延川南深部煤層氣井防漏堵漏技術(shù)

彭 興，周玉倉，朱智超，王軍鋒

（1.中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210019；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安710018）

隨著常規(guī)油氣資源日益無法滿足能源消耗增長的需求，非常規(guī)油氣資源成為勘探開發(fā)的熱點。煤層氣作為重要的非常規(guī)天然氣資源，具有分布廣泛、資源量大的優(yōu)勢[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國埋深2000.00m以淺煤層氣的地質(zhì)資源量約為36.8×1012m3，與常規(guī)天然氣資源量基本相當(dāng)[2]。其中，埋深 1000.00～2000.00m煤層氣的資源量約為 22.5×1012m3，開發(fā)潛力大，目前在鄂爾多斯盆地、沁水盆地和準(zhǔn)噶爾盆地及周緣等實現(xiàn)了規(guī)模開發(fā)[3]。深部煤層埋藏深、地質(zhì)條件復(fù)雜，普遍具有高孔、低滲、低壓和割理發(fā)育等特點，上部地層壓實程度差，鉆井完井過程中井下故障較多[4-5]。其中，鉆井過程中鉆井液漏失問題已經(jīng)成為制約煤層氣井高效成井的突出問題[6-8]。鄂爾多斯盆地延川南煤層氣區(qū)塊煤層氣儲層埋深800.00～1200.00m，鉆井過程中從上至下不同地層均發(fā)生了漏失。該區(qū)塊井下復(fù)雜情況不完全統(tǒng)計結(jié)果表明，漏失占43%，已成為該區(qū)塊最主要的井下復(fù)雜情況。

頻繁發(fā)生漏失不僅會消耗大量鉆井液材料，造成經(jīng)濟損失，同時會降低鉆井效率，且處理漏失會影響正常施工，導(dǎo)致鉆井周期延長。延川南區(qū)塊處理漏失的時間一般為1～24d，YC-15井處理漏失的時間是純鉆時間的10倍。此外，煤層氣儲層基塊致密、黏土礦物發(fā)育，敏感性較強，儲層段發(fā)生漏失后極易導(dǎo)致儲層損害，嚴(yán)重阻礙煤層氣產(chǎn)出。延川南區(qū)塊深部煤層氣井鉆井過程中的漏失制約了該區(qū)塊的勘探開發(fā)進(jìn)程，降低了該區(qū)塊煤層氣的勘探開發(fā)效益。為此，筆者根據(jù)延川南煤層氣區(qū)塊的地質(zhì)特征，分析了不同層段漏失的特征及漏失機理，針對不同的漏失機理，采用堵漏材料加量不同的隨鉆堵漏鉆井液堵漏，并研制了井口簡易膠塞封隔器，形成煤層氣井承壓堵漏工藝。隨鉆堵漏鉆井液與煤層氣井承壓堵漏工藝結(jié)合形成了煤層氣井防漏堵漏技術(shù)。延川南區(qū)塊應(yīng)用該技術(shù)后，漏失率由41.53%降至23.07%，處理漏失的時間也大幅縮短。

1 地質(zhì)特征及漏失機理分析

1.1 地質(zhì)特征

延川南煤層氣區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東南緣渭北隆起和晉西撓褶帶交匯處，東西長33.18km，南北寬 22.38km，面積 701.40km2，含煤面積 672km2，主要含煤目的層為山西組2號煤層，埋深800.00～1200.00m。儲層段煤巖結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤為主，含氣量 4.29～20.38m3/t（空氣干燥基），平均為12.3m3/t，孔隙度為1.3%～4.6%，平均為3.3%，滲透率0.0320～0.1735mD，地溫梯度 3.68～3.78℃/100m，壓力系數(shù)0.76～0.870。煤層氣井自上而下鉆遇第四系，三疊系二馬營組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組，奧陶系馬家溝組等。第四系為黏土層；三疊系二馬營組為泥巖層，和尚溝組為砂質(zhì)泥巖層，劉家溝組為紫紅色砂礫巖層；二疊系石千峰組為砂巖層，石盒子組為中細(xì)粒砂巖層，山西組為黑色泥巖和砂泥巖互層；石炭系太原組為泥巖、砂巖層及可采煤層，本溪組為灰?guī)r及粉砂巖層；奧陶系馬家溝組為致密石灰?guī)r層。

1.2 漏失機理分析

延川南區(qū)塊已完鉆井的漏失情況統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示（圖中圓越大，代表漏失量越大）。由圖1可知，延川南區(qū)塊煤層氣井中上部的第四系、和尚溝組、劉家溝組及石千峰組地層以中、小型漏失為主，且漏失頻繁；大型漏失主要發(fā)生在中下部的石盒子組、山西組和馬家溝組，但漏失頻次較低。

圖1 延川南鉆井漏失情況統(tǒng)計Fig.1 Lost circulation statistics during drilling in the Yanchuannan Block

分析認(rèn)為，該區(qū)塊煤層氣井中上部地層漏失量小，主要受工程因素影響。該區(qū)塊上部第四系為松散黃土地層，鉆進(jìn)時鉆速快、巖屑量大，為將巖屑攜帶至地面，需采用大排量施工，從而造成井筒循環(huán)壓力增大，造成井漏。此外，上部地層泥巖發(fā)育，而泥巖脆性大，井徑擴大率小，一般為1.6%～3.8%，環(huán)空間隙較小，鉆井液循環(huán)過程中產(chǎn)生的摩阻大，造成井底壓力與地層孔隙壓力的差值較大。同時，上部地層機械鉆速較快、巖屑濃度較大，需要的鉆井液排量更大，從而造成開泵時井底激動壓力較大，導(dǎo)致地層破裂發(fā)生漏失。中下部地層發(fā)生漏失主要是鉆井液的封堵能力不足：石盒子組砂巖膠結(jié)性差、脆性較強，地層滲透性好且天然裂縫發(fā)育，鉆井液封堵能力不足，導(dǎo)致鉆井液極易大量侵入地層。

根據(jù)以上分析結(jié)果，基于鉆井液流體力學(xué)理論，計算了漏失層不同排量下的當(dāng)量循環(huán)密度（ECD），結(jié)果見表1。由表1可知，當(dāng)鉆井液排量提高至50L/s時，漏層處的ECD由1.05kg/L提高至1.20kg/L，動壓力提高0.52MPa，由不漏失轉(zhuǎn)換為漏失速率7m3/h的漏失；當(dāng)鉆井液排量提高至70L/s時，漏層處的ECD 提高至 1.28kg/L，動壓力提高 0.80MPa，漏失速率由7m3/h提高至11m3/h。分析認(rèn)為，鉆開儲層上部地層時，為了降低鉆井液費用普遍選用聚合物鉆井液，而聚合物鉆井液缺少封堵材料，濾餅承壓能力低，在鉆井液液柱壓力作用下，導(dǎo)致上部、中部地層以孔隙型滲漏居多，表現(xiàn)為頻發(fā)的小型漏失。

表1 不同排量下漏層處的當(dāng)量循環(huán)密度與漏失速率Table1 Equivalent circulating density and lost circulation speed in the thief zone at different displacements

延川南區(qū)塊目的層山西組及太原組煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，山西組②號煤層壓力當(dāng)量密度僅為0.76～0.87kg/L，遠(yuǎn)低于鉆井液密度（1.06～1.10kg/L），鉆井液液柱壓力與地層壓力的壓差較大，為漏失創(chuàng)造了條件。皇凡生等人[9]開展了原地應(yīng)力下的裂縫滲透率應(yīng)力敏感性試驗，基于裂縫平板模型反演得到原地應(yīng)力條件下的裂縫寬度為3～40μm。通過掃描電子顯微鏡觀察延川南區(qū)塊煤巖樣品，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊煤層中微裂縫發(fā)育，裂縫類型主要為外生裂縫、內(nèi)生裂縫和繼承裂縫等，裂縫寬度3～40μm（見圖2）。鉆井液侵入后裂縫寬度會發(fā)生變化，裂縫寬度最大可增加數(shù)百微米[10]。

圖2 延川南區(qū)塊煤巖微裂縫發(fā)育特征Fig.2 Development characteristics of coalbed microfractures in the Yanchuannan Block

考慮儲層保護(hù)和降低鉆井成本的要求，延川南區(qū)塊采用低固相聚合物鉆井液鉆進(jìn)目的層。低固相聚合物鉆井液的配方為水+5.0%鈉基膨潤土+1.0%Na2CO3+0.5%聚丙烯酸鈉+0.3%聚丙烯酸鉀。分析該鉆井液固相顆粒的粒度發(fā)現(xiàn)，該鉆井液中固相顆粒的粒度比較小，D50僅為 1.9μm，D90僅為 16.1μm（見圖3）。根據(jù)前人研究可知[11-12]，當(dāng)鉆井液中固相顆粒的D90與地層裂縫開度相等時，鉆井液才能有效封堵裂縫，而低固相聚合物鉆井液的D90遠(yuǎn)低于地層天然裂縫寬度，顯然無法有效封堵目的層，鉆井液將大量侵入目的層，形成裂縫性漏失。同時，由于鉆井液持續(xù)侵入，將造成地層裂縫內(nèi)壓力持續(xù)增大。由于目的層天然裂縫發(fā)育，導(dǎo)致地層巖石強度顯著降低，鉆井液持續(xù)侵入使地層裂縫更易擴展延伸。在鉆井液液柱壓力作用下，裂縫開度不斷擴大，造成鉆井液封堵失效，從而使漏失速率增大，甚至發(fā)生失返性漏失[13]。因此，目的層的漏失表現(xiàn)為漏失頻次低，但是以中、大型漏失為主的特點。

圖3 低固相聚合物鉆井液固相顆粒的粒度分布Fig.3 Particle size distribution of solid particles in drilling fluids with low solid polymers

2 防漏堵漏技術(shù)

2.1 隨鉆堵漏鉆井液

由延川南區(qū)塊煤層氣井漏失特征及漏失機理可知，漏失主要為孔隙型滲漏、裂縫性漏失和裂縫擴展型漏失，以孔隙型滲漏為主，可以采用隨鉆堵漏鉆井液進(jìn)行隨鉆堵漏。因此，堵漏的關(guān)鍵是優(yōu)選粒度分布合理、封堵性能好、與鉆井液配伍性強和價格低的隨鉆堵漏材料。延川南區(qū)塊常用的隨鉆堵漏材料有花生殼、鋸末及樹葉等：花生殼的D50為14.2μm、D90為 49.8μm；鋸末的D50為 11.2μm，D90為 39.6μm；樹葉的D50為 24.2μm，D90為 61.0μm。Kang Yili等人[11]通過試驗及理論分析認(rèn)為，堵漏材料的D90與裂縫寬度接近時，堵漏漿能較好地封堵地層裂縫。延川南區(qū)塊地層裂縫的寬度為3～40μm，因此隨鉆堵漏材料的D90應(yīng)不小于40.0μm。基于此，將50%花生殼+40%鋸末+10%樹葉進(jìn)行復(fù)配，作為隨鉆堵漏材料，復(fù)配堵漏材料的D50為 13.0μm，D90為45.0μm。

將復(fù)配堵漏材料加入到低固相聚合物鉆井液中形成隨鉆堵漏鉆井液。為了優(yōu)化復(fù)配堵漏材料的加量，利用高溫高壓堵漏儀（見圖4），進(jìn)行復(fù)配堵漏材料不同加量隨鉆堵漏鉆井液的高溫堵漏承壓試驗，結(jié)果見表2。

圖4 高溫高壓堵漏儀Fig.4 HTHP lost circulation control instrument

由表2可知：復(fù)配堵漏材料的加量為5%時，隨鉆堵漏鉆井液對鋼珠床具有良好的封堵能力，當(dāng)正壓差為 2.5MPa 時濾失速率僅為 0.1mL/min，對孔隙地層有較好的封堵效果；復(fù)配堵漏材料的加量為7%時，隨鉆堵漏鉆井液對寬度為30μm的裂縫具有較好的封堵能力，當(dāng)正壓差增大至2.5MPa時仍無濾失；復(fù)配堵漏材料加量為10%時，隨鉆堵漏鉆井液對寬度為50μm的裂縫具有較好的封堵能力，當(dāng)正壓差增大至2.5MPa時無濾失。據(jù)此，針對鉆遇地層的特性確定復(fù)配堵漏材料的加量：對于上部孔隙型滲漏地層，低固相聚合物鉆井液加入5%復(fù)配堵漏材料即可實現(xiàn)高效防漏堵漏；對于下部裂縫性漏失地層，低固相聚合物鉆井液加入7%復(fù)配堵漏材料即可實現(xiàn)防漏堵漏；對于儲層等裂縫發(fā)育的地層，由于裂縫寬度較大，低固相聚合物鉆井液加入10%復(fù)配堵漏材即可實現(xiàn)防漏堵漏。

表2 高溫高壓堵漏承壓試驗結(jié)果Table2 Results of pressure-bearing lost circulation control experiments at high temperature and high pressure

2.2 承壓堵漏工藝

靜止堵漏是依靠堵漏材料自身重力作用進(jìn)行堵漏，因此堵漏材料進(jìn)入裂縫的深度有限，對斜直裂縫或斜井的堵漏效果一般。煤層氣井如采用靜止堵漏，循環(huán)過程中漏失層中的部分堵漏材料會被鉆井液的抽汲作用帶出裂縫，造成漏失層復(fù)漏[14-15]。因此，延川南區(qū)塊煤層氣井采用承壓堵漏工藝堵漏。

承壓堵漏工藝是在堵漏漿或加入堵漏材料的鉆井液循環(huán)至漏失層段后，利用封井器或封隔器將井筒環(huán)形空間封閉，充分利用井筒環(huán)形空間進(jìn)行憋壓，將堵漏漿或加入堵漏材料的鉆井液盡可能多地壓入到裂縫中，從而提高堵漏的速度和效率。由于延川南區(qū)塊目前煤層氣開發(fā)井的垂深都未超過1300.00m，一般不會鉆遇高壓含水層、異常高壓層等，且煤層為非高壓氣藏，因此煤層氣井鉆完井過程中，一般不在井口安裝防噴器或封井器。為了解決這一問題，研制了一套成本低、操作簡單和使用方便的井口簡易膠塞封隔器（見圖5）。在進(jìn)行承壓堵漏時，將井口簡易膠塞封隔器置于井口，密封膠體可以封隔環(huán)空，使環(huán)空內(nèi)快速承壓。向井筒內(nèi)施加3～5MPa壓力，若井筒壓力能夠穩(wěn)定一段時間，可將井口簡易膠塞封隔器取出，進(jìn)行正常鉆進(jìn)。

圖5 井口簡易膠塞封隔器的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of a packer with simple rubber plug at wellhead

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

延川南區(qū)塊26口煤層氣井在鉆井過程中應(yīng)用了由隨鉆堵漏鉆井液和承壓堵漏工藝組成的防漏堵漏技術(shù)，僅6口井發(fā)生了漏失，漏失井占比23.07%，處理漏失時間165.75h，占所有處理復(fù)雜情況時間的8.00%；而未應(yīng)用防漏堵漏技術(shù)時的漏失井占比高達(dá)41.53%，處理漏失時間占處理所有復(fù)雜情況時間的14.05%（見圖6）。由此可看出，延川南區(qū)塊煤層氣井防漏堵漏技術(shù)應(yīng)用效果良好，值得其他煤層氣區(qū)塊借鑒。

4 結(jié) 論

1）延川南煤層氣區(qū)塊中上部地層疏松，膠結(jié)程度低，鉆井液封堵能力差，等效循環(huán)壓力高，地層漏失以孔隙型滲漏為主；儲層段天然裂縫發(fā)育，鉆井液固相顆粒粒度分布與裂縫寬度不匹配導(dǎo)致其封堵能力差，造成裂縫性漏失；同時，鉆井液濾液持續(xù)侵入導(dǎo)致地層裂縫擴展，造成目的層段漏失頻次低，但是以中、大型漏失為主。

2）延川南煤層氣區(qū)塊直井段防漏堵漏以隨鉆防漏為主，對于上部孔隙型滲漏地層，低固相聚合物鉆井液加入5%復(fù)合堵漏材料進(jìn)行防漏堵漏；對于下部裂縫性漏失地層，低固相聚合物鉆井液加入7%復(fù)合堵漏材料進(jìn)行防漏堵漏；對于儲層段等裂縫發(fā)育的地層，考慮裂縫寬度較大，要實現(xiàn)防漏堵漏，需要在低固相聚合物鉆井液中加入10%復(fù)合堵漏材料。

圖6 延川南區(qū)塊煤層氣井漏失率及漏失處理時間占井下復(fù)雜情況處理時間的比例Fig.6 Lost circulation rate of coalbed methane wells in the Yanchuannan block and the ratio of leakage treatment time to the total treatment time under downhole complex conditions

3）延川南煤層氣區(qū)塊斜井段/水平段主要采用承壓堵漏工藝堵漏，并研制了一套成本低、操作簡單和使用方便的井口簡易膠塞封隔器。

4）防漏堵漏技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，漏失率從41.53%降至23.07%，漏失處理時間占井下復(fù)雜情況處理時間的比例從14.05%降至8.00%。