煤層氣可控水平井洗井工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

李宗源 陳必武 李佳峰 盧 楷 劉 斌 孫 立

(中國石油華北油田公司煤層氣事業(yè)部，山西 046000)

煤層氣可控水平井洗井工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

李宗源 陳必武 李佳峰 盧 楷 劉 斌 孫 立

(中國石油華北油田公司煤層氣事業(yè)部，山西 046000)

煤層段采用篩管完井的新型可控水平井，目前主要采用穩(wěn)定井壁鉆井液體系進行煤層段鉆進，鉆井液污染問題無可避免，如何解除污染成為提高產(chǎn)氣量的關(guān)鍵之一。通過研究煤儲層鉆井液污染機理，配套洗井液、洗井工具、洗井流體及參數(shù)等方面的研究，優(yōu)化形成了旋轉(zhuǎn)分段射流洗井與氮氣負(fù)壓洗井疏通兩種工藝，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，兩種工藝均能有效解除井壁泥漿污染，恢復(fù)或提高近井地帶滲透性，有效提高單井產(chǎn)量。且氮氣負(fù)壓洗井疏通工藝可在割縫襯管外圍煤層形成剪切破碎區(qū)，負(fù)壓促使泥漿殘留物返吐，消除近井地帶鉆井泥漿污染，現(xiàn)場試驗表明可釋放地層壓力，利于煤層氣快速解吸產(chǎn)氣。

煤層氣 水平井 旋轉(zhuǎn)射流 氮氣負(fù)壓 洗井

1 鉆井液對井壁穩(wěn)定及儲層保護影響

煤層氣主要吸附于微孔中,而割理是煤層氣產(chǎn)出的主要通道。盡管裂縫的孔隙度只有1%～2%,然而它對煤層的滲透率有重要影響。鉆井液進入裂縫,會在以下幾方面對儲層造成污染,造成儲層滲透率下降: ①煤基質(zhì)吸收液體發(fā)生膨脹,擠壓裂縫,使得儲層滲透率大幅度下降,并且該過程幾乎是不可逆的; ②鉆井液中的固相顆粒(粘土顆粒、巖屑、粉煤灰等)堵塞裂縫造成儲層滲透率下降; ③若鉆井液中含有聚合物,高分子聚合物吸附粘土顆粒也會引起裂縫的堵塞; ④鉆井液與地層流體不匹配,生成沉淀堵塞裂縫。滲透率的下降將嚴(yán)重影響到煤層氣的產(chǎn)量。

對于低滲的煤層而言，比較可行的鉆井液技術(shù)措施就是提高鉆井液液相黏度或在煤層表面成膜以阻止或延緩鉆井液水相進入煤層，具有適宜黏度的無固相可降解鉆井液是煤層氣水平井鉆井液首選，華北油田優(yōu)選形成了如絨囊鉆井液、CR650鉆井液等新型可降解鉆井液體系，有效降低了鉆井液流體的侵入，保證了井壁的穩(wěn)定，鉆井成功率到達100%。而井壁周圍暫堵膜的解除并未得到足夠的重視，微裂縫中侵入鉆井液采用常規(guī)的靜止破膠洗井很難被解除，因此可控水平井的洗井工藝技術(shù)成為了提高產(chǎn)氣量的關(guān)鍵技術(shù)之一，下面主要對華北油田目前形成的兩種有效洗井工藝進行介紹。

2 旋轉(zhuǎn)分段射流洗井工藝

2.1 旋轉(zhuǎn)分段射流洗井的基本原理

煤層氣旋轉(zhuǎn)分段射流洗井是通過旋轉(zhuǎn)射流工具在井筒內(nèi)產(chǎn)生射流沖擊作用和環(huán)空旋流效應(yīng)來沖洗煤層井壁，促使鉆井液破膠殘留物脫落，煤層垮塌解除近井地帶污染。

整個旋轉(zhuǎn)射流工藝管柱由旋轉(zhuǎn)射流發(fā)生器+旋流扶正器+小鉆桿(油管)組成(如圖1)，流體通過旋轉(zhuǎn)射流器通過篩管孔眼沖刷井壁，利用旋轉(zhuǎn)射流扶正器或增阻器及鉆桿接箍增大內(nèi)環(huán)空磨阻，促使流體經(jīng)外環(huán)空流動沖洗篩管外井壁，上下拖動鉆具進行分段動態(tài)洗井沖刷(每段約20～30m)，并在側(cè)鉆點及鉆井過程中煤層垮塌嚴(yán)重處進行定點洗井，以連通無效進尺井段，促使易垮塌段進一步垮塌，解放自然產(chǎn)能。

圖1 旋轉(zhuǎn)分段射流洗井管柱結(jié)構(gòu)圖

通過多種噴嘴組合形式的對比優(yōu)選，為促使流體在外環(huán)空流動，采用“側(cè)向+前向”噴嘴螺旋分布方式(圖2)，保證噴嘴能噴射到支撐管外的坍塌物。前向噴嘴主要用來沖洗管串內(nèi)部沉砂，保證洗井管串的順利到底；側(cè)向噴嘴主要驅(qū)動旋轉(zhuǎn)噴頭旋轉(zhuǎn)，并在井筒環(huán)空內(nèi)產(chǎn)生旋流場，卷吸、摻混、沖刷煤層井壁,促使破膠殘留物脫落，煤層破碎垮塌。

圖2 旋轉(zhuǎn)射流洗井工具結(jié)構(gòu)

2.2 旋轉(zhuǎn)分段射流洗井工藝流程

旋轉(zhuǎn)分段射流洗井在下入管串并完成鉆塞通井后進行，可利用鉆井設(shè)備直接進行洗井施工，具體流程如下：

(1)下入洗井管串“旋轉(zhuǎn)射流發(fā)生器+旋流扶正器+小鉆桿(油管)”至井底，根據(jù)不同鉆井液體系破膠，全煤層段注入破膠劑靜止24～48h破膠，使井壁殘留鉆井液與破膠液充分反應(yīng)。

(2)準(zhǔn)備清水150m3左右，在井底頂替混合液至污水池，更改循環(huán)通道至清水罐或清水池，打開地面固控設(shè)備清理返出的巖屑，利用頂驅(qū)或大鉤在上提下放鉆柱，以18L/s～25L/s排量分段循環(huán)沖洗管外井壁2周以上，直至液體無粘度、巖屑較少，注入與返出液體基本一致，該段洗井完畢。

(3)上提50～100m或至附近側(cè)鉆點處，上提下放管柱清水循環(huán)射流分段洗井2周以上，在側(cè)鉆點處定點循環(huán)，溝通利用分支或無效進尺段煤層。

(4)重復(fù)(3)步驟，依次上提管串完成全煤層段洗井工作，巖屑清洗干凈后完井。

2.3 旋轉(zhuǎn)射流與破膠劑聯(lián)合動態(tài)洗井

在清水或破膠液頂替鉆井液完成后，一方面利用旋轉(zhuǎn)射流對井壁形成沖刷，使鉆井液殘留物松動脫落并隨液體排除,利用地面設(shè)備上提和下放管柱實現(xiàn)分段解堵。另一方面利用不同可降解鉆井液破膠劑的溶解、破乳、降低界面張力和地層流體粘度等作用,解除井壁暫堵薄膜,同時動態(tài)沖刷促使破膠劑與深部及微裂隙鉆井液接觸，破膠后直接循環(huán)排出，實現(xiàn)深部解堵。

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

F71-2井是樊莊區(qū)塊的一口三開可控水平井，煤層段采用CR650鉆井液體系鉆進，懸掛下入φ114.3mm篩管515m。采用清水旋轉(zhuǎn)分段射流洗井工藝分5段進行分段洗井，共用清水200m3，投產(chǎn)2個月后解析產(chǎn)氣，目前流壓0.4MPa，日產(chǎn)氣達到4600m3，單米產(chǎn)氣指數(shù)達到8.85m3/m，遠高于采用清水完成的臨井FZP20井最高日產(chǎn)氣指數(shù)5.2m3/m，表明采用旋轉(zhuǎn)分段射流洗井可有效解除近井地帶污染，恢復(fù)自然產(chǎn)能。

圖3 F71-2井生產(chǎn)曲線圖

3 氮氣負(fù)壓洗井疏通工藝

3.1 氮氣負(fù)壓洗井疏通的基本原理

煤層水平段選用一定尺寸直徑的襯管完井，采用氮氣對井內(nèi)注、蹩、放產(chǎn)生壓力波動，對煤層施加交變載荷，產(chǎn)生負(fù)壓誘吐疏灰解堵，在割縫襯管外圍的煤層形成剪切破碎區(qū)，提高煤層的滲透率、裂縫數(shù)目以及裂縫間的溝通程度，消除近井地帶鉆井泥漿污染，提高井筒生產(chǎn)時的導(dǎo)流能力。

圖4 氮氣負(fù)壓洗井疏通示意圖

3.2 室內(nèi)模擬實驗

對氮氣負(fù)壓洗井疏通進行有限元+離散元仿真模擬實驗，按照700m垂深， 6MPa的注氣壓力，10.3MPa的立管壓力，達到穩(wěn)壓狀態(tài)下，井眼煤層收到16.3MPa的應(yīng)力載荷，割縫寬度12mm，環(huán)向6個割縫，則根據(jù)破碎區(qū)描述的有限元模型可得到5個輪次的注入壓力下的應(yīng)力分布(如圖5)。

圖5 五次注入壓力下應(yīng)力分布模擬情況

5個注入輪次下得到的井眼倍數(shù)與剪應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(如圖6)表明： 5個輪次加壓產(chǎn)生的破碎區(qū)增加的范圍逐次遞減。

圖6 注入壓力井眼倍數(shù)與剪應(yīng)力關(guān)系曲線圖

圖7 加壓與破碎區(qū)模擬曲線

第1次加壓時，破碎區(qū)初次形成半徑為19.076cm的破碎區(qū)域，第2次加壓，破碎區(qū)擴大8.91cm，第3次加壓，破碎區(qū)擴大7.0cm，第4次加壓，破碎區(qū)擴大6.02cm，第5次加壓，破碎區(qū)擴大4.81cm，共擴展到45.825cm。

3.3 工藝施工步驟

(1)按照設(shè)計要求準(zhǔn)備好液氮車、液氮泵車、壓裂井口與放噴池，連接井口及管線(如圖8)，對流程、地面管線、井口進行試壓，井口套管閥處安裝壓力監(jiān)測裝置。

圖8 現(xiàn)場洗井施工設(shè)計井口連接示意圖

(2)打開注入閥門，開始以80～700sm3/min排量注入氮氣，逐步提高排量，測試地層破裂壓力。施工過程中逐步提高排量，待壓力達到略小于地層破裂壓力后穩(wěn)壓10分鐘，快速放壓，放噴至氣體不攜帶大量煤粉后停止放噴，繼續(xù)注入氮氣，如此反復(fù)激動3～5次。

(3)注入完畢后，依次關(guān)閉井口、增壓泵入口和液氮罐閥門。依次緩慢打開增壓泵、地面流程和液氮罐放空閥門泄壓至0MPa。

(4)立即從油管敞開放噴。現(xiàn)場放置一敞口罐進行放噴，用硬管線連接放噴管線，放噴出口固定牢固，每隔5m用地錨進行固定。放噴過程中，記錄好返液量及煤粉變化數(shù)據(jù)。

(5)放噴完畢后，用氮氣或清水清洗井筒，進行下步下泵作業(yè)。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

F71-6井是樊莊區(qū)塊一口二開可控水平井，煤層段采用可降解聚合物鉆井液進行15號煤層鉆進，煤層進尺796m，之后一趟管串下入φ139.7mm篩管完井，打入破膠劑使井眼內(nèi)鉆井液充分降解。完成后采用氮氣負(fù)壓洗井疏通工藝先后共進行了4組憋、放壓作業(yè)施工，井底激動壓力為10～15MPa。

該井投產(chǎn)僅20天即解析產(chǎn)氣，目前流壓0.6MPa，套壓0.42MPa，日產(chǎn)氣量達到5000m3，日產(chǎn)水4.5m3，煤層單米采氣指數(shù)達到5.2m3/m，目前仍處于提產(chǎn)階段，表明采用該工藝可有效解除近井地帶污染，恢復(fù)自然產(chǎn)能，促進煤層氣的解吸產(chǎn)出。

[1] 岳前升,鄒來方,蔣光忠,等.基于煤層氣可降解的羽狀水平井鉆井液室內(nèi)研究[J]. 煤炭學(xué)報,2010,35(10):1692-1695.

[2] 鄭力會,孟尚志,曹園,等.絨囊鉆井液控制煤層氣儲層傷害室內(nèi)研究[J].煤炭報,2010,35(3):439-442.

[3] 蔡記華,劉浩,陳宇,等.煤層氣水平井可降解鉆井液體系研究[J].煤炭學(xué)報,2011,36(10):1683-1688.

[4] 張振華,孫晗森,喬偉剛.煤層氣儲層特征及鉆井液選擇[J].中國煤層氣,2011,8(2):24-27.

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(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))

Research and Application of CBM Controlled Horizontal Well Cleanout Technology

LI Zongyuan, CHEN Biwu, LI Jiafeng, LU Kai, LIU Bin, SUN Li

(Coalbed Methane Division, Huabei Oilfield Company，Shanxi 046000)

Seam use the new controllable horizontal wells, which use the screen completion in the coal seams, currently adopts mainly stable borehole drilling system for coal seam section drilling, and mud pollution of drilling fluid is inevitably. How to resolve the pollution becomes a key issue to improve the gas production. By studying the mechanism of the drilling fluid pollution of coal reservoir, as well as the matching flushing fluid, wash well tools and parameters of flushing fluid, the paper optimizes and forms two kinds of process, including the rotary piecewise jet flushing and flushing and dredging with nitrogen gas negative pressure. The field test results show that two kinds of technology can remove wall mud pollution effectively, and restore or improve permeability near wellbore area, to improve the single well production. Negative pressure flushing and dredging process can form shear broken zone in coal seams outside the slotted liner, negative pressure will help the mud residue return to vomit, and eliminate drilling mud pollution near wellbore area. The field test shows that it can release the formation pressure, which is beneficial to CBM desorption gas quickly.

CBM; horizontal well; swirling jet; nitrogen negative pressure; washing well

李宗源，男，工程師，現(xiàn)主要從事煤層氣鉆采工程工作。