煤層氣洞穴-篩管完井工藝

李宏欣 張學(xué)峰

(1.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司,河南 450016;2.河南豫中地質(zhì)勘察工程公司,河南 450053)

為了改變煤層透氣性差設(shè)計采用洞穴-篩管完井這一技術(shù),目的在于有效擴(kuò)大煤儲層暴露面積或滲流面積,最大限度降低鉆井液和固井水泥漿對煤儲層的傷害,保持煤儲層和井筒之間最佳的連通條件,煤層氣流達(dá)到井口的阻力最小。采用該技術(shù)和常規(guī)的施工方法及工作內(nèi)容一樣,完鉆后在煤層段利用造穴工具對煤層段造洞穴,施工工藝簡單,操作方便,施工時間短、成本低。

1 研究區(qū)地質(zhì)及煤層氣開采狀況

1.1 地質(zhì)

井田地層自下而上為寒武系上統(tǒng)崮山組;石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組;二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組,上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組;三疊系下統(tǒng)劉家溝組及第四系,總厚約1400m。其中石炭系上統(tǒng)太原組-二疊系上統(tǒng)上石盒子組為含煤地層,二疊系的山西組為主要的含煤地層,含主要可采煤層二1煤。因此,該井田的開采煤層和本次研究的目的層為二1煤層。

1.2 煤層氣的儲存和開采情況

井田內(nèi)二1煤頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,其厚度一般為2.00～15.00m,厚-巨厚層狀,致密,巖石完整,裂隙不發(fā)育,該井田參數(shù)井煤層頂板巖石取樣測試滲透率為0.03～0.038×10-3μm2;證明二1煤層頂板滲透性差,隔水性好,是一層很好的氣蓋層。

煤層底板一般為厚0.5～2m的泥巖或炭質(zhì)泥巖,其下巖性多為砂質(zhì)泥巖,厚5～10m,井田參數(shù)井煤層底板巖石取樣測試滲透率為0.045×10-3μm2;證明二1煤層底板滲透性差,隔水性好。

井田內(nèi)二1煤層的頂、底板在整個巖性組合上基本相同,即均覆蓋著一套氣密性較好、厚度較大的泥巖、砂質(zhì)泥巖,二1煤層吸附能力強(qiáng),使煤層氣大部分被圈閉在煤層中以原地吸附的形式保存,有利于形成原生煤層氣藏。

煤層上覆有效地層厚度控制著煤層含氣性,本區(qū)二1煤層埋深一般650～1000m,上覆有效地層厚度一般為600～950m,煤層氣逸散的氣量較少,煤層氣含量高。

(1)煤層氣含量

地質(zhì)勘探時期鉆孔瓦斯含量：二1煤層所測瓦斯含量變化范圍為3.15～15.52m3/t·r,屬于高瓦斯含量區(qū);同一煤層在南北傾向上瓦斯變化不甚明顯;沿走向從西向東瓦斯含量逐漸增高,變化規(guī)律明顯。

已揭露的工作面瓦斯涌出情況：回采期間瓦斯絕對涌出量4.193～15.823m3/min,掘進(jìn)工作面在0.82～5.62m3/min,相對瓦斯涌出量在11.483～17.189m3/t。二1煤層為突出煤層,礦井為煤與瓦斯突出礦井。

本次所布設(shè)的地面參數(shù)為生產(chǎn)試驗井所測的4個吸附樣,樣品的空氣干燥基煤層含氣量為5.86～12.31cm3/g,平均8.21cm3/g。

(2)井下工作面本層鉆孔瓦斯抽采量

己2采區(qū)綜采工作面瓦斯抽采量為0～8.15m3/min,己2采區(qū)掘進(jìn)面瓦斯抽采量為3.32m3/min。由于煤層透氣性系數(shù)較低,井下鉆孔瓦斯抽采率較低。

(3)礦井瓦斯抽采量

礦井瓦斯抽采量包括綜采工作面、綜掘工作面、預(yù)抽工作面、采空區(qū)、老空區(qū)等地點(diǎn)瓦斯抽采量。經(jīng)計算礦井瓦斯抽采量為42.51m3/min。瓦斯抽采系統(tǒng)服務(wù)年限與礦井生產(chǎn)服務(wù)年限相同。

2 煤層氣洞穴-篩管完井工藝的原理與鉆孔設(shè)計

2.1 原理

洞穴完井是單一厚煤層重要的煤層氣增產(chǎn)完井技術(shù)之一。增產(chǎn)機(jī)理在于對煤儲層周期性的壓力激動,導(dǎo)致煤層內(nèi)微裂隙和割理受到波動壓力作用而產(chǎn)生縱橫向的擴(kuò)張和擴(kuò)展。施工采用噴射式造穴器進(jìn)行水力沖洗、擴(kuò)眼、激勵、破碎、清洗等組合技術(shù),在煤層段營造一個合適規(guī)模的洞穴,用來釋放煤層部分地應(yīng)力,同時使煤層段的應(yīng)力場分布均一化;然后對裸眼洞穴煤層實(shí)施水力加砂壓裂,壓裂液選用活性水,支撐劑選用粗石英砂,壓裂結(jié)束后,控制壓裂液排放速度,防止洞穴過度坍塌,然后再采用水力沖洗、破碎、清洗等技術(shù),對裸眼洞穴進(jìn)行有效清理。洞穴清理完畢后,在裸眼洞穴段下入預(yù)制好的鉆孔篩管,篩管下部支撐于井底,上部進(jìn)入生產(chǎn)套管內(nèi)5m左右。

這一技術(shù)可以有效擴(kuò)大煤儲層暴露面積或滲流面積,最大限度降低鉆井液和固井水泥漿對煤儲層的傷害。最近,在平頂山十三礦成功地完成了一組洞穴-篩管煤層氣生產(chǎn)實(shí)驗井。洞穴完井工藝技術(shù)概括為：鉆頭鉆至煤層頂界上3m時停止鉆進(jìn),進(jìn)行裸眼地球物理測井,下技術(shù)套管,注水泥固井候凝后,再從技術(shù)套管中下入小一級的鉆頭鉆穿煤層至底板下10m完鉆。在完成該段裸眼測井和前一階段的固井測井后,下入噴射式造穴器對煤層段造穴,洞穴直徑達(dá)到1.2m時停止造穴。對裸眼洞穴煤層實(shí)施水力加砂壓裂后,再下入鉆具對裸眼洞穴進(jìn)行有效徹底清理,最后在裸眼煤層段及以下井段安裝懸掛式割縫篩管,并密封襯管和套管之間的環(huán)形空間。煤層氣可以流過篩管割縫進(jìn)入井筒。割縫襯管完井它既有裸眼完井的作用,又防止裸眼井壁坍塌堵塞井筒,同時在一定程度上起到防砂的作用。施工工藝簡單,成本較低。

割縫襯管鉆完井方法比常規(guī)套管完井鉆井方法具有的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)在煤層段使用近平衡或欠平衡鉆進(jìn)能有效降低鉆進(jìn)過程中鉆井液對煤儲層的浸泡侵害;常規(guī)套管完井在下套管固井作業(yè)時水泥漿加深對煤儲層的污染,同時在坍塌的煤層段形成一個厚大水泥石墩既增加射孔的難度,也造成井壁附近滲透率的降低;

(2)清水造洞穴作業(yè)時基本上消除鉆進(jìn)中可能發(fā)生的煤儲層損傷;也避免了射孔、壓裂等完井施工過程對儲層不同程度的損傷;

(3)射孔完井由于射孔孔眼數(shù)目和位置有限,煤儲層裸露面積少,會使煤層氣流入井筒的阻力大;而洞穴篩管完井有效擴(kuò)大煤儲層暴露面積或滲流面積,煤層氣流達(dá)到井口的阻力最小;

(4)減少套管和固井水泥的用量,減少射孔前后兩次測井的工作量,也不再進(jìn)行要求較高的射孔操作技術(shù);

(5)工藝簡單、操作方便、成本低。

2.2 鉆孔設(shè)計及施工難點(diǎn)

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

洞穴-篩管完井采用三開井身結(jié)構(gòu)方案 (見圖1),一開φ311.15鉆穿第四系黃土層,進(jìn)入穩(wěn)定基巖不少于10m。下入表層套管：φ273.1×7.00mm螺旋管,封隔地表不穩(wěn)定的松散易塌地層、水層、漏層,注1.85g/cm3的水泥漿密度返到地面。二開φ215.9mm鉆頭鉆進(jìn)至二1煤層頂板3m左右中途完鉆下入177.8mm套管至二開井底,注1.85g/cm3的水泥漿密度返到地面。三開φ152mm鉆頭鉆穿二1煤層至底板10m完鉆,在煤層段造洞穴至洞穴直徑達(dá)到1.2m,壓裂洗井后,下入氣層篩管φ139.75×7.72mm鋼級為J55篩管,放置在裸眼煤層及以下井段。

2.2.2 鉆具組合及鉆井參數(shù)

0～50m 311.1mm鉆頭+158.8鉆鋌×8根+方鉆桿;鉆壓 10～30K N,轉(zhuǎn)速 43～110rpm,排量16L/S。

50～760m 215.9mm鉆頭+158.8鉆鋌×8根+88.9鉆桿 +方鉆桿;鉆壓30～80K N,轉(zhuǎn)速43～110rpm,排量16L/S。

760～777m 152.4mm鉆頭+88.9鉆鋌×8根+88.9鉆桿+方鉆桿;鉆壓5～10K N,轉(zhuǎn)速43rpm,排量16L/S。

763.05 ～766.87m噴射式擴(kuò)孔造穴器 (550mm)+88.9鉆桿+方鉆桿;鉆壓0K N,轉(zhuǎn)速43rpm,排量16L/S。

2.3 鉆井液

山西組地層鉆井液體系要求：清水、無粘土和少量粘土優(yōu)質(zhì)鉆井液,鉆井液地面循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置沉淀池、振動篩、除砂器等鉆井液凈化固控裝置。用清水作鉆井液,相對密度控制在1.03g/cm3以下。該區(qū)地層壓力較低,做到煤層井段近平衡鉆進(jìn),能有效地攜帶煤、巖屑;穩(wěn)定和保護(hù)井壁,平衡地層壓力,以保障鉆進(jìn)施工安全。

煤層造穴段鉆井液體系：用清水作鉆井液,密度保持控制在1.03g/cm3以下。

2.4 各次開鉆及分井段施工重點(diǎn)要求

一開鉆進(jìn)：該井段地層主要以第四系表土層為主,含有卵礫石,鉆進(jìn)中要注意①防止井漏、垮塌、防卡。②要嚴(yán)格控制鉆壓,防止井斜,以保證井眼垂直下套管順利。③準(zhǔn)備足夠的堵漏材料,以保證施工的正常進(jìn)行。④確認(rèn)進(jìn)入比較穩(wěn)定的基巖后方可起鉆下套管。

二開、三開鉆進(jìn)：①做好鉆頭及鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)選工作,以提高鉆進(jìn)速度。②嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù),隨鉆電子多點(diǎn)：點(diǎn)/10m測量一次井斜,確保井斜控制在設(shè)計要求的范圍內(nèi),以保證后續(xù)施工的正常進(jìn)行。③起下鉆作業(yè)時,要操作平穩(wěn),禁止猛提猛放,防止壓力激動,破損井壁。

下套管技術(shù)要求：①起鉆前做好下套管的準(zhǔn)備,套管鋼級和壁厚必須符合設(shè)計要求;計算套管下入深度,入井套管必須復(fù)核,下套管必須有下套管記錄;②下套管前進(jìn)行通井,確保井眼暢通;下套管作業(yè)時套管扭矩必須符合規(guī)范要求,保證套管不留余扣,套管串使用標(biāo)準(zhǔn)絲扣密封脂;③下套管過程中及時灌漿,防止套管在井下靜止時間過長;④套管下到位后,先小排量頂通,待暢通后,再大排量充分循環(huán)。

固井主要技術(shù)措施：①固井作業(yè)前,要認(rèn)真測量泥漿性能和井底溫度,讀取電測井徑等,認(rèn)真計算水泥漿等用量。②按設(shè)計要求加扶正器,保證套管居中。下套管到位后,套管內(nèi)灌滿鉆井液,接水泥頭及固井管線。③先小排量打通,確認(rèn)返出正常后,按正常環(huán)空返速循環(huán)清洗井眼1周。④控制合理的注替速度,以減少環(huán)空壓差,注水泥期間,必須有專人監(jiān)控返出的鉆井液中是否有水泥漿。

圖1 井身結(jié)構(gòu)圖

造穴施工措施要求：①根據(jù)鉆井現(xiàn)場實(shí)際情況,選擇確定泥漿泵排量。②下入機(jī)械式造穴工具到設(shè)計洞穴的頂部,緩慢開泵建立循環(huán),并緩慢轉(zhuǎn)動鉆具,要時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。③按照調(diào)整好的排量和轉(zhuǎn)速,進(jìn)行造穴施工作業(yè)。④觀察到鉆具扭矩顯著降低,并持續(xù)一段時間,緩慢向下送鉆,繼續(xù)造穴施工,直到鉆具下送距離達(dá)到設(shè)計的洞穴的高度。⑤停泵終止泥漿循環(huán),緩慢轉(zhuǎn)動鉆具,并緩慢上提鉆具,使機(jī)械式造穴工具刀桿機(jī)構(gòu)收回,起出鉆具和造穴工具,造穴作業(yè)完成。

3 施工工藝和主要施工技術(shù)措施

3.1 施工工藝

一開采用φ311.2mm牙輪鉆頭,鉆進(jìn)至二疊系上統(tǒng)石千峰組平頂山砂巖5～10m左右完鉆;下入規(guī)格為φ273.1×7.00mm表層套管,套管口和地面平。固井水泥漿泛出地面,候凝48小時;二開下入φ215.9mm鉆頭、φ159mm鉆鋌、φ88.9mm鉆桿,鉆進(jìn)至二1煤層頂板3m左右中途完鉆。進(jìn)行裸眼井中途地球物理測井 (包括標(biāo)準(zhǔn)測井、綜合測井、井斜測量)等,用來劃分地層巖性剖面。接著下入鋼級為N80、規(guī)格為 φ177.8×8.05mm技術(shù)套管,套管口比地面高0.25m。固井水泥漿泛出地面關(guān)井候凝48小時。三開下入φ152mm鉆頭、φ88.9mm鉆鋌、φ88.9mm鉆桿,鉆進(jìn)至二1煤層底板10m完鉆。進(jìn)行第二次測井主要確定二1煤層頂?shù)装宓臏?zhǔn)確位置 (包括埋深厚度、煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)以及煤層底板的方位與煤層底板的水平位移)。接著進(jìn)行固井質(zhì)量檢查測井,評價水泥環(huán)膠結(jié)情況等。下入造穴器對煤層段造洞穴,施工達(dá)到設(shè)計的要求后,大排量清洗井眼,將煤屑全面循環(huán)出地面,進(jìn)行升波幅度測井來確定洞穴的形狀和大小,壓裂清洗凈井眼后,在煤層段下入氣層篩管 φ139.75×7.72mm后完井。安裝井口裝置,技術(shù)套管與表層套管之間采用環(huán)形鋼板來固定,井口平正,用井口帽封蓋。恢復(fù)井場至進(jìn)場時原貌。

3.2 洞穴施工

造穴工具采用噴射式擴(kuò)孔造穴器,造穴鉆具采用φ89mm鉆桿,其內(nèi)徑為φ63.5mm較小,鉆井液流速快,擴(kuò)孔造穴器受泵壓作用時作用力作用在割刀上,使噴射器的合金割刀自然翹起,利用高強(qiáng)度水力能量切割造穴。鉆具下井前先對造穴器割刀部位進(jìn)行靈活完好檢查,緩慢開動泥漿泵,當(dāng)泵壓達(dá)2.5MPa時造穴器割刀受力后自然翹起,泵壓慢慢減小時造穴器割刀自然緩慢下落,至恢復(fù)原位。將鉆具下至指定造穴位置-煤層頂板下0.5m處造洞穴起始井深處,記錄方入的準(zhǔn)確位置并把方鉆桿向上相當(dāng)于煤層厚度的位置表示出來,來保證造洞穴施工在煤層段。

在鉆具下至指定造穴位置造穴施工前,人工轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤數(shù)周,沒阻力后使鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為Ⅰ檔,排量有小到大至排量為14L/s,造穴時保證泵壓不低于2.5MPa,鉆井液相對密度為1.03g/cm3,粘度為16s,pH值為8。造穴過程時刻觀察泥漿循環(huán)槽里返出物的變化情況,循環(huán)槽里有不斷的煤油、煤屑小顆粒返出,表明造穴工具井下工作正常,繼續(xù)保持該鉆井參數(shù)。造穴施工中當(dāng)觀察到鉆具扭矩顯著降低,仍保持該鉆井參數(shù)繼續(xù)持續(xù)一段時間,當(dāng)觀察返出井口煤屑量少時,緩慢下放鉆具每次下放0.10m,扭矩會不斷增加到接近原值時,停止下放鉆具保持該鉆具下深位置,其他鉆井參數(shù)不變,繼續(xù)造穴鉆進(jìn),直至鉆具下深至煤層底板以上0.15m即煤層洞穴終止位置。接著在煤層洞穴段緩慢順利上提下放鉆具往返3次后緩慢上提0.5m鉆具后關(guān)閉鉆機(jī)鉆盤、泥漿泵,泵壓為零,停泵終止泥漿循環(huán),使機(jī)械式造穴工具刀桿機(jī)構(gòu)收回,起出鉆具和造穴工具,造穴作業(yè)完成。最后用原鉆具接φ152mm鉆頭下鉆至井底,循環(huán)至井底無煤屑返出后起鉆,造穴結(jié)束。

造穴結(jié)束后,把造穴過程中鉆井液所返出的煤屑樣全部撈出和鉆遇煤層時堆在一起,煤油、煤屑量出其總重量,減去煤樣中水的重量。根據(jù)干煤樣的重量和煤的密度來推算煤層段洞穴容積,作為理想的圓柱狀洞穴容積,有測井所知的煤層厚度來推算洞穴直徑是否符合造穴設(shè)計要求。造穴合格,將孔內(nèi)鉆井液置換成清水,做最后的完井工作。

在煤層氣開發(fā)施工過程中不斷的摸索完井工藝,根據(jù)煤儲層的特性本次主要闡述水力切割煤層產(chǎn)生裸眼洞穴的一種完井方法,總結(jié)出了一整套完井的施工工藝,采用以上施工措施不但縮短了施工工期也降低了施工成本。

4 施工效果評述

該區(qū)塊施工的三口洞穴-篩管完井和常規(guī)套管完井相比是針對低滲低壓儲層的嘗試。常規(guī)套管完井以原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤為主的地區(qū),已有煤層氣開發(fā)成功的經(jīng)驗,是現(xiàn)今廣泛使用的完井方法。但該井田為突出煤層,以碎粒煤、靡棱煤為主,目前還沒有可借鑒的技術(shù)和經(jīng)驗,本次洞穴-篩管完井方法是在本區(qū)的煤層氣研究基礎(chǔ)上采用的完井方法。該技術(shù)施工的井與普通工藝施工的井效果對比,需通過后期的試生產(chǎn)來評價完井的成功與否。

[1] 蘇現(xiàn)波陳江峰等.煤層氣地質(zhì)學(xué)與勘探開發(fā) [M].北京：科學(xué)出版社,2001.

[2] 沈琛主編.井下作業(yè)工程監(jiān)督北京：石油工業(yè)出版社,2005.8.