延川南煤層氣V型水平井組鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究

龍志平 袁明進(jìn) 朱智超

(中國(guó)石化集團(tuán)華東石油局工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究院，江蘇 210000)

延川南煤層氣藏具有普遍低壓 (壓力系數(shù)小于0.8)、低飽和 (飽和度小于70%)、低滲透的特征，且非均質(zhì)性強(qiáng)。在開發(fā)中通常采取排水、降壓方式來獲得產(chǎn)量。因此，為了提高煤層氣單井的產(chǎn)量，獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量必須要采取一些新的增產(chǎn)措施。V型井指由兩組之間呈一定夾角并共用一口排采直井的U型井組成，地層流體通過兩個(gè)水平井眼分排流向同一排采直井井筒內(nèi)，增加了泄流面積，實(shí)現(xiàn)兩水平井共同排采降壓采氣，能夠獲得更大的氣產(chǎn)量。煤層氣V型井組鉆井工藝集成了隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、煤層造穴、三井對(duì)接、多井眼完井等多項(xiàng)先進(jìn)的鉆井技術(shù)。

1 鉆完井技術(shù)難點(diǎn)

(1)目的煤層薄，軌道控制難度大

主要目的層2#煤層煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部發(fā)育有夾矸，上部塊煤層段僅2.40m左右，為V型水平井設(shè)計(jì)鉆進(jìn)的有效水平層段。由于要求實(shí)現(xiàn)兩口水平井與一口直井的遠(yuǎn)端連通，其軌跡方位控制在鉆進(jìn)過程中極其嚴(yán)格。

(2)地層復(fù)雜，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大

延川南區(qū)塊地層巖性主要為砂礫巖、細(xì)砂巖、泥巖與細(xì)砂巖互層等，且地層存在較多不同程度的斷層，鉆井過程中時(shí)常發(fā)生漏失現(xiàn)象，其中第四系、劉家溝組、石盒子組在周邊已完鉆井施工中均出現(xiàn)不同程度的漏失，故在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮不同地層出現(xiàn)的復(fù)雜情況，給井身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來了更大的難度。

(3)煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤為主，水平段煤層垮塌風(fēng)險(xiǎn)大

通過對(duì)煤層鉆井取芯分析，延川南區(qū)塊目的煤層煤巖以亮煤為主，呈碎塊狀、片狀，同時(shí)對(duì)煤巖的彈性力學(xué)參數(shù)分析反映其機(jī)械強(qiáng)度弱，容易壓性破裂和張性破損。因此，在鉆V型井組中長(zhǎng)達(dá)500～700m水平段的過程中，煤層存在較大的垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

(4)遠(yuǎn)端連接，對(duì)接難度大

連通點(diǎn)位于直井目的煤層造穴段，直徑約為0.5m，保證兩口水平井與直井是否實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端對(duì)接，對(duì)連通工具的選擇很關(guān)鍵，要求儀器的精確度高。

(5)多井眼連通，固井工藝難度大

V型井水平井如果采用套管完井方式，如何保證兩水平井的固井質(zhì)量，相比常規(guī)水平井和U型井難度都要大得多，而且采用的方式也有所不同。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

延川南地層目的煤層埋深 (即水平段垂深)為800～1000m，水平段長(zhǎng)500～650m，靶前位移250～350m，根據(jù)不同軌道設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析，優(yōu)選采用“直-增-穩(wěn)-增-平”五段制軌道設(shè)計(jì)能很好的滿足施工要求，既能很好的滿足地質(zhì)中靶要求，同時(shí)簡(jiǎn)化了井眼軌道復(fù)雜程度，減少進(jìn)尺便于施工(圖1)。

圖1 V型井軌道示意

2.2 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

延川南區(qū)塊地層壓力系數(shù)在0.4～0.8，地層壓力偏低，根據(jù)已鉆井資料顯示，該地區(qū)鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)溢流、井涌等情況，因此井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮封固漏失及井壁不穩(wěn)定地層段。

2.2.1 水平井井身結(jié)構(gòu) (圖2)

(1)一開:采用φ444.5mm鉆頭鉆穿第四系表土層，進(jìn)入穩(wěn)定地層;

圖2 煤層氣V型井組井身結(jié)構(gòu)示意圖

(2)二開:采用φ311.1mm鉆頭鉆進(jìn)至目的煤層上部，下φ244.5mm套管封固;

(3)三開:采用φ215.9mm鉆頭鉆進(jìn)水平段，與對(duì)接直井連通后完鉆，下入生產(chǎn)管串。

2.2.2 洞穴井井身結(jié)構(gòu)

(1)一開:采用φ311.1mm鉆頭鉆穿第四系表土層，進(jìn)入穩(wěn)定地層;

(2)二開:采用φ215.9mm鉆頭鉆穿目的煤層，在目的煤層段下入可鉆式玻璃鋼套管 (可供造穴)。

2.3 井眼軌跡控制技術(shù)

井眼軌跡控制技術(shù)是水平V型連通井組最后是否成功實(shí)現(xiàn)三口井對(duì)接的關(guān)鍵技術(shù)，V型井組中每一口水平井的軌跡走向都影響最后的對(duì)接，必須嚴(yán)格控制各水平井的的軌跡，保證精確中靶。

2.3.1 隨鉆測(cè)斜儀器的選擇

高精度的儀器和完善工藝技術(shù)是成功實(shí)施水平連通井的保障。設(shè)計(jì)采用EM－MWD無線隨鉆測(cè)量?jī)x，EM－MWD是依靠電磁波傳輸方式進(jìn)行井眼軌跡測(cè)量的一種先進(jìn)儀器。具有信號(hào)傳輸速率高、不需要循環(huán)鉆井液便可傳送數(shù)據(jù)、測(cè)量時(shí)間短、測(cè)量數(shù)據(jù)精確等特點(diǎn)。

2.3.2 鉆具組合的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于水平井的鉆進(jìn)，需根據(jù)不同施工井段采用不同鉆具組合進(jìn)行施工作業(yè)。

直井段保證井眼打直，采用塔式鉆具組合，打好直井段;二開直井采用塔式、螺桿+鉆頭鉆具組合防斜、糾斜;造斜段采用螺桿+鉆頭鉆具組合;水平段采用的是“單彎螺桿鉆具+LWD”的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合，保證軌跡的精確控制;在最后連通對(duì)接時(shí)，在鉆具組合中需加入強(qiáng)磁接頭，主要是為了尋找信號(hào)，保證連通 (φ215.9mm鉆頭 +φ165mm強(qiáng)磁接頭 +φ172mm單彎螺桿 (1.25°)+φ127mm無磁承壓鉆桿×2根+φ127mm加重鉆桿+φ127mm斜坡鉆桿 +φ127mm加重鉆桿 +φ127mm鉆桿)。

2.3.3 控制技術(shù)

煤層氣V型水平井定向控制的主要參數(shù)包括井斜角、方位角和垂深，為了在煤層中很好地控制井眼軌跡，采用了采用EM－MWD無線隨鉆測(cè)量?jī)x進(jìn)行井眼軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控。

通過連續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)的方式，實(shí)現(xiàn)增斜、降斜，通過復(fù)合鉆進(jìn)的方式穩(wěn)斜，既達(dá)到連續(xù)鉆進(jìn)的目的，又可隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整井眼狀態(tài)，有效地提高鉆井速度和軌跡控制精度。為了在煤層中很好地控制井眼軌跡，采用了地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)行井眼軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控。首先利用前期地震的資料結(jié)合從隨鉆測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)到的儲(chǔ)層伽馬數(shù)值、電阻率等參數(shù)，調(diào)整井眼軌跡。另外，可以根據(jù)綜合錄井儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的鉆時(shí)和泥漿返出的巖屑來判斷鉆頭是否鉆穿煤層，保證水平井在煤層中的穿遇率。

2.4 井壁穩(wěn)定與煤儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)

煤儲(chǔ)層的吸附能力強(qiáng)、應(yīng)力敏感性強(qiáng)、速敏性強(qiáng)以及水敏性、堿敏性強(qiáng)等的特點(diǎn)，決定了煤層容易受到傷害。煤層膠結(jié)疏松，施工水平井容易發(fā)生坍塌卡鉆事故。

絨囊鉆井液是一種密度可調(diào)適合于近、欠平衡鉆井外，還具有自匹配分度漏失通道、高效懸浮攜帶巖屑、控制儲(chǔ)層傷害、控制體系密度等特點(diǎn)的絨囊鉆井液體系。它不需要特殊設(shè)備，利用常規(guī)鉆井設(shè)備的攪拌、剪切等物理作用和處理劑的化學(xué)作用，便可形成內(nèi)部為囊泡、外部為絨毛的絨囊。絨囊粒徑15～150μm、壁厚3～10μm，均勻的分散在連續(xù)相中形成穩(wěn)定的氣液體系。通過前期的調(diào)研和試驗(yàn)，絨囊鉆井液成功應(yīng)用于多口煤層氣鉆井中，對(duì)井壁起到了很好的穩(wěn)定作用。相比KCL溶液，后者對(duì)儲(chǔ)層傷害嚴(yán)重，漏入煤層后，對(duì)儲(chǔ)層深處也造成了傷害，儲(chǔ)層改造難度大;絨囊鉆井液儲(chǔ)層傷害程度小，能夠封堵煤層，避免對(duì)儲(chǔ)層深部污染，靠近井筒表層污染帶可通過射孔、壓裂等儲(chǔ)層改造措施消除其對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響。

2.5 煤層造穴技術(shù)

為了易于實(shí)現(xiàn)水平井與直井在煤層中成功對(duì)接及建立氣液通道，需要在直井的煤層部位造一個(gè)洞穴，通過前期調(diào)研及試驗(yàn)，優(yōu)選采用機(jī)械工具進(jìn)行造穴。機(jī)械工具造穴是利用機(jī)械切削的原理，用鉆具把特殊設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置送入造穴井段，然后通過液壓控制方式使造穴工具的刀桿張開，并在鉆具的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)并切削儲(chǔ)層，形成滿足實(shí)際需要的洞穴。

機(jī)械工具造穴擴(kuò)孔器的鉆井相關(guān)參數(shù):鉆壓:0～10kN;轉(zhuǎn)數(shù):60rpm;排量:16L/s;泵壓:0.5 ～3.5MPa。

2.6 水平井與洞穴井連通技術(shù)

兩井連通時(shí)采用電磁波測(cè)量?jī)x器。連通過程中首先在直井中下入探管，水平井施工時(shí)在鉆頭處連接一個(gè)永磁短節(jié)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)磁短節(jié)通過洞穴井附近區(qū)域時(shí)，探管可采集強(qiáng)磁短節(jié)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，最后通過采集軟件準(zhǔn)確地計(jì)算兩井間的距離和當(dāng)前鉆頭的位置 (圖3)。

圖3 兩井連通示意圖

鉆具組合通常為:鉆頭+強(qiáng)磁短節(jié)+馬達(dá)+無磁鉆挺+隨鉆測(cè)斜儀+鉆桿。

在連通過程中，在直井中下入探管，在鉆頭處連接一個(gè)強(qiáng)磁短節(jié)，有探管接收強(qiáng)磁信號(hào)，判斷直井洞穴位置。

2.7 V型水平井組固井工藝技術(shù)

對(duì)V型井組水平井采用下套管固完井的方式，國(guó)內(nèi)尚無先例。其固井施工過程中遇到的難點(diǎn)與常規(guī)水平井相比，主要體現(xiàn)在以下兩方面:

(1)煤層機(jī)械強(qiáng)度低，力學(xué)穩(wěn)定性差，水泥漿容易漏失，影響頂替效率;

(2)如何避免對(duì)其中一口水平井固井時(shí)水泥漿竄至排采井直井段以及另一口水平井，影響兩井固井質(zhì)量。

通過對(duì)各種技術(shù)方案的考慮和分析，最終確定通過采用對(duì)直井采取填砂作業(yè)協(xié)助水平井固井的方式來提高V型井組中水平井的固井質(zhì)量。這就要求V型井組中兩水平井不能同時(shí)與直井對(duì)接，應(yīng)有先后次序。具體工藝流程:

(1)完成直井的施工 (包括造穴);

(2)交替錯(cuò)開兩水平井的施工進(jìn)度，確定先實(shí)施對(duì)接的水平井P1，并進(jìn)行連通對(duì)接;

(3)將光油管對(duì)直井通井、替漿、細(xì)粉砂填砂 (要求蓋住目的煤層頂100m)、沉砂、探砂面。砂面合格后，對(duì)井筒憋壓關(guān)井;對(duì)水平井P1進(jìn)行固井侯凝;

(4)對(duì)直井進(jìn)行淘砂，淘至上口水平井對(duì)接點(diǎn)以上位置，進(jìn)行水平井P2井與直井的連通;

(5)重復(fù) (3)的工作，對(duì)水平井P2進(jìn)行固井侯凝;

(6)最后進(jìn)行掃塞施工，再次使兩口水平井與洞穴直井的連通，完成V型水平井組。

3 應(yīng)用實(shí)例

2012年4月8日，中石化華東分公司在延川南煤層氣工區(qū)完鉆了第一個(gè)V型井組——延5V1井組，延5V1井組由一口排采直井延5V1井和兩口水平井延5V1－P1、延5V1－P2組成，在2#煤層實(shí)現(xiàn)3井連通，實(shí)際鉆井過程中首先進(jìn)行延5V1－P1與直井的對(duì)接連通，通過采取直井填砂特殊工藝對(duì)延5V1－P1井固完井，接著實(shí)施延5V1－P2井水平段段鉆進(jìn)、連通及完井作業(yè)，交替進(jìn)行。煤層段鉆井過程中采用絨囊鉆井液體系，兩水平井均未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)坍塌現(xiàn)象，連通距離分別為1030m和750m。該V型井組工藝復(fù)雜，施工難度大，通過掌握該類特殊結(jié)構(gòu)井的核心技術(shù)，為中石化延川南區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)提供了技術(shù)支撐，對(duì)下一步大規(guī)模建產(chǎn)起到積極作用。

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