煤层气水平连通井钻井技术

王彦祺

(华东石油局工程技术设计研究院,江苏 210031)

煤层气水平连通井钻井技术

王彦祺

(华东石油局工程技术设计研究院,江苏 210031)

采用水平井技术开采煤层气具有增加有效供给范围、提高导流能力、提高单井产量和采出程度等优点。中石化华东分公司在沁水盆地和顺区块实施的第一个由和1井、和平1井组成的水平连通井组,通过采用带聚焦伽玛的电磁波随钻测量系统(EM-MWD)、低转速高扭矩马达、强磁导向系统(RMRS)等先进工具仪器和随钻地质导向、两井远端连通、储层保护等先进技术,成功地实现了两井远端一次连通。本文介绍了该井组的设计与施工情况,并对今后在该地区实施水平连通井提出了建议。

沁水盆地 煤层气 水平井 设计 施工 连通技术

Abstract:The adoption of horizontal well technology in the CBMfield is of advantage to increase the effective scope of supply,enhance the conductivity,improve the production&oil recovery and so on.A horizontal connected well group is composed of the well He 1 and Heping 1 in the Heshun block Qinshui Basin drilled by SINOPEC East China branch.It has successfully achieved connection of the two remote wells by adopting the advanced tools such as electromagnetic waves MWD system with a focusing gamma(EM-MWD),motors with low speed and high torque and magnetic guidance system(RMRS).At the meanwhile the advanced technology has provided strong support such as the Geosteering drilling technology,the remote connectivity technology and the reservoir protection technology.This article describes its design and operation,and brings up some advices for the future operation of the horizontal connected well in the block.

Keywords:Qinshui basin;coalbed methane(CBM);horizontal well;design;operation;connectivity technology

为了进一步探索沁水盆地和顺区块采用水平井开采煤层气的效果,中石化华东分公司决定在该区块实施一口水平连通井。通过由和1井、和平1井组成的水平连通井组的设计与施工,初步形成在该地区实施煤层气水平连通井的设计与施工技术。

1 和1井概况

和1井位于山西省和顺县,属沁水盆地北部榆社-武乡构造带,是一口煤层气探井,同时作为和平1水平连通井组的排采井。该井2008年9月25日一开,2008年10月14日完钻,完钻井深560m,其井身结构为φ244.5mm表层套管 ×36.45m+φ177.8mm生产套管×550.47m,在目的层位石炭系太原组15#煤503.93～512.34m处下入玻璃钢套管1根,固井后对505.50～509.00m井段进行了扩孔,扩空直径为500mm。

2 和平1井设计

2.1 地质设计

和平1井是一口煤层气评价井,目的煤层为石炭系太原组15#煤。该井距排采井和1井717.55m,完钻垂深502.35m,靶区范围为20m×2m×498.53m区域。该井与和1井洞穴处成功连通后,再钻进10m完钻。

2.2 钻井设计

2.2.1 轨道设计

和平1井的特点是井浅、位垂比大。因此,在进行井眼轨道设计时,除要考虑常规水平井须考虑的因素外,还要重点考虑以下两个因素:

(1)井眼轨迹控制。由于煤层气井埋藏较浅,入窗前可供控制的井段较短,因此,设计的井眼轨道应有利于井眼轨迹控制,确保准确入窗。

(2)水平井段加压。由于煤层气水平井位垂比大,到水平段后钻柱能提供的钻压有限,使得水平井段施工加压困难,特别是滑动钻进时更加困难。因此,所设计的水平井井眼轨道应尽可能光滑,以最大限度减少摩阻。

和平1井设计选用了“直-增-稳-增-水平”五段制轨道,造斜率选用8°/30m,确保井眼的光滑,以利于水平段的施工。将着落点控制在入窗前20m的井段,以利于入窗前井眼轨迹的控制。

和平1井的井眼轨道设计参数如表1所示。

表1 和平1井轨道设计主要参数

2.2.2 井身结构设计

和平1井要求水平井段清水钻进、裸眼完井,因此,在井身结构设计方面重点考虑了以下因素:

(1)在水平段清水钻进时确保上部井段井壁稳定;

(2)从排水采气的角度考虑,套管必须将煤层上部出水量大的层位封堵;

(3)水平井段井眼的大小需考虑井壁的稳定性及工具仪器的配套;

(4)在确保安全的基础上,尽可能降低生产成本。

综合考虑上述因素,和平1井设计采用的井身结构为:φ311mm井眼×30m(下入φ244.5mm表层套管 ×29.50m)+φ215.9mm井眼 ×606m(下入φ177.8mm技术套管×604m)+φ152.4mm水平井眼(裸眼完井)。考虑到和顺地区15#煤层上部为粉煤层,极易垮塌,要求技术套管视实钻情况下至目的煤层夹矸位置处,以确保后续施工的井下安全。

2.2.3 钻井液设计

煤储层的吸附能力强、应力敏感性强、速敏性强以及水敏性、碱敏性强等的特点,决定了煤层容易受到伤害。煤层胶结疏松,施工水平井容易发生坍塌卡钻事故。

针对上述难点,和平1井组采用了以下设计方案:

(1)一开设计使用预水化膨润土钻井液,解决大井眼的携岩问题。

(2)二开设计使用成膜防塌钻井液体系,满足斜井段的携岩和煤层段的井眼稳定要求,为顺利下入技术套管提供良好条件。

(3)三开设计使用在清水中加入2%氯化钾的钻井液,要求固相含量低于2%,pH在8以下,以满足保护煤层的要求。为解决水平井的携岩问题,配制高粘CMC胶液定期清扫岩屑,要求钻井过程中观察岩屑返出情况,及时进行短起下钻或通井,破坏岩屑床,解决水平井的携岩问题。

3 现场施工工艺

3.1 井眼轨迹控制

3.1.1 一开井段

一开井段(0～36.77m)易井斜,采用塔式钻具组合:φ311.1mm钻头+φ177.8mm钻铤2根+φ127mm钻杆,钻压控制在20～40kN,轻压钻进。

3.1.2 二开直井段

二开直井段(36.77～249.62m)重点控制井斜。采用塔式钻具组合:φ215.9mm钻头+φ177.8mm钻铤1根+φ158.8mm无磁钻铤1根+φ158.8mm钻铤11根+φ127mm钻杆,钻压控制在60～100kN,井斜控制在了1°以内,为下部井段施工创造了良好条件。

3.1.3 造斜段

造斜段(249.62～610m)重点是确保工具的造斜率能够达到设计要求。使井眼轨迹能够准确地在煤层中顺利着陆。采用“导向马达+MWD”的常规导向钻具组合:φ215.9mm钻头+φ165mm单弯螺杆(1.5°)+MWD短节+φ165mm无磁钻铤+φ127mm钻杆,定向钻进至610m进入靶窗,井斜86.9°,垂深477.07m,水平位移248.62m。

3.1.4 水平段

水平段(610～978.5m)重点是确保井眼轨迹在目的层的穿透率。采用“单弯螺杆钻具+LWD”的地质导向钻具组合:φ152.4mm钻头+φ120mm单弯螺杆(1.25°)+φ120mmEM-MWD短节+φ120mm无磁钻铤+φ89mm钻杆,在参考区域资料、邻井的测试、生产情况、岩心分析等资料,结合本井的岩屑录井、钻时等相关数据的基础上,利用伽马测量仪确定煤层的位置及界面准确地钻入设计目的层并在其层位中有效地延伸。

3.1.5 连通段

连通段(978.5～1118m)重点是采用电磁测距法与排采准确对接。连通过程中首先在直井中下入探管,在钻头处连接一个永磁短节。永磁短节的探测距离是70m,所以一般在距离直井100米左右起钻下入。采用的钻井组合为:φ152.4mm钻头+φ120mmRMRS+φ120mm单 弯 螺 杆(1.25°)+φ120mmEM-MWD短节+φ120mm无磁钻铤+φ89mm钻杆。

远端连通有两个难点,第一是在连通仪器探测距离之外的井段方位的准确性,如果方位偏差很大,则很难一次连通。第二个难点是在距离直井20m以内,如果对井底方位判断出了问题,则钻头与洞穴很可能“擦肩而过”。和平1井在下入强磁连通仪器前方位控制较为理想,与设计轨道基本吻合,在距离直井75m处方位偏差是7.5°钻进至井深1082.50m时,钻压放空,泵压下降,发现井口无返浆,至5分钟后钻井液从和1井井口返出,确认连通成功。

3.2 钻井液维护技术

3.2.1 一开井段

一开配制40m3膨润土浆,充分水化24小时后,进行一开钻进;一开钻完后,打入100s高粘度钻井液彻底洗井,保证井眼洁净,确保下表套、固井作业顺利。

3.2.2 二开直井段

二开在一开膨润土浆的基础上,补充聚丙烯酰胺胶液,提高钻井液的抑制能力和包被能力,控制固相含量,钻井液性能控制在:密度1.05～1.10g/cm3,粘度30～50s;钻至3#煤层前,为保护煤层不被污染,逐步替换为清水,密度控制在1.01～1.02g/cm3,固相含量控制在1%以内。

3.2.3 二开斜井段

二开定向侧钻井段:原井浆的基础上,补充正电胶,提高钻井液的抑制、防塌能力,同时增加钻井液的携砂和悬浮能力;补充聚丙烯酰胺胶液,提高钻井液的抑制、包被能力,控制固相含量,钻井液性能维护在:密度1.05g/cm3,粘度44s,切力2/8Pa。二开钻完后,充分洗井,确保测井,下套管顺利。

3.2.4 水平井段

三开水平井段主要在煤层段钻进,将前开次使用的钻井液放掉,使用清水加2%氯化钾的钻井液钻进;每钻进3个单根加入50升高粘CMC胶液循环清扫钻屑;同时充分使用三级固控设备,清除钻井液中的固相,密度控制在1.01～1.02g/cm3,固相含量控制在1%以内,粘度33～28s,保障了水平段施工安全顺利。

4 实钻效果

和平1井于2009年1月1日开钻,2009年2月24日完井,完钻井深1118m,水平段长508m,水平位移720.90m,实现了两井远端一次连通成功。

图1 和平1井水平井段钻遇煤层示意图

(1)轨迹控制效果:煤层钻遇率达94.49%。钻遇煤层示意图如图1所示。

(2)储层保护效果:和1井经测试表皮系数为-2.33,和平1井经测试表皮系数为0.023,说明清水加2%氯化钾的钻井液对煤层有较好的保护效果。

5 结论与建议

(1)轨迹控制和钻井液技术是成功实施水平连通井的关键。随钻地质导向、两井远端连通技术及针对钻遇地层和施工井段特点优选的钻井液体系,为和平1井的实施奠定了技术基础。

(2)先进的工具仪器和工艺技术是成功实施水平连通井的保障。带方向伽玛的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的工具仪器,为和平1井的实施提供了保障。。

(3)水平段采用清水钻进,能起到较好的储层保护效果,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,一方面可以提高钻井速度,另一方面进一步提高对储层的保护效果。

(4)和平1井采用的是裸眼完井,后期的排采表明,井眼有堵塞现象。建议今后在该区块实施水平连通井应采用下入PVC连续筛管完井。

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CBM Horizontal Connected Drilling Technology

Wang Yanqi
(Engineering Design&Research Institute of East China Petroleum Bureau,Jiangsu 210031)

王彦祺,男,1989年毕业于中国地质大学钻探工程专业,中国石化集团华东石油局工程技术设计研究院副院长,高级工程师,主要从事钻井工艺技术研究工作。

(责任编辑 桑逢云)