁测距法(RMRS技术)。钻具组合为:钻头+永磁短节+马达+无磁钻铤+随钻测斜仪+钻杆^[5]。采气的直井先于水平井施工,并在煤层段造穴,以便水平井眼顺利穿过。但由于直井轨迹的漂移、裸眼洞穴直径的限制及受造斜段随钻监测精度的影响,两井连通是一个较大的难题。因此,在两井连通前必须做到以下两点:(1)对直井进行多点测量或陀螺测量,确切搞清裸眼洞穴点的坐标和井深位置;(2)在裸眼洞穴以下井段打水泥塞,将裸眼洞穴下部井眼封住,再进行连通工作。这样钻头通过裸眼洞穴时就不会因重力而进入下部井眼,可以避免发生复杂情况^[6]。

图1 切削玻璃钢套管用的割刀

图2 造穴钻头

图3 用于扩孔的刀片

图4 扩孔用的钻头

图5 两井连通示意图

连通过程中,在直井中下入探管,钻头处连接一个永磁短节。根据采集的测点数据判断出当前的井眼位置,预测钻头处方位的变化;通过调整工具面,及时纠正井眼方向至洞穴中心位置^[7]。接近洞穴时,运用专用轨迹计算软件准确判断水平井与洞穴中心的距离,实时、连续监测钻头位置,确保连通的成功率,如图5所示。

5 井壁稳定控制技术

井壁稳定技术是煤层气井钻水平井段急需解决的关键问题之一,它是两井能否实现顺利连通的前提^[8]。它包括:

(1)尽量采用结构简单的钻具组合以减小煤层井壁碰撞和起下钻时挂拉;

(2)造斜点以下地层和煤层段全部采用井下动力钻具。钻柱不旋转,相对而言工作较平稳,有利于保持煤层井壁稳定;

(3)尽量缩短煤层水平段钻井时间,减少钻井液对煤层的浸泡时间;

(4)尽可能使井眼轨迹位于相对稳定的块状煤体中。

实际工作中主要从优化井身结构设计、合理控制钻井液密度和稳定井眼的工程技术措施来实现^[9]。

(1)优化井身结构设计。重点考虑井下安全,兼顾避免对煤储层造成伤害。

(2)合理控制钻井液体系。钻井液密度过低,会引起煤岩构造应力释放,使煤层沿节理或裂缝断裂、坍塌。钻井液密度过高,在压差作用下钻井液进入煤层会撑开煤层裂隙结构,使煤层中侵入固相颗粒^[10]。根据三交地区煤层气钻井实践,以清水为介质配合欠平衡技术钻进水平段煤层。为提高井底的净化效果、增强携岩性和防塌性能,可根据返屑情况加入羧甲基纤维素CMC。

6 现场应用

2009年中石油在三交地区施工了一口水平连通井。该井于2009年7月11日开钻,10月7日完钻,历时89天。采用了煤层造洞穴、注气欠平衡钻井、两井连通、随钻地质导向等先进技术。

6.1 井身结构

如图6所示。

6.2 钻具组合

1.一开钻进

φ311.1mm³A钻头*0.30m+630×4A10接头*0.46m+φ159mmDC*46.92m+4A11×410接头*0.43m+方钻杆。

2.二开直井钻进

φ215.9mm³A钻头*0.25m+430×4A10×*0.30m+φ159mmDC*81.68m+4A11×410*0.38m+φ127mmDP*213.86m+方钻杆。

3.二开定向钻进

215.9mm³A钻头*0.25m+φ172mm螺杆*7.60m+φ165mm短无磁*1.60m+φ165mm定向接头*1.43m+φ159mm无磁钻铤*9.11m+φ127mm无磁承压*9.05m+φ127mmDP*482.49m+方钻杆。

4.连通

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

6.3 钻井液体系及维护

根据该井钻井设计的井身结构、施工进度安排,结合钻井的目的,一开、二开钻进中着力对钻井液做好以下几方面的准备及维护(如表1)^[11]:

图6 井身结构示意图

表1 三交地区某井一、二开钻井液性能表

(1)一开用坂土浆钻井液施工,CMC增粘、降失水。粘度30~37MPa·s。

(2)二开钻完水泥塞后,置换被污染的钻井液,用水基膨润土钻井液开钻施工,钻井液用CMC辅助提粘、降失水,用NPAN降粘控制流变性。

(3)正常钻进,可视井下情况,加入一定量的膨润土形成致密滤饼控制失水;在定向段钻进时,用高密度低固相钻井液,尽可能实现近平衡钻井;控制钻井液上返流速;用CMC维持粘度,NaOH控制滤失、调整流变性,防止泥岩地层水化分散而造成钻井井壁坍塌、缩径。

(4)为尽可能减小对煤层的损害,要严格控制钻井液密度、滤失量,少加高分子处理剂。

6.4 应用效果

该井一开钻至49.83m,下入Φ244.5m表层套管。二开钻至518m完钻。煤层段为448.38~453.73m,于井段445.87~454.10m下入8.23m长的玻璃钢套管,于449~453m使用直径为600mm的割刀对煤层段造穴4.00m。该井的水平井一开井深58.38m,二开钻至521m,技术套管下深519.47m。水平井距直井洞穴水平位移198.33m。两井连通垂深451.14m。全井施工顺利,井下安全无事故,为后期排采提供了良好的井眼。

根据该井直井排采数据显示:该井自2010年2月9日至2010年4月20日连续69天稳产在1万方以上,最高日产气量超过1.5万方,排采效果良好。

7 结论与建议

(1)随着能源需求的日益增长和煤层气工业的发展,水平连通井将成为煤层气开采的重要手段之一。但针对不同地区不同储层的适应性问题尚需进一步论证。

(2)优化井身剖面可以降低井眼轨迹控制的难度;着陆控制和水平控制是水平井井眼轨迹控制的关键技术;而工具造斜率的确定、闭合方位控制、矢量进靶、动态监控等则是水平井井眼轨迹控制的重要手段。

(3)轨迹控制和优化钻井液体系是成功实施水平连通井的关键。随钻地质导向、两井连通技术及针对钻遇地层和相应井段特点优选出的钻井液体系为三交地区“U”型水平连通井的实施奠定了基础。而电磁波无线随钻测量系统、低转速高扭矩马达、强磁导向系统等先进工具仪器则为三交地区“U”型水平连通井的实施提供了保障。

(4)水平段采用清水或低固相钻井液钻进能起到良好的储层保护效果,但不利于井眼稳定。建议今后在该区块尝试采用空气、泡沫等进行欠平衡钻井,在提高钻井速度的同时达到储层保护的目的。

(5)三交地区的“U”型水平连通井普遍采用裸眼完井,后期排采表明部分井眼存在堵塞现象。建议今后在该区块实施水平连通井时下入PVC连续筛管完井。

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