和順區(qū)塊煤層氣遠(yuǎn)端連通水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

王彥祺

(華東石油局工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究院,江蘇 210031)

1 概述

和順區(qū)塊位于沁水盆地東緣北部,主要含煤層為古生界石碳系太原組和二疊系山西組,其中太原組15#煤變質(zhì)程度高,為煤層氣勘探的主要煤層。為了進(jìn)一步探索沁水盆地和順區(qū)塊采用水平井開(kāi)采煤層氣的效果,中石化華東分公司決定在該區(qū)塊實(shí)施一口遠(yuǎn)端連通水平井。

2 遠(yuǎn)端連通水平井的優(yōu)勢(shì)

水平井與排采直井的連通方式有兩種,一種是在進(jìn)入水平段時(shí)連通,稱(chēng)為近端連通;一種是在水平段的末段連通,稱(chēng)為遠(yuǎn)端連通。遠(yuǎn)端連通的水平井與直井和近端連通水平井相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)與直井相比,提高了導(dǎo)流能力,增加了解吸波及面積,擴(kuò)大了煤層氣供給范圍,從而大幅度提高單井產(chǎn)量。

(2)與近端連通水平井相比,可通過(guò)兩連通井眼循環(huán)洗井,解決井眼可能發(fā)生的堵塞,提高井眼的使用壽命。

(3)水平段沿儲(chǔ)層下傾方向鉆井,有利于軌跡控制。

3 和順區(qū)塊實(shí)施遠(yuǎn)端連通水平井的難點(diǎn)

和順區(qū)塊鉆遇地層的地質(zhì)特點(diǎn)為：(1)第四系砂為礫層和流砂層;(2)太原組灰?guī)r段易水侵、易漏失;(3)15#煤層頂板砂巖層為弱含水層;(4)15#煤層為塊狀碎裂煤,裂縫教發(fā)育,含有1～2層較薄碳質(zhì)泥巖夾矸。上述地質(zhì)特點(diǎn)導(dǎo)致了在該地區(qū)施工遠(yuǎn)端連通水平井存在以下難點(diǎn)：

(1)在井眼軌跡控制方面：一是由于和順區(qū)塊儲(chǔ)層埋深較淺,施工水平連通井特點(diǎn)是井淺,位垂比大,造斜率高,造斜井段軌跡控制精度要求高;二是由于是遠(yuǎn)端連通,控制井段較長(zhǎng),連通難度較大。

(2)在井眼穩(wěn)定方面：一是煤層井段要求清水鉆進(jìn),對(duì)煤層的抑制能力差;二是由于煤層膠結(jié)疏松,在水平井段鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生坍塌卡鉆。

(3)在儲(chǔ)層保護(hù)方面：一是由于煤儲(chǔ)層的吸附能力、應(yīng)力敏感性、速敏性、水敏性、堿敏性強(qiáng)等特點(diǎn),決定了煤層容易受到傷害。二是由于煤儲(chǔ)層的壓力低,鉆井液中的固相顆粒在液柱壓差作用下容易進(jìn)入煤層孔隙和裂縫,對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 井身結(jié)構(gòu)的確定及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

4.1.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素

在和順區(qū)塊進(jìn)行煤層氣水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下因素：

(1)在水平段清水鉆進(jìn)時(shí)確保上部井段井壁穩(wěn)定;

(2)從排水采氣的角度考慮,套管必須將煤層上部出水量大的層位封堵;

(3)考慮到和順地區(qū)15#煤層上部為粉煤層,極易垮塌,要求技術(shù)套管視實(shí)鉆情況下至目的煤層夾矸位置處,以確保后續(xù)施工的井下安全。

(4)水平井段井眼的大小需考慮井壁的穩(wěn)定性及工具儀器的配套;

(5)在確保安全的基礎(chǔ)上,盡可能降低生產(chǎn)成本。

4.1.2 和順區(qū)塊煤層氣水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮上述因素,研究確定和順區(qū)塊水平連通井的井身結(jié)構(gòu)采用三級(jí)結(jié)構(gòu),水平段采用φ152.4mm井眼。具體結(jié)構(gòu)為：φ311mm井眼 ×φ244.5mm表層套管 +φ215.9mm井眼 ×φ177.8mm技術(shù)套管+φ152.4mm水平井眼。

4.2 井眼軌道設(shè)計(jì)及軌跡控制技術(shù)

4.2.1 井眼軌道設(shè)計(jì)

井眼軌道設(shè)計(jì)除要考慮常規(guī)水平井須考慮的因素外,還要根據(jù)煤層氣水平井的特點(diǎn),重點(diǎn)考慮以下兩個(gè)因素：

(1)井眼軌跡控制。由于煤層氣井埋藏較淺,入窗前可供控制的井段較短,因此,設(shè)計(jì)的井眼軌道應(yīng)有利于井眼軌跡控制,確保準(zhǔn)確入窗。

(2)水平井段加壓。由于煤層氣水平井位垂比大,到水平段后鉆柱能提供的鉆壓有限,使得水平井段施工加壓困難,特別是滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)更加困難。因此,所設(shè)計(jì)的水平井井眼軌道應(yīng)盡可能光滑,以最大限度減少摩阻。

綜合上述因素,研究確定采用“直-增-穩(wěn)-增-水平”五段制軌道,造斜率不大于 8°/30m,以確保井眼的光滑和水平段加壓。將著陸點(diǎn)控制在入窗前20m的井段,以利于入窗前井眼軌跡的控制。

4.2.2 井眼軌跡控制

(1)直井段。重點(diǎn)是控制井斜,為下部井段施工創(chuàng)造了良好條件?？刹捎盟姐@具組合。

(2)造斜段。重點(diǎn)是確保工具的造斜率能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求,使井眼軌跡能夠準(zhǔn)確在煤層中順利著陸?？刹捎谩皩?dǎo)向馬達(dá)+MWD”的常用定向鉆具組合。

(3)水平段。重點(diǎn)是確保井眼軌跡在目的層的穿透率?？刹捎谩皢螐澛輻U鉆具+LWD”的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合。在參考區(qū)域資料、鄰井的測(cè)試、生產(chǎn)情況、巖心分析等資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合本井的巖屑錄井、鉆時(shí)等相關(guān)數(shù)據(jù),利用伽馬測(cè)量?jī)x確定煤層的位置及界面準(zhǔn)確地鉆入設(shè)計(jì)目的層并在其層位中有效地延伸。

(4)連通段。首先在直井中下入探管,在水平井鉆頭處連接一個(gè)永磁短節(jié)。永磁短節(jié)的探測(cè)距離是70m,所以一般在距離直井100米左右起鉆下入。連通段的重點(diǎn)一是保證在連通儀器探測(cè)距離之外的井段方位偏差不大,否則很難一次連通;二是在距離直井20m以?xún)?nèi)對(duì)井底方位的判斷要準(zhǔn)確,否則兩井很可能會(huì)“擦肩而過(guò)”。

4.3 鉆井液體系設(shè)計(jì)及維護(hù)技術(shù)

4.3.1 鉆井液體系設(shè)計(jì)

針對(duì)鉆遇地層的特點(diǎn),研究出相適應(yīng)的鉆井液體系方案如下：

(1)一開(kāi)設(shè)計(jì)使用預(yù)水化膨潤(rùn)土鉆井液,解決大井眼的攜巖問(wèn)題。

(2)二開(kāi)設(shè)計(jì)使用成膜防塌鉆井液體系,滿(mǎn)足斜井段的攜巖和煤層段的井眼穩(wěn)定要求,為順利下入技術(shù)套管提供良好條件。

(3)三開(kāi)設(shè)計(jì)使用在清水加入2%氯化鉀的鉆井液。根據(jù)煤層水礦化度分析,氯含量在200～400mg/l,采用在清水中加入2%氯化鉀的鉆井液,以保護(hù)儲(chǔ)層和提高防塌能力;配制高粘CMC膠液定期清掃巖屑,以解決水平井的攜巖問(wèn)題。

4.3.2 鉆井液維護(hù)技術(shù)

(1)一開(kāi)。配制40m3膨潤(rùn)土漿,充分水化24小時(shí)后,進(jìn)行一開(kāi)鉆進(jìn)。一開(kāi)鉆完后,打入100s高粘度鉆井液徹底洗井,保證井眼潔凈,確保下表套、固井作業(yè)順利。

(2)二開(kāi)直井段。在一開(kāi)膨潤(rùn)土漿的基礎(chǔ)上,補(bǔ)充聚丙烯酰胺膠液,提高鉆井液的抑制能力和包被能力,控制固相含量,鉆井液性能控制在：密度1.05～1.10g/cm3,粘度 30～50s。鉆至 3#煤層前,為保護(hù)煤層不被污染,逐步替換為清水,密度控制在1.01～1.02g/cm3,固相含量控制在1%以?xún)?nèi)。

(3)二開(kāi)定向側(cè)鉆井段。在原井漿的基礎(chǔ)上,補(bǔ)充正電膠,提高鉆井液的抑制、防塌能力,同時(shí)增加鉆井液的攜砂和懸浮能力;補(bǔ)充聚丙烯酰胺膠液,提高鉆井液的抑制、包被能力,鉆井液性能維護(hù)在：密度1.05g/cm3,粘度44s,切力2/8Pa。二開(kāi)鉆完后,充分洗井,確保測(cè)井,下套管順利。

(4)三開(kāi)水平井段。主要在煤層段鉆進(jìn),將前開(kāi)次使用的鉆井液放掉,使用清水加2%氯化鉀的鉆井液鉆進(jìn);每鉆進(jìn)3個(gè)單根加入50升高粘CMC膠液循環(huán)清掃鉆屑,保障水平段施工安全順利。充分使用三級(jí)固控設(shè)備,清除鉆井液中的固相,密度控制在1.01～1.02g/cm3,固相含量控制在1%以?xún)?nèi),粘度33～28s,pH在8以下。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

沁水盆地和順區(qū)塊實(shí)施的遠(yuǎn)端連通水平井由和1井、和平1井組成,通過(guò)該井組的設(shè)計(jì)與施工,初步形成在該地區(qū)實(shí)施煤層氣水平連通井的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。

5.1 和1井概況

和1井位于山西省和順縣,屬沁水盆地北部榆社-武鄉(xiāng)構(gòu)造帶,是一口煤層氣探井,同時(shí)作為和平1水平連通井組的排采井。該井2008年9月25日一開(kāi),2008年10月14日完鉆,完鉆井深560m,其井身結(jié)構(gòu)為φ244.5mm表層套管 ×36.45m+φ177.8mm生產(chǎn)套管×550.47m,在目的層位石炭系太原組15#煤503.93～512.34m處下入玻璃鋼套管1根,固井后對(duì)505.50～509.00m井段進(jìn)行了擴(kuò)孔,擴(kuò)空直徑為500mm。

5.2 和平1井設(shè)計(jì)

5.2.1 地質(zhì)設(shè)計(jì)

和平1井是一口煤層氣評(píng)價(jià)井,目的煤層為石炭系太原組15#煤。該井距排采井和1井717.55m,完鉆垂深 502.35m,靶區(qū)范圍為 20m×2m×498.53m區(qū)域。該井與和1井洞穴處成功連通后,再鉆進(jìn)10m完鉆。

5.2.2 軌道設(shè)計(jì)

和平1井的井眼軌道設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

5.2.3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

和平1井設(shè)計(jì)采用的井身結(jié)構(gòu)為：φ311mm井眼×30m(下入φ244.5mm表層套管×29.50m)+φ215.9mm井眼×606m(下入φ177.8mm技術(shù)套管×604m)+φ152.4mm水平井眼 (裸眼完井)。

表1 和平1井軌道設(shè)計(jì)主要參數(shù)

5.2.4 鉆具組合設(shè)計(jì)

直井段采用塔式鉆具組合：φ251.9mm鉆頭+φ177.8mm鉆鋌1根+φ158.8mm無(wú)磁鉆鋌1根 +φ158.8mm鉆鋌11根+φ127mm鉆桿。

造斜段采用“導(dǎo)向馬達(dá)+MWD”的常用定向鉆具組合：φ251.9mm鉆頭 +φ165mm單彎螺桿(1.5°)+MWD短節(jié)+φ165mm無(wú)磁鉆鋌 +φ127mm鉆桿。

水平段采用“單彎螺桿鉆具+LWD”的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合：φ152.4mm鉆頭+φ120mm單彎螺桿(1.25°)+φ120mmELWD 短節(jié) +φ120mm 無(wú)磁鉆鋌+φ89mm鉆桿。

連通段采用帶強(qiáng)磁導(dǎo)向系統(tǒng)的鉆井組合：φ152.4mm鉆頭+φ120mmRMRS+φ120mm單彎螺桿(1.25°)+φ120mmELWD 短節(jié) +φ120mm 無(wú)磁鉆鋌+φ89mm鉆桿。

5.3 實(shí)鉆效果

和平1井在下入強(qiáng)磁連通儀器前方位控制較為理想,與設(shè)計(jì)軌道基本吻合,在距離直井75m處方位偏差是7.5。鉆進(jìn)至井深1082.50m時(shí),鉆壓放空,泵壓下降,發(fā)現(xiàn)井口無(wú)返漿,至5分鐘后鉆井液從和1井井口返出,確認(rèn)連通成功。

和平1井于2009年1月1日開(kāi)鉆,2009年2月24日完井,完鉆井深1118m,水平段長(zhǎng)508m,水平位移720.90m。煤層鉆遇率達(dá)94.49%,和1井經(jīng)測(cè)試表皮系數(shù)為-2.33,和平1井經(jīng)測(cè)試表皮系數(shù)為0.023,取得了較好的軌跡控制和儲(chǔ)層保護(hù)效果。

6 結(jié)論與建議

(1)遠(yuǎn)端連通水平井是集鉆井、完井與排采于一體的系統(tǒng)工程,成功地鉆成一組遠(yuǎn)端連通水平井,需要地質(zhì)研究、井眼軌跡控制、兩井連通、井壁穩(wěn)定、儲(chǔ)層保護(hù)、完井工藝等多項(xiàng)技術(shù)的集成。

(2)水平段采用清水鉆進(jìn)能起到較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果,但不利于井眼穩(wěn)定。建議今后在該區(qū)塊嘗試采用空氣、泡沫等進(jìn)行欠平衡鉆井。

(3)和平1井采用的是裸眼完井,后期的排采表明,井眼有堵塞現(xiàn)象。建議今后在該區(qū)塊實(shí)施水平遠(yuǎn)端連通井下入PVC連續(xù)篩管完井。

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