胡向志

(河南豫中地質(zhì)勘察工程公司,河南鄭州450053)

1 引言

我國(guó)的煤層氣資源量與我國(guó)的常規(guī)天然氣總量相近,折標(biāo)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(kāi)發(fā)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(yīng);有效減排溫室氣體,產(chǎn)生良好的環(huán)保效應(yīng);作為一種高效、潔凈能源,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,估計(jì)2010年底鉆井?dāng)?shù)量達(dá)5000口,年產(chǎn)量達(dá)到15億立方米,煤層氣將迎來(lái)大規(guī)模市場(chǎng)化開(kāi)發(fā)。

2 鉆井的基本作用

鉆井工程是煤層氣開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ),它為后續(xù)工作提供開(kāi)發(fā)依據(jù)和流動(dòng)通道,取得的實(shí)物資料如煤層取心可以獲得煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)。在一定的煤層氣物質(zhì)基礎(chǔ)上,通過(guò)鉆井形成流動(dòng)通道,再給予一定的能量差來(lái)產(chǎn)出煤層氣。一口井順利完井后,能夠快速進(jìn)入固井、壓裂、排采等環(huán)節(jié)。如果鉆井質(zhì)量不合格,對(duì)后續(xù)排采極為不利,可能造成很難補(bǔ)救的后果,如井底水平位移過(guò)大,會(huì)打亂油田開(kāi)發(fā)的布井方案;井徑變化太大,固井容易不牢;煤層段擴(kuò)孔太大,射孔不穿,壓裂不能壓開(kāi);井斜太大,排采容易磨油管和套管排不出水,產(chǎn)不出氣,并且負(fù)荷大容易燒電機(jī)。

鉆井工程能對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng),鉆井?dāng)?shù)量的極大增加促使煤層氣開(kāi)發(fā)企業(yè)的發(fā)展。如晉煤集團(tuán)利用“清水鉆進(jìn)、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(shù),目前已累計(jì)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(guó)最大的煤層氣抽采利用基地,產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)協(xié)同效應(yīng)。鉆井?dāng)?shù)量的增多也使得眾多鉆井公司更新?lián)Q代鉆機(jī),研發(fā)高效鉆井技術(shù),進(jìn)而推動(dòng)了煤層氣開(kāi)發(fā)。

鉆井技術(shù)的進(jìn)步引起煤層氣開(kāi)發(fā)方式的顯著變化,鉆井技術(shù)一旦取得巨大進(jìn)步,其影響深遠(yuǎn)。近年國(guó)內(nèi)外正積極開(kāi)展應(yīng)用的多分支水平井、欠平衡鉆井技術(shù)能顯著提高低壓低滲儲(chǔ)層的煤層氣采收率,代表著中國(guó)煤層氣高效開(kāi)發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將從當(dāng)前的以井下抽放為主逐步過(guò)渡到以地面開(kāi)發(fā)為主 (并從當(dāng)前以直井開(kāi)發(fā)為主過(guò)渡到多分支水平井開(kāi)發(fā)為主)。

3 煤層氣鉆井特殊性分析

煤儲(chǔ)層具有傷害的敏感性與不可恢復(fù)性決定了在煤層氣鉆完井、開(kāi)采過(guò)程中要堅(jiān)持采取系統(tǒng)的保護(hù)煤層措施。煤層氣儲(chǔ)存狀態(tài)和吸附運(yùn)移決定了煤層氣產(chǎn)出是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,首先要保護(hù)煤層氣儲(chǔ)層。我國(guó)煤儲(chǔ)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(chǔ)層保護(hù)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(shí)煤層裂縫和割理在高圍壓下閉合,并且是不可恢復(fù)的。在過(guò)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(yīng)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(xì)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(fā)生各類敏感性反應(yīng),從而生成各類不溶性沉淀物。

煤儲(chǔ)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(yīng)力造成井眼不穩(wěn)定。為了保證安全穿過(guò)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(shí)施煤層保護(hù)較油氣層更困難。實(shí)際很多煤層氣井在鉆井過(guò)程中受到污染,形成地層壓力、滲透率測(cè)試不準(zhǔn)確,表皮系數(shù)大,處理相當(dāng)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(wú)法清除,從而造成永久性的傷害。鉆井液在煤層中的浸泡時(shí)間增加也會(huì)導(dǎo)致煤儲(chǔ)層傷害半徑增大,從而加劇對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害程度。

煤層氣氣藏的裂隙一般都比較發(fā)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(chǎn)生的凈壓力即有效壓力控制,有效壓力的改變,可導(dǎo)致裂縫的開(kāi)啟和閉合,進(jìn)而導(dǎo)致滲透率的改變;而且這些裂隙閉合后在卸壓過(guò)程中不易恢復(fù)張開(kāi),宏觀表現(xiàn)為隨有效壓力的增加,滲透率降低和壓力滯后現(xiàn)象。

4 煤層氣鉆井技術(shù)難點(diǎn)分析

4.1 優(yōu)選優(yōu)配,確保井身質(zhì)量

根據(jù)不同地區(qū)不同類型鉆孔特點(diǎn),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(shí)調(diào)整鉆具結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。實(shí)踐中,為了滿足高精度錘陀鉆進(jìn)的要求,使鉆具重心始終控制在中和點(diǎn)以下,使鉆具保持在張直狀態(tài)中鉆進(jìn),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(biāo)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(jìn),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(lái)糾斜。為了保護(hù)煤儲(chǔ)層,也為了井內(nèi)安全,進(jìn)入煤層是牙輪鉆頭采用大噴嘴或不帶噴嘴,配合巖屑,鉆時(shí),沖洗液等分析鉆進(jìn)參數(shù)。

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(shí)施鉆開(kāi)煤儲(chǔ)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(chǎn)生沉淀堵塞通道;(4)產(chǎn)生水鎖效應(yīng),增加油氣流動(dòng)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(jié)強(qiáng)度不好,固結(jié)不牢。

4.3 繩索取心技術(shù)

按設(shè)計(jì)要求從井下鉆取煤層樣品為勘探和開(kāi)發(fā)煤層氣取得第一手資料。煤層氣取心由于要測(cè)量煤層氣含氣量等要求煤心原始狀態(tài)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(jìn)是一種不提鉆而由鉆桿內(nèi)撈取巖心的先進(jìn)鉆進(jìn)方法,其優(yōu)越性在于純鉆時(shí)間長(zhǎng),輔助時(shí)間短,與普通鉆進(jìn)取心相比,具有可控制鉆孔偏斜度、提高鉆進(jìn)效率、提高巖心采取率、減少孔內(nèi)事故等優(yōu)點(diǎn);繩索取心鉆探不僅要熟練掌握繩索取心鉆具的結(jié)構(gòu)和工作原理,也要注意做好現(xiàn)場(chǎng)一系列的配合工作。如套管選用、預(yù)防孔斜、鉆頭與護(hù)孔器的選擇等。

5 新型高效煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)

5.1 多分支水平井鉆井技術(shù)

多分支水平井集鉆井、完井和增產(chǎn)措施于一體,是目前開(kāi)發(fā)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(duì)接、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、鉆水平分支井眼、欠平衡等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。其機(jī)理在于分支水平井在煤層形成相互連通的網(wǎng)絡(luò),最大限度地溝通煤層裂隙和割理系統(tǒng),大大降低了煤層裂隙內(nèi)流體的流動(dòng)阻力,提高煤層排水降壓速度和煤層氣解吸運(yùn)移速度,進(jìn)而增加煤層氣單井產(chǎn)量,提高采出程度,縮短采氣時(shí)間,極大地提高煤層氣開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)的研究和實(shí)踐證明,煤層氣多分支水平井技術(shù)對(duì)我國(guó)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(kāi)發(fā)應(yīng)用中存在一些急需解決的問(wèn)題。這些問(wèn)題包括適宜的地質(zhì)條件、煤層段的井壁穩(wěn)定性、欠平衡鉆井、井的漏失、后期修井、預(yù)期氣產(chǎn)量等。煤層氣多分支水平井井眼軌跡設(shè)計(jì)堅(jiān)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(jù)煤層性質(zhì)、地應(yīng)力的分布狀態(tài)和最大主應(yīng)力方向、煤藏單元的幾何形狀和甲烷的流動(dòng)控制要求等因素來(lái)確定井眼軌跡的設(shè)計(jì),使主水平井眼沿最小應(yīng)力方向鉆進(jìn),鉆井復(fù)雜情況最少并且鉆進(jìn)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(shù)

表1 多分支水平井與常規(guī)直井比較

5.2 欠平衡鉆井技術(shù)

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(guī)低密度鉆井等。欠平衡鉆井作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)包括產(chǎn)生和保持欠平衡條件 (自然和人工誘導(dǎo)兩種)、井控技術(shù)、產(chǎn)出流體的地面處理和電磁隨鉆測(cè)量技術(shù)等。欠平衡鉆井技術(shù)進(jìn)展主要集中在井控、鉆井液、程序設(shè)計(jì)、特殊工具等方面。與常規(guī)的直井套管注氣相比,油管注氣壓力、排量更穩(wěn)定,氣體到達(dá)井底的時(shí)間更及時(shí),欠平衡效果更好。

6 結(jié)論

(1)鉆井工程是煤層氣開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ),對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng),高效鉆井技術(shù)直接推動(dòng)煤層氣開(kāi)發(fā)。

(2)由于煤儲(chǔ)層的特殊性,減少對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害是我國(guó)煤層氣鉆井技術(shù)的首要問(wèn)題。

(3)繩索取心鉆進(jìn)具有可控制鉆孔偏斜度、提高鉆進(jìn)效率、提高巖心采取率、減少孔內(nèi)事故等優(yōu)點(diǎn),做好現(xiàn)場(chǎng)配合工作能滿足煤層氣取心要求。

(4)多分支水平井能實(shí)現(xiàn)低滲煤層氣經(jīng)濟(jì)開(kāi)采,適用我國(guó)煤儲(chǔ)層低壓、低孔、低滲特點(diǎn),在沁水盆地、鄂爾多斯盆地應(yīng)用前景廣闊。

(5)欠平衡鉆井工藝能降低煤層氣開(kāi)采成本,確保井身質(zhì)量,減少對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。其中油管注氣壓力、排量更穩(wěn)定,氣體到達(dá)井底的時(shí)間更及時(shí),欠平衡效果更好。

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