煤層氣水平連通井鉆井技術(shù)

王彥祺

(華東石油局工程技術(shù)設(shè)計研究院,江蘇 210031)

煤層氣水平連通井鉆井技術(shù)

王彥祺

(華東石油局工程技術(shù)設(shè)計研究院,江蘇 210031)

采用水平井技術(shù)開采煤層氣具有增加有效供給范圍、提高導(dǎo)流能力、提高單井產(chǎn)量和采出程度等優(yōu)點。中石化華東分公司在沁水盆地和順區(qū)塊實施的第一個由和1井、和平1井組成的水平連通井組,通過采用帶聚焦伽瑪?shù)碾姶挪S鉆測量系統(tǒng)(EM-MWD)、低轉(zhuǎn)速高扭矩馬達(dá)、強磁導(dǎo)向系統(tǒng)(RMRS)等先進(jìn)工具儀器和隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、兩井遠(yuǎn)端連通、儲層保護等先進(jìn)技術(shù),成功地實現(xiàn)了兩井遠(yuǎn)端一次連通。本文介紹了該井組的設(shè)計與施工情況,并對今后在該地區(qū)實施水平連通井提出了建議。

沁水盆地 煤層氣 水平井 設(shè)計 施工 連通技術(shù)

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

為了進(jìn)一步探索沁水盆地和順區(qū)塊采用水平井開采煤層氣的效果,中石化華東分公司決定在該區(qū)塊實施一口水平連通井。通過由和1井、和平1井組成的水平連通井組的設(shè)計與施工,初步形成在該地區(qū)實施煤層氣水平連通井的設(shè)計與施工技術(shù)。

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,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505.50～509.00m井段進(jìn)行了擴孔,擴空直徑為500mm。

2 和平1井設(shè)計

2.1 地質(zhì)設(shè)計

和平1井是一口煤層氣評價井,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。

2.2 鉆井設(shè)計

2.2.1 軌道設(shè)計

和平1井的特點是井淺、位垂比大。因此,在進(jìn)行井眼軌道設(shè)計時,除要考慮常規(guī)水平井須考慮的因素外,還要重點考慮以下兩個因素:

(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,特別是滑動鉆進(jìn)時更加困難。因此,所設(shè)計的水平井井眼軌道應(yīng)盡可能光滑,以最大限度減少摩阻。

和平1井設(shè)計選用了“直-增-穩(wěn)-增-水平”五段制軌道,造斜率選用8°/30m,確保井眼的光滑,以利于水平段的施工。將著落點控制在入窗前20m的井段,以利于入窗前井眼軌跡的控制。

和平1井的井眼軌道設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 和平1井軌道設(shè)計主要參數(shù)

2.2.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

和平1井要求水平井段清水鉆進(jìn)、裸眼完井,因此,在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方面重點考慮了以下因素:

(1)在水平段清水鉆進(jìn)時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)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;

(4)在確保安全的基礎(chǔ)上,盡可能降低生產(chǎn)成本。

綜合考慮上述因素,和平1井設(shè)計采用的井身結(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)?？紤]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。

2.2.3 鉆井液設(shè)計

煤儲層的吸附能力強、應(yīng)力敏感性強、速敏性強以及水敏性、堿敏性強等的特點,決定了煤層容易受到傷害。煤層膠結(jié)疏松,施工水平井容易發(fā)生坍塌卡鉆事故。

針對上述難點,和平1井組采用了以下設(shè)計方案:

(1)一開設(shè)計使用預(yù)水化膨潤土鉆井液,解決大井眼的攜巖問題。

(2)二開設(shè)計使用成膜防塌鉆井液體系,滿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)三開設(shè)計使用在清水中加入2%氯化鉀的鉆井液,要求固相含量低于2%,pH在8以下,以滿足保護煤層的要求。為解決水平井的攜巖問題,配制高粘CMC膠液定期清掃巖屑,要求鉆井過程中觀察巖屑返出情況,及時進(jìn)行短起下鉆或通井,破壞巖屑床,解決水平井的攜巖問題。

3 現(xiàn)場施工工藝

3.1 井眼軌跡控制

3.1.1 一開井段

一開井段(0～36.77m)易井斜,采用塔式鉆具組合:φ311.1mm鉆頭+φ177.8mm鉆鋌2根+φ127mm鉆桿,鉆壓控制在20～40kN,輕壓鉆進(jìn)。

3.1.2 二開直井段

二開直井段(36.77～249.62m)重點控制井斜。采用塔式鉆具組合:φ215.9mm鉆頭+φ177.8mm鉆鋌1根+φ158.8mm無磁鉆鋌1根+φ158.8mm鉆鋌11根+φ127mm鉆桿,鉆壓控制在60～100kN,井斜控制在了1°以內(nèi),為下部井段施工創(chuàng)造了良好條件。

3.1.3 造斜段

造斜段(249.62～610m)重點是確保工具的造斜率能夠達(dá)到設(shè)計要求。使井眼軌跡能夠準(zhǔn)確地在煤層中順利著陸。采用“導(dǎo)向馬達(dá)+MWD”的常規(guī)導(dǎo)向鉆具組合:φ215.9mm鉆頭+φ165mm單彎螺桿(1.5°)+MWD短節(jié)+φ165mm無磁鉆鋌+φ127mm鉆桿,定向鉆進(jìn)至610m進(jìn)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)重點是確保井眼軌跡在目的層的穿透率。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°)+φ120mmEM-MWD短節(jié)+φ120mm無磁鉆鋌+φ89mm鉆桿,在參考區(qū)域資料、鄰井的測試、生產(chǎn)情況、巖心分析等資料,結(jié)合本井的巖屑錄井、鉆時等相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用伽馬測量儀確定煤層的位置及界面準(zhǔn)確地鉆入設(shè)計目的層并在其層位中有效地延伸。

3.1.5 連通段

連通段(978.5～1118m)重點是采用電磁測距法與排采準(zhǔn)確對接。連通過程中首先在直井中下入探管,在鉆頭處連接一個永磁短節(jié)。永磁短節(jié)的探測距離是70m,所以一般在距離直井100米左右起鉆下入。采用的鉆井組合為:φ152.4mm鉆頭+φ120mmRMRS+φ120mm單 彎 螺 桿(1.25°)+φ120mmEM-MWD短節(jié)+φ120mm無磁鉆鋌+φ89mm鉆桿。

遠(yuǎn)端連通有兩個難點,第一是在連通儀器探測距離之外的井段方位的準(zhǔn)確性,如果方位偏差很大,則很難一次連通。第二個難點是在距離直井20m以內(nèi),如果對井底方位判斷出了問題,則鉆頭與洞穴很可能“擦肩而過”。和平1井在下入強磁連通儀器前方位控制較為理想,與設(shè)計軌道基本吻合,在距離直井75m處方位偏差是7.5°鉆進(jìn)至井深1082.50m時,鉆壓放空,泵壓下降,發(fā)現(xiàn)井口無返漿,至5分鐘后鉆井液從和1井井口返出,確認(rèn)連通成功。

3.2 鉆井液維護技術(shù)

3.2.1 一開井段

一開配制40m3膨潤土漿,充分水化24小時后,進(jìn)行一開鉆進(jìn);一開鉆完后,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。

3.2.2 二開直井段

二開在一開膨潤土漿的基礎(chǔ)上,補充聚丙烯酰胺膠液,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%以內(nèi)。

3.2.3 二開斜井段

二開定向側(cè)鉆井段:原井漿的基礎(chǔ)上,補充正電膠,提高鉆井液的抑制、防塌能力,同時增加鉆井液的攜砂和懸浮能力;補充聚丙烯酰胺膠液,提高鉆井液的抑制、包被能力,控制固相含量,鉆井液性能維護在:密度1.05g/cm3,粘度44s,切力2/8Pa。二開鉆完后,充分洗井,確保測井,下套管順利。

3.2.4 水平井段

三開水平井段主要在煤層段鉆進(jìn),將前開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個單根加入50升高粘CMC膠液循環(huán)清掃鉆屑;同時充分使用三級固控設(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%以內(nèi),粘度33～28s,保障了水平段施工安全順利。

4 實鉆效果

和平1井于2009年1月1日開鉆,2009年2月24日完井,完鉆井深1118m,水平段長508m,水平位移720.90m,實現(xiàn)了兩井遠(yuǎn)端一次連通成功。

圖1 和平1井水平井段鉆遇煤層示意圖

(1)軌跡控制效果:煤層鉆遇率達(dá)94.49%。鉆遇煤層示意圖如圖1所示。

(2)儲層保護效果:和1井經(jīng)測試表皮系數(shù)為-2.33,和平1井經(jīng)測試表皮系數(shù)為0.023,說明清水加2%氯化鉀的鉆井液對煤層有較好的保護效果。

5 結(jié)論與建議

(1)軌跡控制和鉆井液技術(shù)是成功實施水平連通井的關(guān)鍵。隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、兩井遠(yuǎn)端連通技術(shù)及針對鉆遇地層和施工井段特點優(yōu)選的鉆井液體系,為和平1井的實施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

(2)先進(jìn)的工具儀器和工藝技術(shù)是成功實施水平連通井的保障。帶方向伽瑪?shù)碾姶挪o線隨鉆測量系統(tǒng)、低轉(zhuǎn)速高扭矩馬達(dá)、強磁導(dǎo)向系統(tǒng)等先進(jìn)的工具儀器,為和平1井的實施提供了保障。。

(3)水平段采用清水鉆進(jìn),能起到較好的儲層保護效果,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,一方面可以提高鉆井速度,另一方面進(jìn)一步提高對儲層的保護效果。

(4)和平1井采用的是裸眼完井,后期的排采表明,井眼有堵塞現(xiàn)象。建議今后在該區(qū)塊實施水平連通井應(yīng)采用下入PVC連續(xù)篩管完井。

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CBM Horizontal Connected Drilling Technology

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

王彥祺,男,1989年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)鉆探工程專業(yè),中國石化集團華東石油局工程技術(shù)設(shè)計研究院副院長,高級工程師,主要從事鉆井工藝技術(shù)研究工作。

(責(zé)任編輯 桑逢云)