和順區塊煤層氣遠端連通水平井鉆井關鍵技術研究

王彥祺

(華東石油局工程技術設計研究院,江蘇 210031)

1 概述

和順區塊位于沁水盆地東緣北部,主要含煤層為古生界石碳系太原組和二疊系山西組,其中太原組15#煤變質程度高,為煤層氣勘探的主要煤層。為了進一步探索沁水盆地和順區塊采用水平井開采煤層氣的效果,中石化華東分公司決定在該區塊實施一口遠端連通水平井。

2 遠端連通水平井的優勢

水平井與排采直井的連通方式有兩種,一種是在進入水平段時連通,稱為近端連通;一種是在水平段的末段連通,稱為遠端連通。遠端連通的水平井與直井和近端連通水平井相比具有以下優勢：

(1)與直井相比,提高了導流能力,增加了解吸波及面積,擴大了煤層氣供給范圍,從而大幅度提高單井產量。

(2)與近端連通水平井相比,可通過兩連通井眼循環洗井,解決井眼可能發生的堵塞,提高井眼的使用壽命。

(3)水平段沿儲層下傾方向鉆井,有利于軌跡控制。

3 和順區塊實施遠端連通水平井的難點

和順區塊鉆遇地層的地質特點為：(1)第四系砂為礫層和流砂層;(2)太原組灰巖段易水侵、易漏失;(3)15#煤層頂板砂巖層為弱含水層;(4)15#煤層為塊狀碎裂煤,裂縫教發育,含有1～2層較薄碳質泥巖夾矸。上述地質特點導致了在該地區施工遠端連通水平井存在以下難點：

(1)在井眼軌跡控制方面：一是由于和順區塊儲層埋深較淺,施工水平連通井特點是井淺,位垂比大,造斜率高,造斜井段軌跡控制精度要求高;二是由于是遠端連通,控制井段較長,連通難度較大。

(2)在井眼穩定方面：一是煤層井段要求清水鉆進,對煤層的抑制能力差;二是由于煤層膠結疏松,在水平井段鉆進時易發生坍塌卡鉆。

(3)在儲層保護方面：一是由于煤儲層的吸附能力、應力敏感性、速敏性、水敏性、堿敏性強等特點,決定了煤層容易受到傷害。二是由于煤儲層的壓力低,鉆井液中的固相顆粒在液柱壓差作用下容易進入煤層孔隙和裂縫,對儲層造成傷害。

4 關鍵技術研究

4.1 井身結構的確定及優化設計技術

4.1.1 井身結構設計應考慮的因素

在和順區塊進行煤層氣水平井井身結構設計時應重點考慮以下因素：

(1)在水平段清水鉆進時確保上部井段井壁穩定;

(2)從排水采氣的角度考慮,套管必須將煤層上部出水量大的層位封堵;

(3)考慮到和順地區15#煤層上部為粉煤層,極易垮塌,要求技術套管視實鉆情況下至目的煤層夾矸位置處,以確保后續施工的井下安全。

(4)水平井段井眼的大小需考慮井壁的穩定性及工具儀器的配套;

(5)在確保安全的基礎上,盡可能降低生產成本。

4.1.2 和順區塊煤層氣水平井井身結構設計

綜合考慮上述因素,研究確定和順區塊水平連通井的井身結構采用三級結構,水平段采用φ152.4mm井眼。具體結構為：φ311mm井眼 ×φ244.5mm表層套管 +φ215.9mm井眼 ×φ177.8mm技術套管+φ152.4mm水平井眼。

4.2 井眼軌道設計及軌跡控制技術

4.2.1 井眼軌道設計

井眼軌道設計除要考慮常規水平井須考慮的因素外,還要根據煤層氣水平井的特點,重點考慮以下兩個因素：

(1)井眼軌跡控制。由于煤層氣井埋藏較淺,入窗前可供控制的井段較短,因此,設計的井眼軌道應有利于井眼軌跡控制,確保準確入窗。

(2)水平井段加壓。由于煤層氣水平井位垂比大,到水平段后鉆柱能提供的鉆壓有限,使得水平井段施工加壓困難,特別是滑動鉆進時更加困難。因此,所設計的水平井井眼軌道應盡可能光滑,以最大限度減少摩阻。

綜合上述因素,研究確定采用“直-增-穩-增-水平”五段制軌道,造斜率不大于 8°/30m,以確保井眼的光滑和水平段加壓。將著陸點控制在入窗前20m的井段,以利于入窗前井眼軌跡的控制。

4.2.2 井眼軌跡控制

(1)直井段。重點是控制井斜,為下部井段施工創造了良好條件?？刹捎盟姐@具組合。

(2)造斜段。重點是確保工具的造斜率能夠達到設計要求,使井眼軌跡能夠準確在煤層中順利著陸?？刹捎谩皩蝰R達+MWD”的常用定向鉆具組合。

(3)水平段。重點是確保井眼軌跡在目的層的穿透率?？刹捎谩皢螐澛輻U鉆具+LWD”的地質導向鉆具組合。在參考區域資料、鄰井的測試、生產情況、巖心分析等資料的基礎上,結合本井的巖屑錄井、鉆時等相關數據,利用伽馬測量儀確定煤層的位置及界面準確地鉆入設計目的層并在其層位中有效地延伸。

(4)連通段。首先在直井中下入探管,在水平井鉆頭處連接一個永磁短節。永磁短節的探測距離是70m,所以一般在距離直井100米左右起鉆下入。連通段的重點一是保證在連通儀器探測距離之外的井段方位偏差不大,否則很難一次連通;二是在距離直井20m以內對井底方位的判斷要準確,否則兩井很可能會“擦肩而過”。

4.3 鉆井液體系設計及維護技術

4.3.1 鉆井液體系設計

針對鉆遇地層的特點,研究出相適應的鉆井液體系方案如下：

(1)一開設計使用預水化膨潤土鉆井液,解決大井眼的攜巖問題。

(2)二開設計使用成膜防塌鉆井液體系,滿足斜井段的攜巖和煤層段的井眼穩定要求,為順利下入技術套管提供良好條件。

(3)三開設計使用在清水加入2%氯化鉀的鉆井液。根據煤層水礦化度分析,氯含量在200～400mg/l,采用在清水中加入2%氯化鉀的鉆井液,以保護儲層和提高防塌能力;配制高粘CMC膠液定期清掃巖屑,以解決水平井的攜巖問題。

4.3.2 鉆井液維護技術

(1)一開。配制40m3膨潤土漿,充分水化24小時后,進行一開鉆進。一開鉆完后,打入100s高粘度鉆井液徹底洗井,保證井眼潔凈,確保下表套、固井作業順利。

(2)二開直井段。在一開膨潤土漿的基礎上,補充聚丙烯酰胺膠液,提高鉆井液的抑制能力和包被能力,控制固相含量,鉆井液性能控制在：密度1.05～1.10g/cm3,粘度 30～50s。鉆至 3#煤層前,為保護煤層不被污染,逐步替換為清水,密度控制在1.01～1.02g/cm3,固相含量控制在1%以內。

(3)二開定向側鉆井段。在原井漿的基礎上,補充正電膠,提高鉆井液的抑制、防塌能力,同時增加鉆井液的攜砂和懸浮能力;補充聚丙烯酰胺膠液,提高鉆井液的抑制、包被能力,鉆井液性能維護在：密度1.05g/cm3,粘度44s,切力2/8Pa。二開鉆完后,充分洗井,確保測井,下套管順利。

(4)三開水平井段。主要在煤層段鉆進,將前開次使用的鉆井液放掉,使用清水加2%氯化鉀的鉆井液鉆進;每鉆進3個單根加入50升高粘CMC膠液循環清掃鉆屑,保障水平段施工安全順利。充分使用三級固控設備,清除鉆井液中的固相,密度控制在1.01～1.02g/cm3,固相含量控制在1%以內,粘度33～28s,pH在8以下。

5 現場應用

沁水盆地和順區塊實施的遠端連通水平井由和1井、和平1井組成,通過該井組的設計與施工,初步形成在該地區實施煤層氣水平連通井的設計與施工技術。

5.1 和1井概況

和1井位于山西省和順縣,屬沁水盆地北部榆社-武鄉構造帶,是一口煤層氣探井,同時作為和平1水平連通井組的排采井。該井2008年9月25日一開,2008年10月14日完鉆,完鉆井深560m,其井身結構為φ244.5mm表層套管 ×36.45m+φ177.8mm生產套管×550.47m,在目的層位石炭系太原組15#煤503.93～512.34m處下入玻璃鋼套管1根,固井后對505.50～509.00m井段進行了擴孔,擴空直徑為500mm。

5.2 和平1井設計

5.2.1 地質設計

和平1井是一口煤層氣評價井,目的煤層為石炭系太原組15#煤。該井距排采井和1井717.55m,完鉆垂深 502.35m,靶區范圍為 20m×2m×498.53m區域。該井與和1井洞穴處成功連通后,再鉆進10m完鉆。

5.2.2 軌道設計

和平1井的井眼軌道設計參數如表1所示。

5.2.3 井身結構設計

和平1井設計采用的井身結構為：φ311mm井眼×30m(下入φ244.5mm表層套管×29.50m)+φ215.9mm井眼×606m(下入φ177.8mm技術套管×604m)+φ152.4mm水平井眼 (裸眼完井)。

表1 和平1井軌道設計主要參數

5.2.4 鉆具組合設計

直井段采用塔式鉆具組合：φ251.9mm鉆頭+φ177.8mm鉆鋌1根+φ158.8mm無磁鉆鋌1根 +φ158.8mm鉆鋌11根+φ127mm鉆桿。

造斜段采用“導向馬達+MWD”的常用定向鉆具組合：φ251.9mm鉆頭 +φ165mm單彎螺桿(1.5°)+MWD短節+φ165mm無磁鉆鋌 +φ127mm鉆桿。

水平段采用“單彎螺桿鉆具+LWD”的地質導向鉆具組合：φ152.4mm鉆頭+φ120mm單彎螺桿(1.25°)+φ120mmELWD 短節 +φ120mm 無磁鉆鋌+φ89mm鉆桿。

連通段采用帶強磁導向系統的鉆井組合：φ152.4mm鉆頭+φ120mmRMRS+φ120mm單彎螺桿(1.25°)+φ120mmELWD 短節 +φ120mm 無磁鉆鋌+φ89mm鉆桿。

5.3 實鉆效果

和平1井在下入強磁連通儀器前方位控制較為理想,與設計軌道基本吻合,在距離直井75m處方位偏差是7.5。鉆進至井深1082.50m時,鉆壓放空,泵壓下降,發現井口無返漿,至5分鐘后鉆井液從和1井井口返出,確認連通成功。

和平1井于2009年1月1日開鉆,2009年2月24日完井,完鉆井深1118m,水平段長508m,水平位移720.90m。煤層鉆遇率達94.49%,和1井經測試表皮系數為-2.33,和平1井經測試表皮系數為0.023,取得了較好的軌跡控制和儲層保護效果。

6 結論與建議

(1)遠端連通水平井是集鉆井、完井與排采于一體的系統工程,成功地鉆成一組遠端連通水平井,需要地質研究、井眼軌跡控制、兩井連通、井壁穩定、儲層保護、完井工藝等多項技術的集成。

(2)水平段采用清水鉆進能起到較好的儲層保護效果,但不利于井眼穩定。建議今后在該區塊嘗試采用空氣、泡沫等進行欠平衡鉆井。

(3)和平1井采用的是裸眼完井,后期的排采表明,井眼有堵塞現象。建議今后在該區塊實施水平遠端連通井下入PVC連續篩管完井。

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