煤層氣多分支水平井技術(shù)探討

劉志強(qiáng) 胡漢月 劉海翔 史兵言

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北 065000)

1 前言

近年來,隨著能源形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻,煤層氣的開采利用逐步得到國家重視,但受技術(shù)、政策、產(chǎn)權(quán)、并網(wǎng)等條件限制,到目前為止,我國煤層氣產(chǎn)業(yè)仍處于產(chǎn)業(yè)化初期,開發(fā)利用遠(yuǎn)不能滿足需要。“十一五”規(guī)劃曾經(jīng)提出,到2010年,我國瓦斯利用率要達(dá)到60%以上,而目前僅達(dá)到30%左右,業(yè)內(nèi)專家指出,要實(shí)現(xiàn)我國煤層氣的大規(guī)模開發(fā),急需對(duì)適合我國特殊地質(zhì)條件的鉆井、完井、排采等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān),否則,我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化開發(fā)只能求助于國外技術(shù),從而增加大量的開采成本。

2 國內(nèi)外煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀

美國是世界上開采煤層氣最早的國家,也是率先實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)化開發(fā)的國家,其煤層氣的開發(fā)利用無論在技術(shù)方面還是在產(chǎn)業(yè)化方面處于世界領(lǐng)先水平。20世紀(jì)初美國就開始在井下開采煤層氣,從70年代末到80年代初,美國通過采前預(yù)抽和采空區(qū)井抽采回收煤層氣,并開始進(jìn)行地面開采煤層氣試驗(yàn),1997年,其產(chǎn)量達(dá)320億m3,基本形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

加拿大煤層氣開發(fā)比較晚,但多年來政府一直支持煤層氣的發(fā)展,一些研究機(jī)構(gòu)根據(jù)本國以低變質(zhì)煤為主的特點(diǎn),開展了一系列技術(shù)研究工作,例如多分支水平井、連續(xù)油管壓裂等技術(shù)方面取得了進(jìn)展,從而降低了煤層氣開采成本。

澳大利亞以及俄羅斯等國在煤層氣開發(fā)和利用等方面均領(lǐng)先于我國。

我國煤層氣地質(zhì)研究始于20世紀(jì)80年代,經(jīng)過20多年的地質(zhì)研究和勘探實(shí)踐,在煤層氣成因、儲(chǔ)層特性、成藏、區(qū)域展布規(guī)律、控氣地質(zhì)因素等方面均取得顯著進(jìn)展,初步形成了一套煤層氣富集地質(zhì)理論和選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù),20世紀(jì)90年代初開始研究煤層氣地面勘探開發(fā)技術(shù),經(jīng)歷了十幾年來對(duì)國外技術(shù)設(shè)備的引進(jìn)、消化、吸收和發(fā)展,也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。由于我國在煤層氣開發(fā)利用方面的研究起步比較晚,許多關(guān)鍵技術(shù)問題尚待解決,因此我國煤層氣的開發(fā)利用仍處于初級(jí)階段,完成煤層氣產(chǎn)業(yè)化還有較長(zhǎng)的路要走。

3 煤層氣多分支水平井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)前開發(fā)煤層氣一般采用排水采氣法,通過抽排煤層中的承壓水,降低煤層壓力,使煤層中吸附的甲烷解吸出來,但是煤層氣井的產(chǎn)量一般較低,為了提高煤層氣井的產(chǎn)量,通常都要采取一些增產(chǎn)措施。常用于煤層氣增產(chǎn)的技術(shù)有：水力壓裂改造技術(shù)、煤中多元?dú)怏w驅(qū)替技術(shù)和多分支水平井技術(shù)等。我國的煤層氣藏具有低滲、高壓、低飽和、構(gòu)造煤發(fā)育、煤儲(chǔ)層具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性等地質(zhì)特征,因此不適合采用水力壓裂改造技術(shù),而煤中多元?dú)怏w驅(qū)替技術(shù)盡管效果非常好,但是成本高,從經(jīng)濟(jì)角度考慮不太適用。煤層氣多分支水平井是一種新的煤層改造技術(shù),優(yōu)點(diǎn)是效果好成本低,在一些特定煤層中可以取得其它方法無法比擬的開發(fā)效果。因此多分支水平井技術(shù)日益受到國內(nèi)外專家的重視,也受到各個(gè)煤層氣勘探開發(fā)公司的青睞。

4 煤層氣多分支水平井開采原理

煤層氣多分支水平鉆井是集鉆井、完井與增產(chǎn)措施于一體的新的鉆井技術(shù)。所謂多分支水平井是指在一個(gè)主水平井眼兩側(cè)再側(cè)鉆出多個(gè)分支井眼作為泄氣通道,同時(shí)為了滿足排水降壓采氣的需要在距主水平井井口200m左右處鉆一口直井與主水平井眼在煤層內(nèi)連通,用于排水降壓采氣 (圖1)。主水平井眼的一開鉆表層,并下表層套管封固地表易漏地層;二開鉆至著陸點(diǎn) (見煤點(diǎn)),下入套管封固煤層段以上地層;三開鉆主水平井眼和分支井眼,不下套管,裸眼完井。與常規(guī)直井的鉆井、射孔完井和水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)相比,多分支水平井開采煤層氣的主要增產(chǎn)機(jī)理體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(a)提高了導(dǎo)流能力。壓裂的裂縫無論長(zhǎng)度多長(zhǎng),流動(dòng)的阻力都是相當(dāng)大的,而水平井內(nèi)流體的流動(dòng)阻力相對(duì)于割理系統(tǒng)要小得多。分支井眼與煤層割理的相互交錯(cuò),煤層割理與裂隙更暢通,就提高了裂隙的導(dǎo)流能力。(b)減少了對(duì)煤層的傷害。常規(guī)垂直井鉆井完鉆后要固井,完井后還要進(jìn)行水力壓裂改造,每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)煤層造成不同程度的傷害,而且煤層傷害很難恢復(fù)。采用多分支水平井鉆井完井方法,避免了固井和水力壓裂作業(yè),而且水平井段采用清水、欠平衡鉆進(jìn)避免了對(duì)煤層的傷害。(c)增大解吸波及面積,溝通更多割理和裂隙。多分支水平井在煤層中呈網(wǎng)狀分布,將煤層分割成很多連續(xù)的狹長(zhǎng)條帶,從而大大增加煤層氣的供給范圍。已有的實(shí)踐證明,多分支水平井對(duì)各項(xiàng)異性明顯的煤層,煤層厚度較大且相對(duì)穩(wěn)定的煤層,高煤階、低滲透、高強(qiáng)度和高含氣量煤層氣藏更適合。

圖1 煤層氣多分支水平井示意圖

5 煤層氣多分支水平井技術(shù)難點(diǎn)

煤層氣多分支水平井集成了水平井與洞穴井的連通、鉆水平分支井眼、充氣欠平衡鉆井和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)等,是一項(xiàng)技術(shù)性強(qiáng)、施工難度高的系統(tǒng)工程。同時(shí)為了保持煤層的井壁穩(wěn)定,煤層段一般采用小井眼鉆進(jìn) (φ152.4mm井眼),因而對(duì)鉆井工具、測(cè)量?jī)x器和設(shè)備性能等方面都提出了新的要求。

煤層氣多分支水平井面臨的主要難點(diǎn)可概括為如下幾點(diǎn)：

(1)煤層可鉆性好,鉆速快,但同時(shí)又存在大量的裂縫和割理,從而破壞了煤系地層的完整性。因此,在煤層中進(jìn)行定向鉆井和水平鉆井,井眼軌跡不易控制。如何使井眼軌跡準(zhǔn)確實(shí)時(shí)控制達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)好的目標(biāo)區(qū),難度較大;

(2)一般情況下,煤系地層均存在大量割理和裂縫,容易造成煤層破碎和垮塌。而且煤層易受污染,儲(chǔ)保護(hù)難度大。因此,采用常規(guī)的鉆井泥漿不易維護(hù)孔壁穩(wěn)定和保護(hù)儲(chǔ)層;

(3)煤層埋藏通常都比較淺,而水平分支井眼都比較長(zhǎng),一般在1000米以上,因此鉆壓難以滿足要求,同時(shí)鉆水平分支井眼時(shí)鉆柱易發(fā)生疲勞破壞。

(4)煤層氣多分支水平井工藝屬于鉆井新工藝,涉及到許多新式鉆井工具和儀器,例如用于兩井連通的電磁測(cè)量裝置、小尺寸的地質(zhì)導(dǎo)向工具和高效減阻短節(jié) (AG-itator)等,目前有些裝備和儀器在國內(nèi)仍屬空白。

6 煤層氣多分支水平井關(guān)鍵技術(shù)

6.1 井身結(jié)構(gòu)和井眼剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)

煤層氣多分支井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與常規(guī)油氣井的設(shè)計(jì)略有區(qū)別,需考慮水平井與洞穴井的連通、后期的排水采氣和煤層的井壁穩(wěn)定等因素。水平分支井通常采用的井身結(jié)構(gòu)為：φ244.5mm表層套管+φ177.8mm技術(shù)套管+φ152.4mm主水平井眼 (裸眼)+φ152.4mm分支水平井眼,洞穴井的井身結(jié)構(gòu)一般為：φ244.5mm表層套管+φ177.8mm技術(shù)套管 (煤層頂板)+裸眼段 (包括口袋)。

進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和井眼剖面設(shè)計(jì)時(shí),還需考慮以下幾點(diǎn)因素：

(1)盡可能選擇軌跡長(zhǎng)度短的軌道,減少無效進(jìn)尺,既可以降低鉆井成本,也可以減少施工風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)應(yīng)盡量縮小可鉆性較差的地層進(jìn)尺,盡量避開研磨性較強(qiáng)的地層和破碎易坍埸的地層;

(2)由于煤層氣多分支水平井垂直井段短,而水平段較長(zhǎng),一般在800m以上,鉆柱能提供的鉆壓是有限的,所以在多分支水平井井身剖面設(shè)計(jì)中,要使所設(shè)計(jì)的井眼軌跡滿足滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的工況要求;

(3)由于煤層承壓強(qiáng)度低,技術(shù)套管一定不能下到煤層中,防止固井時(shí)將煤層壓裂,導(dǎo)致后續(xù)鉆進(jìn)過程中的井壁坍塌;

(4)為了在洞穴井井底造洞穴,井底必須留有合理容量的口袋?？诖羯钜圆唤议_下部含水層為基本原則,應(yīng)優(yōu)先考慮增大口袋留深。

6.2 井眼軌跡控制技術(shù)

定向井的井眼軌跡參數(shù)主要為：井深、井斜角、方位角、垂深。多分支井的垂直段重點(diǎn)是控制井斜,一般采用塔式鉆具組合,如果出現(xiàn)井斜則采用鐘擺鉆具進(jìn)行糾斜。造斜井段一般采用“導(dǎo)向鉆具+MWD”的定向造斜鉆具組合,通過連續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)的方式實(shí)現(xiàn)增斜、降斜,通過旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜。水平段及分支井采用“導(dǎo)向鉆具+LWD”的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合,利用LWD隨鉆監(jiān)測(cè)到的自然伽瑪、電阻率參數(shù)對(duì)鉆遇地層實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并調(diào)整鉆孔軌跡始終沿煤層鉆進(jìn)。為提高鉆進(jìn)速度,在導(dǎo)鉆鉆具組合中經(jīng)常使用高效減阻接頭等輔助器具,減阻接頭由本體、上下?lián)醐h(huán)和防磨套組成,本體隨鉆柱旋轉(zhuǎn)而防磨套不轉(zhuǎn),本體和防磨套之間、防磨套和上下?lián)醐h(huán)之間設(shè)有磨擦副。高效抗磨減阻接頭可解決大位移井、深井或大斜度井套管磨損和扭矩過高的技術(shù)難題。

由于煤層可鉆性好,鉆速快,單層厚度薄 (3～6m),所以井眼軌跡控制難度較大。煤層氣分支水平井鉆井施工過程中,既要實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆井連續(xù)控制,提高井眼軌跡控制的精度,使井眼軌跡圓滑,加快鉆井速度,同時(shí)又要避免井眼軌跡出現(xiàn)較大的曲率波動(dòng)。鉆井中盡量避免大幅度變動(dòng)下部鉆具組合結(jié)構(gòu)、尺寸和鉆進(jìn)參數(shù),并控制機(jī)械鉆速在一定范圍內(nèi)變化,防止井眼出現(xiàn)小臺(tái)肩現(xiàn)象。從而避免井下坍塌、起鉆困難、鍵槽卡鉆等復(fù)雜施工。

6.3 煤層造洞穴技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)水平井與洞穴井在煤層中成功對(duì)接并且建立氣液通道,需要在洞穴井的煤層部位造一洞穴,洞穴的直徑一般為0.7～1.6m,高為2～4m。目前主要有水力造穴方式、機(jī)械工具造穴方式和爆破造穴方式。

水力射流造穴法利用了高壓水射流破碎巖石的能力,施工中用鉆具把特殊設(shè)計(jì)的水力射流裝置送入造穴井段,開泵循環(huán),使循環(huán)鉆井液在經(jīng)過小噴嘴時(shí)產(chǎn)生高壓水力射流,破壞煤儲(chǔ)層,形成洞穴。機(jī)械工具造穴利用機(jī)械切削的原理,用鉆具把特殊設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置送入造穴井段,然后通過液壓控制方式使造穴工具的刀桿張開,并在鉆具的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn),切削儲(chǔ)層,形成滿足實(shí)際需要的洞穴。

中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所經(jīng)過多年的技術(shù)研究,開發(fā)了一種具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)械式造洞穴造頭 (圖2),基本原理如下：鉆頭在使用時(shí),通過壓縮空氣或高壓水推動(dòng)桿件的上盤,桿件上盤壓縮彈簧向下運(yùn)動(dòng),而桿件上的齒條帶動(dòng)擴(kuò)孔刀翼上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),使擴(kuò)孔刀翼張開,實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔鉆進(jìn);當(dāng)鉆進(jìn)結(jié)束后,停止送空氣或水,在回位彈簧的作用下帶動(dòng)桿向上運(yùn)動(dòng),擴(kuò)孔刀翼收攏,可進(jìn)行加尺或提鉆。

圖2 機(jī)械式造穴工具

遼河石油管理局研究成功爆破式造穴工藝,并取得發(fā)明專利。該工藝方法主要由洞穴爆破成形、洞穴形態(tài)檢測(cè),撈屑三部分組成。實(shí)施爆破造穴之前,需要制定完善的施工風(fēng)險(xiǎn)消減措施,并充分做好施工前的一切準(zhǔn)備工作。該工藝方法的造縫功能顯著,同時(shí)具有規(guī)?？煽?速度快,周期短,成本低等優(yōu)點(diǎn)。

6.4 水平井與洞穴連通技術(shù)

兩井連通過程中采用的技術(shù)為近鉆頭電磁測(cè)距法,國外通常稱為Rotating Magnet Ranging Service,英文縮寫為 RMRS,目前RMRS技術(shù)在CBM井、SAG D、控制井噴等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

基本原理：在垂直井中下入磁信號(hào)接收裝置,在水平井的導(dǎo)向鉆具組合中加入磁信號(hào)接收裝置(磁接頭),磁接頭與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)時(shí)將發(fā)射磁信號(hào),這時(shí)垂直井內(nèi)的接收器就能接收到來自水平井磁發(fā)生裝置發(fā)出的磁信號(hào),并將信號(hào)通過連接線纜傳送至地表,經(jīng)信號(hào)解調(diào)后輸出至電腦,由電腦進(jìn)行參數(shù)分析計(jì)算,最終計(jì)算出磁發(fā)生裝置與接收裝置兩點(diǎn)間的連線方位,垂直深度差和兩點(diǎn)當(dāng)前距離。獲取當(dāng)前鉆進(jìn)參數(shù)后,可利用水平井中置于無磁鉆桿中的MWD系統(tǒng),及時(shí)糾正方向,使其靠近靶點(diǎn)目標(biāo),并使水平井與垂直井最終連通。

圖3 近鉆頭電磁測(cè)距示意圖

由中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所自主研發(fā)的“‘慧磁’鉆井中靶引導(dǎo)系統(tǒng)”(圖3),已成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。由該單位承攬的土耳其貝帕扎里天然堿礦三期工程,有23組井使用“慧磁”引導(dǎo)水平井中。

6.5 欠平衡鉆井技術(shù)

國內(nèi)煤層普遍具有低壓、低滲的特點(diǎn)為,為了保護(hù)儲(chǔ)層,不宜采用常規(guī)的過平衡鉆井技術(shù)。目前適合煤儲(chǔ)層的鉆井液體系主要有充空氣鉆井液、泡沫流體、地層水和空氣。煤層氣多分支水平井采用的注氣方法主要有洞穴井井筒注氣法和油管注氣法(圖 4)。

圖4 油管注氣法

洞穴井井筒注氣法工藝簡(jiǎn)單,成本低,適用于淺層煤層氣的開發(fā)。對(duì)于深層煤層氣的開發(fā),由于洞穴井井筒體積較大,小的注氣量難以形成穩(wěn)定的氣液兩相流,最后導(dǎo)致欠平衡工藝效果較差。所以垂深超過600m的井很少使用。

油管注氣法是一種實(shí)用的注氣方法,洞穴井完鉆后下入注氣油管和井下封隔器,然后壓縮氣體通過油管進(jìn)入到水平井的環(huán)空,這種注氣方式適合在煤儲(chǔ)層較深的洞穴井中使用。即使在近平衡注氣的情況下 (注氣量很小),由于注氣油管直徑較小,壓縮空氣能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入水平井環(huán)空,從而改善了氣液兩相流的均勻性,使欠平衡工藝更容易控制。另外油管注氣法容易實(shí)現(xiàn)欠值很小時(shí)的欠平衡作業(yè),這樣對(duì)于煤層井壁的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的益處,從而實(shí)現(xiàn)了既保護(hù)煤層又安全鉆進(jìn)的目的。

6.6 側(cè)鉆分支井眼技術(shù)

鉆分支井眼需要進(jìn)行側(cè)鉆,石油鉆井進(jìn)行側(cè)鉆通常有三種方式：水泥架橋側(cè)鉆、使用可回收式斜向器側(cè)鉆、懸空側(cè)鉆。

在煤系地層打水泥塞容易封堵煤層裂隙,使煤儲(chǔ)層遭到破壞,最重要的是水泥塞使主井眼和分支井眼喪失連通性。由于煤系地層比較松散破碎,可回收式斜向器在煤層中不容易固定,如果在鉆進(jìn)分支井眼時(shí)需要提鉆,當(dāng)鉆具再次下入時(shí)則不易找回分支井眼。因此前兩種側(cè)鉆方式不適用于煤層氣多分支井。而懸空側(cè)鉆方式工藝簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),還能節(jié)省大量輔助時(shí)間,因此它是煤層氣多分支水平井側(cè)鉆的首選,但必須注意以下幾點(diǎn)：

(1)進(jìn)行側(cè)鉆之前一定要充分活動(dòng)鉆具,在上提下放鉆具過程中將鉆柱中的扭力釋放;

(2)側(cè)鉆時(shí)采用滑動(dòng)鉆進(jìn)方式,一定要控制鉆井參數(shù),機(jī)械鉆速一般控制在0.5～1.0m/h;

(3)側(cè)鉆時(shí)通常將工具面擺在以降井斜為主的位置,使井底鉆具在出新孔過程中始終能夠與井壁接觸;

(4)分支成功并鉆完一個(gè)單根后,需要反復(fù)劃眼幾次,以利于后續(xù)鉆進(jìn)施工;

7 結(jié)論與建議

(1)應(yīng)用多分支水平井開發(fā)煤層氣資源,受到煤層地質(zhì)條件和分支井眼幾何形態(tài)等主控因素的制約,只有將二者有機(jī)結(jié)合并進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化,才能發(fā)揮出多分支水平井的效率;

(2)加強(qiáng)煤層氣開發(fā)數(shù)值模擬技術(shù)的研究,開發(fā)數(shù)值模擬軟件。煤層氣數(shù)值模擬軟件刻畫了煤層氣解析、擴(kuò)散、滲流的過程,通過數(shù)值模擬對(duì)煤層氣產(chǎn)能做出預(yù)測(cè),為煤層氣開發(fā)方案設(shè)計(jì)提供參考;

(3)建立完善的煤層氣多分水平支井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,包括煤層井壁穩(wěn)定力學(xué)評(píng)價(jià),斷層、煤階和地層傾角等儲(chǔ)層特性的影響評(píng)估等方法;

(4)進(jìn)一步研發(fā)配套的煤層氣多分支水平井設(shè)計(jì)軟件和井下工具,包括煤層造洞穴工具、高效減阻接頭和電磁測(cè)距裝置等。

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