煤層氣井鉆井工藝及完井技術(shù)適應(yīng)性研究

涂 乙 涂 輝 臧真霞

(1.中國石油大學(xué) (北京)石油工程學(xué)院,北京 102249;2.四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川 643000)

在煤層氣勘探和開發(fā)過程中,由于各種不合適的鉆、完井工藝會對煤層氣井儲層造成很大傷害,影響煤層氣的產(chǎn)出量,對后續(xù)的補救措施也會帶來很大的麻煩,從而嚴重影響最終的采收率,因此,有必要針對煤層氣井儲層特征,進行鉆井工藝和完井技術(shù)適應(yīng)性研究和探討,選出有效的鉆井和完井工藝措施,加強儲層的保護,避免或者減小對儲層的傷害,這對提高煤層氣井產(chǎn)氣量具有很實際的意義。

1 鉆井工藝優(yōu)選方案

鉆井過程中誘發(fā)煤層氣損害的根源是鉆井液,趙慶波、楊勝來等通過研究認為,其對煤層的傷害主要為以下幾個方面：(1)鉆井液中固相顆粒對煤層的損害;(2)煤與鉆井液中的高分子聚合物相互作用產(chǎn)生的堵塞; (3)煤基質(zhì)吸附膨脹造成的損害;(4)壓力敏感性對煤層的損害。

據(jù)對儲層傷害研究分析得到,低壓鉆井工藝是一種相對于常規(guī)鉆井方法來講,其液柱壓力較低的鉆井方法,但其值或小于 (欠平衡)或等于 (平衡)、或略大于 (微過平衡)地層壓力;也就是說鉆井流體可以是水、油基鉆井液,或是氣基流體。其優(yōu)點在于：能使煤層處于受低壓的解放狀態(tài),從而有效地降低了壓差,減少了鉆井液中有害物質(zhì)侵入煤層的機會,有利于保護煤層氣儲層。從保護儲層的角度來考慮,在鉆井過程中應(yīng)采用既能降低傷害,又具有抑制濾液類型的鉆井液。屬于這種鉆井工藝的鉆井技術(shù)有：欠平衡鉆井即氣體和霧化鉆井、清水、泡沫鉆井、邊噴邊鉆和微過平衡鉆井。

1.1 欠平衡鉆井

1.1.1 氣體和霧化鉆井

據(jù)油田實踐經(jīng)驗可知,氣體和霧化鉆井常用于干旱缺水和漏失地區(qū),在使用空氣、霧化空氣或泡沫進行鉆進時,由于空氣循環(huán)使煤層氣儲層很少能接觸到固體顆粒和化學(xué)添加劑,而且對煤層施加的靜水壓力也是最小的,故可有效地保護煤層氣儲層。

1.1.2 清水鉆井

據(jù)理論分析研究顯示,在用鉆井液來控制地層壓力,優(yōu)先使用產(chǎn)出的地層水或者加有少量膨潤土提高粘度的清水,使用這種清水作為鉆井液,能夠降低鉆井過程中的壓差和成本,可減少儲層中的礦物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)及粘土顆粒的膨脹,從而降低對儲層的傷害。

1.1.3 泡沫鉆井

泡沫流體一般分為硬膠泡沫和穩(wěn)定泡沫。前者是由氣體、牯土、穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑配成的穩(wěn)定性比較強的分散體系;穩(wěn)定泡沫是指空氣、漉體、發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑配成的分散體系。硬泡沫用于需要泡沫壽命長,攜屑能力強的場所。該鉆井液是在普通低固相鉆井液中加入發(fā)泡劑與穩(wěn)定劑配置的鉆井液體系,其密度在0.8～1.10g/cm3之間可調(diào),成本低,濾失量低等,能有效地保護煤層氣儲層。

1.1.4 邊噴邊鉆

上述氣體型鉆井液及相應(yīng)鉆井技術(shù)多用于地層壓力較低的油氣藏,在鉆井過程中,井口回壓一般均較低。而對于地層壓力較高的油氣藏,如地層壓力系數(shù)大于1.0,為了實行欠平衡壓力鉆井,則可以采用非氣體型鉆井液,只是控制當(dāng)量循環(huán)鉆井液密度低于地層壓力系數(shù)即可。這種情況下的井口回壓有時可能較高。

1.2 微過平衡鉆井

據(jù)調(diào)研相關(guān)資料了解到,采用液相鉆井液進行鉆井時,如果采用欠平衡鉆井,或者采用平衡壓力鉆井,會出現(xiàn)鉆井液無法在孔壁上形成泥餅情況、從而導(dǎo)致鉆井液在地層內(nèi)失水量的增加和固相的侵入,所以存在一最小過平衡壓力,其定義為鉆井液能在井壁上形成泥餅時的鉆井液液柱壓力,其大小與鉆井液的流變性和特定現(xiàn)場條件有關(guān),可以利用室內(nèi)所測的鉆井液流變性和模擬特定現(xiàn)場條件下的巖心動失水試驗數(shù)據(jù)確定。在這一過平衡壓力下的鉆井工藝稱為微過平衡鉆井工藝。

2 煤層氣常用完井方式分析研究

煤層氣完井技術(shù)是煤層氣開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)煤層性質(zhì),合理選擇完井和井底連通參數(shù),加強完井作業(yè)中對煤層的保護、降低煤層傷害,有利于延長煤層氣井的生產(chǎn)時間,提高煤層氣井產(chǎn)量。

據(jù)王璽研究發(fā)現(xiàn)對儲層造成傷害的因素有：(1)水泥顆粒對煤層割理和孔隙的堵塞;(2)水泥漿濾液對煤層的傷害;(3)水泥漿液柱與煤層之間的壓力差;(4)射孔作業(yè)對煤儲層的傷害等。

2.1 裸眼洞穴完井

裸眼洞穴完井方式 (圖1)是在裸眼完井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種獨特的煤層氣完井方式。在較高的生產(chǎn)壓差作用下,利用井眼的不穩(wěn)定性,在井壁煤巖發(fā)生破壞后允許煤塊塌落到井筒中,進而形成物理洞穴 (自然裸眼洞穴完井)。采用先期裸眼完井,避免了固井、射孔等作業(yè)對煤層的傷害,為在鉆開煤層時采取保護煤層的措施提供了良好的井眼條件,同時節(jié)約了套管和水泥。

圖1 裸眼洞穴完井示意圖

將技術(shù)套管鞋下入頂板內(nèi),管鞋與煤層的距離為1～2m,且越靠近煤層越好。技術(shù)套管直徑不小于177.8ram,鉆頭尺寸要保證與技術(shù)套管之間有足夠的水泥環(huán)厚度,從而保證技術(shù)套管固井質(zhì)量。

現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn),裸眼洞穴完井具有良好的遠期經(jīng)濟效益。裸眼洞穴完井僅從完井作業(yè)或強化增產(chǎn)措施方面評價,成本的確相對較高,但從總投入與產(chǎn)出比分析,洞穴完井的相對成本較低。在煤層氣富集區(qū)域,成功的裸眼洞穴完井可以使產(chǎn)量成倍地增加。

2.2 動力洞穴完井

人工施加壓力 (從地面注氣),使井壁煤層發(fā)生破壞,再清除井底的煤粉,進而形成物理洞穴(動力或人工洞穴完井)。

圖2 動力洞穴完井地面流程

動力洞穴完井工藝技術(shù) (圖2)從鉆井、完井、排水采氣的整個工序過程與其它完井方法相比,具有不進行單相注入/壓降試井和壓裂等措施就可以達到單井面積降壓、恢復(fù)和提高煤層滲透率等優(yōu)點。該工藝方法同樣適用于煤層割理發(fā)育,物性較好、封蓋條件好、厚度大、含氣量及解吸率高的中低揮發(fā)份 (中高煤階)的煤巖儲層。局限性在于洞穴完井工藝成功需要高滲透率、超壓和高揮發(fā)份煙煤階幾種條件的結(jié)合。

位于山西臨縣程家塔鄉(xiāng)后南裕村的LX20001井使用這種完井技術(shù),其煤層通過人工造穴后,其滲透率比造穴前提高了近8.2倍,證明動力洞穴完井工藝是可取的。目前美國的圣胡安盆地有不少成功的經(jīng)驗及實例,我國雖然在幾個地區(qū)也陸續(xù)進行過試驗,但尚未進入大規(guī)模實戰(zhàn)階段,預(yù)計在今后的煤層氣勘探及開發(fā)領(lǐng)域中,會更多的使用這種技術(shù)。

2.3 套管射孔壓裂完井

美國大多數(shù)西部煤層盆地的煤層氣井都是采用下套管并壓裂的鉆井工藝 (圖3),下套管完井工藝可以避免裸眼完井工藝所帶來的問題。其主要優(yōu)點是可對不同的煤層實行單獨的完井鉆,井時不會出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定問題,使用鉆井液鉆井時可對大規(guī)模的水侵和氣侵進行有效控制。

圖3 射孔壓裂完井方式

國內(nèi)98%的煤層氣井采用套管射孔壓裂完井,但壓裂液選擇不當(dāng)則會造成煤孔隙的堵塞。對像中國這樣的低壓煤層氣儲層用泡沫壓裂液就非常合適,可以達到快速返排的目的。根據(jù)國內(nèi)沁水盆地南部主力煤層實施的泡沫壓裂試驗結(jié)果,泡沫壓裂效果比較好,返排快,產(chǎn)氣相對較高,壓裂成本高。

獲得高產(chǎn)的原因是在煤層人工形成裂縫,從而增大了滲流面積、改善了滲流方式,人工形成的長裂縫有利于煤層深處甲烷氣解析并流到井筒中去。

[1] 涂乙,鄒來方,汪偉英,等.煤層氣井儲層的傷害及優(yōu)選保護鉆井工藝 [J].油氣田地面工程,2010,29(2)：4-6.

[2] 趙慶波等著.煤層氣地質(zhì)與勘探技術(shù).北京：石油工業(yè)出版社,1999,74-89.

[3] 楊勝來,楊思松,高旺來.應(yīng)力敏感及液鎖對煤層氣儲層傷害程度實驗研究 [J].天然氣工業(yè) [J],2006,26(3),90-94.

[4] 符黨替,崔迎春,王成彪.煤層氣井儲層保護鉆井工藝 [J].煤田地質(zhì)與勘探,2001,29(3).

[5] 鮮保安,孫平,王一兵,等.煤層氣水平井欠平衡鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用 [J].中國煤層氣,2008,23(1),41-43.

[6] 王璽.煤層氣井完井及保護煤層技術(shù)初探 [J].中國煤層氣,1995,(1)：61-63.

[7] 顧維軍,王倩.煤層氣井動力洞穴完井工藝 [J].油氣井測試,2000,9(2)：50-52.

[8] 康園園,邵先杰,石磊,等.煤層氣開發(fā)技術(shù)綜述[J].中國煤炭地質(zhì),2010,22(增刊)：43-46.