煤层气井复合造穴技术研究及应用

蒋海涛 周俊然 董 颖 于怀彬 董赵朋

(中国石油集团渤海钻探工程技术研究院, 河北 062552)

1 概述

在煤层气井开采中, 为了使煤层与井眼最大限度的连通, 解除近井地带的污染, 增大井眼的有效半径, 通常采用裸眼洞穴技术, 对煤层实施造穴。裸眼洞穴技术, 就是在裸眼完井后, 人为地在裸眼段煤层部位, 通过工具扩眼方式或者负压方式, 形成一个稳定的煤层大洞穴; 同时消除可能已发生的煤层地层损害和在井眼周围形成很大面积含有大量张性裂缝的卸载区, 提高井眼周围割理裂缝的渗透性, 增大地层的导流能力, 使井眼与地层之间实现有效连通而达到增产的目的。渤海钻探工程院经过多年的技术研究和开发, 研究开发出了一套安全高效的射流附加机械方式的复合造穴技术, 通过多口井的造穴现场试验与应用, 形成了自主的系列射流造穴及机械造穴工具及配套复合造穴工艺, 取得多项技术突破, 为煤层气高效开采提供了技术保障。

2 造穴技术现状

目前, 在国内外煤层气开采中, 采用的造穴技术主要有三种： 负压造穴、水力射流造穴和机械工具造穴。负压造穴技术, 一般采用一部经过特殊改造的钻井或完井作业机穿透煤层, 通过配备的几台大功率的空压机和旋转头以及地面复式管路系统,将大量空气压人井内, 通过多次的快速蹩压和放喷, 造成剧烈的井内压力激动, 使煤层崩落形成洞穴。水力射流造穴技术是采用水力射流的原理, 通过在钻具下部连接特殊设计的水力喷射装置, 使循环钻井液在煤层产生水力射流冲割的作用, 形成一定的煤层洞穴。机械工具造穴技术一般是在原理上采用机械扩眼方式, 通过某种控制方式使造穴工具的刀杆张开, 并在钻具的带动下旋转, 切削煤层形成满足实际需要的洞穴。

从以上三种造穴技术的设备和工艺的复杂程度及其应用的效果来看, 负压造穴技术所需的工艺设备最为复杂, 技术要求高, 操作难度大, 危险性大, 在目前的国内技术条件下安全性难于保证。水力射流造穴技术工艺和设备较为简单, 但是, 根据目前水力射流的应用现状, 还没有可靠的计算方法可以确定这种射流到底能够造出多大直径的什么样的洞穴, 因此, 在现场应用中, 水力射流造穴技术造出的洞穴远远不能满足煤层气开采对洞穴的大小要求。机械工具造穴技术相对来说工艺和设备也比较简单, 而且对洞穴的大小能够随意控制, 从而满足不同煤层气开采的需要,但是,对于大直径造穴,由于工具及其刀杆尺寸小、强度低,造穴过程中容易变形,导致因刀杆变形而无法起出井眼的事故。

表1 三种造穴方式优缺点对比

3 复合造穴技术

通过对三种裸眼造穴技术的优缺点的分析, 并结合国内外相关的研究成果和技术发展方向, 考虑到施工操作安全因素, 制定形成了煤层气井裸眼复合造穴技术。煤层气井裸眼复合造穴技术是一种水力射流+机械式造穴技术综合应用形成的新型造穴技术。该技术工艺主要包括水力射流工具造穴、机械造穴工具造穴两个阶段, 施工中首先利用水力射流技术依靠高压水射流破坏煤层, 降低煤层胶结强度, 在松软煤层的同时形成不规则的洞穴, 然后利用机械造穴工具对造穴段煤层进行强制造穴作业,最终实现煤层洞穴。该复合造穴技术不仅解决了水力射流造穴难以满足扩眼尺寸要求, 而且解决了大直径机械造穴工具施工中极易发生工具变形的缺陷, 通过水力射流和机械式造穴技术的有效复合应用, 实现了煤层气井造穴施工工艺的安全可靠, 保证了洞穴尺寸, 并可根据需要控制洞穴大小, 降低煤层气井裸眼造穴作业风险, 提高煤层气井裸眼造穴效率, 满足煤层气钻井施工和高效开采的需要。

4 造穴工具

4．1 水力射流造穴工具

水力射流造穴技术是采用水力射流的原理, 通过在钻具下部连接特殊设计的水力喷射装置, 使循环钻井液在地层产生水力射流冲割的作用, 在井眼周围形成很大面积含有大量张性裂缝的卸载区, 降低煤层胶结强度, 在松软煤层的同时形成不规则的洞穴。

水力射流造穴工具结构如图1 所示, 主要由本体和喷嘴机构两大部分组成, 其中喷嘴机构部分是采用高压水射流的基本原理而设计的, 施工中用钻具把射流扩孔工具送入所需扩孔、造穴井段, 开泵循环, 液流在经过小喷嘴时产生较大的射向井壁的水柱, 破坏井壁形成洞穴。

图1 水力射流工具结构示意图

4．2 机械造穴工具

为了满足不同造穴直径的需要, 我们研制出了两种机械造穴工具, 一种是适用于1～2m 的超大直径机械造穴工具, 其结构如图2 所示; 另一种是适用于1m 以下的小直径机械造穴工具, 其结构如图3 所示。

图2 大直径机械造穴工具

大直径机械造穴工具主要有上接头、芯轴、本体、刀杆和连杆等组成, 其原理是利用水泥浆流过小孔产生的压差, 作用在工具芯轴的活塞上产生下推力, 通过连杆的传递作用, 使切刀在切削地层的同时逐步张开, 造出需要直径的洞穴, 并通过钻具上提工具造出具有一定直径和一定高度的洞穴, 达到有利于煤层气开采的洞穴。

小直径机械造穴工具主要有上接头、芯轴、本体、推头和刀杆等组成, 其原理也是利用水泥浆流过小孔产生的压差, 作用在工具芯轴的活塞上产生下推力, 通过推头的传递作用, 使刀杆在切削地层的同时逐步张开, 造出需要直径的洞穴, 然后, 下放钻具, 就像正常钻井一样, 在煤层钻出具有一定直径和一定高度的洞穴, 达到有利于煤层气开采的洞穴。本工具工作能完成低泵压、低排量条件先井眼造穴; 在井眼内起下容易; 打开和收回机构简单、安全可靠; 施工工艺简便。

图3 小直径机械造穴工具

5 复合造穴施工工艺

(1) 下入水力射流造穴工具, 对设定的需要造穴段进行水力射流作业, 完成射流造穴施工。

(2) 根据钻井现场实际情况, 选择确定机械造穴工具节流装置喷嘴的大小和泥浆泵排量。

(3) 配接下井钻具, 保证在最接近套管下端位置安装满眼扶正器, 并保证工具能够下到造穴段的底部。

(4) 下入机械造穴工具, 实施机械造穴作业。本步根据应用的大直径机械造穴工具和小直径机械造穴工具的不同, 复合造穴施工工艺有所不同。

①大直径机械造穴作业工艺

a. 下大直径造穴工具到设计洞穴的底部, 缓慢开泵建立循环, 并缓慢转动钻具, 要时刻观察钻具扭矩表值, 如发现扭矩陡增, 必须立即调整钻具转速或泥浆泵排量, 以防损坏造穴工具刀杆机构,造成井下事故。

b. 按照调整好的排量和转速, 进行造穴施工作业。

c. 观察到钻具扭矩显著降低, 并持续一段时间, 缓慢上提钻具, 扭矩增加到接近原值时, 停止上提钻具并保持该上提力, 继续造穴施工, 当再次观察到钻具扭矩显著下降时, 再次上提钻具, 使钻具扭矩接近原值, 如此反复操作, 直到钻具上提距离达到设计的洞穴的高度。

②小直径机械造穴作业工艺

a. 下小直径机械造穴工具到设计洞穴的顶部,缓慢开泵建立循环, 并缓慢转动, 要时刻观察钻具扭矩表值, 如发现扭矩陡增, 必须立即调整钻具转速或泥浆泵排量, 以防损坏造穴工具刀杆机构, 造成井下事故。

b. 至没有煤屑返出时, 下放钻具, 如能产生钻压, 则按照调整好的排量和转速, 控制钻压0．5～1t , 按照类似钻进作业, 实施造穴作业, 直至造至设计洞穴底部。

(5) 停泵终止泥浆循环, 缓慢转动钻具, 并缓慢上提钻具, 使造穴工具刀杆机构收回, 起出钻具和造穴工具, 造穴作业完成。

6 现场应用

渤海钻探工程院自进行煤层气造穴技术研究以来, 形成了复合造穴理论基础, 研制形成了系列造穴工具, 并自2009 年以来先后在F200V、郑平05- 1V、郑平3- 5V、郑试平7 等多次成功进行了造穴工具的现场应用, 标志着已基本掌握了煤层气井造穴技术。以下以郑平05 - 1V 井造穴现场试验为典型实例介绍应用情况。

(1) 郑平05- 1V 井概况

2010 年4 月24 日, 在山西沁水县盆地南部斜坡沁水煤层气田郑庄区块郑平05 - 1V 井试验了水力射流外附加机械工具复合造穴工艺, 取得应用的成功。

郑平05 - 1V 井钻穿3#煤层底界以下60m 完井, 深度约830m, 下入D177．8mm 生产套管固井,注水泥封固至420m。在煤层段套管柱下入一根玻璃钢套管, 便于后期造洞穴铣割套管, 要求玻璃钢套管上端面超出煤顶不少于2m, 下端面位于煤底以下10cm。洞穴直径不小于500mm。

(2) 施工过程

①配接导引钻头 (堵水眼)

②连接SL145 水力射流造穴工具井口试验钻具组合

③SL145 水力射流造穴工具井口试验

管串连接后, 下钻具组合至井口下15 米左右,缓慢转动钻具, 开泵建立循环并逐渐增大排量, 观察排量在25L/s 时, 泵压15MPa 不再上升, 可以判断SL145 水力射流工具产生射流, 此时停泵。

④下SL145 水力射流造穴工具钻具组合

⑤水力射流造穴工具SL145 造穴过程

钻具组合下至预定井段805m, 缓慢转动钻具,开泵并逐渐增大排量至25L/s, 此时观察泵压升至15MPa 后, 基本保持稳定。此时, 泥浆有煤屑返出, 可以判断水力射流造穴工具开始作业。保持25～28L/s 大排量循环并观察泵压表保持15 ～16MPa, 转速10～15 转/min; 20 分钟左右返出煤屑明显减少, 下放钻具0．2m, 缓慢转动钻具, 开泵建立循环并逐渐增大排量。重复上述动作, 下放钻具至设计洞穴顶部后, 水力射流造穴作业完成。

⑥换钻具

水力射流造穴作业完成后, 循环通井, 停泵,上提钻具, 卸下D152mm 钻头+D145mm 转换接头+D145mm 水力射流造穴工具, 安装ZXQ145- 1000机械造穴工具+D121mmDc ×1 根+D88．9mm 方钻杆。

⑦ZXQ145- 1000 机械造穴工具井口试验

为了保证机械造穴工具井底作业的可靠性, 在井口做ZXQ145 - 1000 机械造穴工具的刀杆张开和收缩试验。

⑧下ZXQ145- 1000 机械造穴工具钻具组合

⑨ZXQ145- 1000 机械造穴工具造穴过程

将钻具下到设计扩孔段底部, 保持钻具高度位置不动, 缓慢转动钻具, 开泵建立循环并逐步增加排量至20L/s。注意随时监测扭矩, 而后随扭矩变化调整降低排量至15～20L/s, 转速40 转/min, 控制扭矩在3KNm 以内。

当扭矩下降并保持稳定时, 停泵, 停转盘, 缓慢上提钻具0．1m, 转动转盘, 转速保持在40 转/min, 开泵并保持排量15 ～20L/s, 控制扭矩在3KNm 以内, 继续扩孔施工。每上提200mm, 重复上述操作, 直到钻具上提距离达到设计的洞穴的高度。

⑩起出钻具和造穴工具, 复合造穴成功。

(3) 应用效果

该井成功实施了SL145 水力射流+ ZXQ145 -1000 机械工具组成的复合造穴技术, 洞穴高度达到5 米, 造穴效率明显提高。

7 结论

(1) 复合造穴技术是一种有效的煤层气井裸眼洞穴造穴技术, 既能可靠地保证煤层气井对洞穴的规则性及尺寸要求, 又能够保证造穴施工的快速、安全。

(2) 从水力射流造穴工具以及机械造穴工具的现场使用可以看出, 所自主研发的造穴工具性能稳定可靠, 使用寿命长, 并可重复使用, 降低施工成本。

(3) 现场应用表明, 复合造穴技术具有造穴效率高、安全性高、现场操作简单等特点, 能够满足各类煤层气井造洞穴的要求, 为煤层气的高效开发奠定了技术基础。

[1] 郑毅．黄洪春．中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展方向．石油学报, 2002, 3 (23) ： 81～85．

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