煤層氣215.9mm井眼水平井絨囊鉆井液技術(shù)

孫法佩 張 杰 李 劍 李 翔 鄭

(1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011;2.北京力會瀾博能源技術(shù)有限公司公司,北京 102200)

E J2井為國內(nèi)煤層氣首例長距離、大口徑、煤層下套管完井的水平對接井。由于煤層水平段鉆進距離長,且煤質(zhì)較軟,易發(fā)生坍塌掉塊,引發(fā)井下復(fù)雜。因此要求在安全的前提下,鉆井液具有良好的潤滑性、高效攜巖能力及優(yōu)良的抑制防塌能力,以及有利于機械鉆速的提高。同時希望鉆井液能有很好的保護煤層氣儲層的效果。而煤層氣儲層保護所需要的性能,絨囊鉆井液能夠滿足。含絨囊結(jié)構(gòu)的鉆井液具有良好的流變性、濾失性、潤滑性以及強剪切稀釋性,能夠滿足作業(yè)過程中遇到的上述問題。

絨囊是一種由多種高分子有機物合成的囊狀結(jié)構(gòu)。進入地層后,在地層壓力和溫度的共同作用下,絨囊通過粘附、堆積、拉伸等形式封堵各種類型裂縫性漏失地層,提高地層承壓能力;加入一定量的粘土抑制劑,提高了絨囊鉆井液的抑制性,防止粘土礦物水化膨脹、分散,維持井壁穩(wěn)定,有效防止因坍塌掉塊引發(fā)的井下復(fù)雜。同時,絨囊鉆井液通過控制漏失量達到儲層保護目的。實踐表明,絨囊鉆井液在E J2井的成功應(yīng)用,為該地區(qū)及其它地區(qū)相似完井方式,積累了寶貴的經(jīng)驗。

1 工程與地質(zhì)簡況

大寧-吉縣地區(qū)地層為典型的華北地區(qū)地層。地層由上至下依次為新生界第四系、中生界三疊系、古生界二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、太古界涑水群。其中主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)的山西組和太原組及石炭系本溪組。而E J2井自上而下鉆遇地層新生界第四系,中生界三疊系,古生界二疊系。

新生界第四系地層以上部為土黃色砂質(zhì)粘土、粉砂,下部為雜色河床礫石層,膠結(jié)性差,易漏失;

中生界三疊系劉家溝組地層為大段棕紅、灰綠、灰色、灰白色中砂巖,易漏失;

古生界包括石千峰組、石盒子組、山西組、太原組等。石千峰組地層以棕紅色泥巖與淺灰色砂巖為主,容易水化、分散造漿,頂部易漏、易垮塌掉塊;石盒子組中上部地層以巨厚層狀棕褐色泥巖和砂質(zhì)泥巖為主,井壁易垮塌、掉塊,下部為中厚層狀深灰色細砂巖、粗砂巖和含礫粗砂巖,底部砂巖較發(fā)育;山西組地層巖性以厚層狀深灰色泥巖夾薄層灰白色細砂巖為主,其次為泥質(zhì)砂巖及煤層,其中山西組5#煤層為目的主煤層,煤質(zhì)較軟,易發(fā)生坍塌掉塊,引發(fā)井下復(fù)雜;太原組地層巖性為灰色泥晶灰?guī)r、灰黑色泥巖夾薄煤層,煤層易垮塌掉塊。

E J2水平井一開于2011年3月17日開鉆,采用膨潤土鉆井液φ444.5mm鉆頭鉆至井深107.6m,套深φ339.7mm×107.6m。二開于2011年3月21日開鉆,采用聚合物鉆井液φ311.15mm鉆頭鉆至井深750m造斜,二開完鉆井深 1208.5m,套深φ244.5×1206.5m。三開儲層水平井段于2011年5月31日開鉆,采用絨囊鉆井液φ215.9mm鉆頭鉆至井深1961.5m與 E JV直井對接,三開完鉆井深1981.45m,套深φ139.7×1962m。

2 施工技術(shù)難點

鉆井過程,在鉆具組合一定的情況下,地下復(fù)雜情況只能靠鉆井液和地面固控設(shè)備改進。煤層氣儲層地下情況極其復(fù)雜,使鉆井液和地面固控設(shè)備在煤層氣的開發(fā)過程中面臨著巨大的考驗。

2.1 鉆井液技術(shù)難點

鉆前,215.9mm井眼、水平鉆井要求的鉆井液性能成為鉆井順利的關(guān)鍵。

(1)山西組5#煤層裂縫發(fā)育,易漏失問題。

煤層自身割理、裂縫發(fā)育,承壓能力不強,地層壓力低不能負擔(dān)鉆井液自身形成的液柱壓力,鉆井液應(yīng)用過程中容易造成過平衡,過高的液柱壓力易壓漏地層,引起漏失。

(2)長裸眼的井壁穩(wěn)定問題。

目的煤層抗壓和抗拉強度小,脆性大,膠結(jié)性差。煤巖的上部或者下部往往存在炭質(zhì)泥巖或者泥質(zhì)含量很高的劣質(zhì)煤屑,這些成分對水有很強的敏感性,吸水性強;在水平井段鉆進時,井眼煤系地層在喪失下傾支撐作用時,由于受上覆壓力的作用以及重力作用,煤巖完全失去了力學(xué)穩(wěn)定性,井壁容易失穩(wěn)、坍塌。

(3)長裸眼井段的潤滑降摩阻問題。

水平井鉆井中鉆柱摩阻隨井斜角增大而變大,鉆柱摩阻與井壁接觸面積增大而增大。目的層屬易漏失、易坍塌井段,為了防止卡鉆事故,頻繁起下鉆,破壞均質(zhì)井壁形成,鉆進過程不易形成泥餅,造成潤滑性變差,摩阻增大,不利于井下安全。

(4)長水平井段的井眼清潔問題。

在目的層段施工過程中,由于井壁不穩(wěn)定,容易導(dǎo)致井眼進一步的擴大,形成大肚子井眼,增大巖屑的上返難度,特別是在水平段形成巖屑堆積,形成巖屑床,產(chǎn)生阻卡,嚴重影響井下安全。如采用膨潤土漿鉆井,攜巖能力增大卻使流變性變差,清水鉆井能夠充分發(fā)揮水馬力的動力作用,但攜巖能力差。如何保證鉆井液的性能,使之有效攜巖成為鉆井能否順利進行的重要問題。

(5)水平段儲層保護問題。

由于煤巖孔隙度低,當鉆井液濾液進入煤巖后,煤基質(zhì)膨脹會引起煤巖裂隙孔隙度和滲透率降低;鉆井液中的固相顆粒沿裂隙流動,也會殘留在孔隙中無法清除,對儲層造成永久性傷害。外來流體與儲層中粘土礦物不配伍,會引起粘土礦物水化膨脹、分散及絮凝沉淀,還有可能與儲層流體的無機鹽結(jié)合形成鹽垢,造成儲層傷害。

2.2 鉆井設(shè)備技術(shù)難點

E J2井目的煤層屬易漏失、易坍塌地層,鉆井液儲量充足才能保證鉆井順利進行。同時鉆井液中有害固相的處理成為對固控設(shè)備的另一個考驗,解決這兩個問題是鉆井施工中的另一個關(guān)鍵。

(1)儲備罐數(shù)量不足。

現(xiàn)場缺少儲備鉆井液的泥漿罐,鉆井過程由于對地下情況預(yù)測不準確,難免出現(xiàn)惡性的漏失及坍塌掉塊地層,當發(fā)生井下復(fù)雜時,由于儲備罐不足,很難及時配制出鉆井液,容易加重井下復(fù)雜情況。

(2)固控設(shè)備不完善。

快速鉆進過程,固控設(shè)備不能及時將固相含量控制在0.3%以下,使鉆井液密度升高,液柱壓力增加,容易壓漏地層;同時固相含量過高,潤滑性降低,摩阻和扭矩增大,不利于井下安全。

3 解決思路及方案

三開結(jié)合該區(qū)塊煤質(zhì)軟,易發(fā)生漏失、坍塌掉塊等井下復(fù)雜,膨潤土、清水鉆井液已經(jīng)不能滿足地層對鉆井液性能的要求,為了提高攜巖效率、提高鉆井液抑制性,保證煤層段鉆進安全。甲方經(jīng)過多方調(diào)研,決定三開水平段采用絨囊鉆井液。絨囊鉆井液體系可以及時調(diào)整鉆井液密度,平衡地層壓力,防止井壁坍塌;適當增加鉆井液體系中囊泡比例,可以有效暫堵漏失通道,提高地層的承壓能力;通過改變處理劑加量,在保證鉆井液流變性能的情況下,提高攜巖能力;加入粘土抑制劑,在改變鉆井液的抑制性等方面都能取得較好的效果。

3.1 利用絨囊結(jié)構(gòu)密度可調(diào)、暫堵特性,應(yīng)對地層漏失

煤層氣開采過程中,造成地層壓力不足,地層壓力系數(shù)降低,常規(guī)鉆井液體系開采過程容易造成過平衡,絨囊鉆井液密度調(diào)節(jié)范圍廣,可以在0.75～1.5g/cm3之間任意調(diào)節(jié),體系性能穩(wěn)定。通過改變鉆井液體系中囊泡比例,可以有效平衡漏失地層壓力,減小壓漏地層的可能;同時對于漏失地層,絨囊鉆井液在進入漏失通道時,低剪切速率下的高粘度特性,足以使得高分子聚合物在井壁形成薄粘膜,增加流體進入地層的阻力,提高地層的承壓能力,保證施工順利進行。

3.2 利用絨囊結(jié)構(gòu)是由多種高分子組成的特性,提高鉆井液的性能指標

絨囊鉆井液由于自身結(jié)構(gòu)的特殊性,加入成核劑、成膜劑經(jīng)過循環(huán)后,提高了囊泡含量,增加動塑比,有效改善攜巖能力,保證井眼清潔;加入囊層劑、絨毛劑,保證囊泡的穩(wěn)定性,在地層溫度和壓力的共同作用下,改變囊泡的大小,增加流體進入地層的阻力,提高了地層承壓能力,在薄粘膜的作用下,有效降低濾失量;絨囊鉆井液中加入一定量的粘土抑制劑,防止粘土礦物水化分散、膨脹,提高了絨囊鉆井液的抑制性,維持井壁穩(wěn)定,有效防止因坍塌掉塊引發(fā)的井下復(fù)雜。

3.3 利用絨囊結(jié)構(gòu)處理劑可降解的特性,保護儲層

儲層段采用無固相絨囊鉆井液鉆進,該鉆井液是由多種大分子構(gòu)成的有機物合成體,在地層壓力和溫度的共同作用下,絨囊結(jié)構(gòu)有效封堵煤層,避免儲層深部污染。然后該有機合成體可以在高溫高壓下分離,在地層細菌的作用下降解,使之達到降低儲層損害的目的;在儲層段加入粘土抑制劑,抑制煤系地層中的粘土分散,從而降低堵塞通道、影響產(chǎn)能的可能性。

3.4 利用現(xiàn)場設(shè)備調(diào)整絨囊鉆井液性能

利用現(xiàn)場現(xiàn)有條件,通過內(nèi)循環(huán)調(diào)整絨囊鉆井液性能,保證密度滿足鉆井作業(yè)要求;發(fā)揮固控設(shè)備的作用,降低固相含量,保證絨囊鉆井液的潤滑性,減少摩擦力,維持井壁穩(wěn)定,確保井下安全。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

E J2井一開井段采用膨潤土鉆井液,無復(fù)雜事故發(fā)生,鉆進順利;二開井段采用常規(guī)聚合物鉆井液,無復(fù)雜事故發(fā)生,鉆進正常,但由于流變性的限制,攜巖效果一般;三開水平段采用絨囊鉆井液,整個儲層段鉆進過程無復(fù)雜事故發(fā)生,順利完鉆。于2011年6月7日鉆至井深1961.5m與 E JV直井對接,于 6月 8日三開完鉆,完鉆井深1981.45m,套深 φ139.7×1962m,平均機械鉆速5.1m/h。

4.1 鉆井液配方調(diào)整

E J2井三開儲層水平段采用絨囊鉆井液體系：清水+0.4%～0.6%囊層劑+0.6%～0.8%絨毛劑+0.05%～0.1%成核劑+0.6%～0.8%成膜劑+3%～5%氯化鉀+20%～40%重晶石;在儲層水平段鉆進,加入囊層劑、絨毛劑提高體系粘度切力,保證鉆井液具有足夠強的攜巖能力;加入成核劑維持體系中絨囊數(shù)量,控制漏失,有效保護儲層;加入氯化鉀,增強絨囊鉆井液抑制性,維持井壁穩(wěn)定。

4.2 鉆井液性能

地面監(jiān)測密度使用常規(guī)泥漿密度秤,流變性使用常規(guī)六速旋轉(zhuǎn)粘度計。E J2井三開水平段采用絨囊鉆井液鉆進,密度保持1.15～1.18g/cm3,漏斗粘度在45s以上,失水小于4mL/30min,動切力9～13Pa,動塑比保持在0.45以上。鉆進過程中絨囊鉆井液剪切稀釋性較好,利于提高攜巖效率;及時除去有害固相,有利于提高機械鉆速;同時絨囊鉆井液具有良好的潤滑性與抑制性,可有效防止井下復(fù)雜事故的發(fā)生,保證了工程的順利的完成。

5 結(jié)論與認識

絨囊鉆井液體系穩(wěn)定,配制簡單,不需要附加特殊設(shè)備,在連續(xù)相中直接加入處理劑即可配制出絨囊鉆井液。每天根據(jù)鉆遇地層要求,加入不同的處理劑維護鉆井液性能,使鉆井液性能滿足地層要求,保證井下的正常鉆進。

(1)流變性好。絨囊鉆井液動塑比保持在0.45以上,有效提高攜巖能力;該結(jié)構(gòu)是由多種大分子有機物構(gòu)成,潤滑性好降低井底的摩阻,提高鉆井效率。

(2)防漏能力強。絨囊鉆井液依靠自身特殊的囊泡結(jié)構(gòu),通過循環(huán)調(diào)節(jié)鉆井液體系中囊泡比例,實現(xiàn)低剪切速率下的高粘度,使高分子聚合物在井壁形成薄粘膜,增加流體進入地層的阻力,有效封堵了漏失地層,降低濾失量,有利于儲層保護。

(3)抑制性好。絨囊鉆井液中加入抑制劑有效抑制煤層粘土礦物水化膨脹,維持井壁穩(wěn)定,同時減輕儲層傷害。

(4)承壓能力強。應(yīng)用絨囊鉆井液在高于地層壓力系數(shù)下工作正常,提高地層承壓能力,為提高鉆井液密度控制井壁失穩(wěn)創(chuàng)造了條件。

(5)不影響其它作業(yè)。一般微泡鉆井液在應(yīng)用過程中,由于含大量氣泡,在應(yīng)用MWD時,信號傳輸能力差,影響施工順利進行,絨囊鉆井液雖然是泡狀結(jié)構(gòu),但現(xiàn)場應(yīng)用證明不會對MWD信號傳輸產(chǎn)生影響,且不影響井下動力鉆具的使用。

E J2井采用新技術(shù)絨囊鉆井液鉆進,克服了鄰井鉆井過程中因坍塌掉塊引發(fā)的事故,全井無漏失、坍塌掉塊,無復(fù)雜情況發(fā)生,保證施工順利進行;同時有效地提高了機械鉆速,縮短鉆井周期,大幅度地節(jié)約井隊、定向、錄井、地質(zhì)勘探等費用,展現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益,為煤層氣水平井鉆井開拓出一條新的思路。

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