山西省古縣永樂(lè)北區(qū)塊煤層氣井繩索取心難點(diǎn)與對(duì)策

李 一，郭岐山，趙倩卿，馬振偉

(山西乾通新能源開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司， 太原 030012)

0 引言

煤層的含氣量、滲透率、含氣飽和度、煤體結(jié)構(gòu)，以及煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)是開(kāi)展煤層氣勘探評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)方案優(yōu)選的關(guān)鍵因素[1-5]。在煤層氣勘探初期，高煤巖心采取率、快速提心及最大限度的保證煤巖心原生物理結(jié)構(gòu)是進(jìn)行煤層含氣量測(cè)試、頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)測(cè)試、煤儲(chǔ)層物性分析的基礎(chǔ)。長(zhǎng)期的煤系天然氣勘探實(shí)踐表明，繩索取心技術(shù)具有煤巖心采取率普遍較高、煤巖心提心及出心迅速、操作便捷及工程費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中[6]。但我國(guó)煤層氣田普遍經(jīng)歷了多期構(gòu)造改造，煤系宏觀非均質(zhì)性較強(qiáng)，煤巖心的物理性質(zhì)多變，給繩索取心技術(shù)提出了很高的要求。不同地質(zhì)條件下的地區(qū)，需經(jīng)過(guò)多環(huán)節(jié)的取心操作和各項(xiàng)參數(shù)的探索過(guò)程，從而積累出一套適合本區(qū)的繩索取心關(guān)鍵工藝及技術(shù)體系。

古縣永樂(lè)北煤層氣勘查區(qū)塊位于沁水盆地西南緣，經(jīng)歷了多期構(gòu)造改造，發(fā)育南北向的高角度正斷層及寬緩褶皺[7-9]。該區(qū)煤系受強(qiáng)烈的構(gòu)造改造，斷層附近主力煤層及頂?shù)装鍘r心破碎明顯，繩索取心時(shí)易發(fā)生掉塊、巖心入筒困難等問(wèn)題，給取心帶來(lái)很大困難。本項(xiàng)研究以煤層氣探井北5井繩索取心工程實(shí)踐為例，重點(diǎn)分析繩索取心過(guò)程中遇到的問(wèn)題，并詳細(xì)闡述采取的改進(jìn)措施，期望工程實(shí)踐成果為類(lèi)似地區(qū)煤系氣繩索取心工程工藝提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征及井身設(shè)計(jì)

1.1 地質(zhì)特征

本區(qū)主要發(fā)育地層有：中奧陶系峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組和第四系。含煤地層主要為太原組和山西組。

1.2 井身設(shè)計(jì)

北5井位于山西古縣永樂(lè)北煤層氣區(qū)塊西部，由中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司在2020年5月組織施工。本井設(shè)計(jì)井深900m，預(yù)計(jì)主力煤層9+10、11號(hào)煤層厚度5.05m，煤層埋深823m。需要對(duì)主力煤層進(jìn)行繩索取心作業(yè)，以取得該區(qū)煤層含氣量、煤巖特性及頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)等相關(guān)參數(shù)。

本井設(shè)計(jì)二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)使用Φ311.2mm鉆頭，下入Φ244.5mm套管坐入基巖20m。二開(kāi)使用Φ215.9mm鉆頭鉆至完鉆井深，下入Φ139.7mm套管完井。揭開(kāi)太原組煤層頂板K2灰?guī)r3～5m后開(kāi)始起鉆進(jìn)行繩索取心作業(yè)。

2 巖心采取情況及原因分析

2.1 取心情況

本井鉆至太原組818m時(shí)開(kāi)始取心作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)使用Φ215.9mm，4刀翼，16mm復(fù)合片鉆頭，WH-B型取心工具。鉆井液參數(shù)：密度1.05g/cm3，黏度28s。主要工程參數(shù)：鉆壓25～40kN，轉(zhuǎn)速45～60r/min，排量15～20L/s。在取心過(guò)程中，分別在第5回次和第7回次發(fā)生上提巖心管遇阻現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)反復(fù)上提下放，最終成功提升至井口?；卮稳⌒膸r性均為石灰?guī)r，收獲率見(jiàn)表1，1～10回次為前期取心情況，收獲率較低。取出的巖心圖樣見(jiàn)圖1。

圖1 破碎巖心照片F(xiàn)igure 1 Crushed cores photo

表1 回次取心統(tǒng)計(jì)

2.2 原因分析

從現(xiàn)場(chǎng)取出的巖心判斷，巖性為深灰色灰?guī)r，破碎嚴(yán)重。斷口較平坦，不規(guī)則裂縫發(fā)育且有方解石填充。說(shuō)明該區(qū)受構(gòu)造影響地層較為破碎，巖心進(jìn)筒困難，未進(jìn)筒的巖心落入井底易發(fā)生磨心，是造成取心收獲率低的主要原因。且由于碎巖心落入井底難以循環(huán)至地面，因此也會(huì)對(duì)主力煤層取心收獲率造成影響。

使用的取心鉆頭復(fù)合片直徑過(guò)大，對(duì)地層的攻擊性強(qiáng)，使本身就破碎的巖心更難進(jìn)入巖心管內(nèi)筒。鉆井液性能難以維持井壁的穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)判斷上部地層存在掉塊現(xiàn)象導(dǎo)致巖屑渣掉落于巖心管造成上提困難。

3 煤巖心采取率提高對(duì)策

3.1 巖石段取心情況

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取得的巖心情況判斷，破碎巖心難以進(jìn)入取心筒內(nèi)管且容易掉落井底造成磨心是收獲率低的主要原因，因此應(yīng)首先對(duì)井底進(jìn)行清理。

選用Φ177.8mm撈筒(本體長(zhǎng)1.42m)+Φ127mm鉆桿組合鉆具，下至井底，提離井底30cm開(kāi)泵循環(huán)，然后關(guān)泵并緩慢提鉆至距離井底70cm，反復(fù)3次開(kāi)停泵。起鉆至井口，撈出巖心單體長(zhǎng)度3～10cm，累計(jì)長(zhǎng)度約65cm。

通過(guò)分析鉆頭破巖原理，首次選用的Φ215.9mm，4刀翼16mm復(fù)合片鉆頭對(duì)地層的攻擊性較大，對(duì)破碎地層使巖心更難進(jìn)入取心筒內(nèi)管。后選用的Φ177.8mm，8刀翼9mm復(fù)合片鉆頭，更多接觸圍巖獲得支撐，減少鉆頭對(duì)地層的攻擊性，能更穩(wěn)定的切削地層。且該鉆頭的另一個(gè)特點(diǎn)是水眼斜向外側(cè), 使鉆井液不直接沖刷巖心柱表面，進(jìn)而保證了巖心收獲率，最后再進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)進(jìn)而達(dá)到井身質(zhì)量要求。

調(diào)整鉆井液失水控制在9mL以?xún)?nèi)，防止過(guò)大的失水導(dǎo)致上部地層泥巖段因吸水膨脹導(dǎo)致掉塊。并將鉆井液密度提至1.07～1.09g/cm3，維持井壁的穩(wěn)定。由此避免在提升取心筒時(shí)再次發(fā)生遇阻事故。

通過(guò)對(duì)鉆井參數(shù)的探索，針對(duì)較為破碎的地層，樹(shù)心完成后較大的鉆壓和較低的轉(zhuǎn)速更有利于破碎的巖心進(jìn)入巖心筒內(nèi)管。同時(shí)在保證攜巖的前提下，應(yīng)降低排量減少鉆井液對(duì)巖心的沖刷。本井在后續(xù)施工中，當(dāng)使用小鉆壓樹(shù)心完成后，鉆壓逐漸提升至40kN，轉(zhuǎn)速控制在45r/min。排量降低至15L/s。

通過(guò)以上技術(shù)措施，在剩余回次(11～15)的取心過(guò)程中，巖心收獲率明顯提高(表1)。

3.2 煤層段取心情況

本井取心至827.8m處開(kāi)始開(kāi)始鉆遇煤層。使用以上技術(shù)措施，依然可以保證煤層段較高的取心收獲率，但值得注意的是，在本井取心第16回次和第19回次收獲率有所降低，而其它回次的收獲率基本都能達(dá)到100%。從取上來(lái)的煤心看，本井鉆遇的煤層媒體結(jié)構(gòu)較差，屬于碎粒煤。在取心的各回次中，如果鉆遇的巖性單一，則收獲率不會(huì)受到影響。但由于煤層的物理性質(zhì)和巖層物理性質(zhì)差異大，因此當(dāng)一個(gè)回次中先鉆遇巖層再鉆遇煤層時(shí)，如果煤體結(jié)構(gòu)較差，則較軟的煤層難以將較為堅(jiān)硬的巖層推入巖心管內(nèi)筒，煤層容易被沖掉，進(jìn)而降低取心收獲率。而從本井取心的第17回次可以看出，當(dāng)先鉆遇煤層再鉆遇巖層，由于先鉆遇的煤層已經(jīng)順利進(jìn)入巖心管內(nèi)筒，不會(huì)受到鉆井液沖刷，后鉆遇的較硬的巖層也容易推動(dòng)煤心繼續(xù)進(jìn)入巖心管，因此收獲率未受到影響。所以在即將取到煤層時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)仔細(xì)操作(表2)。當(dāng)遇到鉆時(shí)突然加快，應(yīng)果斷停止取心作業(yè)，上提鉆具割心。保證本回次的收獲率不收影響。

表2 煤層段取心統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

1)針對(duì)較為破碎的地層取心作業(yè)，優(yōu)選適合的鉆頭對(duì)保證取心收獲率至關(guān)重要?？蛇x擇多刀翼，小直徑復(fù)合片且水眼噴射方向向外的鉆頭，減少鉆頭對(duì)地層的沖擊性。

2)取心作業(yè)前應(yīng)將鉆井液密度調(diào)整至設(shè)計(jì)上限，嚴(yán)格控失水，確保井壁穩(wěn)定，在確定井筒內(nèi)滿(mǎn)足施工條件后方可進(jìn)行取心作業(yè)。

3)當(dāng)收獲率較低時(shí)首先應(yīng)判斷井底是否干凈清潔，當(dāng)多回次收獲率較低時(shí)，應(yīng)采取一定措施保證井底清潔后方可繼續(xù)作業(yè)。

4)可使用小鉆壓樹(shù)心，后逐步提升鉆壓，配合低轉(zhuǎn)速、低排量作業(yè)，保證巖心順利進(jìn)入巖心筒內(nèi)管。