鉆井工程在地面煤層氣開發中的作用

胡向志

(河南豫中地質勘察工程公司,河南鄭州450053)

1 引言

我國的煤層氣資源量與我國的常規天然氣總量相近,折標量為680億噸原煤或340億噸原油,是重要的新型能源。煤層氣的開發利用還具有一舉多得的功效:提高瓦斯事故防范水平,具有安全效應;有效減排溫室氣體,產生良好的環保效應;作為一種高效、潔凈能源,產生巨大的經濟效益。近年來中國煤層氣產業發展迅猛,估計2010年底鉆井數量達5000口,年產量達到15億立方米,煤層氣將迎來大規模市場化開發。

2 鉆井的基本作用

鉆井工程是煤層氣開發的基礎,它為后續工作提供開發依據和流動通道,取得的實物資料如煤層取心可以獲得煤層氣儲層參數。在一定的煤層氣物質基礎上,通過鉆井形成流動通道,再給予一定的能量差來產出煤層氣。一口井順利完井后,能夠快速進入固井、壓裂、排采等環節。如果鉆井質量不合格,對后續排采極為不利,可能造成很難補救的后果,如井底水平位移過大,會打亂油田開發的布井方案;井徑變化太大,固井容易不牢;煤層段擴孔太大,射孔不穿,壓裂不能壓開;井斜太大,排采容易磨油管和套管排不出水,產不出氣,并且負荷大容易燒電機。

鉆井工程能對煤層氣開發產生規模效應,鉆井數量的極大增加促使煤層氣開發企業的發展。如晉煤集團利用“清水鉆進、活性水壓裂、低壓排采、定壓集輸”等一整套的煤層氣地面抽采技術,目前已累計施工地面鉆井2001口,形成了15億立方米的煤層氣年抽采能力,成為全國最大的煤層氣抽采利用基地,產生了極大的經濟協同效應。鉆井數量的增多也使得眾多鉆井公司更新換代鉆機,研發高效鉆井技術,進而推動了煤層氣開發。

鉆井技術的進步引起煤層氣開發方式的顯著變化,鉆井技術一旦取得巨大進步,其影響深遠。近年國內外正積極開展應用的多分支水平井、欠平衡鉆井技術能顯著提高低壓低滲儲層的煤層氣采收率,代表著中國煤層氣高效開發的發展趨勢。中國煤層氣產業的發展將從當前的以井下抽放為主逐步過渡到以地面開發為主 (并從當前以直井開發為主過渡到多分支水平井開發為主)。

3 煤層氣鉆井特殊性分析

煤儲層具有傷害的敏感性與不可恢復性決定了在煤層氣鉆完井、開采過程中要堅持采取系統的保護煤層措施。煤層氣儲存狀態和吸附運移決定了煤層氣產出是一個漫長的過程,首先要保護煤層氣儲層。我國煤儲層的三低特征,即低地層壓力梯度0.8～1.0 M Pa/100m,低孔隙度1～10%,低滲透率k＜0.001μm,更要把儲層保護放在首要位置。

宏觀上由于孔隙度、滲透率隨著地層壓力的增加而降低,同時煤層裂縫和割理在高圍壓下閉合,并且是不可恢復的。在過平衡鉆井中,鉆井液液柱壓力大于煤層壓力,使作用在井筒附近的純應力增加,從而引起滲透率降低,在正壓差作用下,鉆井液中的膠體顆粒和其它細微顆粒被吸附堵塞在煤層氣的孔隙喉道上,鉆井液濾液的侵入又有可能發生各類敏感性反應,從而生成各類不溶性沉淀物。

煤儲層一方面煤層極易受鉆井流體中固相成分污染,另一方面煤層破碎和高剪切應力造成井眼不穩定。為了保證安全穿過煤層,其主要措施又是增加其固相含量提高鉆井液的密度,但這樣又容易污染煤層,因而實施煤層保護較油氣層更困難。實際很多煤層氣井在鉆井過程中受到污染,形成地層壓力、滲透率測試不準確,表皮系數大,處理相當困難。在低壓煤層中,這種固相顆粒的侵入半徑大大增加并“鑲嵌”在孔隙之中而無法清除,從而造成永久性的傷害。鉆井液在煤層中的浸泡時間增加也會導致煤儲層傷害半徑增大,從而加劇對煤儲層的傷害程度。

煤層氣氣藏的裂隙一般都比較發育,其控制著煤層氣藏的滲透性。但是裂隙的寬度受上覆巖層所產生的凈壓力即有效壓力控制,有效壓力的改變,可導致裂縫的開啟和閉合,進而導致滲透率的改變;而且這些裂隙閉合后在卸壓過程中不易恢復張開,宏觀表現為隨有效壓力的增加,滲透率降低和壓力滯后現象。

4 煤層氣鉆井技術難點分析

4.1 優選優配,確保井身質量

根據不同地區不同類型鉆孔特點,即巖層傾角、巖性、孔深、孔壁情況,鉆頭類型及磨損情況,鉆具條件,泥漿性能等及時調整鉆具結構和鉆進技術參數。實踐中,為了滿足高精度錘陀鉆進的要求,使鉆具重心始終控制在中和點以下,使鉆具保持在張直狀態中鉆進,可有效降低井斜,一般在0.2～0.25%,避免了煤層氣鉆井的超標偏斜。

常用的有剛性滿眼鉆具組合和鐘擺鉆具組合兩種。前者可采用較大的鉆壓鉆進,有利于提高鉆速,井眼曲率較小,但不能糾斜,后者需控制一定的鉆壓,影響鉆速,但可用來糾斜。為了保護煤儲層,也為了井內安全,進入煤層是牙輪鉆頭采用大噴嘴或不帶噴嘴,配合巖屑,鉆時,沖洗液等分析鉆進參數。

4.2 鉆井液

鉆井液要與煤層有良好的配伍性,鉆井液密度等要符合要求,實施鉆開煤儲層通知書制度。要特別注意:(1)固相顆粒及泥餅堵塞油氣通道;(2)濾失液使地層中粘土膨脹而堵塞地層孔隙;(3)鉆井液濾液中離子與地層離子作用產生沉淀堵塞通道;(4)產生水鎖效應,增加油氣流動阻力;(5)影響固井,使套管的吸附層和井壁巖石濾餅與水泥漿的膠結強度不好,固結不牢。

4.3 繩索取心技術

按設計要求從井下鉆取煤層樣品為勘探和開發煤層氣取得第一手資料。煤層氣取心由于要測量煤層氣含氣量等要求煤心原始狀態保持好、收獲率高;出心速度快;煤心甲烷氣體散失少;取心成本低。繩索取心鉆進是一種不提鉆而由鉆桿內撈取巖心的先進鉆進方法,其優越性在于純鉆時間長,輔助時間短,與普通鉆進取心相比,具有可控制鉆孔偏斜度、提高鉆進效率、提高巖心采取率、減少孔內事故等優點;繩索取心鉆探不僅要熟練掌握繩索取心鉆具的結構和工作原理,也要注意做好現場一系列的配合工作。如套管選用、預防孔斜、鉆頭與護孔器的選擇等。

5 新型高效煤層氣開發技術

5.1 多分支水平井鉆井技術

多分支水平井集鉆井、完井和增產措施于一體,是目前開發低壓、低滲煤層的主要手段。煤層氣多分支水平井工藝集合了煤層造洞穴、兩井對接、隨鉆地質導向、鉆水平分支井眼、欠平衡等多項先進技術。其機理在于分支水平井在煤層形成相互連通的網絡,最大限度地溝通煤層裂隙和割理系統,大大降低了煤層裂隙內流體的流動阻力,提高煤層排水降壓速度和煤層氣解吸運移速度,進而增加煤層氣單井產量,提高采出程度,縮短采氣時間,極大地提高煤層氣開發經濟效益。國內的研究和實踐證明,煤層氣多分支水平井技術對我國資源分布最大的兩大盆地:沁水盆地和鄂爾多斯盆地都具有非常好的潛力。

目前多分支水平井在煤層氣開發應用中存在一些急需解決的問題。這些問題包括適宜的地質條件、煤層段的井壁穩定性、欠平衡鉆井、井的漏失、后期修井、預期氣產量等。煤層氣多分支水平井井眼軌跡設計堅持以最光滑、最短為原則。首先考慮分支井筒所處的煤層特性,根據煤層性質、地應力的分布狀態和最大主應力方向、煤藏單元的幾何形狀和甲烷的流動控制要求等因素來確定井眼軌跡的設計,使主水平井眼沿最小應力方向鉆進,鉆井復雜情況最少并且鉆進速度快,可獲得較大的水平位移。

圖1 多分支水平井鉆井技術

表1 多分支水平井與常規直井比較

5.2 欠平衡鉆井技術

欠平衡鉆井又分為氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣鉆井、淡水或鹵水鉆井液鉆井、常規低密度鉆井等。欠平衡鉆井作業的關鍵技術包括產生和保持欠平衡條件 (自然和人工誘導兩種)、井控技術、產出流體的地面處理和電磁隨鉆測量技術等。欠平衡鉆井技術進展主要集中在井控、鉆井液、程序設計、特殊工具等方面。與常規的直井套管注氣相比,油管注氣壓力、排量更穩定,氣體到達井底的時間更及時,欠平衡效果更好。

6 結論

(1)鉆井工程是煤層氣開發的基礎,對煤層氣開發產生規模效應,高效鉆井技術直接推動煤層氣開發。

(2)由于煤儲層的特殊性,減少對煤儲層的傷害是我國煤層氣鉆井技術的首要問題。

(3)繩索取心鉆進具有可控制鉆孔偏斜度、提高鉆進效率、提高巖心采取率、減少孔內事故等優點,做好現場配合工作能滿足煤層氣取心要求。

(4)多分支水平井能實現低滲煤層氣經濟開采,適用我國煤儲層低壓、低孔、低滲特點,在沁水盆地、鄂爾多斯盆地應用前景廣闊。

(5)欠平衡鉆井工藝能降低煤層氣開采成本,確保井身質量,減少對煤儲層的傷害。其中油管注氣壓力、排量更穩定,氣體到達井底的時間更及時,欠平衡效果更好。

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