提高煤層氣井鉆井效率的工藝技術

王彥祺

中國石化華東石油局工程技術設計研究院

提高煤層氣井鉆井效率的工藝技術

王彥祺

中國石化華東石油局工程技術設計研究院

目前煤層氣井鉆井,特別是探井、參數井,鉆井效率不高已成為影響煤層氣勘探開發進程的主要因素之一。在分析影響煤層氣鉆井效率的原因的基礎上,針對不同影響因素,著重從簡化井身結構、開發保護儲層的鉆井液體系、優選鉆井工藝、完善鉆井設備配套等方面進行了探討。提出了如下技術思路:①開發適用于`152.4 mm井眼的煤層氣井專用繩索取心工具,從而將井身結構縮小一級;②研制能保護上部井壁、有效保護儲層、滿足獲取煤層參數要求的鉆井液體系,從而省去技術套管,將三級井身結構簡化為二級井身結構;③推廣不同循環介質下旋沖鉆井工藝技術;④研究適應煤層氣井的鉆井液泵和固控設備配套方案。為提高煤層氣井鉆井效率,建議開展以下研究:①優化井身結構;②保護儲層的鉆井液體系;③優選鉆井工藝;④完善鉆井設備。

煤層氣 鉆井效率 井身結構 鉆井液體系 鉆井工藝 鉆井裝備

煤層氣勘探開發的特點要求煤層氣鉆井必須做到高效率、低成本。由于目前國內專業的煤層氣鉆井隊伍還比較缺乏,施工工藝技術系列尚不完善,鉆井效率低已成為制約煤層氣勘探開發進程的主要原因之一。

1 影響鉆井效率的原因

1.1 井身結構復雜

目前煤層氣探井常用的井身結構為三級井身結構,具體結構形式為`444.5 mm井眼×`339.7 mm技術套管+`311.1 mm井眼×`244.5 mm技術套管+`215.9 mm井眼`139.7 mm生產套管。

采用三級井身結構,是因為煤層井段需要采用清水鉆進保護儲層,以取得準確的煤層參數。為了在清水鉆進時保證上部井段的穩定,需要將煤層頂部以上井段用技術套管封固。采用`215.9 mm井眼完井,一是因為煤層氣井對取心的速度有特殊要求,傳統的油氣井取心工藝不能滿足煤層氣井取心的需要;二是由于僅對煤層取心,傳統的全井繩索取心技術也不能滿足煤層氣井的取心需要。因此,必須采用適應煤層氣井取心的專用繩索取心工具。由于目前只有用于`215.9 mm井眼的煤層氣井專用繩索取心工具,所以只能采用`215.9 mm井眼完井。實鉆表明,由于井眼尺寸大,特別是煤層以上大段`311.1 mm井眼,單位面積上的鉆壓較小,鉆井效率低、成本高[1-3]。

1.2 鉆井液體系不完善

目前尚缺乏能有效保護煤儲層的鉆井液體系,為了取得真實的儲層參數,只能采用清水鉆進。煤層井段采用清水鉆進,一是造成如前所述的井身結構復雜;二是不利于煤層的穩定,特別是當有兩套以上煤層時,在鉆下部煤層時,上部煤層易產生垮塌,迫使采用套管封固上部地層,使井身結構復雜化。

1.3 鉆井工藝技術相對落后

由于煤層氣相對于常規油氣的低產出,決定了煤層氣鉆井必須低成本。因此,一些常規油氣鉆井采用的如欠平衡鉆井等先進的施工工藝難以推廣應用。

1.4 鉆井設備不配套

為了降低鉆井成本,目前所用的鉆機多為車載液壓鉆機和水文鉆機,設備功率小,特別是鉆井液泵排量太小,不利于攜帶井底巖屑,造成井底重復切削,更不能產生水力破巖效果。另一方面是固控設備配套簡陋,甚至沒有固控設備,采用地面循環,不利于鉆井液的維護處理,鉆井液性能參數得不到保障,既不利于對儲層的保護,又影響了鉆井效率[4-8]。

2 對提高煤層氣井鉆井效率的探討

2.1 針對井身結構復雜的問題

1)開發適用于`152.4 mm井眼的煤層氣井專用繩索取心工具,從而將井身結構變小一級,即:`311.1 mm井眼×`244.5 mm表層套管+`215.9 mm井眼×`177.8 mm技術套管+`152.4 mm井眼× `114.3 mm生產套管。

2)研制能保護上部井壁、有效保護儲層、滿足獲取煤層參數要求的鉆井液體系,從而省去技術套管,將三級井身結構簡化為二級井身結構。其井身結構可采用以下形式:`311.1 mm井眼×`244.5 mm表層套管+`215.9 mm井眼×`139.7 mm生產套管,甚至可采用`215.9 mm井眼×`177.8 mm表層套管+ `152.4 mm井眼×`114.3 mm生產套管,從而大幅度地提高鉆井效率。中國石化華東分公司在沁水盆地的實鉆表明,`215.9 mm井的機械鉆速比`311.1 mm井眼的機械鉆速可提高20%～40%。

2.2 針對鉆井液體系問題

可借鑒石油鉆井的技術成果,如非滲透鉆井液體系等,針對煤儲層的特點加以改進。非滲透鉆井液(N IF)是美國環保鉆井技術公司(ED TI)在20世紀90年代研究和推廣出的新型鉆井液體系。該鉆井液是利用表面化學原理使N IF鉆井液在地層表面產生可以密封地層的非滲透性薄膜。與傳統橋堵地層方法不同的是,N IF鉆井液通過鉆井液內顆粒的引力密封地層。引力把隔離集中在巖石的表面,這樣就可以用同一種組分的鉆井液封閉不同孔隙尺寸分布的地層,室內試驗證明,N IF鉆井液可使巖石的滲透率恢復率超過90%,這是常規鉆井液無法達到的效果。非滲透鉆井液與常規鉆井液對砂床的侵入深度與時間的關系室內實驗曲線如圖1所示。

結合煤儲層的特點將N IF鉆井液體系經改進后用于煤層氣鉆井,雖然會增加鉆井液成本,但若能因此代替清水鉆進,從而免去下技術套管,簡化了井身結構,其鉆井效率會大幅度地提高,將會取得較好的經濟效益。目前國內已開發出了非滲透鉆井液材料,已經大大降低了非滲透鉆井液的使用成本。另外非滲透鉆井液體系在井壁上形成的非滲透膜,可以起到穩定井壁的作用,減少井下復雜情況的發生,也有助于鉆井效率的提高。

圖1 非滲透鉆井液與常規鉆井液對砂床的侵入深度與時間的關系圖

2.3 針對鉆井工藝技術問題

可在綜合經濟評價的基礎上,增加必要的設備,推廣應用一些能降低成本增效的鉆井工藝技術。就目前來看,旋沖鉆井工藝是較好的選擇。在地層較穩定的地區,可以采用以空氣為循環介質的旋沖鉆井工藝,即空氣潛空錘鉆井?？諝鉂摽斟N是以壓縮空氣為循環動力,它所產生的沖擊力和沖擊頻率可以直接傳遞給鉆頭,再通過鉆機轉盤的旋轉驅動,形成對井底地層的脈動破碎,從而實現對井底的沖擊旋轉鉆進。該技術的主要優點有:①空氣密度低,降低了循環介質對井底的壓力,在井底形成負壓,有利于提高機械鉆速;②空氣在井內循環速度快,能及時將井底巖屑氣舉到地面,避免鉆頭重復切削,有利于提高機械鉆速;③壓縮空氣在井內除起循環攜帶巖屑作用外,還可以作為動力源實現沖擊旋轉鉆進,大幅度地提高機械鉆速;④空氣介質容易制備,成本低,特別是對于易井漏、供水困難的工區可大幅度地降低鉆井成本。在地層不太穩定的地區,可采用以液體作為循環介質的旋沖鉆井工藝,也可以達到提高鉆速的目的。中國石化華東分公司在沁水盆地和順區塊部分井采用以空氣為循環介質的旋沖鉆井工藝,較常規工藝井機械鉆速提高了4～6倍。

2.4 針對鉆井設備不配套的問題

2.4.1 配備單機泵組,提高水力能量

鑒于目前用于煤層氣井的鉆井設備配備的鉆井液泵排量普遍較小,可另配一套滿足大井眼施工要求的單機泵組,正常鉆進采用單機泵組,取心作業時采用原鉆井液泵。

2.4.2 增加必要的固控設備

地面循環不能清除鉆井液中的固相,不利于鉆井液性能的維護,不利于儲層保護,而配備全套的四級固控也不現實,一是增加了鉆井成本,二是場地也不允許。因此,需要根據煤層氣鉆井的特點,研究相適應的煤層氣鉆井固控設備配備方案。

3 建議

煤層氣鉆井既不同于巖心鉆探鉆井,也區別于常規油氣鉆井,需要開展有針對性地研究和探討。就提高煤層氣鉆井效率而言,建議開展以下幾方面的研究工作:

1)優化井身結構。重點是開發適用于`152.4 mm井眼的煤層氣井專用繩索取心工具。

2)開發保護儲層的鉆井液體系。重點是非滲透鉆井液體系的應用研究。

3)優選鉆井工藝。重點是不同循環介質下旋沖鉆井工藝的應用研究。

4)完善鉆井設備。重點是鉆井液泵和固控設備配套方案的研究。

[1]鮑清英,陳峰,蔣衛東.煤層氣低成本鉆井技術[J].天然氣工業,2008,28(3):56-58.

[2]王一兵,孫平,鮮保安,等.沁水煤層氣田開發技術及應用效果[J].天然氣工業,2008,28(3):90-92.

[3]薛改珍,金學鋒,張景良,等.沁水盆地煤層氣安全鉆井工藝[J].石油鉆探技術,2007,35(5):65-67.

[4]包全貴.煤層氣鉆井工程中幾個重點技術問題的探討[J].探礦工程:巖土鉆掘工程,2007(12):4-8.

[5]劉保雙,楊鳳海,汪興華,等.煤層氣鉆井液工藝現狀[J].國外油田工程,2007,23(8):27-33.

[6]張遂安,崔崗,胡少韻,等.煤層氣鉆機的技術現狀及發展對策[J].中國煤層氣,2007,4(4):9-11.

[7]劉貽軍.應用新技術促進煤層氣的開發[J].地質通報, 2007,26(5):625-629.

[8]黃洪春,盧紅.用空氣鉆井開發晉城煤層氣技術研究[J].煤田地質與勘探,2003,31(4):61-64.

Techn iques of im proving the dr illing efficiency of coalbed methane gas wells

Wang Yanqi
(Engineering Design Research Institute of East China Petroleum Bureau,Sinopec Group,N anjing,Jiangsu 210031,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.64-66,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The exp lo ration and p roduction of CBM requires a high efficiency and a low cost in CBM drilling.A t p resent,a low drilling efficiency fo r the CBM wells,especially the exp lo ratory wells and strat test wells,has become one of the bottlenecks impeding the p rocess of exploration and development.Based on analysisof the reasons leading to a low efficiency in CBM drilling,a discussion was made focusing on technical imp rovement from many aspects including simp lifying the well structure,developing a drilling fluid system to p rotect the reservoirs,op timizing drilling techniques,and imp roving drilling equipments,etc.Hereby,the technicalmeasures were put forward as follow s:①Special w ireline coring tools were developed for the CBM wells w ith the diameter of 152.44 mm,so as to reduce the borehole by one level from the p revious diameter of 215.9 mm.②A drilling fluid system was studied and developed to p ro tect the upper well wall and reservoirs and meet the requirement of obtaining the coal bed parameter;Thus,the intermediate casing could be omitted and the p revious three-level casing work could be simp lified as a two-level one;③The percussion drilling technique was popularized w ith different cyclingmedium.④A single pump set and solid control deviceswerewo rked out to be in line w ith the CBM drilling equipments.Besides,the follow ing p roposals were also p resented for further studies on how to enhance the drilling efficiency of CBM wells:the well structure to be op timized,favo rable drilling fluids to be developed fo r the p rotection of reservoirs,the drilling technology to be op timally selected,and drilling equipments to be comp leted.

coalbed methane,drilling efficiency,well structure,drilling fluid system,drilling technology,drilling equipment

中國石化華東分公司油氣田開發先導項目“煤層氣鉆井完井技術研究”(編號:G1409-08-KK-0110)。

王彥祺,1962年生,高級工程師;1989年畢業于中國地質大學;主要從事鉆井工藝技術研究工作,現任中國石化華東石油局工程技術設計研究院副院長。地址:(210031)江蘇省南京市浦口區新馬路182號。電話:(025)58859460,13655170866。E-mail:hdjgcyw yq@sina.com

王彥祺.提高煤層氣井鉆井效率的工藝技術.天然氣工業,2010,30(6):64-66.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.017

2010-02-23 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.017

Wang Yanqi,bo rn in 1962,senio r engineer,graduated from China University of Geosciences in 1989.He has been engaged in research of drilling technology.

Add:No.182,Xinma Rd.,Pukou District,Nanjing,Jiangsu 210031,P.R.China

Tel:+86-25-5885 9460 Mobile:+86-13655170866E-mail:hdjgcyw yq@sina.com