沁南潘河煤層氣田空氣鉆井和固井技術(shù)

孫建平 張健 王建中

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

沁南潘河煤層氣田空氣鉆井和固井技術(shù)

孫建平 張健 王建中

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

沁水盆地南部潘莊區(qū)塊位于沁水盆地東南緣,該區(qū)總體為單斜構(gòu)造,傾向西北,煤層穩(wěn)定、埋藏淺且滲透性較好,大量區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料和煤田勘探成果表明,區(qū)內(nèi)斷層稀少,以發(fā)育次級褶皺為主。該區(qū)鉆井類型主要為鉆井液鉆井(煤層段清水鉆進)和空氣鉆井。通過對比分析空氣鉆井、水鉆井井身質(zhì)量與時效平均值可知:①空氣鉆井在井身質(zhì)量方面略優(yōu)于水鉆井,但相差不大,均達到設(shè)計及規(guī)范要求;②空氣鉆井在時效方面比水鉆井效率高,其機械鉆速是水鉆井機械鉆速的3倍多,因此,空氣鉆井周期短,綜合經(jīng)濟效益較好。而微珠低密度固井技術(shù)采用優(yōu)質(zhì)微珠為減輕材料,水泥漿密度為1.60 g/cm3,抗壓強度在15 MPa以上,滿足了在確保固井強度的基礎(chǔ)上減輕水泥漿正壓差對儲層污染的要求。采用上述技術(shù)使潘河煤層氣田示范工程固井合格率達到100%,其中優(yōu)良率為84%。

沁水盆地 南部 潘河煤層氣田 空氣鉆井 固井 合格率 優(yōu)良率

沁水盆地南部(以下簡稱沁南)潘莊區(qū)塊位于沁水盆地東南緣,該區(qū)總體為單斜構(gòu)造,傾向西北,煤層穩(wěn)定、埋藏淺且滲透性較好。大量區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料和煤田勘探表明[1-2],區(qū)內(nèi)斷層稀少,以發(fā)育次級褶皺為主。

針對該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點,鉆井采用T685WS、T130XD頂驅(qū)車載鉆機、THZ-2000鉆機、ZJ20/ 1350DB鉆機等。鉆井類型有兩種:鉆井液鉆井(煤層段清水鉆進)和空氣鉆井。其中,采用T685WS、T130XD頂驅(qū)車載鉆機鉆井因?qū)γ簩游廴拘?、鉆井效率高、成本低,克服了丘陵地區(qū)設(shè)備搬遷困難等問題,非常適合煤層氣井的開發(fā),潘河煤層氣田是國內(nèi)首次大規(guī)模采用空氣鉆井的煤層氣田。

固井質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到井的壽命和后續(xù)作業(yè)能否順利地進行[3]。沁南潘河示范工程項目采用微珠低密度固井技術(shù),合格率達到100%,其中優(yōu)良率為84%,很好地完成了固井任務(wù)。

1 示范區(qū)鉆井工藝

潘河示范工程主要采用空氣(空氣泡沫)、清水、無固相聚合物作為鉆井循環(huán)介質(zhì)鉆煤層氣井,實現(xiàn)欠平衡和近平衡鉆井,以利于防止對煤儲層造成污染。

1.1 空氣、空氣泡沫鉆井

空氣、空氣泡沫鉆井是以空氣或空氣泡沫作為循環(huán)介質(zhì),采用潛孔錘沖擊鉆進工藝技術(shù)進行鉆井[4-5],其工藝流程如圖1所示。在潘河示范工程采用空氣、空氣泡沫鉆井?dāng)?shù)約占總井?dāng)?shù)的60%。

表1 清水鉆井鉆井循環(huán)介質(zhì)性能表

1.2 清水鉆井

為了有效保護煤層不被污染,提高鉆進效率,在潘河示范工程也采用了以清水作為循環(huán)介質(zhì)進行多口煤層氣井的鉆井施工,循環(huán)介質(zhì)性能見表1(以PH73-04井為例)。

1.3 其他鉆井液組合方式鉆井

1.3.1 空氣、空氣泡沫+清水

示范區(qū)內(nèi)部分井在出水點以上地層利用高壓空氣和泡沫劑作為循環(huán)介質(zhì),有效提高了鉆進效率。隨著井內(nèi)出水量不斷增大,采用清水作為循環(huán)介質(zhì)鉆進,圓滿完成了施工任務(wù)。

1.3.2 空氣、空氣泡沫+無固相聚合物

采用空氣鉆進和常規(guī)鉆進技術(shù)相結(jié)合,利用高壓空氣、泡沫劑和無固相聚合物作為循環(huán)介質(zhì),在鉆進過程中根據(jù)不同地層和要求選用合理的循環(huán)介質(zhì)施工,有效地保護了煤層不被污染,并提高了鉆進效率。

1.3.3 無固相聚合物+清水

采用常規(guī)鉆進技術(shù),利用無固相聚合物與清水作為循環(huán)介質(zhì)鉆進施工。第一次開鉆鉆井采用聚合物鉆井液,抑制了上部流沙及卵石層坍塌掉塊,保證了第一次開鉆鉆井的順利進行;第二次開鉆采用清水鉆井液,用于非煤系地層及煤系地層鉆進,防止了煤系地層的污染。循環(huán)介質(zhì)性能見表2(以PH1-002井為例)。

1.3.4 空氣、空氣泡沫+無固相聚合物+清水

采用空氣鉆進和常規(guī)鉆進技術(shù)相結(jié)合,使用空氣、無固相聚合物和清水作為循環(huán)介質(zhì)鉆進施工。煤層段采用清水作為循環(huán)介質(zhì),有效保護煤層不被污染。循環(huán)介質(zhì)性能見表3(以PH74-08井為例)。

表2 常規(guī)鉆進技術(shù)鉆井循環(huán)介質(zhì)性能表

表3 空氣鉆進和常規(guī)鉆進技術(shù)結(jié)合鉆井循環(huán)介質(zhì)性能表

2 井身質(zhì)量與時效分析

從空氣鉆井與水鉆井身質(zhì)量與時效平均值對比(表4)分析可知:①在井身質(zhì)量方面,空氣鉆井比水鉆要稍好一些,但相差不大,均達到設(shè)計及規(guī)范要求;②在時效方面,空氣鉆井比水鉆效率要高得多,空氣鉆井機械鉆速是水鉆機械鉆速的3倍多,空氣鉆井周期短,綜合經(jīng)濟效益高。

3 氣測錄井

氣測錄井能夠有效監(jiān)測煤層氣及其含氣層,具有隨鉆連續(xù)測量、連續(xù)作業(yè)、自動記錄、連續(xù)分析所含氣體含量及組分的特點,不受電性、巖性、物性及井溫等多因素的影響[6]。根據(jù)PH1-009井氣測錄井結(jié)果,主要得到以下結(jié)論:

1)氣異常顯示分析:綜合分析錄井資料,該井在51.00～182.00 m含微量烴類氣體,全烴最大值為0.31%,主要成分為CH4,占烴組分的100%;183.00 m見氣異常顯示。鉆進至煤系地層之后,各煤層(煤線)都有氣測異常顯示,其中3號目的層、15號目的層氣測異常顯示較好,為煤層氣氣層。3號目的層頂板基本不含氣,底板泥巖中含有烴類氣體,全烴最大值5.69%,主要成分CH4,占烴組分的100%;15號目的層頂板基本不含氣,底板泥巖中含有烴類氣體,全烴最大值14.58%,主要成分CH4,占烴組分的100%。

表4 空氣鉆井、水鉆井井身質(zhì)量與時效平均值對比表

2)氣層評價:氣測錄井測定煤層氣層2層,貧氣層19層(砂體含氣層、灰?guī)r及黑色泥巖含氣層)。下二疊統(tǒng)山西組251.17～257.09 m煤層段(3#煤層)氣異常顯示明顯,具有一定厚度(5.84 m),可鉆性好,具有可采性,為該井主要煤層氣層之一。上石炭統(tǒng)太原組341.33～344.12 m煤層段(15#煤層)氣異常顯示明顯,煤層厚度為2.72 m,可鉆性好,具有可采性,也是該井主要煤層氣層。

4 微珠低密度固井

4.1 表層套管固井

表層套管固井采用425#水泥,水泥漿平均密度為1.75 g/cm3。

4.2 生產(chǎn)套管固井

為減少水泥漿正壓差對產(chǎn)層的污染,保證水泥環(huán)的強度,要求水泥漿密度控制在1.60 g/cm3±0.05 g/ cm3,抗壓強度達到12 MPa以上(38℃,常壓,48 h養(yǎng)護),同時控制水泥漿失水在150 mL以下(38℃, 7 MPa)。實驗表明:水泥漿密度低于1.50 g/cm3,后期強度必然偏低,且失水難以控制,同時加入大量外加劑不僅增加了成本,濾液更加大了對產(chǎn)層的污染。

本項目采用G級(高抗)油井水泥,減輕材料為優(yōu)質(zhì)微珠。水泥漿配方如下:G級水泥+100%微珠+水120%+減阻劑ws 0.3%+低溫降失水劑TW200s 1.5%。速凝劑采用CaCl2,水泥漿密度1.60 g/cm3,抗壓強度15 MPa以上(38℃,常壓,48 h養(yǎng)護),稠化時間小于100 min/40℃·10 MPa,失水120 mL/常溫·7 MPa。

4.3 固井質(zhì)量分析

空氣鉆后期由于地層出水,往往采用泡沫鉆進,需要加入大量有機物類穩(wěn)泡劑[7]。穩(wěn)泡劑吸附在井壁四周,與細小巖屑形成虛假濾餅,簡單的循環(huán)洗井很難去除,泥餅與水泥漿不兼容,使井壁與水泥膠結(jié)強度不夠,導(dǎo)致測井聲幅值偏高,平均為15%～20%,一度使項目初期固井質(zhì)量陷入困境。

對比分析發(fā)現(xiàn),加入穩(wěn)泡劑的井在完鉆后必須帶三牙輪鉆頭劃眼、通井,對井底到煤層以上100 m要反復(fù)劃眼通井,以確保清除穩(wěn)泡劑,固井質(zhì)量從此明顯好轉(zhuǎn),聲幅值平均都在5%左右,優(yōu)質(zhì)率明顯提高。

煤層易碎、易垮是煤層氣鉆井的關(guān)鍵難題,也是影響固井質(zhì)量的最大因素。從潘莊地區(qū)的固井實踐發(fā)現(xiàn),規(guī)則的井眼是保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵。測井?dāng)?shù)據(jù)顯示,有的煤頂井徑達470 mm,大井眼邊緣的鉆井液無法被水泥漿有效頂替,同時在水泥漿候凝階段,鉆井液與水泥漿發(fā)生置換,水泥漿被鉆井液稀釋,鉆井液密度(1.03 g/cm3)比水泥漿(1.60 g/cm3)低,鉆井液具有上竄的趨勢。以煤頂平均井徑數(shù)值380 mm為例,環(huán)空容積是正常井段的4倍以上,極易導(dǎo)致“大肚子”井段及附近井段水泥漿遭到稀釋、破壞,造成第一界面聲幅值偏高、第二界面膠結(jié)不好。同時,井壁的不穩(wěn)定還增加了固井施工的風(fēng)險。

潘莊地區(qū)漏失井屬于壓差型滲漏,漏失位置一般在200 m以上,此類漏失不會影響水泥返高,固完井8 h后漏失層水泥漿已經(jīng)終凝,漏失層已被堵住,應(yīng)及時從環(huán)空灌漿。對于少數(shù)下部漏失的井,采用了加大水泥漿附加量的方法。水泥漿是最好的堵漏劑,在施工過程中降低注水泥塞及替漿的排量(控制在0.4～0.5 m3/min),以留塞方式頂替,降低對漏失層的摩阻和激動壓力,減少水泥漿漏失。該方法成功解決了一些井嚴(yán)重漏失的問題,有效地提高了固井質(zhì)量。

5 認識及建議

通過沁南潘河煤層氣示范工程的開發(fā)試驗,根據(jù)煤層氣儲層特征、產(chǎn)出機理等方面與常規(guī)天然氣儲層的差異,研究開發(fā)出了一整套適合煤層氣開發(fā)的直井空氣(泡沫)鉆井、地質(zhì)錄井、微珠低密度固井等工藝技術(shù),為經(jīng)濟有效地開發(fā)煤層氣起到了巨大的推動作用。綜合上述研究成果,對煤層氣鉆完井技術(shù)的發(fā)展有以下幾點認識和建議:

1)煤儲層傷害是影響煤層氣勘探開發(fā)成功率的決定性因素之一,我國煤層低壓、低滲透,鉆井完井作業(yè)過程中對煤層造成的傷害比常規(guī)儲層更為嚴(yán)重,因此,儲層保護是我國煤層氣開發(fā)鉆探工藝技術(shù)的核心工作。

2)空氣鉆井在井身質(zhì)量方面比水鉆井稍好一些,但相差不大;空氣鉆井在時效方面比水鉆井效率高,其機械鉆速是水鉆機械鉆速的3倍多,因此空氣鉆井周期短,綜合經(jīng)濟效益好。

3)微珠低密度水泥漿固井降低了環(huán)空液柱壓力,能有效防止固井過程中水泥漿漏失,減輕固井液對煤層的傷害,是一種適用于煤層氣田的有效固井方式。

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10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.006

2011-03-11 編輯 趙 勤)

孫建平等.沁南潘河煤層氣田空氣鉆井和固井技術(shù).天然氣工業(yè),2011,31(5):24-27.

國家發(fā)展和改革委員會國家高技術(shù)發(fā)展專項“沁南煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”(編號:高技[2004] 2395)。

孫建平,1971年生,高級工程師,長期從事煤層氣鉆井工程研究工作。地址:(100011)北京市東城區(qū)安外大街甲88號。電話:(010)64298883。E-mail:sunjp@chinacbm.com