煤层气洞穴-筛管完井工艺

李宏欣 张学峰

(1.河南省煤层气开发利用有限公司,河南 450016;2.河南豫中地质勘察工程公司,河南 450053)

为了改变煤层透气性差设计采用洞穴-筛管完井这一技术,目的在于有效扩大煤储层暴露面积或渗流面积,最大限度降低钻井液和固井水泥浆对煤储层的伤害,保持煤储层和井筒之间最佳的连通条件,煤层气流达到井口的阻力最小。采用该技术和常规的施工方法及工作内容一样,完钻后在煤层段利用造穴工具对煤层段造洞穴,施工工艺简单,操作方便,施工时间短、成本低。

1 研究区地质及煤层气开采状况

1.1 地质

井田地层自下而上为寒武系上统崮山组;石炭系上统本溪组、太原组;二叠系下统山西组、下石盒子组,上统上石盒子组、石千峰组;三叠系下统刘家沟组及第四系,总厚约1400m。其中石炭系上统太原组-二叠系上统上石盒子组为含煤地层,二叠系的山西组为主要的含煤地层,含主要可采煤层二1煤。因此,该井田的开采煤层和本次研究的目的层为二1煤层。

1.2 煤层气的储存和开采情况

井田内二1煤顶板以泥岩、砂质泥岩为主,其厚度一般为2.00～15.00m,厚-巨厚层状,致密,岩石完整,裂隙不发育,该井田参数井煤层顶板岩石取样测试渗透率为0.03～0.038×10-3μm2;证明二1煤层顶板渗透性差,隔水性好,是一层很好的气盖层。

煤层底板一般为厚0.5～2m的泥岩或炭质泥岩,其下岩性多为砂质泥岩,厚5～10m,井田参数井煤层底板岩石取样测试渗透率为0.045×10-3μm2;证明二1煤层底板渗透性差,隔水性好。

井田内二1煤层的顶、底板在整个岩性组合上基本相同,即均覆盖着一套气密性较好、厚度较大的泥岩、砂质泥岩,二1煤层吸附能力强,使煤层气大部分被圈闭在煤层中以原地吸附的形式保存,有利于形成原生煤层气藏。

煤层上覆有效地层厚度控制着煤层含气性,本区二1煤层埋深一般650～1000m,上覆有效地层厚度一般为600～950m,煤层气逸散的气量较少,煤层气含量高。

(1)煤层气含量

地质勘探时期钻孔瓦斯含量：二1煤层所测瓦斯含量变化范围为3.15～15.52m3/t·r,属于高瓦斯含量区;同一煤层在南北倾向上瓦斯变化不甚明显;沿走向从西向东瓦斯含量逐渐增高,变化规律明显。

已揭露的工作面瓦斯涌出情况：回采期间瓦斯绝对涌出量4.193～15.823m3/min,掘进工作面在0.82～5.62m3/min,相对瓦斯涌出量在11.483～17.189m3/t。二1煤层为突出煤层,矿井为煤与瓦斯突出矿井。

本次所布设的地面参数为生产试验井所测的4个吸附样,样品的空气干燥基煤层含气量为5.86～12.31cm3/g,平均8.21cm3/g。

(2)井下工作面本层钻孔瓦斯抽采量

己2采区综采工作面瓦斯抽采量为0～8.15m3/min,己2采区掘进面瓦斯抽采量为3.32m3/min。由于煤层透气性系数较低,井下钻孔瓦斯抽采率较低。

(3)矿井瓦斯抽采量

矿井瓦斯抽采量包括综采工作面、综掘工作面、预抽工作面、采空区、老空区等地点瓦斯抽采量。经计算矿井瓦斯抽采量为42.51m3/min。瓦斯抽采系统服务年限与矿井生产服务年限相同。

2 煤层气洞穴-筛管完井工艺的原理与钻孔设计

2.1 原理

洞穴完井是单一厚煤层重要的煤层气增产完井技术之一。增产机理在于对煤储层周期性的压力激动,导致煤层内微裂隙和割理受到波动压力作用而产生纵横向的扩张和扩展。施工采用喷射式造穴器进行水力冲洗、扩眼、激励、破碎、清洗等组合技术,在煤层段营造一个合适规模的洞穴,用来释放煤层部分地应力,同时使煤层段的应力场分布均一化;然后对裸眼洞穴煤层实施水力加砂压裂,压裂液选用活性水,支撑剂选用粗石英砂,压裂结束后,控制压裂液排放速度,防止洞穴过度坍塌,然后再采用水力冲洗、破碎、清洗等技术,对裸眼洞穴进行有效清理。洞穴清理完毕后,在裸眼洞穴段下入预制好的钻孔筛管,筛管下部支撑于井底,上部进入生产套管内5m左右。

这一技术可以有效扩大煤储层暴露面积或渗流面积,最大限度降低钻井液和固井水泥浆对煤储层的伤害。最近,在平顶山十三矿成功地完成了一组洞穴-筛管煤层气生产实验井。洞穴完井工艺技术概括为：钻头钻至煤层顶界上3m时停止钻进,进行裸眼地球物理测井,下技术套管,注水泥固井候凝后,再从技术套管中下入小一级的钻头钻穿煤层至底板下10m完钻。在完成该段裸眼测井和前一阶段的固井测井后,下入喷射式造穴器对煤层段造穴,洞穴直径达到1.2m时停止造穴。对裸眼洞穴煤层实施水力加砂压裂后,再下入钻具对裸眼洞穴进行有效彻底清理,最后在裸眼煤层段及以下井段安装悬挂式割缝筛管,并密封衬管和套管之间的环形空间。煤层气可以流过筛管割缝进入井筒。割缝衬管完井它既有裸眼完井的作用,又防止裸眼井壁坍塌堵塞井筒,同时在一定程度上起到防砂的作用。施工工艺简单,成本较低。

割缝衬管钻完井方法比常规套管完井钻井方法具有的优点在于：

(1)在煤层段使用近平衡或欠平衡钻进能有效降低钻进过程中钻井液对煤储层的浸泡侵害;常规套管完井在下套管固井作业时水泥浆加深对煤储层的污染,同时在坍塌的煤层段形成一个厚大水泥石墩既增加射孔的难度,也造成井壁附近渗透率的降低;

(2)清水造洞穴作业时基本上消除钻进中可能发生的煤储层损伤;也避免了射孔、压裂等完井施工过程对储层不同程度的损伤;

(3)射孔完井由于射孔孔眼数目和位置有限,煤储层裸露面积少,会使煤层气流入井筒的阻力大;而洞穴筛管完井有效扩大煤储层暴露面积或渗流面积,煤层气流达到井口的阻力最小;

(4)减少套管和固井水泥的用量,减少射孔前后两次测井的工作量,也不再进行要求较高的射孔操作技术;

(5)工艺简单、操作方便、成本低。

2.2 钻孔设计及施工难点

2.2.1 井身结构设计

洞穴-筛管完井采用三开井身结构方案 (见图1),一开φ311.15钻穿第四系黄土层,进入稳定基岩不少于10m。下入表层套管：φ273.1×7.00mm螺旋管,封隔地表不稳定的松散易塌地层、水层、漏层,注1.85g/cm3的水泥浆密度返到地面。二开φ215.9mm钻头钻进至二1煤层顶板3m左右中途完钻下入177.8mm套管至二开井底,注1.85g/cm3的水泥浆密度返到地面。三开φ152mm钻头钻穿二1煤层至底板10m完钻,在煤层段造洞穴至洞穴直径达到1.2m,压裂洗井后,下入气层筛管φ139.75×7.72mm钢级为J55筛管,放置在裸眼煤层及以下井段。

2.2.2 钻具组合及钻井参数

0～50m 311.1mm钻头+158.8钻铤×8根+方钻杆;钻压 10～30K N,转速 43～110rpm,排量16L/S。

50～760m 215.9mm钻头+158.8钻铤×8根+88.9钻杆 +方钻杆;钻压30～80K N,转速43～110rpm,排量16L/S。

760～777m 152.4mm钻头+88.9钻铤×8根+88.9钻杆+方钻杆;钻压5～10K N,转速43rpm,排量16L/S。

763.05 ～766.87m喷射式扩孔造穴器 (550mm)+88.9钻杆+方钻杆;钻压0K N,转速43rpm,排量16L/S。

2.3 钻井液

山西组地层钻井液体系要求：清水、无粘土和少量粘土优质钻井液,钻井液地面循环系统中设置沉淀池、振动筛、除砂器等钻井液净化固控装置。用清水作钻井液,相对密度控制在1.03g/cm3以下。该区地层压力较低,做到煤层井段近平衡钻进,能有效地携带煤、岩屑;稳定和保护井壁,平衡地层压力,以保障钻进施工安全。

煤层造穴段钻井液体系：用清水作钻井液,密度保持控制在1.03g/cm3以下。

2.4 各次开钻及分井段施工重点要求

一开钻进：该井段地层主要以第四系表土层为主,含有卵砾石,钻进中要注意①防止井漏、垮塌、防卡。②要严格控制钻压,防止井斜,以保证井眼垂直下套管顺利。③准备足够的堵漏材料,以保证施工的正常进行。④确认进入比较稳定的基岩后方可起钻下套管。

二开、三开钻进：①做好钻头及钻进参数的优选工作,以提高钻进速度。②严格控制钻进参数,随钻电子多点：点/10m测量一次井斜,确保井斜控制在设计要求的范围内,以保证后续施工的正常进行。③起下钻作业时,要操作平稳,禁止猛提猛放,防止压力激动,破损井壁。

下套管技术要求：①起钻前做好下套管的准备,套管钢级和壁厚必须符合设计要求;计算套管下入深度,入井套管必须复核,下套管必须有下套管记录;②下套管前进行通井,确保井眼畅通;下套管作业时套管扭矩必须符合规范要求,保证套管不留余扣,套管串使用标准丝扣密封脂;③下套管过程中及时灌浆,防止套管在井下静止时间过长;④套管下到位后,先小排量顶通,待畅通后,再大排量充分循环。

固井主要技术措施：①固井作业前,要认真测量泥浆性能和井底温度,读取电测井径等,认真计算水泥浆等用量。②按设计要求加扶正器,保证套管居中。下套管到位后,套管内灌满钻井液,接水泥头及固井管线。③先小排量打通,确认返出正常后,按正常环空返速循环清洗井眼1周。④控制合理的注替速度,以减少环空压差,注水泥期间,必须有专人监控返出的钻井液中是否有水泥浆。

图1 井身结构图

造穴施工措施要求：①根据钻井现场实际情况,选择确定泥浆泵排量。②下入机械式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。③按照调整好的排量和转速,进行造穴施工作业。④观察到钻具扭矩显著降低,并持续一段时间,缓慢向下送钻,继续造穴施工,直到钻具下送距离达到设计的洞穴的高度。⑤停泵终止泥浆循环,缓慢转动钻具,并缓慢上提钻具,使机械式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。

3 施工工艺和主要施工技术措施

3.1 施工工艺

一开采用φ311.2mm牙轮钻头,钻进至二叠系上统石千峰组平顶山砂岩5～10m左右完钻;下入规格为φ273.1×7.00mm表层套管,套管口和地面平。固井水泥浆泛出地面,候凝48小时;二开下入φ215.9mm钻头、φ159mm钻铤、φ88.9mm钻杆,钻进至二1煤层顶板3m左右中途完钻。进行裸眼井中途地球物理测井 (包括标准测井、综合测井、井斜测量)等,用来划分地层岩性剖面。接着下入钢级为N80、规格为 φ177.8×8.05mm技术套管,套管口比地面高0.25m。固井水泥浆泛出地面关井候凝48小时。三开下入φ152mm钻头、φ88.9mm钻铤、φ88.9mm钻杆,钻进至二1煤层底板10m完钻。进行第二次测井主要确定二1煤层顶底板的准确位置 (包括埋深厚度、煤层厚度、煤层结构以及煤层底板的方位与煤层底板的水平位移)。接着进行固井质量检查测井,评价水泥环胶结情况等。下入造穴器对煤层段造洞穴,施工达到设计的要求后,大排量清洗井眼,将煤屑全面循环出地面,进行升波幅度测井来确定洞穴的形状和大小,压裂清洗净井眼后,在煤层段下入气层筛管 φ139.75×7.72mm后完井。安装井口装置,技术套管与表层套管之间采用环形钢板来固定,井口平正,用井口帽封盖。恢复井场至进场时原貌。

3.2 洞穴施工

造穴工具采用喷射式扩孔造穴器,造穴钻具采用φ89mm钻杆,其内径为φ63.5mm较小,钻井液流速快,扩孔造穴器受泵压作用时作用力作用在割刀上,使喷射器的合金割刀自然翘起,利用高强度水力能量切割造穴。钻具下井前先对造穴器割刀部位进行灵活完好检查,缓慢开动泥浆泵,当泵压达2.5MPa时造穴器割刀受力后自然翘起,泵压慢慢减小时造穴器割刀自然缓慢下落,至恢复原位。将钻具下至指定造穴位置-煤层顶板下0.5m处造洞穴起始井深处,记录方入的准确位置并把方钻杆向上相当于煤层厚度的位置表示出来,来保证造洞穴施工在煤层段。

在钻具下至指定造穴位置造穴施工前,人工转动转盘数周,没阻力后使钻机转速为Ⅰ档,排量有小到大至排量为14L/s,造穴时保证泵压不低于2.5MPa,钻井液相对密度为1.03g/cm3,粘度为16s,pH值为8。造穴过程时刻观察泥浆循环槽里返出物的变化情况,循环槽里有不断的煤油、煤屑小颗粒返出,表明造穴工具井下工作正常,继续保持该钻井参数。造穴施工中当观察到钻具扭矩显著降低,仍保持该钻井参数继续持续一段时间,当观察返出井口煤屑量少时,缓慢下放钻具每次下放0.10m,扭矩会不断增加到接近原值时,停止下放钻具保持该钻具下深位置,其他钻井参数不变,继续造穴钻进,直至钻具下深至煤层底板以上0.15m即煤层洞穴终止位置。接着在煤层洞穴段缓慢顺利上提下放钻具往返3次后缓慢上提0.5m钻具后关闭钻机钻盘、泥浆泵,泵压为零,停泵终止泥浆循环,使机械式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。最后用原钻具接φ152mm钻头下钻至井底,循环至井底无煤屑返出后起钻,造穴结束。

造穴结束后,把造穴过程中钻井液所返出的煤屑样全部捞出和钻遇煤层时堆在一起,煤油、煤屑量出其总重量,减去煤样中水的重量。根据干煤样的重量和煤的密度来推算煤层段洞穴容积,作为理想的圆柱状洞穴容积,有测井所知的煤层厚度来推算洞穴直径是否符合造穴设计要求。造穴合格,将孔内钻井液置换成清水,做最后的完井工作。

在煤层气开发施工过程中不断的摸索完井工艺,根据煤储层的特性本次主要阐述水力切割煤层产生裸眼洞穴的一种完井方法,总结出了一整套完井的施工工艺,采用以上施工措施不但缩短了施工工期也降低了施工成本。

4 施工效果评述

该区块施工的三口洞穴-筛管完井和常规套管完井相比是针对低渗低压储层的尝试。常规套管完井以原生结构煤和碎裂煤为主的地区,已有煤层气开发成功的经验,是现今广泛使用的完井方法。但该井田为突出煤层,以碎粒煤、靡棱煤为主,目前还没有可借鉴的技术和经验,本次洞穴-筛管完井方法是在本区的煤层气研究基础上采用的完井方法。该技术施工的井与普通工艺施工的井效果对比,需通过后期的试生产来评价完井的成功与否。

[1] 苏现波陈江峰等.煤层气地质学与勘探开发 [M].北京：科学出版社,2001.

[2] 沈琛主编.井下作业工程监督北京：石油工业出版社,2005.8.