煤层气钻井技术的应用研究

  近年来,中国煤炭地质总局在全国11座矿区部署施工了煤层气参数井和生产试验井25口,施工单位基本上摒弃了刮刀和硬质合金钻头钻进的传统工艺方法,采用了金刚石绳索取心钻进和牙轮钻头扩孔成井的综合钻探工艺方法进行钻探。储层测试、固井及排采工作程序借用了常规天然气井的有关技术。施工中我们获得了一些经验,但煤层气井勘探开发中的钻探工艺技术尚需完善。为了更好地与同行进行探讨,笔者结合平顶山、峰峰、鹤岗、屯留煤田煤层气井施工实践,谈谈煤层气井的工程技术特点及其钻探工程技术的应用情况。

 

  1?煤层气开发技术特点

 

  我们有煤田地质勘探技术做基础,煤层气勘探开发具有起点高和成功率高等特点,相对于天然气气田,煤层气气田较易勘探,容易找到其所在位置,且常存在较广阔的面积。开采煤层气需要对储层下入生产套管,同时进行固井、射孔、压裂改造并经过排水降压以后才能产气。因此,煤层气与煤田地质钻孔的显著区别在于开孔、终孔孔径大,一般的小口径岩心回转钻机的提升、旋转能力达不到,所以我们选用TK-3型钻机和NBB-250/60型泥浆泵仅用于绳索取心钻进;TSJ-1000型转盘钻机、TBW-850/50型泥浆泵应用于大口径牙轮钻头排渣钻进与生产套管入井及固井工作。煤层气井结构详见图1。

 

  根据不同矿区不同类型钻孔特点,即岩层倾角、 岩性、孔深、孔壁情况,钻头类型及磨损情况,钻具条件,泥浆性能等及时调整钻具结构和钻进技术参数。以优质高效、安全低耗的工程工艺水平获得最佳的经济效益和社会效益。各孔段钻进时的钻具结构及技术参数见表1。

 

  实践中,为了满足高精度锤陀钻进的要求,??158175mm钻铤壁厚431655mm,质量123191kg/m;??95mm钻铤壁厚12144mm,质量25132kg/m;??73mm石油钻杆壁厚9119mm,质量15149kg/m。按照1000m孔深计算,钻具总质量26133t,其中钻铤质量为12139t,最高的钻头轴压为80kN,仅占钻铤质量的57%,另外还有43%的钻铤悬重平衡钻杆重力,使钻具重心始终控制在中和点以下,有效地使钻具保持在张直状态中钻进,避免了钻孔的偏斜。

 

  212 泥浆技术

 

  以平顶山矿区1511井为例,各孔段所用的泥浆配方及性能如下。

 

  0～250m主要以表土卵石层和刘家沟组砂岩为主,胶结性差,岩石级别1～5级。采用CaO-NaK栲胶泥浆护壁防垮效果好,主要表现为性能稳 定,携带岩屑能力强,起下钻时粘附性小等。泥浆配 方为(质量比):土般土3%～6%,Ca(OH)2013%,NaK015%。性能为:粘度25s,密度1115～1118kg/L,失水量<15mL/(30min),泥皮厚度1mm,pH值10～1115。 250～700m主要由石千峰组平顶山砂岩及石 盒子组砂质泥岩构成,塑性较强,裂隙发育较好,岩石级别4～9级。采用PHP-NaK-CPAN低固相双聚泥浆护壁防漏性能好,主要表现为井下环空流动阻力小,钻具回转平稳,钻速高等。泥浆配方为(质量比):NV-13%～5%,Na2CO3012%,CPAN2%,PHP-NaK015%。性能为:粘度20～23s,密度1105～1108kg/L,失水量<10mL/(30min),泥皮厚度015～1mm,pH值815～9。

 

  700～1200m主要以山西组砂岩、粉砂岩、太原 组灰岩、泥岩、炭质泥岩、页岩及煤层组成,研磨性中等,岩石级别3～7级。采用PHP-NaK-PAC141高分子低密度泥浆护壁防塌效果好,主要表现为流态稳定,升举岩屑能力强,摩擦阻力小等。泥浆配方为(质量比):NV-12%～4%,Na2CO3012%,PHP-NaK015%,PAC141013%。性能为:粘度18～22s,密度1102～1104kg/L,失水量6～8mL/(30min),泥皮厚度014～018mm,pH值7～8。 扩孔钻进采用防塌泥浆,有效地使牙轮钻头在井底能够充分发挥水力效率,提高钻头的碎岩效率,对煤层伤害程度小等。

 

  213 大口径扩孔成井技术

 

  采用扩孔刮洗孔壁的方法,对生产试采段进行扩孔钻进,每个单根扩完后必须进行1～2次划眼,以保证井壁规整光滑,划眼时应适当降低钻压和转速。扩进150～200m时测斜一次,以便了解井斜情况,及时调整钻具组合和技术参数。换浆工作在扩孔后期进行,当扩孔至目的孔深前10～30m时调整泥浆性能逐渐由稠变稀,防止泥浆性能突变,导致粗颗粒沉淀或孔壁坍塌,并降低转速和泵量,以防泥浆在孔内上返时产生串流现象,影响换浆效果,直至终孔再用清水循环2个周期。换浆用清水量可以根据煤层厚度、密度、顶底板岩性、煤岩组分、构造部位、水文地质特征等条件进行确定。

 

  即: q=KD2 H 式中:q———清水用量,m3 ;D———钻孔直径,m;H———孔深,m;K———导水系数018～1160(K值与岩溶裂隙沟通程度有关,对于煤及泥岩类水敏性岩层取018,砂岩、粉砂岩弱含水层段取112,灰岩类主要水体系层段取116)。 按照上述公式计算储备清水量,满足了冲孔换浆的要求,避免了施工中的窝工与资源浪费现象的发生,并保证了换浆效果。

 

  214 套管入井及固井方法

 

  套管入井:套管入井是煤层气井完井工程的关键之一。??

 

  215 19mm钻头扩到目的层位后,必须用一根10m左右长的生产套管通井,通井钻具至少要保留一根钻铤,防止套管遇阻粘附卡钻、循环憋泵等异常情况的发生。通井用的钻头应去掉喷嘴,以便用较大的排量洗井,洗井循环周期应在2个周期以上。从通井循环结束后起钻开始,到套管下入至设计井深这段时间,应保证井下泥浆性能稳定,不产生井涌井漏。为了防止对煤层射孔,压裂改造时产生负压挤扁套管,套管的钢级、扣型、壁厚及其抗挤、抗内压、抗拉安全系数均要满足设计与校核要求。原则上入井前要用通径规查内径,用螺旋规查丝扣,应有超声波探伤报告和打压试验报告。入井时必须上紧不留余扣,在尽可能短的时间内将套管全部下入井内。

 

  因套管长、质量大,必须考虑设备的承载能力和井内安全,采取必要的安全措施,如水泥浮塞及相应规格(??21519mm×13917mm)和一定数量(1个/15m)的扶正器。 固井:生产套管入井后开小泵量循环,正常后逐渐加大到正常钻进时的排量,循环2个周期后,注入 前置液4m3 ,再注入密度为115～116kg/L、水灰比为015～016的优质水泥浆进行固井。水泥浆现场配方试验必须按APL规范要求进行,水泥浆的返高面应保证在上部第一个煤层顶板以上200m,不允许超过250m。对于裂隙节理发育地层,应根据固井操作规程先堵漏后固井的原则,即一旦发现漏失时应及时用密度为115kg/L、水灰比为0145的优质水泥浆进行护壁堵漏,直至堵住漏失为止。如遇严重漏失的层段可采取间断性注浆的方法来提高堵漏效果,加强围岩的抗压强度,确保固井质量。

 

  在固井作业中,排量应控制在800～1000L/min之间,确保上返速度<47m/min,以最大限度减小环空流动阻力,避免脆弱地层造成局部被压裂漏失,导致气井压裂改造失败。

 

  215 储层测试

 

  裸眼测试:先用清水顶替完井液,清洗井壁后立即充气膨胀胶套进行测试。

 

  油管入井前要在比较大 的范围内选择封隔器座封位置,并要求在岩层完整、井壁光滑、钻孔圆度好的位置座封。所测试层段较大,除煤层外,还含部分煤层顶底板段、煤层夹矸段。在这些超过煤层厚度的岩层中,存在发育程度不同的裂隙,使所测的煤层参数准确性受到影响。此外,在复杂地层层段有坍塌掉块的异常情况,易发生翻孔埋钻事故,容易伤害电子压力计,座封胶套在煤层顶板裂隙发育,或在地层内应力大、井的椭圆度较大时易造成座封失败。

 

  套管内测试:套管内测试是在固井后期进行的,能够准确地针对煤层射孔,注水压裂测试,由于套管内壁光滑,管内都是清水,座封安全可靠启封便利。实测数据表明:泥浆中的固相粒子对低渗透地层部分喉道侵入深度10mm左右,泥浆滤液的渗透半径300mm左右;目前,射孔深度?10mm,压裂裂缝长度>30m。因此,对于低渗透煤层,压裂措施可有效地克服冲洗液对煤层的伤害,并消除煤层顶底板夹矸的干扰,所以,在套管内射孔试井可准确地测试储层参数。

 

  3 应用效果与建议

 

  在煤层气井钻探施工中,不同矿区不同类型的钻孔,综合应用多种钻探工艺方法,取得了满意的工程工艺效果(见表2)。

 

  实践证明,综合钻探工艺技术具有优质高效、安全低耗、性能价格比优越等特点。

 

  采用高精度锤陀式结构钻具钻进,使钻具下端产生锤陀效应,整体钻具产生张力,可降低孔斜的机会,一般钻孔孔斜率可控制在0120%～0125%。 PHP-NaK-PAC141高分子低密度泥浆中存 在着数量足够多的能在储层裂缝上起到屏蔽作用的粒子,这些粒子在液柱压力作用下,滤饼形成速度快,强度和致密性好,在较短时间内能够阻止有害固相和滤液的侵入,有利于对储层及软弱地层的保护。配合岩屑,钻时、冲洗液及气测井与物探测井方法,可减少钻井经费,取得相对多的地质信息。采取 在套管内进行储层测试措施,井内安全,数据可靠。

 

  为了保护储层,也为了井内安全,进入煤层时牙轮钻头采用大喷嘴或不带喷嘴,或者采用带中心喷嘴的牙轮钻头和PDC钻头等,既可以减少射流冲击力的直接作用范围,又可以确保井内循环畅通。进一步开拓钻探工程的高技术领域,摆脱室内试验消除误差的传统工作方法,发展计算机钻进控制技术,依靠电脑实时采集钻进工程数据,经计算机优选优配,进行程序控制,实现优化钻探,达到最合理的高钻速,最好的工程质量,最低的成本,即达到最佳的经济效益,加速我国煤层气产业的形成。