袁明進(jìn) 龍志平 朱智超

(中石化華東分公司非常規(guī)油氣資源工程技術(shù)研究中心, 江蘇 210011)

1 區(qū)塊地質(zhì)概況

延川南區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣南段河?xùn)|斷褶帶南部, 區(qū)塊呈不規(guī)則長方形, 東西長約33．18km, 南北寬約22．38km, 面積701．3km2, 含煤面積672km2。煤層穩(wěn)定分布區(qū)達(dá)490km2。區(qū)塊內(nèi)構(gòu)造簡單, 斷層不發(fā)育, 中部兩條逆斷層, 將區(qū)塊分為東部平臺區(qū)、西部平臺區(qū)和破碎帶三個構(gòu)造單元, 局部發(fā)育小斷層。地層總體成—走向北東、向北西方向緩傾斜的單斜構(gòu)造, 傾角5°～10°。

區(qū)塊內(nèi)共發(fā)育11 層煤, 其中石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組為主要含煤地層。山西組2#煤層和太原組10#煤層為本區(qū)塊的主要可采煤層, 全區(qū)分布穩(wěn)定。煤層埋深從東南向西北方向逐漸增大,范圍800～1500m。其中山西組2#煤為主力煤層,厚度4～7m,含1～3 層夾矸,多為塊狀碎裂煤。含氣量4．29～20．38m3/t ,平均值12．3m3/t。

2 鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析

2．1 技術(shù)現(xiàn)狀

華東分公司自2008 年在延川南區(qū)塊實(shí)施煤層氣勘探開發(fā)以來, 截至2010 年底, 已在該區(qū)塊累計(jì)鉆井19 口, 其中按井別分： 參數(shù)井12 口, 排采井7 口; 按井型分： 直井10 口, 定向井9 口。鉆井方式主要為常規(guī)鉆井方式, 鉆機(jī)大都為鉆深能力較小的ZJ30 系列油田鉆機(jī)和水源2000 系列煤田地質(zhì)類鉆機(jī), 設(shè)備和工藝流程均相對較簡單。2011年度在延1 井獲得單井排采突破的情況下, 開始實(shí)施大井組排采試驗(yàn), 目前正在實(shí)施當(dāng)中。

2．2 難點(diǎn)分析

從延川南區(qū)塊已鉆井的實(shí)施情況來看, 鉆井過程中存在的主要井下復(fù)雜情況是井漏, 不僅造成鉆井液和材料的浪費(fèi), 而且嚴(yán)重影響了鉆井施工進(jìn)度, 區(qū)塊已鉆井井漏情況如表1。

從井漏的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來看, 漏失層在第四系、劉家溝組等上部地層附近較為集中。地質(zhì)分析顯示第四系地層風(fēng)化嚴(yán)重, 其裂隙、孔隙結(jié)構(gòu)均不穩(wěn)定; 劉家溝組及石盒子組風(fēng)化也較為嚴(yán)重, 特別是地層分界面附近, 裂隙比較發(fā)育; 同時在山西組、太原組局部井段灰?guī)r發(fā)育, 煤層段割理發(fā)育,鉆井過程中也容易發(fā)生井漏。

表1 延川南區(qū)塊漏失情況統(tǒng)計(jì)

從延1 井組目前的施工情況來看,采用常規(guī)鉆井方式,鉆井過程中存在的井漏在一定程度上制約了煤層氣勘探開發(fā)的進(jìn)程,影響了煤層氣勘探開發(fā)的效益,井漏已成為該區(qū)塊鉆井存在的主要問題之一。

3 低成本高效鉆完井技術(shù)

3．1 參數(shù)井

3．1．1 鉆機(jī)選型

延川南區(qū)塊煤層埋深均較深, 其中主力煤層2#煤層埋深分布： 東部平臺在800～1000m, 西部平臺在1000～1500m。儲層壓力系數(shù)東部平臺區(qū)為0．40～0．477, 西部平臺區(qū)為0．76～0．87。

因此, 該區(qū)塊鉆井存在一定的難度。鉆機(jī)選型除了既要滿足鉆井需要, 同時也要降低鉆井成本,實(shí)現(xiàn)低成本高效開發(fā)煤層氣的目。同時還由于參數(shù)井有取芯等地質(zhì)任務(wù), 而煤層取芯不同于常規(guī)石油鉆井取芯, 采用的是專用的繩索式取芯工具。因此目前該區(qū)塊施工參數(shù)井的鉆機(jī)主要為GZ- 2000、TSJ - 2000、SPS- 2000 等不同類型的水源鉆機(jī)。這3 種類型水源鉆機(jī)主要用于水源、中淺層石油、天然氣、煤層氣井等鉆探, 具有工藝流程和操作相對簡單、能耗低和便于維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn)。

3．1．2 井身結(jié)構(gòu)

綜合考慮延川南區(qū)塊地層壓力、井壁穩(wěn)定性、儲層保護(hù)要求以及后期壓裂改造和煤層氣井低成本高效開發(fā)原則等因素, 該區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)普遍采用二級井身結(jié)構(gòu)方案 (見圖1) 。一開用φ311．1mm 鉆頭鉆進(jìn), 鉆穿第四系黃土層和流沙層后, 進(jìn)入劉家溝組穩(wěn)定基巖20 后完鉆, 下φ244．5mm 表層套管, 封固上部及第四系疏松地層, 水泥漿返至地面; 二開用φ215．9mm 鉆頭, 鉆穿太原組10#煤層后60m 完鉆, 下φ139．7mm 生產(chǎn)套管, 固井水泥返至最上部目的煤層以上200m。

圖1 直井井身結(jié)構(gòu)

3．1．3 鉆井方式

目前延川南區(qū)塊主要的鉆井方式為常規(guī)鉆井液鉆井, 鉆井設(shè)備主要為不同類型的水源鉆機(jī)。由于煤儲層壓力系數(shù)一般較低, 延川南區(qū)塊煤層壓力系數(shù)都小于1。采用常規(guī)鉆井方式, 鉆井過程不僅容易發(fā)生井漏等復(fù)雜情況, 同時由于鉆井液密度較高, 對儲層傷害較大。

在煤層氣井鉆井作業(yè)中, 除了水源類鉆機(jī)外,還有T- 130XD、RD20 等不同類型的車載式空氣鉆機(jī)。這兩種鉆機(jī)不僅適用于空氣鉆進(jìn)、清水或鉆井液鉆進(jìn)等不同工藝, 同時還可根據(jù)需要可隨時進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 以滿足不同地層的需求。RD20 鉆機(jī)空氣鉆井時采用152．4～203．2mm (6～8in) 氣動潛孔錘鉆進(jìn), 最大井深達(dá)1550m。據(jù)統(tǒng)計(jì), 美國80%以上煤層氣開發(fā)井采用空氣或空氣/泡沫鉆井, 并且取得了非常好的應(yīng)用效果。

空氣鉆井, 由于采用的是空氣作為循環(huán)介質(zhì),不僅環(huán)空無液柱壓力, 同時井底無液柱壓實(shí)作用,不僅能夠有效的解決延川南區(qū)塊鉆井施工過程中存在的井漏問題, 同時采用氣動潛孔錘鉆進(jìn)的鉆井方式, 有效的提高了破巖效率, 機(jī)械鉆速得到大幅提高, 表2 是和順區(qū)塊煤層氣井不同鉆井方式的實(shí)施效果對比。由表2 可以看出, 空氣旋沖鉆井方式比常規(guī)鉆井方式機(jī)械鉆速提高了4～5 倍。因此, 建議延川南區(qū)塊在地面條件和地質(zhì)情況容許的情況下, 鉆井方式應(yīng)以空氣旋沖鉆井為主。鉆至煤層上部, 取心過程中更換清水或常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)。

表2 和順區(qū)塊不同鉆井方式實(shí)施效果對比

圖2 空氣鉆井與常規(guī)鉆井機(jī)械鉆速對比

3．2 排采井

3．2．1 叢式井鉆井

延川南區(qū)塊山巒起伏, 溝壑縱橫, 多坡地, 地面條件復(fù)雜, 開發(fā)井網(wǎng)部署難, 地面工程成本高。從征地和環(huán)保角度, 叢式井組鉆井方式要明顯優(yōu)于單個直井; 其次, 叢式井組的地面工藝流程費(fèi)用低, 便于后期生產(chǎn)管理。

一般情況下, 單個平臺井組部署的井?dāng)?shù)越多,綜合后的鉆前成本就會節(jié)約越多。但在對叢式井進(jìn)行布局時, 需要考慮多方面的因素, 如井場區(qū)域地貌、工農(nóng)關(guān)系、鉆井技術(shù)水平、鉆井成本以及防碰繞障等。對于延川南區(qū)塊, 每個井場布井?dāng)?shù)不少于2 口, 一般情況為3～6 口, 相鄰井距控制在4～6m, 通常取5m。

圖3 四井組叢式井鉆井布局

3．2．2 井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

叢式井鉆井主要以定向井為主, 結(jié)合定向井各剖面類型的用途及特點(diǎn), 考慮施工復(fù)雜程度, 在延川南區(qū)塊的定向井均采用直- 增- 穩(wěn)三段制剖面,其應(yīng)用廣泛, 施工難度低, 且能滿足生產(chǎn)需要。

(1) 造斜點(diǎn)位置選擇

造斜點(diǎn)的位置盡量靠上, 可以選擇在距表套20m 的位置, 下壓造斜點(diǎn)則須考慮排采對井斜的要求。造斜點(diǎn)的選擇還應(yīng)遵循以下原則：

①造斜點(diǎn)宜選在比較穩(wěn)定的地層, 避免在巖石破碎帶、漏失地層、流沙層或容易坍塌等復(fù)雜的地層定向;

②盡可能選在可鉆性均勻的地層, 避免在硬夾層定向造斜;

③綜合考慮設(shè)計(jì)井的垂深、水平位移和剖面類型確定造斜點(diǎn)位置, 并且考慮滿足排采工藝的需要;

不干擾鋼混凝土疊合梁之下公路的通行，是進(jìn)行該支架體系設(shè)計(jì)的首要原則。因此，橋面板支架體系要通過疊合梁的結(jié)構(gòu)特性，充分發(fā)揮主梁和側(cè)梁的結(jié)構(gòu)功能，具體來說有以下三點(diǎn)需要注意。

④選擇的造斜點(diǎn)位置應(yīng)盡可能使斜井段避開方位自然漂移大的地層或利用井眼方位漂移的規(guī)律鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

延川南區(qū)塊, 上部地層差異性較大。部分地區(qū)地層穩(wěn)定, 巖性均勻; 有的則地層破碎易發(fā)生復(fù)雜情況。在造斜點(diǎn)位置選擇上, 應(yīng)綜合考慮。

表3 叢式井組井眼軌跡優(yōu)選參數(shù)

(2) 井斜角的確定

根據(jù)實(shí)鉆資料顯示當(dāng)井斜角小于15°方位不穩(wěn)定, 容易漂移; 井斜角＞45°, 測井和完井作業(yè)施工難度大, 扭方位困難, 轉(zhuǎn)盤扭矩大, 并易發(fā)生井壁坍塌等現(xiàn)象。

目前在延川南已施工的定向井最大井斜角在22°～35°范圍內(nèi), 有部分井由于井場選擇不理想,導(dǎo)致水平位移過大, 煤田鉆井隊(duì)施工這類井時難度較大, 鉆具磨損嚴(yán)重, 甚至直接導(dǎo)致鉆具損壞, 而且鉆井施工必須滿足后期排采的需要。排采主要考慮的是井斜對螺桿泵抽油桿偏磨的影響, 根據(jù)資料表明井斜角越大對其影響大, 而且考慮到滿足地質(zhì)方案的要求, 延川南區(qū)塊延1 井區(qū)排采試驗(yàn)井組中定向井的最大井斜角要求＜35°。

叢式井造斜點(diǎn)位置的選擇及井斜角的確定需認(rèn)真考慮各井間的干擾, 方便施工的同時需滿足施工安全。

(3) 造斜率的選擇

根據(jù)定向井井身質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)要求普通定向井其造斜率應(yīng)＜5°/30m, 煤層氣定向井施工其造斜率可選為值為4．5°/30m 或5°/30m; 考慮本區(qū)塊煤層埋深淺, 為了盡快完成定向鉆進(jìn)縮短增斜段段長,本區(qū)塊采用5°/30m 的造斜率進(jìn)行施工, 據(jù)現(xiàn)場施工的情況來看能夠很好地滿足地質(zhì)、工程及后期排采需求。

根據(jù)上述因素的綜合考慮, 設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)優(yōu)選在120～230m, 相鄰造斜點(diǎn)相距30m 以上, 造斜率為5°/30m。下面以四井組叢式井為例進(jìn)行說明, 設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)垂深為950m, 完鉆井深為鉆至目的層后留60m 口袋。

3．2．3 現(xiàn)場施工工藝

叢式井在施工過程中與通常的單井施工區(qū)別并不是很大, 其井身結(jié)構(gòu)、鉆井液體系、固完井方案基本相同, 其主要的差別在于各井之間需要注意防碰, 對鉆具組合的要求相對較高。

對于延川南區(qū)塊, 根據(jù)不同井段施工要求的不同, 采用不同鉆具組合進(jìn)行施工作業(yè)。

直井段主要是防斜打直, 采用塔式鉆具組合;二開后由于直井段較短, 采用螺桿+PDC 鉆頭鉆具組合, 復(fù)合鉆進(jìn)的方式; 進(jìn)入造斜段、穩(wěn)斜段后,可以不必起鉆, 繼續(xù)采用直井段螺桿+PDC 鉆頭鉆具組合, 復(fù)合鉆進(jìn)的方式, 直至完鉆。其優(yōu)勢在于一方面節(jié)省換鉆具組合時間且有良好的軌跡控制效果; 另一方面整個鉆柱旋轉(zhuǎn), 有利于順利送鉆和大斜度井段的攜巖。所以在井身質(zhì)量好、井眼凈化和鉆柱起下正常的井眼中推薦使用復(fù)合鉆進(jìn)進(jìn)行施工。

表4 叢式井組鉆具組合優(yōu)選

鉆井液的使用, 主要考慮以安全快速成井為原則, 兼顧煤層保護(hù)。一開鉆遇第四系地層： 主要是黃土層, 成巖性差, 易漏失、垮塌、擴(kuò)徑, 采用預(yù)水化膨潤土鉆井液。鉆井液需維持中高粘度, 以攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁為主; 二開采用低固相聚合物鉆井液, 鉆至2#煤層前將密度控制在1．08g/cm3以內(nèi), 粘度40～50S 左右, 同時降轉(zhuǎn)速以小排量鉆進(jìn), 鉆井液性能主要功能是保持井眼穩(wěn)定、攜帶巖屑、提高機(jī)械鉆速。開鉆前儲備好單封、復(fù)合堵漏劑等隨鉆堵漏材料, 鉆進(jìn)至提示漏失層位前, 在鉆井液中加入一定量的隨鉆堵漏劑預(yù)防井漏的發(fā)生。

4 經(jīng)濟(jì)效益評價

4．1 井漏成本

從延川南區(qū)塊已施工井的情況來看, 普遍存在井漏, 單井的漏失量從40～200m3不等。按照單井平均漏失泥漿80m3計(jì)算, 延川南區(qū)塊鉆井平均泥漿成本275 元/m3, 單井漏失的泥漿成本為22000元。再加上鉆井過程中的循環(huán)泥漿, 按200m3計(jì)算, 單井循環(huán)泥漿成本為55000 元。若采用空氣鉆井, 不僅減少了鉆井液循環(huán)消耗和井漏成本, 同時提高了機(jī)械鉆速, 縮短了鉆井周期, 使得綜合鉆井成本將大大下降。

4．2 地面工程成本

延川南區(qū)塊鉆井, 單井鉆前地面工程、工農(nóng)協(xié)調(diào)、搬遷等成本平均為29 萬元。若采用叢式井鉆井方式, 按照單個井組部署4 口井來算, 可節(jié)約鉆井工程成本約80 萬元, 不包括后期壓裂作業(yè)和排采管理等費(fèi)用。同時叢式井組施工, 鉆井液可處理重復(fù)再利用, 可節(jié)約鉆井液成本15 萬元。

表5 叢式井組單井成本對比分析

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