貴州金佳礦區(qū)復雜地層煤層氣鉆完井工藝研究

顏智華，胡海洋，2，婁 毅，陳 捷，何連穩(wěn)

（1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081；2.貴州省煤田地質局地質勘察研究院，貴州 貴陽 550081；3.貴州盤江煤層氣開發(fā)利用有限責任公司，貴州 貴陽 550081）

貴州省煤層氣資源豐富，2 000 m 以淺煤層氣資源總量達3.05 萬億m3，居全國第2 位[1-2]，煤層氣開發(fā)潛力較高。自2010 年以來，先后在貴州六盤水煤田、織納煤田等開展多個煤層氣開發(fā)項目[3-4]，產氣效果逐漸好轉，但距工業(yè)氣流及工業(yè)化開發(fā)的目標差距較大，截止2020 年6 月底，全省累計施工煤層氣井270 口，形成年產能8 900 萬m3，2020 年上半年累計產氣1 098 萬m3，平均單井產氣226 m3/d，產氣量偏低。研究發(fā)現，煤層氣井鉆井施工過程中的鉆壓、排量、泥漿黏度等參數會影響巖屑上返、井徑擴大率及井斜角，井斜角、泥餅厚度、井徑擴大率等參數會影響煤層氣井固井質量[5-6]。煤層氣近井部位鉆完井液侵入形成的煤縫壁面濾餅結構，對壓裂裂縫的起裂和延展具有較為復雜的制約關系，影響壓裂裂縫擴展及壓裂改造效果[7-8]。貴州省煤層多、煤層薄，構造相對發(fā)育，增加煤層氣鉆完井及壓裂施工難度，鉆井施工過程中產生的泥漿侵入傷害及固井水泥漿侵入傷害會造成近井地帶的裂隙封堵，影響壓裂改造效果及增加排采過程中流體產出阻力。貴州省淺層溶洞及漏失性裂隙較發(fā)育，造成鉆井周期延長，對地層鉆井過程中的漏失規(guī)律、控制措施及鉆井工藝技術研究相對較多[9-10]，對鉆井過程中的儲層傷害及控制措施研究相對較少。因此，以金佳礦區(qū)煤層氣井為例，總結龍?zhí)督M復雜地層條件下的鉆完井技術及施工參數控制，為貴州省復雜地層煤層氣井快速、低傷害鉆井提供應用指導。

1 金佳礦區(qū)復雜地層鉆完井風險

1.1 金佳礦區(qū)復雜地層結構模型

金佳礦區(qū)煤層氣勘查區(qū)位于六盤水煤田盤關向斜東翼中段，構造形態(tài)為單斜構造，地層走向NE30～50°，傾向NW，傾角11°～39°，一般為20°～24°。含煤地層傾角稍陡，24°左右，其淺部斷層較發(fā)育，構造較復雜；勘查區(qū)中、深部，傾角逐漸變緩，一般20°左右，構造較簡單。根據勘查區(qū)范圍內參數井JV-1 井獲取的參數，煤層含氣量在9 m3/t 以上，最大為18-1#煤的21.12 m3/t，各煤層的氣體解吸率在45%～81%之間，含氣量整體上隨著煤層埋深增加而增加。JV-1 井煤層煤樣壓汞實驗的平均孔隙度為3.34%，平均孔容為0.023 cm3/g，平均比表面積為5.89 m2/g，平均孔徑為15.22 nm，各煤層均以微小孔為主，大孔和中孔含量相對較少，微小孔占比約70%～80%，勘查區(qū)內各煤層吸附能力較強，而滲流能力相對偏弱，相對而言有利于煤層吸附甲烷氣體，含氣量相對較高，不利于煤層氣井儲層降壓、解吸、擴散、滲流、產氣。

勘查區(qū)范圍內上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為主要含煤地層，厚220～260 m，平均230 m，共含煤層29～44 層，含煤層總厚度36.24～48.11 m，平均42.18 m；含煤系數為17.95%。含可采煤層15 層，可采煤層總厚21.86 m。其中，全區(qū)可采煤層6 層，均屬較穩(wěn)定煤層，大部分可采5 層，包括較穩(wěn)定煤層和不穩(wěn)定煤層，局部可采4 層，均屬不穩(wěn)定煤層。金佳礦區(qū)煤層頂底板以砂巖、泥巖為主，包括炭質泥巖、粉砂巖、細砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖、鋁土質泥巖等?；诮鸺训V區(qū)煤層氣勘查區(qū)煤層及頂底板巖性變化規(guī)律，認為研究區(qū)內煤層分布可以分為5 種結構模型。金佳礦區(qū)含煤地層分布結構模型如圖1。

圖1 金佳礦區(qū)含煤地層分布結構模型Fig.1 Distribution structure model of coal-bearing strata in Jinjia Mining Area

1.2 復雜地層鉆完井風險及控制

根據金佳礦區(qū)含煤地層分布結構模型可以看出，含煤地層變化大，煤層之間存在多種巖性變化的情況，同時煤層存在夾矸，增加煤層分布結構類型，使得地層結構更加復雜，增加了鉆井施工過程中的井身質量控制難度，也增加了多煤層及含夾矸煤層的壓裂施工難度。工程試驗及研究結果表明，軟硬地層頻繁互層鉆井施工過程中，增加了鉆頭選型、鉆具組合的難度，鉆井過程中鉆頭泥包、鉆桿憋鉆嚴重[11]，難以有效保障井身質量，采取低鉆壓、低鉆速保障井身質量措施，鉆井機械鉆速較低，致使施工周期延長，井壁垮塌、擴徑及鉆井液侵入傷害的風險增加。

針對砂巖-煤互層的煤系地層結構模型，適宜采取中高鉆壓、中高鉆速的鉆井控制方式，有效保證井身質量。砂巖層脆性強，膠結致密，孔喉細小，煤層塑性強，鉆井過程中重點控制鉆井液性能，降低鉆井液侵入地層造成的固相損害和液相損害，控制鉆井液固相顆粒，降低鉆井液對地層的傷害[12]。

針對泥巖-煤互層的煤系地層結構模型，適宜采取中低鉆壓、中低鉆速的鉆井控制方式。泥巖層黏土礦物中含有伊利石、蒙脫石等遇水膨脹礦物，鉆井液中加入適量的黏土穩(wěn)定劑，防止伊利石、蒙脫石遇水膨脹造成井眼縮徑、塌孔及鉆頭泥包、鉆桿憋鉆等異常情況發(fā)生。

針對泥巖-砂巖-煤、砂巖-泥巖-煤及泥巖砂巖頻繁互層-煤的煤系地層結構模型，鉆井施工過程中應加強鉆井巖屑錄井、鉆時錄井、鉆井液錄井工作的分析研究，加強鉆井過程管理，強化對鉆遇泥巖、砂巖、煤層的分析識別[13]，采取低鉆壓、低鉆速的鉆井控制方式，重點控制鉆井液固相顆粒，鉆井液中加入適量的黏土穩(wěn)定劑，防止鉆井過程中的泥漿侵入傷害及井眼縮徑及塌孔情況，避免固井出現大段“糖葫蘆串”的情況，保證完鉆完井身結構質量。

2 金佳礦區(qū)煤層氣鉆完井工藝技術

煤層氣井鉆井技術日趨成熟，逐步實現了直井、定向井及水平井的高效鉆井，實現煤層氣井快速鉆井和儲層保護。貴州地區(qū)煤層、頂底板軟硬互層頻繁，增加鉆井技術難度，在鉆井技術上應優(yōu)化煤層氣井的井身結構、鉆井液，合理選擇井下鉆具、鉆壓、轉速等施工參數。

2.1 井型及井身結構設計

勘查區(qū)前期施工了煤層氣參數井，未施工煤層氣排采井，此次施工的煤層氣井為311.1 mm+215.9 mm 鉆頭、244.5 mm+139.7 mm 套管完井的生產井。基于該地區(qū)前期未施工煤層氣排采井及降低開發(fā)成本的原因，為確保鉆完井工程質量，此次施工的2 口煤層氣井采取直井二開套管完井的井身結構方案，降低施工難度?？辈閰^(qū)煤層氣井井身結構示意圖如圖2。

圖2 勘查區(qū)煤層氣井井身結構示意圖Fig.2 Borehole structure diagram of CBM well in exploration area

2.2 快速鉆井及完井技術

由于含煤地層巖性變化大，煤層存在夾矸，鉆井施工過程中，不同巖性的軟硬程度差異大，鉆井井身質量控制的難度增加，需要及時控制合理施工鉆壓，避免鉆壓過大造成井斜過大及鉆壓過小造成的鉆井周期延長，增大煤層段井眼垮塌、擴徑的風險。

針對金佳礦區(qū)含煤地層的復雜情況及鉆井施工過程中存在的風險，為確保煤層氣井快速成孔及降低含煤地層的施工風險，在含煤地層頂部（飛仙關組）采取30～60 kN 的中高鉆壓、20～30 L/s 的大排量、高轉速鉆進，在含煤地層（龍?zhí)督M）采取20～30 kN 的中低鉆壓、15～20 L/s 的小排量、中高轉速鉆進，鉆進過程中及時測斜，確保井斜角不超標。金佳礦區(qū)2 口煤層氣井鉆井質量數據表見表1。

表1 金佳礦區(qū)2 口煤層氣井鉆井質量數據表Table 1 Drilling quality data table of two CBM wells in Jinjia Mining Area

根據表1 數據，對照《煤層氣鉆井工程質量驗收評級規(guī)范》可知，JP-1 井井身質量合格，JP-2 井最大井斜角、水平位移、全角變化率參數超標，井徑擴大率均為優(yōu)秀。隨著鉆壓增加，鉆井質量參數中的最大井斜角、水平位移、全角變化率均增大，全井及煤層井徑擴大率均減小，且煤層井徑擴大率顯著減小，表明煤層氣井鉆井工程中，合理控制鉆壓，縮短煤系地層鉆井時間，能夠降低鉆井液對地層的侵入傷害。

金佳礦區(qū)2 口煤層氣井實際鉆井過程中，JP-2井在一開鉆井過程中采取空氣鉆井技術，處理一開井段地層漏失問題。二開鉆井過程中，JP-2 井鉆壓比JP-1 井鉆壓（20～30 kN）高10 kN 左右，JP-2 井在二開鉆進至777 m 處，接近完鉆井深，最大井斜角達到9.02°，井底水平位移36.58 m，2 口井純鉆進的鉆井時效在6.5～8.5 m/h 之間，縮短鉆井周期。根據JP-2 井二開鉆井深度777 m 處的地層巖性情況分析，該段為泥巖、煤層、砂巖結構模式，在高鉆壓、高鉆速鉆井參數下，泥巖、煤層鉆時較高，井下鉆具在承壓狀態(tài)下導致井斜角逐漸增加，最終導致該段的井斜角較大。由于鉆壓相對較高，在煤層段的鉆井時間相對減少，降低煤層段鉆井過程的擴徑風險及鉆井施工對煤層的污染，煤層段井徑擴大率相對較小，確保煤層段固井質量。2 口井的鉆井質量參數對比可以看出，含煤地層巖性及軟硬程度頻繁變化的情況下，在高鉆壓條件下井筒井斜角及水平位移逐漸增大。煤層氣井在含煤地層鉆井過程中，應控制合理施工鉆壓，確保井身質量合格。

2.3 煤層低傷害鉆井技術

煤層氣井鉆井施工過程中，鉆井液的選擇主要滿足以下要求，實現煤層氣井快速鉆井及儲層保護。鉆井液與煤儲層要有良好的配伍性，降低鉆井液固相含量，抑制井筒井壁水化、膨脹，降低鉆井液密度，實行平衡或近平衡鉆井，避免泥漿侵入傷害。絨囊鉆完井流體對煤系地層三氣合采試驗結果表明，絨囊鉆完井流體造成的儲層滲透率損害率在7%～12%，污染后不同尺度裂隙的平均長度和平均寬度均有所減小，且裂隙尺度越大，污染程度越高[14]。煤層氣井鉆井過程中鉆井泥漿材料及固井水泥漿侵入地層，堵塞井筒附近的原生孔裂隙，對儲層造成不可逆?zhèn)?。鉆井施工應重點控制含煤地層中合理使用泥漿材料，降低固相顆粒侵入地層造成的傷害，在固井過程中，合理控制固井水泥漿密度，避免水泥漿密度過大造成水泥漿壓入地層引起的傷害。

金佳礦區(qū)2 口煤層氣井鉆井過程中，含煤地層泥漿密度控制在1.02～1.04 g/cm3，黏度控制在36～39 s，含砂不超過0.2%。JP-1 井固井水泥漿相對密度最大1.89 g/cm3，最小1.85 g/cm3，平均1.87 g/cm3；JP-2 井固井水泥漿相對密度最大1.85 g/cm3，最小1.65 g/cm3，平均1.82 g/cm3。均使用G 級固井水泥，固井質量均為良好及以上。根據2 口井壓裂施工初期壓力變化分析，JP-1 井第2 段（3#煤）壓裂初期施工壓力較高，比正常施工壓力高20 MPa 左右，表明井筒附近存在污染，堵塞裂隙通道，導致井筒附近壓裂液延伸、擴展阻力很大，施工壓力高。JP-1 井第2段壓裂施工曲線如圖3。

圖3 JP-1 井第2 段壓裂施工曲線Fig.3 Fracturing curves of the second stage of well JP-1

根據該井鉆完井施工參數分析，JP-1 井井筒附近污染的原因可能有以下2 個方面：①固井水泥漿密度偏高，造成固井過程中煤層處的壓力偏高，導致水泥漿壓入地層，造成井筒附近煤層裂隙被固井水泥漿堵塞；②煤層井徑擴大率較高，井壁固井水泥環(huán)厚度偏大，射孔施工未完全穿透水泥環(huán)，導致壓裂初期裂縫在水泥環(huán)中延伸、擴展阻力高，施工壓力高。對比JP-1 井、JP-2 井鉆井施工參數分析，JP-1 井井筒附近煤層污染的主要原因為固井水泥漿密度偏高，煤層井徑擴大率較高對施工壓力偏高的影響相對較小，且影響施工壓力偏高的時間較短。

3 金佳礦區(qū)煤層氣鉆井與產氣效果

金佳礦區(qū)煤層氣勘查區(qū)施工2 口煤層氣井，鉆井取得較好的施工效果。2 口井均達到設計要求，井徑擴大率控制在10%以內，2 口井固井質量良好，滿足壓裂施工要求。JP-1 井、JP-2 井的產氣效果均達到預期產氣效果，穩(wěn)產期間的產氣量分別達到1 100、1 500 m3/d。金佳煤層煤層氣井排采曲線如圖4。

圖4 金佳煤層氣井排采曲線Fig.4 CBM well drainage curves in Jinjia Mining Area

通過該區(qū)塊2 口煤層氣井在鉆井及排采控制技術方面的實驗研究成效及取得的良好產氣效果，為該地區(qū)煤層氣井在鉆井施工參數控制及多煤層合層排采控制等方面提供參考，提高煤層氣開發(fā)效果。

4 結 語

1）六盤水煤田金佳礦區(qū)含煤地層煤層層數多，部分煤層含有夾矸，含煤地層劃分為5 種不同的分布結構模型，由于含煤地層巖性變化，鉆井施工過程中鉆遇軟硬不同的地層，增加了鉆井施工難度。

2）煤層氣井煤系地層不同結構模型的地質特征下，應采取不同的鉆井施工參數，確保井身質量，控制鉆井液性能參數，防止鉆井液侵入地層造成的傷害黏土礦物膨脹造成井眼縮徑、塌孔。

3）煤層氣井鉆井施工過程中應控制合理的鉆井參數，避免鉆井施工參數不合理造成的井斜、井徑擴大率、水平位移等參數超標，同時避免對井筒附近的煤層造成傷害，影響固井質量。

4）煤層氣井固井施工應控制合理的固井水泥漿密度，避免水泥漿密度偏高引起的水泥漿侵入地層，造成水泥漿膠結后堵塞井筒附近裂隙通道，壓裂初期的施工偏高，影響壓裂液效率及改造效果。