煤層氣井復(fù)合造穴技術(shù)研究及應(yīng)用

蔣海濤 周俊然 董 穎 于懷彬 董趙朋

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院, 河北 062552)

1 概述

在煤層氣井開采中, 為了使煤層與井眼最大限度的連通, 解除近井地帶的污染, 增大井眼的有效半徑, 通常采用裸眼洞穴技術(shù), 對(duì)煤層實(shí)施造穴。裸眼洞穴技術(shù), 就是在裸眼完井后, 人為地在裸眼段煤層部位, 通過工具擴(kuò)眼方式或者負(fù)壓方式, 形成一個(gè)穩(wěn)定的煤層大洞穴; 同時(shí)消除可能已發(fā)生的煤層地層損害和在井眼周圍形成很大面積含有大量張性裂縫的卸載區(qū), 提高井眼周圍割理裂縫的滲透性, 增大地層的導(dǎo)流能力, 使井眼與地層之間實(shí)現(xiàn)有效連通而達(dá)到增產(chǎn)的目的。渤海鉆探工程院經(jīng)過多年的技術(shù)研究和開發(fā), 研究開發(fā)出了一套安全高效的射流附加機(jī)械方式的復(fù)合造穴技術(shù), 通過多口井的造穴現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用, 形成了自主的系列射流造穴及機(jī)械造穴工具及配套復(fù)合造穴工藝, 取得多項(xiàng)技術(shù)突破, 為煤層氣高效開采提供了技術(shù)保障。

2 造穴技術(shù)現(xiàn)狀

目前, 在國(guó)內(nèi)外煤層氣開采中, 采用的造穴技術(shù)主要有三種： 負(fù)壓造穴、水力射流造穴和機(jī)械工具造穴。負(fù)壓造穴技術(shù), 一般采用一部經(jīng)過特殊改造的鉆井或完井作業(yè)機(jī)穿透煤層, 通過配備的幾臺(tái)大功率的空壓機(jī)和旋轉(zhuǎn)頭以及地面復(fù)式管路系統(tǒng),將大量空氣壓人井內(nèi), 通過多次的快速蹩壓和放噴, 造成劇烈的井內(nèi)壓力激動(dòng), 使煤層崩落形成洞穴。水力射流造穴技術(shù)是采用水力射流的原理, 通過在鉆具下部連接特殊設(shè)計(jì)的水力噴射裝置, 使循環(huán)鉆井液在煤層產(chǎn)生水力射流沖割的作用, 形成一定的煤層洞穴。機(jī)械工具造穴技術(shù)一般是在原理上采用機(jī)械擴(kuò)眼方式, 通過某種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), 切削煤層形成滿足實(shí)際需要的洞穴。

從以上三種造穴技術(shù)的設(shè)備和工藝的復(fù)雜程度及其應(yīng)用的效果來看, 負(fù)壓造穴技術(shù)所需的工藝設(shè)備最為復(fù)雜, 技術(shù)要求高, 操作難度大, 危險(xiǎn)性大, 在目前的國(guó)內(nèi)技術(shù)條件下安全性難于保證。水力射流造穴技術(shù)工藝和設(shè)備較為簡(jiǎn)單, 但是, 根據(jù)目前水力射流的應(yīng)用現(xiàn)狀, 還沒有可靠的計(jì)算方法可以確定這種射流到底能夠造出多大直徑的什么樣的洞穴, 因此, 在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中, 水力射流造穴技術(shù)造出的洞穴遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足煤層氣開采對(duì)洞穴的大小要求。機(jī)械工具造穴技術(shù)相對(duì)來說工藝和設(shè)備也比較簡(jiǎn)單, 而且對(duì)洞穴的大小能夠隨意控制, 從而滿足不同煤層氣開采的需要,但是,對(duì)于大直徑造穴,由于工具及其刀桿尺寸小、強(qiáng)度低,造穴過程中容易變形,導(dǎo)致因刀桿變形而無法起出井眼的事故。

表1 三種造穴方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 復(fù)合造穴技術(shù)

通過對(duì)三種裸眼造穴技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)的分析, 并結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究成果和技術(shù)發(fā)展方向, 考慮到施工操作安全因素, 制定形成了煤層氣井裸眼復(fù)合造穴技術(shù)。煤層氣井裸眼復(fù)合造穴技術(shù)是一種水力射流+機(jī)械式造穴技術(shù)綜合應(yīng)用形成的新型造穴技術(shù)。該技術(shù)工藝主要包括水力射流工具造穴、機(jī)械造穴工具造穴兩個(gè)階段, 施工中首先利用水力射流技術(shù)依靠高壓水射流破壞煤層, 降低煤層膠結(jié)強(qiáng)度, 在松軟煤層的同時(shí)形成不規(guī)則的洞穴, 然后利用機(jī)械造穴工具對(duì)造穴段煤層進(jìn)行強(qiáng)制造穴作業(yè),最終實(shí)現(xiàn)煤層洞穴。該復(fù)合造穴技術(shù)不僅解決了水力射流造穴難以滿足擴(kuò)眼尺寸要求, 而且解決了大直徑機(jī)械造穴工具施工中極易發(fā)生工具變形的缺陷, 通過水力射流和機(jī)械式造穴技術(shù)的有效復(fù)合應(yīng)用, 實(shí)現(xiàn)了煤層氣井造穴施工工藝的安全可靠, 保證了洞穴尺寸, 并可根據(jù)需要控制洞穴大小, 降低煤層氣井裸眼造穴作業(yè)風(fēng)險(xiǎn), 提高煤層氣井裸眼造穴效率, 滿足煤層氣鉆井施工和高效開采的需要。

4 造穴工具

4．1 水力射流造穴工具

水力射流造穴技術(shù)是采用水力射流的原理, 通過在鉆具下部連接特殊設(shè)計(jì)的水力噴射裝置, 使循環(huán)鉆井液在地層產(chǎn)生水力射流沖割的作用, 在井眼周圍形成很大面積含有大量張性裂縫的卸載區(qū), 降低煤層膠結(jié)強(qiáng)度, 在松軟煤層的同時(shí)形成不規(guī)則的洞穴。

水力射流造穴工具結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 主要由本體和噴嘴機(jī)構(gòu)兩大部分組成, 其中噴嘴機(jī)構(gòu)部分是采用高壓水射流的基本原理而設(shè)計(jì)的, 施工中用鉆具把射流擴(kuò)孔工具送入所需擴(kuò)孔、造穴井段, 開泵循環(huán), 液流在經(jīng)過小噴嘴時(shí)產(chǎn)生較大的射向井壁的水柱, 破壞井壁形成洞穴。

圖1 水力射流工具結(jié)構(gòu)示意圖

4．2 機(jī)械造穴工具

為了滿足不同造穴直徑的需要, 我們研制出了兩種機(jī)械造穴工具, 一種是適用于1～2m 的超大直徑機(jī)械造穴工具, 其結(jié)構(gòu)如圖2 所示; 另一種是適用于1m 以下的小直徑機(jī)械造穴工具, 其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 大直徑機(jī)械造穴工具

大直徑機(jī)械造穴工具主要有上接頭、芯軸、本體、刀桿和連桿等組成, 其原理是利用水泥漿流過小孔產(chǎn)生的壓差, 作用在工具芯軸的活塞上產(chǎn)生下推力, 通過連桿的傳遞作用, 使切刀在切削地層的同時(shí)逐步張開, 造出需要直徑的洞穴, 并通過鉆具上提工具造出具有一定直徑和一定高度的洞穴, 達(dá)到有利于煤層氣開采的洞穴。

小直徑機(jī)械造穴工具主要有上接頭、芯軸、本體、推頭和刀桿等組成, 其原理也是利用水泥漿流過小孔產(chǎn)生的壓差, 作用在工具芯軸的活塞上產(chǎn)生下推力, 通過推頭的傳遞作用, 使刀桿在切削地層的同時(shí)逐步張開, 造出需要直徑的洞穴, 然后, 下放鉆具, 就像正常鉆井一樣, 在煤層鉆出具有一定直徑和一定高度的洞穴, 達(dá)到有利于煤層氣開采的洞穴。本工具工作能完成低泵壓、低排量條件先井眼造穴; 在井眼內(nèi)起下容易; 打開和收回機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠; 施工工藝簡(jiǎn)便。

圖3 小直徑機(jī)械造穴工具

5 復(fù)合造穴施工工藝

(1) 下入水力射流造穴工具, 對(duì)設(shè)定的需要造穴段進(jìn)行水力射流作業(yè), 完成射流造穴施工。

(2) 根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況, 選擇確定機(jī)械造穴工具節(jié)流裝置噴嘴的大小和泥漿泵排量。

(3) 配接下井鉆具, 保證在最接近套管下端位置安裝滿眼扶正器, 并保證工具能夠下到造穴段的底部。

(4) 下入機(jī)械造穴工具, 實(shí)施機(jī)械造穴作業(yè)。本步根據(jù)應(yīng)用的大直徑機(jī)械造穴工具和小直徑機(jī)械造穴工具的不同, 復(fù)合造穴施工工藝有所不同。

①大直徑機(jī)械造穴作業(yè)工藝

a. 下大直徑造穴工具到設(shè)計(jì)洞穴的底部, 緩慢開泵建立循環(huán), 并緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具, 要時(shí)刻觀察鉆具扭矩表值, 如發(fā)現(xiàn)扭矩陡增, 必須立即調(diào)整鉆具轉(zhuǎn)速或泥漿泵排量, 以防損壞造穴工具刀桿機(jī)構(gòu),造成井下事故。

b. 按照調(diào)整好的排量和轉(zhuǎn)速, 進(jìn)行造穴施工作業(yè)。

c. 觀察到鉆具扭矩顯著降低, 并持續(xù)一段時(shí)間, 緩慢上提鉆具, 扭矩增加到接近原值時(shí), 停止上提鉆具并保持該上提力, 繼續(xù)造穴施工, 當(dāng)再次觀察到鉆具扭矩顯著下降時(shí), 再次上提鉆具, 使鉆具扭矩接近原值, 如此反復(fù)操作, 直到鉆具上提距離達(dá)到設(shè)計(jì)的洞穴的高度。

②小直徑機(jī)械造穴作業(yè)工藝

a. 下小直徑機(jī)械造穴工具到設(shè)計(jì)洞穴的頂部,緩慢開泵建立循環(huán), 并緩慢轉(zhuǎn)動(dòng), 要時(shí)刻觀察鉆具扭矩表值, 如發(fā)現(xiàn)扭矩陡增, 必須立即調(diào)整鉆具轉(zhuǎn)速或泥漿泵排量, 以防損壞造穴工具刀桿機(jī)構(gòu), 造成井下事故。

b. 至沒有煤屑返出時(shí), 下放鉆具, 如能產(chǎn)生鉆壓, 則按照調(diào)整好的排量和轉(zhuǎn)速, 控制鉆壓0．5～1t , 按照類似鉆進(jìn)作業(yè), 實(shí)施造穴作業(yè), 直至造至設(shè)計(jì)洞穴底部。

(5) 停泵終止泥漿循環(huán), 緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具, 并緩慢上提鉆具, 使造穴工具刀桿機(jī)構(gòu)收回, 起出鉆具和造穴工具, 造穴作業(yè)完成。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

渤海鉆探工程院自進(jìn)行煤層氣造穴技術(shù)研究以來, 形成了復(fù)合造穴理論基礎(chǔ), 研制形成了系列造穴工具, 并自2009 年以來先后在F200V、鄭平05- 1V、鄭平3- 5V、鄭試平7 等多次成功進(jìn)行了造穴工具的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用, 標(biāo)志著已基本掌握了煤層氣井造穴技術(shù)。以下以鄭平05 - 1V 井造穴現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為典型實(shí)例介紹應(yīng)用情況。

(1) 鄭平05- 1V 井概況

2010 年4 月24 日, 在山西沁水縣盆地南部斜坡沁水煤層氣田鄭莊區(qū)塊鄭平05 - 1V 井試驗(yàn)了水力射流外附加機(jī)械工具復(fù)合造穴工藝, 取得應(yīng)用的成功。

鄭平05 - 1V 井鉆穿3#煤層底界以下60m 完井, 深度約830m, 下入D177．8mm 生產(chǎn)套管固井,注水泥封固至420m。在煤層段套管柱下入一根玻璃鋼套管, 便于后期造洞穴銑割套管, 要求玻璃鋼套管上端面超出煤頂不少于2m, 下端面位于煤底以下10cm。洞穴直徑不小于500mm。

(2) 施工過程

①配接導(dǎo)引鉆頭 (堵水眼)

②連接SL145 水力射流造穴工具井口試驗(yàn)鉆具組合

③SL145 水力射流造穴工具井口試驗(yàn)

管串連接后, 下鉆具組合至井口下15 米左右,緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具, 開泵建立循環(huán)并逐漸增大排量, 觀察排量在25L/s 時(shí), 泵壓15MPa 不再上升, 可以判斷SL145 水力射流工具產(chǎn)生射流, 此時(shí)停泵。

④下SL145 水力射流造穴工具鉆具組合

⑤水力射流造穴工具SL145 造穴過程

鉆具組合下至預(yù)定井段805m, 緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具,開泵并逐漸增大排量至25L/s, 此時(shí)觀察泵壓升至15MPa 后, 基本保持穩(wěn)定。此時(shí), 泥漿有煤屑返出, 可以判斷水力射流造穴工具開始作業(yè)。保持25～28L/s 大排量循環(huán)并觀察泵壓表保持15 ～16MPa, 轉(zhuǎn)速10～15 轉(zhuǎn)/min; 20 分鐘左右返出煤屑明顯減少, 下放鉆具0．2m, 緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具, 開泵建立循環(huán)并逐漸增大排量。重復(fù)上述動(dòng)作, 下放鉆具至設(shè)計(jì)洞穴頂部后, 水力射流造穴作業(yè)完成。

⑥換鉆具

水力射流造穴作業(yè)完成后, 循環(huán)通井, 停泵,上提鉆具, 卸下D152mm 鉆頭+D145mm 轉(zhuǎn)換接頭+D145mm 水力射流造穴工具, 安裝ZXQ145- 1000機(jī)械造穴工具+D121mmDc ×1 根+D88．9mm 方鉆桿。

⑦ZXQ145- 1000 機(jī)械造穴工具井口試驗(yàn)

為了保證機(jī)械造穴工具井底作業(yè)的可靠性, 在井口做ZXQ145 - 1000 機(jī)械造穴工具的刀桿張開和收縮試驗(yàn)。

⑧下ZXQ145- 1000 機(jī)械造穴工具鉆具組合

⑨ZXQ145- 1000 機(jī)械造穴工具造穴過程

將鉆具下到設(shè)計(jì)擴(kuò)孔段底部, 保持鉆具高度位置不動(dòng), 緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具, 開泵建立循環(huán)并逐步增加排量至20L/s。注意隨時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩, 而后隨扭矩變化調(diào)整降低排量至15～20L/s, 轉(zhuǎn)速40 轉(zhuǎn)/min, 控制扭矩在3KNm 以內(nèi)。

當(dāng)扭矩下降并保持穩(wěn)定時(shí), 停泵, 停轉(zhuǎn)盤, 緩慢上提鉆具0．1m, 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤, 轉(zhuǎn)速保持在40 轉(zhuǎn)/min, 開泵并保持排量15 ～20L/s, 控制扭矩在3KNm 以內(nèi), 繼續(xù)擴(kuò)孔施工。每上提200mm, 重復(fù)上述操作, 直到鉆具上提距離達(dá)到設(shè)計(jì)的洞穴的高度。

⑩起出鉆具和造穴工具, 復(fù)合造穴成功。

(3) 應(yīng)用效果

該井成功實(shí)施了SL145 水力射流+ ZXQ145 -1000 機(jī)械工具組成的復(fù)合造穴技術(shù), 洞穴高度達(dá)到5 米, 造穴效率明顯提高。

7 結(jié)論

(1) 復(fù)合造穴技術(shù)是一種有效的煤層氣井裸眼洞穴造穴技術(shù), 既能可靠地保證煤層氣井對(duì)洞穴的規(guī)則性及尺寸要求, 又能夠保證造穴施工的快速、安全。

(2) 從水力射流造穴工具以及機(jī)械造穴工具的現(xiàn)場(chǎng)使用可以看出, 所自主研發(fā)的造穴工具性能穩(wěn)定可靠, 使用壽命長(zhǎng), 并可重復(fù)使用, 降低施工成本。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明, 復(fù)合造穴技術(shù)具有造穴效率高、安全性高、現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn), 能夠滿足各類煤層氣井造洞穴的要求, 為煤層氣的高效開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

[1] 鄭毅．黃洪春．中國(guó)煤層氣鉆井完井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向．石油學(xué)報(bào), 2002, 3 (23) ： 81～85．

[2] 石連臣．對(duì)煤層氣井施工技術(shù)的認(rèn)識(shí)．探礦工程,1999, 1： 20～23．

[3] 馬永峰．美國(guó)西部盆地煤層氣鉆井和完井技術(shù)．石油鉆采工藝, 2003, 8 (4) ： 32～34．