煤層氣老井眼加深鉆井增加產(chǎn)能技術(shù)

張 慶 李 倩 祁空軍 張光波 賈慧敏 何軍

(中石油華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司,山西 048000)

我國(guó)煤層氣資源豐富，煤層氣開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)90年代山西省沁水盆地,沁水盆地含煤層系主要是下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，其中山西組3號(hào)煤層和太原組15號(hào)煤層是分布最穩(wěn)定、單層厚度最大的煤層，是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)層位。

華北油田從2006年開(kāi)始在沁水盆地進(jìn)行煤層氣資源規(guī)模開(kāi)發(fā)。早期研究認(rèn)為3號(hào)煤的地質(zhì)特征及開(kāi)發(fā)潛力優(yōu)于15號(hào)煤層，因此只將3號(hào)煤作為主力開(kāi)采煤層，以直井為主要井型進(jìn)行規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)。鉆井通常僅鉆穿3號(hào)煤層，下入生產(chǎn)套管完井，進(jìn)行單層開(kāi)采，未將下部15號(hào)煤層鉆穿開(kāi)采。經(jīng)過(guò)近十幾年的煤層氣開(kāi)發(fā)，早期投產(chǎn)的煤層氣井出現(xiàn)日產(chǎn)氣量持續(xù)下降、產(chǎn)能衰減的現(xiàn)象；同時(shí)煤層氣田周邊煤礦對(duì)3號(hào)煤層不斷采掘，井下瓦斯抽放，導(dǎo)致煤礦附近的煤層氣井產(chǎn)能短時(shí)間內(nèi)衰竭，極大的影響煤層氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和開(kāi)發(fā)效益，這類煤層氣井面臨著封井廢棄的局面。

近幾年大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試、鉆井試采試驗(yàn)、地震、測(cè)井等資料的研究使15號(hào)煤層的地質(zhì)條件、儲(chǔ)層特征及開(kāi)發(fā)潛力得到了進(jìn)一步落實(shí)，開(kāi)發(fā)15號(hào)煤煤層氣的經(jīng)濟(jì)效益及開(kāi)發(fā)價(jià)值得到了進(jìn)一步肯定。

對(duì)于單采3號(hào)煤的產(chǎn)能衰竭井，可以采用老井眼加深鉆井增加產(chǎn)能技術(shù)開(kāi)發(fā)利用15號(hào)煤層煤層氣資源，增加單井產(chǎn)能，提高單井產(chǎn)量。下面將對(duì)該技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和闡述。

1 產(chǎn)能衰減原因分析

華北油田早期煤層氣井均位于沁水盆地南部樊莊區(qū)塊，只鉆穿3號(hào)煤層進(jìn)行生產(chǎn)，最高單井日產(chǎn)氣量可達(dá)到4000～5000m3，開(kāi)發(fā)效果較好。隨著生產(chǎn)不斷深入，部分井出現(xiàn)產(chǎn)能衰減現(xiàn)象，嚴(yán)重影響單井的開(kāi)發(fā)效益。經(jīng)過(guò)分析研究，主要有兩方面原因：

(1)煤層氣采出程度高，產(chǎn)能衰減

樊莊區(qū)塊3號(hào)煤層煤層氣資源豐度為1.58×108m3/km2，平均每平方公里部署13口井，因此平均單井控制儲(chǔ)量為1215×104m3。隨著日產(chǎn)氣量不斷累積增加，煤層氣采出程度不斷升高，由于單井控制儲(chǔ)量是有限的，因此單井日產(chǎn)氣量逐漸下降，產(chǎn)能不斷降低直到衰竭。例如，H8-10井于2008年投產(chǎn)，最高日產(chǎn)氣量可達(dá)4500m3，經(jīng)過(guò)10年的不斷開(kāi)發(fā)，目前累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到750×104m3，采出程度高達(dá)61.7%，目前日產(chǎn)氣量逐漸衰減至200m3，嚴(yán)重影響開(kāi)發(fā)效益。

圖1 H8-10井生產(chǎn)曲線圖

(2)受煤礦采掘影響，產(chǎn)能衰竭

樊莊區(qū)塊南部有3個(gè)正在開(kāi)采的煤礦，分別是隸屬于沁河能源的端氏煤礦、曲堤煤礦和隸屬于晉煤集團(tuán)的坪上煤礦。該區(qū)塊鉆探的77%的煤層氣井的礦權(quán)與三個(gè)煤礦重疊。 隨著煤礦對(duì)3號(hào)煤層的不斷采掘，綜采工作面距離煤層氣生產(chǎn)井越來(lái)越近，煤礦瓦斯抽放孔對(duì)煤層氣進(jìn)行抽排，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層含氣量大幅降低，對(duì)煤層氣地面生產(chǎn)井產(chǎn)量影響巨大，當(dāng)距離小于500m時(shí)，其影響更加顯著，煤層氣井產(chǎn)量在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)斷崖式下降，最終產(chǎn)能衰竭，失去開(kāi)發(fā)價(jià)值。例如，D-063井距離煤礦采掘面邊界210m(圖2)，該井由于煤礦井下瓦斯抽放的原因，在兩周內(nèi)日產(chǎn)氣量由5000m3衰減至0m3(圖3)。

圖2 D-063井與煤礦位置關(guān)系示意圖

圖3 D-063井生產(chǎn)曲線圖

樊莊區(qū)塊15號(hào)煤層具有分布較穩(wěn)定，厚度適中(2.5～4m)，埋深較淺(500～800m)，含氣量高(19～24m3/t)的特點(diǎn)，可以作為3號(hào)煤層的接替資源。因此對(duì)樊莊區(qū)塊3號(hào)煤產(chǎn)能衰竭的老井采用老井眼加深鉆井增加產(chǎn)能技術(shù)，提高單井產(chǎn)量。

2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及選井原則

2.1 技術(shù)原理

老井眼加深鉆井增加產(chǎn)能技術(shù)是利用老井井眼，先用水泥封堵上部產(chǎn)能衰竭煤層，試壓確保施工安全后，鉆開(kāi)水泥塞并繼續(xù)向下鉆穿下部潛力煤層，達(dá)到增加老井產(chǎn)能、提高單井產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)的目的。

2.2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

該技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①各施工階段工藝技術(shù)在常規(guī)油氣已有應(yīng)用，工藝技術(shù)成熟、簡(jiǎn)單；②樊莊區(qū)塊多為山地、林區(qū)等不利地形，井場(chǎng)施工難度大，而利用老井眼進(jìn)行15號(hào)煤鉆井，只需要將原井場(chǎng)進(jìn)行外擴(kuò)，節(jié)約了井場(chǎng)建設(shè)費(fèi)用。③3號(hào)煤及其上部地層已鉆開(kāi)，節(jié)省鉆井費(fèi)用和鉆井時(shí)間，同時(shí)能夠降低廢液、廢屑治理成本及污染風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 選井原則

根據(jù)老井眼加深鉆井增加產(chǎn)能技術(shù)應(yīng)用條件及原理，結(jié)合實(shí)際情況，在充分考慮經(jīng)濟(jì)及技術(shù)因素的前提下，確定選井原則：①只鉆穿并開(kāi)發(fā)3號(hào)煤層的煤層氣井；②3號(hào)煤層資源采出程度高或受周邊煤礦采掘影響，產(chǎn)量下降至效益開(kāi)發(fā)水平以下；③15號(hào)煤層地質(zhì)條件好，具有規(guī)模開(kāi)發(fā)潛力。

3 加深鉆井實(shí)施步驟

3.1 準(zhǔn)備工作

老井井眼進(jìn)行加深鉆井之前，要做好資料調(diào)研工作，掌握老井井眼狀態(tài)及工程特征，同時(shí)對(duì)老井眼做好一系列必要的處理，在鉆井過(guò)程中避免復(fù)雜情況的發(fā)生，從而縮短鉆時(shí)，提高質(zhì)量。

3.1.1 調(diào)研老井資料

搜集整理老井鉆井、測(cè)井、壓裂、排采等資料，充分掌握該井鉆井過(guò)程中是否出現(xiàn)過(guò)復(fù)雜情況，以及排采過(guò)程中是否出現(xiàn)套管變形、井下落物情況；落實(shí)該井開(kāi)發(fā)層位、射孔井段以及壓力情況，為下步工作的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。充分掌握老井井身結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)(如圖4)，以便為選擇合適的井下工具提供依據(jù)，如樊莊區(qū)塊老井表層套管外徑一般為244.5mm，生產(chǎn)套管外徑一般為139.7mm，可為下步鉆井確定鉆頭尺寸提供依據(jù)。

圖4 老井原井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 起出管柱并洗井

起出老井內(nèi)排采管柱，對(duì)老井眼進(jìn)行通井，保障井眼暢通無(wú)阻，方便下入管柱實(shí)施下步工序；下入沖砂管柱沖砂至原人工井底,實(shí)現(xiàn)充分洗井。

3.1.3 修整套變井段

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間排采的直井，一般情況下會(huì)出現(xiàn)不同程度的套管變形，為使工序順利實(shí)施，需下入套管整形器修整變形套管，確保鉆井工具及生產(chǎn)套管能夠順暢通過(guò)。若井下有落物，需選擇合適的打撈工具對(duì)落物進(jìn)行打撈。

3.1.4 填砂封層

老井3號(hào)煤層產(chǎn)能雖然衰竭，但煤層中仍會(huì)產(chǎn)出少量的煤層氣，鉆井中存在安全隱患；同時(shí)3號(hào)煤層經(jīng)過(guò)壓裂和排采，裂縫發(fā)育，鉆井中易造成井漏。為防止3號(hào)煤層產(chǎn)出的煤層氣給后續(xù)施工帶來(lái)安全隱患，同時(shí)避免鉆井液侵入3號(hào)煤層造成井漏和污染，加深鉆井前需要先對(duì)原射孔井段炮眼進(jìn)行封堵。向井內(nèi)填入石英砂至3號(hào)煤層底界面以下2m處，下入注灰管柱向3號(hào)煤層擠注水泥灰漿，封堵炮眼，試壓合格后，才能實(shí)施下步工序(如圖5)。

圖5 老井填砂封層示意圖

3.2 實(shí)施加深鉆井

鉆井過(guò)程中為加快鉆井進(jìn)度，保證井眼質(zhì)量，將加深鉆井及擴(kuò)眼鉆井分開(kāi)進(jìn)行，避免扭矩過(guò)大，拖壓嚴(yán)重，造成鉆井復(fù)雜。選好鉆井液，做好防塌、防漏工作，保障施工的順利開(kāi)展。鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)施巖屑錄井。

圖6 加深鉆井鉆穿15號(hào)煤層示意圖

3.2.1 加深鉆井

一般使用φ116mmPDC鉆頭實(shí)施加深鉆井，常用的鉆具組合為φ116mmPDC鉆頭+φ73mm加重鉆桿+φ73mm鉆桿。主要實(shí)施步驟如下：(1)使用螺桿鉆具鉆水泥塞，并沖砂至原人工井底；(2)洗井后，進(jìn)行試壓試驗(yàn)，保證3號(hào)煤層封堵有效；(3)用直徑大于φ116mm的磨鞋及配套鉆具磨銑原井底完井工具；(4)磨銑完畢后使用φ116mmPDC鉆頭向15號(hào)煤靶點(diǎn)鉆進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)以井底坐標(biāo)精確落實(shí)為標(biāo)志(如圖6)。鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)注意避免泵壓過(guò)高，防止造成井漏事故；鉆桿安裝耐磨帶、保護(hù)器或使用旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭等工具，節(jié)省驅(qū)動(dòng)能源，防止鉆具磨損老井套管。

3.2.2 擴(kuò)眼鉆井

為了后期固井完井工作能夠高質(zhì)量的完成，加深鉆進(jìn)完成后，需要使用擴(kuò)眼器及相應(yīng)鉆具對(duì)新鉆井段實(shí)施擴(kuò)眼。擴(kuò)眼器工作原理為:開(kāi)泵后鉆井液經(jīng)裝在擴(kuò)眼器本體上的活塞噴嘴產(chǎn)生壓力降,形成壓力推動(dòng)活塞下行,活塞支撐PDC復(fù)合片刀翼外張擴(kuò)眼。本區(qū)使用鉆具組合一般為D114mm擴(kuò)眼器+D73mm加重鉆桿+D73mm鉆桿。

3.3 固井施工

樊莊區(qū)塊固井過(guò)程中發(fā)生漏失主要為壓差型漏失，因此固井過(guò)程中使用低磨阻、低密度水泥漿，減小阻力及過(guò)平衡壓力，避免漏失，提高固井質(zhì)量(圖7)。固井施工主要分為以下幾步：(1)電測(cè)后進(jìn)行通井，保障井眼暢通無(wú)阻；(2)向井內(nèi)下入懸掛器和尾管管柱組合，懸掛在原生產(chǎn)套管內(nèi)壁，尾管鋼級(jí)為P110、外徑為101.6mm的無(wú)接箍尾管；(3)循環(huán)鉆井液洗井；(4)下注灰管柱，對(duì)尾管井段實(shí)施固井；(5)候凝并檢驗(yàn)固井質(zhì)量。

圖7 老井眼加深鉆井后新井身結(jié)構(gòu)示意圖

4 應(yīng)用效果

樊莊區(qū)塊D-015井2010年投產(chǎn)，單采3號(hào)煤，最高日產(chǎn)氣量為5830m3。該井距離煤礦巷道260m，受煤礦采掘影響，日產(chǎn)氣量快速下降，2015年5月2日日產(chǎn)氣量降至0m3。

該井所在井區(qū)15號(hào)煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，埋深為 483～536m，厚度為3～3.5m，含氣量為19～21 m3/t，煤體結(jié)構(gòu)主要為原生-碎裂結(jié)構(gòu)，地質(zhì)條件較好。為了提高D-015井產(chǎn)量，2017年采取老井眼加深鉆井增加產(chǎn)能技術(shù)，對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行了封層，并將原井深420m加深鉆井至528m，鉆穿并僅開(kāi)發(fā)15號(hào)煤層。

目前D-015井日產(chǎn)氣量為1600m3，實(shí)現(xiàn)了對(duì)15號(hào)煤層的高效開(kāi)發(fā)，達(dá)到了提高單井氣量，增加開(kāi)發(fā)效益的目的(圖8)。

圖8 D-015井生產(chǎn)曲線圖