煤層氣洞穴-篩管完井工藝

李宏欣 張學峰

(1.河南省煤層氣開發利用有限公司,河南 450016;2.河南豫中地質勘察工程公司,河南 450053)

為了改變煤層透氣性差設計采用洞穴-篩管完井這一技術,目的在于有效擴大煤儲層暴露面積或滲流面積,最大限度降低鉆井液和固井水泥漿對煤儲層的傷害,保持煤儲層和井筒之間最佳的連通條件,煤層氣流達到井口的阻力最小。采用該技術和常規的施工方法及工作內容一樣,完鉆后在煤層段利用造穴工具對煤層段造洞穴,施工工藝簡單,操作方便,施工時間短、成本低。

1 研究區地質及煤層氣開采狀況

1.1 地質

井田地層自下而上為寒武系上統崮山組;石炭系上統本溪組、太原組;二疊系下統山西組、下石盒子組,上統上石盒子組、石千峰組;三疊系下統劉家溝組及第四系,總厚約1400m。其中石炭系上統太原組-二疊系上統上石盒子組為含煤地層,二疊系的山西組為主要的含煤地層,含主要可采煤層二1煤。因此,該井田的開采煤層和本次研究的目的層為二1煤層。

1.2 煤層氣的儲存和開采情況

井田內二1煤頂板以泥巖、砂質泥巖為主,其厚度一般為2.00～15.00m,厚-巨厚層狀,致密,巖石完整,裂隙不發育,該井田參數井煤層頂板巖石取樣測試滲透率為0.03～0.038×10-3μm2;證明二1煤層頂板滲透性差,隔水性好,是一層很好的氣蓋層。

煤層底板一般為厚0.5～2m的泥巖或炭質泥巖,其下巖性多為砂質泥巖,厚5～10m,井田參數井煤層底板巖石取樣測試滲透率為0.045×10-3μm2;證明二1煤層底板滲透性差,隔水性好。

井田內二1煤層的頂、底板在整個巖性組合上基本相同,即均覆蓋著一套氣密性較好、厚度較大的泥巖、砂質泥巖,二1煤層吸附能力強,使煤層氣大部分被圈閉在煤層中以原地吸附的形式保存,有利于形成原生煤層氣藏。

煤層上覆有效地層厚度控制著煤層含氣性,本區二1煤層埋深一般650～1000m,上覆有效地層厚度一般為600～950m,煤層氣逸散的氣量較少,煤層氣含量高。

(1)煤層氣含量

地質勘探時期鉆孔瓦斯含量：二1煤層所測瓦斯含量變化范圍為3.15～15.52m3/t·r,屬于高瓦斯含量區;同一煤層在南北傾向上瓦斯變化不甚明顯;沿走向從西向東瓦斯含量逐漸增高,變化規律明顯。

已揭露的工作面瓦斯涌出情況：回采期間瓦斯絕對涌出量4.193～15.823m3/min,掘進工作面在0.82～5.62m3/min,相對瓦斯涌出量在11.483～17.189m3/t。二1煤層為突出煤層,礦井為煤與瓦斯突出礦井。

本次所布設的地面參數為生產試驗井所測的4個吸附樣,樣品的空氣干燥基煤層含氣量為5.86～12.31cm3/g,平均8.21cm3/g。

(2)井下工作面本層鉆孔瓦斯抽采量

己2采區綜采工作面瓦斯抽采量為0～8.15m3/min,己2采區掘進面瓦斯抽采量為3.32m3/min。由于煤層透氣性系數較低,井下鉆孔瓦斯抽采率較低。

(3)礦井瓦斯抽采量

礦井瓦斯抽采量包括綜采工作面、綜掘工作面、預抽工作面、采空區、老空區等地點瓦斯抽采量。經計算礦井瓦斯抽采量為42.51m3/min。瓦斯抽采系統服務年限與礦井生產服務年限相同。

2 煤層氣洞穴-篩管完井工藝的原理與鉆孔設計

2.1 原理

洞穴完井是單一厚煤層重要的煤層氣增產完井技術之一。增產機理在于對煤儲層周期性的壓力激動,導致煤層內微裂隙和割理受到波動壓力作用而產生縱橫向的擴張和擴展。施工采用噴射式造穴器進行水力沖洗、擴眼、激勵、破碎、清洗等組合技術,在煤層段營造一個合適規模的洞穴,用來釋放煤層部分地應力,同時使煤層段的應力場分布均一化;然后對裸眼洞穴煤層實施水力加砂壓裂,壓裂液選用活性水,支撐劑選用粗石英砂,壓裂結束后,控制壓裂液排放速度,防止洞穴過度坍塌,然后再采用水力沖洗、破碎、清洗等技術,對裸眼洞穴進行有效清理。洞穴清理完畢后,在裸眼洞穴段下入預制好的鉆孔篩管,篩管下部支撐于井底,上部進入生產套管內5m左右。

這一技術可以有效擴大煤儲層暴露面積或滲流面積,最大限度降低鉆井液和固井水泥漿對煤儲層的傷害。最近,在平頂山十三礦成功地完成了一組洞穴-篩管煤層氣生產實驗井。洞穴完井工藝技術概括為：鉆頭鉆至煤層頂界上3m時停止鉆進,進行裸眼地球物理測井,下技術套管,注水泥固井候凝后,再從技術套管中下入小一級的鉆頭鉆穿煤層至底板下10m完鉆。在完成該段裸眼測井和前一階段的固井測井后,下入噴射式造穴器對煤層段造穴,洞穴直徑達到1.2m時停止造穴。對裸眼洞穴煤層實施水力加砂壓裂后,再下入鉆具對裸眼洞穴進行有效徹底清理,最后在裸眼煤層段及以下井段安裝懸掛式割縫篩管,并密封襯管和套管之間的環形空間。煤層氣可以流過篩管割縫進入井筒。割縫襯管完井它既有裸眼完井的作用,又防止裸眼井壁坍塌堵塞井筒,同時在一定程度上起到防砂的作用。施工工藝簡單,成本較低。

割縫襯管鉆完井方法比常規套管完井鉆井方法具有的優點在于：

(1)在煤層段使用近平衡或欠平衡鉆進能有效降低鉆進過程中鉆井液對煤儲層的浸泡侵害;常規套管完井在下套管固井作業時水泥漿加深對煤儲層的污染,同時在坍塌的煤層段形成一個厚大水泥石墩既增加射孔的難度,也造成井壁附近滲透率的降低;

(2)清水造洞穴作業時基本上消除鉆進中可能發生的煤儲層損傷;也避免了射孔、壓裂等完井施工過程對儲層不同程度的損傷;

(3)射孔完井由于射孔孔眼數目和位置有限,煤儲層裸露面積少,會使煤層氣流入井筒的阻力大;而洞穴篩管完井有效擴大煤儲層暴露面積或滲流面積,煤層氣流達到井口的阻力最小;

(4)減少套管和固井水泥的用量,減少射孔前后兩次測井的工作量,也不再進行要求較高的射孔操作技術;

(5)工藝簡單、操作方便、成本低。

2.2 鉆孔設計及施工難點

2.2.1 井身結構設計

洞穴-篩管完井采用三開井身結構方案 (見圖1),一開φ311.15鉆穿第四系黃土層,進入穩定基巖不少于10m。下入表層套管：φ273.1×7.00mm螺旋管,封隔地表不穩定的松散易塌地層、水層、漏層,注1.85g/cm3的水泥漿密度返到地面。二開φ215.9mm鉆頭鉆進至二1煤層頂板3m左右中途完鉆下入177.8mm套管至二開井底,注1.85g/cm3的水泥漿密度返到地面。三開φ152mm鉆頭鉆穿二1煤層至底板10m完鉆,在煤層段造洞穴至洞穴直徑達到1.2m,壓裂洗井后,下入氣層篩管φ139.75×7.72mm鋼級為J55篩管,放置在裸眼煤層及以下井段。

2.2.2 鉆具組合及鉆井參數

0～50m 311.1mm鉆頭+158.8鉆鋌×8根+方鉆桿;鉆壓 10～30K N,轉速 43～110rpm,排量16L/S。

50～760m 215.9mm鉆頭+158.8鉆鋌×8根+88.9鉆桿 +方鉆桿;鉆壓30～80K N,轉速43～110rpm,排量16L/S。

760～777m 152.4mm鉆頭+88.9鉆鋌×8根+88.9鉆桿+方鉆桿;鉆壓5～10K N,轉速43rpm,排量16L/S。

763.05 ～766.87m噴射式擴孔造穴器 (550mm)+88.9鉆桿+方鉆桿;鉆壓0K N,轉速43rpm,排量16L/S。

2.3 鉆井液

山西組地層鉆井液體系要求：清水、無粘土和少量粘土優質鉆井液,鉆井液地面循環系統中設置沉淀池、振動篩、除砂器等鉆井液凈化固控裝置。用清水作鉆井液,相對密度控制在1.03g/cm3以下。該區地層壓力較低,做到煤層井段近平衡鉆進,能有效地攜帶煤、巖屑;穩定和保護井壁,平衡地層壓力,以保障鉆進施工安全。

煤層造穴段鉆井液體系：用清水作鉆井液,密度保持控制在1.03g/cm3以下。

2.4 各次開鉆及分井段施工重點要求

一開鉆進：該井段地層主要以第四系表土層為主,含有卵礫石,鉆進中要注意①防止井漏、垮塌、防卡。②要嚴格控制鉆壓,防止井斜,以保證井眼垂直下套管順利。③準備足夠的堵漏材料,以保證施工的正常進行。④確認進入比較穩定的基巖后方可起鉆下套管。

二開、三開鉆進：①做好鉆頭及鉆進參數的優選工作,以提高鉆進速度。②嚴格控制鉆進參數,隨鉆電子多點：點/10m測量一次井斜,確保井斜控制在設計要求的范圍內,以保證后續施工的正常進行。③起下鉆作業時,要操作平穩,禁止猛提猛放,防止壓力激動,破損井壁。

下套管技術要求：①起鉆前做好下套管的準備,套管鋼級和壁厚必須符合設計要求;計算套管下入深度,入井套管必須復核,下套管必須有下套管記錄;②下套管前進行通井,確保井眼暢通;下套管作業時套管扭矩必須符合規范要求,保證套管不留余扣,套管串使用標準絲扣密封脂;③下套管過程中及時灌漿,防止套管在井下靜止時間過長;④套管下到位后,先小排量頂通,待暢通后,再大排量充分循環。

固井主要技術措施：①固井作業前,要認真測量泥漿性能和井底溫度,讀取電測井徑等,認真計算水泥漿等用量。②按設計要求加扶正器,保證套管居中。下套管到位后,套管內灌滿鉆井液,接水泥頭及固井管線。③先小排量打通,確認返出正常后,按正常環空返速循環清洗井眼1周。④控制合理的注替速度,以減少環空壓差,注水泥期間,必須有專人監控返出的鉆井液中是否有水泥漿。

圖1 井身結構圖

造穴施工措施要求：①根據鉆井現場實際情況,選擇確定泥漿泵排量。②下入機械式造穴工具到設計洞穴的頂部,緩慢開泵建立循環,并緩慢轉動鉆具,要時刻觀察鉆具扭矩表值,如發現扭矩陡增,必須立即調整鉆具轉速或泥漿泵排量,以防損壞造穴工具刀桿機構,造成井下事故。③按照調整好的排量和轉速,進行造穴施工作業。④觀察到鉆具扭矩顯著降低,并持續一段時間,緩慢向下送鉆,繼續造穴施工,直到鉆具下送距離達到設計的洞穴的高度。⑤停泵終止泥漿循環,緩慢轉動鉆具,并緩慢上提鉆具,使機械式造穴工具刀桿機構收回,起出鉆具和造穴工具,造穴作業完成。

3 施工工藝和主要施工技術措施

3.1 施工工藝

一開采用φ311.2mm牙輪鉆頭,鉆進至二疊系上統石千峰組平頂山砂巖5～10m左右完鉆;下入規格為φ273.1×7.00mm表層套管,套管口和地面平。固井水泥漿泛出地面,候凝48小時;二開下入φ215.9mm鉆頭、φ159mm鉆鋌、φ88.9mm鉆桿,鉆進至二1煤層頂板3m左右中途完鉆。進行裸眼井中途地球物理測井 (包括標準測井、綜合測井、井斜測量)等,用來劃分地層巖性剖面。接著下入鋼級為N80、規格為 φ177.8×8.05mm技術套管,套管口比地面高0.25m。固井水泥漿泛出地面關井候凝48小時。三開下入φ152mm鉆頭、φ88.9mm鉆鋌、φ88.9mm鉆桿,鉆進至二1煤層底板10m完鉆。進行第二次測井主要確定二1煤層頂底板的準確位置 (包括埋深厚度、煤層厚度、煤層結構以及煤層底板的方位與煤層底板的水平位移)。接著進行固井質量檢查測井,評價水泥環膠結情況等。下入造穴器對煤層段造洞穴,施工達到設計的要求后,大排量清洗井眼,將煤屑全面循環出地面,進行升波幅度測井來確定洞穴的形狀和大小,壓裂清洗凈井眼后,在煤層段下入氣層篩管 φ139.75×7.72mm后完井。安裝井口裝置,技術套管與表層套管之間采用環形鋼板來固定,井口平正,用井口帽封蓋?；謴途畧鲋吝M場時原貌。

3.2 洞穴施工

造穴工具采用噴射式擴孔造穴器,造穴鉆具采用φ89mm鉆桿,其內徑為φ63.5mm較小,鉆井液流速快,擴孔造穴器受泵壓作用時作用力作用在割刀上,使噴射器的合金割刀自然翹起,利用高強度水力能量切割造穴。鉆具下井前先對造穴器割刀部位進行靈活完好檢查,緩慢開動泥漿泵,當泵壓達2.5MPa時造穴器割刀受力后自然翹起,泵壓慢慢減小時造穴器割刀自然緩慢下落,至恢復原位。將鉆具下至指定造穴位置-煤層頂板下0.5m處造洞穴起始井深處,記錄方入的準確位置并把方鉆桿向上相當于煤層厚度的位置表示出來,來保證造洞穴施工在煤層段。

在鉆具下至指定造穴位置造穴施工前,人工轉動轉盤數周,沒阻力后使鉆機轉速為Ⅰ檔,排量有小到大至排量為14L/s,造穴時保證泵壓不低于2.5MPa,鉆井液相對密度為1.03g/cm3,粘度為16s,pH值為8。造穴過程時刻觀察泥漿循環槽里返出物的變化情況,循環槽里有不斷的煤油、煤屑小顆粒返出,表明造穴工具井下工作正常,繼續保持該鉆井參數。造穴施工中當觀察到鉆具扭矩顯著降低,仍保持該鉆井參數繼續持續一段時間,當觀察返出井口煤屑量少時,緩慢下放鉆具每次下放0.10m,扭矩會不斷增加到接近原值時,停止下放鉆具保持該鉆具下深位置,其他鉆井參數不變,繼續造穴鉆進,直至鉆具下深至煤層底板以上0.15m即煤層洞穴終止位置。接著在煤層洞穴段緩慢順利上提下放鉆具往返3次后緩慢上提0.5m鉆具后關閉鉆機鉆盤、泥漿泵,泵壓為零,停泵終止泥漿循環,使機械式造穴工具刀桿機構收回,起出鉆具和造穴工具,造穴作業完成。最后用原鉆具接φ152mm鉆頭下鉆至井底,循環至井底無煤屑返出后起鉆,造穴結束。

造穴結束后,把造穴過程中鉆井液所返出的煤屑樣全部撈出和鉆遇煤層時堆在一起,煤油、煤屑量出其總重量,減去煤樣中水的重量。根據干煤樣的重量和煤的密度來推算煤層段洞穴容積,作為理想的圓柱狀洞穴容積,有測井所知的煤層厚度來推算洞穴直徑是否符合造穴設計要求。造穴合格,將孔內鉆井液置換成清水,做最后的完井工作。

在煤層氣開發施工過程中不斷的摸索完井工藝,根據煤儲層的特性本次主要闡述水力切割煤層產生裸眼洞穴的一種完井方法,總結出了一整套完井的施工工藝,采用以上施工措施不但縮短了施工工期也降低了施工成本。

4 施工效果評述

該區塊施工的三口洞穴-篩管完井和常規套管完井相比是針對低滲低壓儲層的嘗試。常規套管完井以原生結構煤和碎裂煤為主的地區,已有煤層氣開發成功的經驗,是現今廣泛使用的完井方法。但該井田為突出煤層,以碎粒煤、靡棱煤為主,目前還沒有可借鑒的技術和經驗,本次洞穴-篩管完井方法是在本區的煤層氣研究基礎上采用的完井方法。該技術施工的井與普通工藝施工的井效果對比,需通過后期的試生產來評價完井的成功與否。

[1] 蘇現波陳江峰等.煤層氣地質學與勘探開發 [M].北京：科學出版社,2001.

[2] 沈琛主編.井下作業工程監督北京：石油工業出版社,2005.8.