煤層氣鉆井技術(shù)的應用研究

  近年來(lái),中國煤炭地質(zhì)總局在全國11座礦區部署施工了煤層氣參數井和生產(chǎn)試驗井25口,施工單位基本上摒棄了刮刀和硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的傳統工藝方法,采用了金剛石繩索取心鉆進(jìn)和牙輪鉆頭擴孔成井的綜合鉆探工藝方法進(jìn)行鉆探。儲層測試、固井及排采工作程序借用了常規天然氣井的有關(guān)技術(shù)。施工中我們獲得了一些經(jīng)驗,但煤層氣井勘探開(kāi)發(fā)中的鉆探工藝技術(shù)尚需完善。為了更好地與同行進(jìn)行探討,筆者結合平頂山、峰峰、鶴崗、屯留煤田煤層氣井施工實(shí)踐,談?wù)?a href="http://keyinmall.com/t/煤層氣.html" >煤層氣井的工程技術(shù)特點(diǎn)及其鉆探工程技術(shù)的應用情況。

 

  1?煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)特點(diǎn)

 

  我們有煤田地質(zhì)勘探技術(shù)做基礎,煤層氣勘探開(kāi)發(fā)具有起點(diǎn)高和成功率高等特點(diǎn),相對于天然氣氣田,煤層氣氣田較易勘探,容易找到其所在位置,且常存在較廣闊的面積。開(kāi)采煤層氣需要對儲層下入生產(chǎn)套管,同時(shí)進(jìn)行固井、射孔、壓裂改造并經(jīng)過(guò)排水降壓以后才能產(chǎn)氣。因此,煤層氣與煤田地質(zhì)鉆孔的顯著(zhù)區別在于開(kāi)孔、終孔孔徑大,一般的小口徑巖心回轉鉆機的提升、旋轉能力達不到,所以我們選用TK-3型鉆機和NBB-250/60型泥漿泵僅用于繩索取心鉆進(jìn);TSJ-1000型轉盤(pán)鉆機、TBW-850/50型泥漿泵應用于大口徑牙輪鉆頭排渣鉆進(jìn)與生產(chǎn)套管入井及固井工作。煤層氣井結構詳見(jiàn)圖1。

 

  根據不同礦區不同類(lèi)型鉆孔特點(diǎn),即巖層傾角、 巖性、孔深、孔壁情況,鉆頭類(lèi)型及磨損情況,鉆具條件,泥漿性能等及時(shí)調整鉆具結構和鉆進(jìn)技術(shù)參數。以?xún)?yōu)質(zhì)高效、安全低耗的工程工藝水平獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。各孔段鉆進(jìn)時(shí)的鉆具結構及技術(shù)參數見(jiàn)表1。

 

  實(shí)踐中,為了滿(mǎn)足高精度錘陀鉆進(jìn)的要求,??158175mm鉆鋌壁厚431655mm,質(zhì)量123191kg/m;??95mm鉆鋌壁厚12144mm,質(zhì)量25132kg/m;??73mm石油鉆桿壁厚9119mm,質(zhì)量15149kg/m。按照1000m孔深計算,鉆具總質(zhì)量26133t,其中鉆鋌質(zhì)量為12139t,最高的鉆頭軸壓為80kN,僅占鉆鋌質(zhì)量的57%,另外還有43%的鉆鋌懸重平衡鉆桿重力,使鉆具重心始終控制在中和點(diǎn)以下,有效地使鉆具保持在張直狀態(tài)中鉆進(jìn),避免了鉆孔的偏斜。

 

  212 泥漿技術(shù)

 

  以平頂山礦區1511井為例,各孔段所用的泥漿配方及性能如下。

 

  0～250m主要以表土卵石層和劉家溝組砂巖為主,膠結性差,巖石級別1～5級。采用CaO-NaK栲膠泥漿護壁防垮效果好,主要表現為性能穩 定,攜帶巖屑能力強,起下鉆時(shí)粘附性小等。泥漿配 方為(質(zhì)量比):土般土3%～6%,Ca(OH)2013%,NaK015%。性能為:粘度25s,密度1115～1118kg/L,失水量<15mL/(30min),泥皮厚度1mm,pH值10～1115。 250～700m主要由石千峰組平頂山砂巖及石 盒子組砂質(zhì)泥巖構成,塑性較強,裂隙發(fā)育較好,巖石級別4～9級。采用PHP-NaK-CPAN低固相雙聚泥漿護壁防漏性能好,主要表現為井下環(huán)空流動(dòng)阻力小,鉆具回轉平穩,鉆速高等。泥漿配方為(質(zhì)量比):NV-13%～5%,Na2CO3012%,CPAN2%,PHP-NaK015%。性能為:粘度20～23s,密度1105～1108kg/L,失水量<10mL/(30min),泥皮厚度015～1mm,pH值815～9。

 

  700～1200m主要以山西組砂巖、粉砂巖、太原 組灰巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、頁(yè)巖及煤層組成,研磨性中等,巖石級別3～7級。采用PHP-NaK-PAC141高分子低密度泥漿護壁防塌效果好,主要表現為流態(tài)穩定,升舉巖屑能力強,摩擦阻力小等。泥漿配方為(質(zhì)量比):NV-12%～4%,Na2CO3012%,PHP-NaK015%,PAC141013%。性能為:粘度18～22s,密度1102～1104kg/L,失水量6～8mL/(30min),泥皮厚度014～018mm,pH值7～8。 擴孔鉆進(jìn)采用防塌泥漿,有效地使牙輪鉆頭在井底能夠充分發(fā)揮水力效率,提高鉆頭的碎巖效率,對煤層傷害程度小等。

 

  213 大口徑擴孔成井技術(shù)

 

  采用擴孔刮洗孔壁的方法,對生產(chǎn)試采段進(jìn)行擴孔鉆進(jìn),每個(gè)單根擴完后必須進(jìn)行1～2次劃眼,以保證井壁規整光滑,劃眼時(shí)應適當降低鉆壓和轉速。擴進(jìn)150～200m時(shí)測斜一次,以便了解井斜情況,及時(shí)調整鉆具組合和技術(shù)參數。換漿工作在擴孔后期進(jìn)行,當擴孔至目的孔深前10～30m時(shí)調整泥漿性能逐漸由稠變稀,防止泥漿性能突變,導致粗顆粒沉淀或孔壁坍塌,并降低轉速和泵量,以防泥漿在孔內上返時(shí)產(chǎn)生串流現象,影響換漿效果,直至終孔再用清水循環(huán)2個(gè)周期。換漿用清水量可以根據煤層厚度、密度、頂底板巖性、煤巖組分、構造部位、水文地質(zhì)特征等條件進(jìn)行確定。

 

  即: q=KD2 H 式中:q———清水用量,m3 ;D———鉆孔直徑,m;H———孔深,m;K———導水系數018～1160(K值與巖溶裂隙溝通程度有關(guān),對于煤及泥巖類(lèi)水敏性巖層取018,砂巖、粉砂巖弱含水層段取112,灰巖類(lèi)主要水體系層段取116)。 按照上述公式計算儲備清水量,滿(mǎn)足了沖孔換漿的要求,避免了施工中的窩工與資源浪費現象的發(fā)生,并保證了換漿效果。

 

  214 套管入井及固井方法

 

  套管入井:套管入井是煤層氣井完井工程的關(guān)鍵之一。??

 

  215 19mm鉆頭擴到目的層位后,必須用一根10m左右長(cháng)的生產(chǎn)套管通井,通井鉆具至少要保留一根鉆鋌,防止套管遇阻粘附卡鉆、循環(huán)憋泵等異常情況的發(fā)生。通井用的鉆頭應去掉噴嘴,以便用較大的排量洗井,洗井循環(huán)周期應在2個(gè)周期以上。從通井循環(huán)結束后起鉆開(kāi)始,到套管下入至設計井深這段時(shí)間,應保證井下泥漿性能穩定,不產(chǎn)生井涌井漏。為了防止對煤層射孔,壓裂改造時(shí)產(chǎn)生負壓擠扁套管,套管的鋼級、扣型、壁厚及其抗擠、抗內壓、抗拉安全系數均要滿(mǎn)足設計與校核要求。原則上入井前要用通徑規查內徑,用螺旋規查絲扣,應有超聲波探傷報告和打壓試驗報告。入井時(shí)必須上緊不留余扣,在盡可能短的時(shí)間內將套管全部下入井內。

 

  因套管長(cháng)、質(zhì)量大,必須考慮設備的承載能力和井內安全,采取必要的安全措施,如水泥浮塞及相應規格(??21519mm×13917mm)和一定數量(1個(gè)/15m)的扶正器。 固井:生產(chǎn)套管入井后開(kāi)小泵量循環(huán),正常后逐漸加大到正常鉆進(jìn)時(shí)的排量,循環(huán)2個(gè)周期后,注入 前置液4m3 ,再注入密度為115～116kg/L、水灰比為015～016的優(yōu)質(zhì)水泥漿進(jìn)行固井。水泥漿現場(chǎng)配方試驗必須按APL規范要求進(jìn)行,水泥漿的返高面應保證在上部第一個(gè)煤層頂板以上200m,不允許超過(guò)250m。對于裂隙節理發(fā)育地層,應根據固井操作規程先堵漏后固井的原則,即一旦發(fā)現漏失時(shí)應及時(shí)用密度為115kg/L、水灰比為0145的優(yōu)質(zhì)水泥漿進(jìn)行護壁堵漏,直至堵住漏失為止。如遇嚴重漏失的層段可采取間斷性注漿的方法來(lái)提高堵漏效果,加強圍巖的抗壓強度,確保固井質(zhì)量。

 

  在固井作業(yè)中,排量應控制在800～1000L/min之間,確保上返速度<47m/min,以最大限度減小環(huán)空流動(dòng)阻力,避免脆弱地層造成局部被壓裂漏失,導致氣井壓裂改造失敗。

 

  215 儲層測試

 

  裸眼測試:先用清水頂替完井液,清洗井壁后立即充氣膨脹膠套進(jìn)行測試。

 

  油管入井前要在比較大 的范圍內選擇封隔器座封位置,并要求在巖層完整、井壁光滑、鉆孔圓度好的位置座封。所測試層段較大,除煤層外,還含部分煤層頂底板段、煤層夾矸段。在這些超過(guò)煤層厚度的巖層中,存在發(fā)育程度不同的裂隙,使所測的煤層參數準確性受到影響。此外,在復雜地層層段有坍塌掉塊的異常情況,易發(fā)生翻孔埋鉆事故,容易傷害電子壓力計,座封膠套在煤層頂板裂隙發(fā)育,或在地層內應力大、井的橢圓度較大時(shí)易造成座封失敗。

 

  套管內測試:套管內測試是在固井后期進(jìn)行的,能夠準確地針對煤層射孔,注水壓裂測試,由于套管內壁光滑,管內都是清水,座封安全可靠啟封便利。實(shí)測數據表明:泥漿中的固相粒子對低滲透地層部分喉道侵入深度10mm左右,泥漿濾液的滲透半徑300mm左右;目前,射孔深度?10mm,壓裂裂縫長(cháng)度>30m。因此,對于低滲透煤層,壓裂措施可有效地克服沖洗液對煤層的傷害,并消除煤層頂底板夾矸的干擾,所以,在套管內射孔試井可準確地測試儲層參數。

 

  3 應用效果與建議

 

  在煤層氣井鉆探施工中,不同礦區不同類(lèi)型的鉆孔,綜合應用多種鉆探工藝方法,取得了滿(mǎn)意的工程工藝效果(見(jiàn)表2)。

 

  實(shí)踐證明,綜合鉆探工藝技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)高效、安全低耗、性能價(jià)格比優(yōu)越等特點(diǎn)。

 

  采用高精度錘陀式結構鉆具鉆進(jìn),使鉆具下端產(chǎn)生錘陀效應,整體鉆具產(chǎn)生張力,可降低孔斜的機會(huì ),一般鉆孔孔斜率可控制在0120%～0125%。 PHP-NaK-PAC141高分子低密度泥漿中存 在著(zhù)數量足夠多的能在儲層裂縫上起到屏蔽作用的粒子,這些粒子在液柱壓力作用下,濾餅形成速度快,強度和致密性好,在較短時(shí)間內能夠阻止有害固相和濾液的侵入,有利于對儲層及軟弱地層的保護。配合巖屑,鉆時(shí)、沖洗液及氣測井與物探測井方法,可減少鉆井經(jīng)費,取得相對多的地質(zhì)信息。采取 在套管內進(jìn)行儲層測試措施,井內安全,數據可靠。

 

  為了保護儲層,也為了井內安全,進(jìn)入煤層時(shí)牙輪鉆頭采用大噴嘴或不帶噴嘴,或者采用帶中心噴嘴的牙輪鉆頭和PDC鉆頭等,既可以減少射流沖擊力的直接作用范圍,又可以確保井內循環(huán)暢通。進(jìn)一步開(kāi)拓鉆探工程的高技術(shù)領(lǐng)域,擺脫室內試驗消除誤差的傳統工作方法,發(fā)展計算機鉆進(jìn)控制技術(shù),依靠電腦實(shí)時(shí)采集鉆進(jìn)工程數據,經(jīng)計算機優(yōu)選優(yōu)配,進(jìn)行程序控制,實(shí)現優(yōu)化鉆探,達到最合理的高鉆速,最好的工程質(zhì)量,最低的成本,即達到最佳的經(jīng)濟效益,加速我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的形成。