織金煤層氣淺層大位移水平井鉆完井技術(shù)

李伯堯 王洪亮 印中華 龍志平 朱智超

中石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院

織金區(qū)塊位于貴州省西部，區(qū)塊面積7 302.056 km2，含煤面積4 648.55 km2，含煤地層主要為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，埋深較淺，一般為400～600 m。根據(jù)前期勘探效果，相比于定向井，水平井日產(chǎn)氣量增加2 000 m3，能更好地滿(mǎn)足織金區(qū)塊后期大規(guī)模經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的需要，但同時(shí)，水平井面臨目的層垂深淺、水垂比大、鉆頭加壓困難、套管難以下到位等難題［1］，工程實(shí)施難度更大。為此，對(duì)表層堵漏、井眼軌道、井身結(jié)構(gòu)、鉆井液體系、完井管串等方面進(jìn)行了優(yōu)化，形成了織金煤層氣淺層大位移水平井鉆完井技術(shù)，并在ZP-4 井進(jìn)行了成功應(yīng)用，為織金區(qū)塊后續(xù)低成本、高效開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支持。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

(1)表層溶洞發(fā)育，漏失嚴(yán)重?？椊饏^(qū)塊為高原山地地貌，其上部三疊系飛仙關(guān)組灰?guī)r地層為裂隙溶洞含水地層，容易發(fā)生溶洞型失返性漏失。前期統(tǒng)計(jì)資料顯示，表層堵漏用時(shí)占鉆井周期的32%，堵漏材料消耗量大且成功率低，平均每口井消耗清水563 m3，鋸末 1.2 t，秸稈 0.5 t，復(fù)合堵漏劑 5.1 t，聚丙烯酸鉀0.3 t，HV-CMC0.4 t.。同時(shí)由于漏點(diǎn)淺、地下暗河密布，常規(guī)的堵漏水泥難以在短時(shí)間內(nèi)固結(jié)，而其他堵漏材料又極易通過(guò)地下暗河污染附近村莊水源，造成環(huán)境污染。

(2)目的層埋深淺，鉆井軌道水垂比大，鉆進(jìn)、下套管摩阻大。由于目的煤層垂深淺，造斜點(diǎn)一般小于100 m，且水平段較長(zhǎng)(700～800 m)，同時(shí)為了滿(mǎn)足煤層氣排水降壓的需要，水平段井斜一般超過(guò)90°，這就導(dǎo)致在鉆進(jìn)過(guò)程中，尤其是在大斜度段及水平段滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中，大段鉆具平躺在井壁上受到來(lái)自井壁對(duì)井下管柱的反扭矩和軸向阻力，造成鉆壓加不上、轉(zhuǎn)盤(pán)倒轉(zhuǎn)和下套管困難等難題［2-3］。

(3)煤層易受到傷害，儲(chǔ)層保護(hù)難度大。相比于常規(guī)油氣層，煤層吸附能力強(qiáng)(內(nèi)表面積一般為10～40 m2/g)，特別容易受到鉆井液中固相顆粒的傷害，在正壓差3.5 MPa、50 ℃和2 h 的實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)過(guò)3%的膨潤(rùn)土漿傷害后，煤樣氣測(cè)滲透率降低68.03%，而且煤層脆性大、易破碎，一旦受到損害，不僅容易堵塞氣體的滲流通道，而且還會(huì)影響煤層的解吸過(guò)程［4-5］。

2 優(yōu)快鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 表層堵漏工藝

織金區(qū)塊表層主要為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組，以灰色石灰?guī)r為主，該段出露地表，受地表水影響，巖溶、溶蝕發(fā)育，一開(kāi)發(fā)生失返性漏失的可能性較大。受低成本控制和環(huán)境污染影響，以往采取的空氣鉆進(jìn)工藝實(shí)施可能性較小；同時(shí)由于地下暗河密布，常規(guī)堵漏材料極易通過(guò)暗河污染附近村莊水源且堵漏材料消耗量大，成本高。針對(duì)織金表層漏失淺(一般井深不超過(guò)40 m)和地下暗河密布的特點(diǎn)，提出如圖1 所示的“導(dǎo)管跟鉆”低成本堵漏技術(shù)，即發(fā)生漏失后在鉆桿外套入套管，套管上用3 層棉紗纏繞兩處(上部灰?guī)r地層穩(wěn)定，不易垮塌，套管包裹棉紗處不易受卡)用以封隔漏層，同時(shí)井口用吊卡坐住套管，并用棉紗、防滲布等密封井口套管外環(huán)空，從而建立套管內(nèi)循環(huán)，保證鉆進(jìn)順利進(jìn)行。

圖1 表層堵漏示意圖Fig.1 Plugging diagram of surface hole

2.2 井眼軌道設(shè)計(jì)

2.2.1 軌道剖面選擇

為了提高煤層鉆遇率，滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的需要，與前期水平井采用LWD(伽馬零長(zhǎng)12～13 m)導(dǎo)向不同，目前三開(kāi)采用近鉆頭(伽馬零長(zhǎng)0.6 m)地質(zhì)導(dǎo)向，這就對(duì)入靶前的軌跡控制提出了更高要求。根據(jù)前期實(shí)鉆情況，由于采用單增(“直-增-平”)軌道剖面，控制余量小，且入靶精度要求高，軌跡調(diào)整頻繁，導(dǎo)致在增斜段中出現(xiàn)局部降斜段，形成“S”形井眼，使得摩阻大幅度增加。為此，將之前的單增軌道剖面優(yōu)化為雙增(“直-增-穩(wěn)-增-平”)軌道剖面，在穩(wěn)斜段(井斜30°左右)探出6 號(hào)煤標(biāo)志層，并利用之后的穩(wěn)斜段進(jìn)行軌跡調(diào)整，若目的煤層垂深上調(diào)，則提前造斜，若目的煤層垂深加深，則適當(dāng)延長(zhǎng)穩(wěn)斜段，進(jìn)而保證井眼軌跡平滑，降低摩阻。

2.2.2 井眼曲率選擇

摩阻問(wèn)題是淺層大位移水平井施工過(guò)程中的難點(diǎn)，也是井眼軌道設(shè)計(jì)中需要重視的問(wèn)題［6-7］，為此研究了在相同軌道剖面(直-增-穩(wěn)-增-平)、相同井身結(jié)構(gòu)(套管內(nèi)摩擦系數(shù)0.2，裸眼段摩擦系數(shù)0.3)、相同鉆具組合和相同鉆井參數(shù)條件下，起鉆和滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中不同井眼曲率與摩阻的關(guān)系，結(jié)果如圖2、圖3 所示，從圖2、圖3 中可以看出井眼曲率在 4.5～6 (°)/30 m 時(shí)，摩阻較小且平滑，同時(shí)考慮靶前距和后期排采對(duì)井眼曲率的要求，建議井眼曲率應(yīng)在 5～6 (°)/30 m 之間選擇。

圖2 起鉆時(shí)井眼曲率與摩阻的關(guān)系Fig.2 Borehole curvature vs.friction while POOH

圖3 滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)井眼曲率與摩阻的關(guān)系Fig.3 Borehole curvature vs.friction while sliding

2.3 井身結(jié)構(gòu)選擇

根據(jù)織金區(qū)塊地質(zhì)特征、前期實(shí)鉆情況和后期下泵排采對(duì)完井管柱的要求，采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一開(kāi)采用?444.5 mm(或?406.4 mm)鉆頭開(kāi)孔，進(jìn)入飛仙關(guān)組穩(wěn)定地層后下入?339.7 mm 表層套管，固井水泥返至地面，封固上部易漏地層；二開(kāi)為了降低淺層大位移水平井三開(kāi)鉆進(jìn)和下套管的摩阻，同時(shí)為了保證三開(kāi)精確中靶，采用?311.2 mm 鉆頭鉆穿龍?zhí)督M21 號(hào)煤層(預(yù)計(jì)距23 號(hào)煤層頂2～5 m處)完鉆，下入?244.5 mm 技術(shù)套管，固井水泥返至地面。利用軟件模擬，從圖4 可以看出，若不下技術(shù)套管，套管下入過(guò)程中最小大鉤載荷為-33.8 kN，這就意味著套管串已經(jīng)不能依靠自身重力下入，需要至少附加33.8 kN 的壓力才能到位，并且相比于技術(shù)套管下至A 靶點(diǎn)垂深以上2 m 的情況，摩阻增加了近2 倍，所以二開(kāi)技術(shù)套管不能省去，同時(shí)比較了技術(shù)套管下至一增段結(jié)束和二增段前的情況，發(fā)現(xiàn)這兩種情況都需要額外施加壓力才能保證套管下入到位，所以二開(kāi)技術(shù)套管下入位置應(yīng)盡可能靠近A 靶點(diǎn)，但為了防止固井時(shí)水泥漿壓裂煤層，技術(shù)套管下入位置應(yīng)距目的煤層垂深以上2～5 m 為宜；三開(kāi)采用?215.9 mm 鉆頭配合近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向(若上部地層變化較大，錄井巖屑難以卡準(zhǔn)標(biāo)志層，近鉆頭可在二開(kāi)下部提前介入，保證入靶精度)，繼續(xù)增斜至著陸點(diǎn)，并在目的煤層中穿行，完鉆后下入?139.7 mm套管進(jìn)行固井作業(yè)，固井水泥返至技術(shù)套管鞋以上200 m。

圖4 套管下入摩阻分析圖Fig.4 Analysis of casing running friction

2.4 鉆井液體系優(yōu)選

為最大限度保護(hù)煤儲(chǔ)層，同時(shí)保持井壁穩(wěn)定，采用氯鹽(無(wú)機(jī)鹽)控制鉆井液密度并選用對(duì)煤層低傷害的處理劑。直井段以防斜、防掉塊為主，一開(kāi)選用預(yù)水化膨潤(rùn)土鉆井液攜帶巖屑；斜井段以防坍塌、防掉塊、防埋鉆為主，二開(kāi)采用低固相聚合物鉆井液，配方為：生產(chǎn)水+4%～5%膨潤(rùn)土+0.15%PHPA+0.2%～0.6%CMC-LV+1%～2.5%FT-2+1.5%OSAMK+5%～10%潤(rùn)滑劑；三開(kāi)主要在煤層段水平鉆進(jìn)，建議采用KCl 聚合物屏蔽暫堵鉆井液體系，利用暫堵劑在煤層近井地帶形成一層保護(hù)膜，防止遠(yuǎn)端煤層受傷害，保證了壓裂后的增產(chǎn)效果，配方為：生產(chǎn)水+0.1%～0.2%NaOH+0.4%～0.6%PAC-141+1%～2%SMP+0.1%～0.2%CMC+0.6%～0.8%NH4HPAN+1%～2%FT-342 防塌潤(rùn)滑劑+2%QS-2+2%QS-4+5%～8%KCl。各開(kāi)次鉆井液基本性能如表1 所示。

2.5 完井套管串優(yōu)化

織金煤層氣淺層大位移水平井由于垂深淺、水垂比大，容易出現(xiàn)完井套管難以下到位的情況，基于降低摩阻的設(shè)計(jì)原則，通過(guò)軟件模擬，最終確定完井套管串自下而上為：浮鞋+短套管×2 根+浮箍+套管×1 根+浮箍+套管串+聯(lián)頂節(jié)。水平段使用整體式彈性扶正器代替前期使用的滾珠扶正器，防止目的層煤粉卡死滾珠增加摩阻，安放間距為1～2 根套管，并在套管串頂端兩根短套管之間安放整體式彈性扶正器，使套管串“抬頭”；上部與技術(shù)套管重疊段采用整體式彈性扶正器和滾輪扶正器交替安裝的方式，充分發(fā)揮滾輪扶正器降摩減阻的作用，其中每2 根套管安放一只整體式彈性扶正器，每5 根套管安放一只滾輪扶正器。另外，井場(chǎng)配備一套井口加壓裝置(可加壓4～5 t)，防止出現(xiàn)套管下入不到位的情況。

表1 鉆井液基本性能參數(shù)Table 1 Basic properties of drilling fluids

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

織金煤層氣淺層大位移水平井鉆完井技術(shù)在ZP-4 井進(jìn)行了成功應(yīng)用。ZP-4 井設(shè)計(jì)軌道數(shù)據(jù)如表2 所示，本井完鉆井深1 518 m，水平段長(zhǎng)763.98 m，水平位移1 143.46 m，最大井斜角97.3°，井身結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

表2 ZP-4 井井眼軌道設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 ZP-4 borehole trajectory design

圖5 ZP-4 井井身結(jié)構(gòu)圖Fig.5 ZP-4 wellbore diagram

ZP-4 井一開(kāi)過(guò)程中在井深24.12～24.43 m 處放空0.31 m，后強(qiáng)鉆至29.38 m 井口失返，期間先后兩次采用水泥堵漏失敗，共計(jì)漏失鉆井液121 m3，清水616 m3，累計(jì)處理時(shí)間6.3 d。后采用“導(dǎo)管跟鉆”堵漏技術(shù)，成功建立套管內(nèi)循環(huán)，鉆穿漏層15 m后于井深50.89 m 一開(kāi)中完，期間漏失鉆井液13 m3，累計(jì)作業(yè)時(shí)間0.8 d，保證了一開(kāi)順利鉆進(jìn)。

ZP-4 井采用雙增 (“直-增-穩(wěn)-增-平”)軌道剖面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軌道與實(shí)鉆軌跡垂直投影圖如圖6 所示，從圖6 中可以看出，ZP-4 井在入靶前實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌道重合度高，探出標(biāo)志層后利用穩(wěn)斜段對(duì)軌道進(jìn)行微調(diào)，避免出現(xiàn)“S”型大狗腿度井段，降低摩阻的同時(shí)保證了入靶精度，體現(xiàn)出雙增軌道在近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向中的優(yōu)越性。另外，受限于后期下泵排采對(duì)完井管柱的要求，使得小井眼鉆井技術(shù)難以應(yīng)用，而雙增軌道可以避免在?311.2 mm 井段長(zhǎng)時(shí)間、大井段定向，一定程度上降低了施工難度。

圖6 ZP-4 井設(shè)計(jì)井眼軌道和實(shí)鉆井眼軌跡Fig.6 ZP-4 designed borehole trajectory vs.actual trajectory

為保證生產(chǎn)套管順利下入指定位置，根據(jù)設(shè)計(jì)軌道計(jì)算了下套管過(guò)程中的大鉤載荷(套管內(nèi)摩擦系數(shù)0.2，裸眼段摩擦系數(shù)0.3)，結(jié)果如圖7 所示，當(dāng)套管下深超過(guò)上層套管鞋位置后，大鉤載荷開(kāi)始明顯降低，整體來(lái)看可以通過(guò)套管串自重順利下入，不需要井口加壓，但實(shí)鉆過(guò)程中為了提高鉆遇率，水平段軌跡調(diào)整頻繁，增加了摩阻，導(dǎo)致套管下至1 332 m時(shí)無(wú)法依靠管串自重下放，最終采用加壓裝置下壓2～3 t 的方式下入到位。后通過(guò)實(shí)際情況對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行校正，建議以后設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮水平段地質(zhì)導(dǎo)向軌跡頻繁調(diào)整對(duì)下套管的影響，將裸眼段摩擦系數(shù)調(diào)整為0.45，留有工程余量，保證套管順利下入到位。

圖7 大鉤載荷圖Fig.7 Hook load diagram

4 結(jié)論

(1)“導(dǎo)管跟鉆”堵漏技術(shù)成本低、易操作，能有效解決織金工區(qū)表層漏失淺，常規(guī)堵漏成本高、易污染水源的難題，建議在工區(qū)內(nèi)推廣。

(2)井眼軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化后，采用雙增(“直-增-穩(wěn)-增-平”)軌道剖面，保證了井眼軌跡平滑，避免出現(xiàn)“S”型井段，同時(shí)井眼曲率控制在5～6(°)/30 m，降低了摩阻，對(duì)于入靶精度要求高的地質(zhì)導(dǎo)向有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

(3)二開(kāi)技術(shù)套管不能省去，下深以距目的煤層垂深以上2～5 m 為宜。

(4)完井管串優(yōu)化后，水平段使用整體式彈性扶正器，重疊段采用滾輪扶正器和整體式彈性扶正器交替安裝的方式，進(jìn)一步降低了下套管摩阻。同時(shí)建議今后在工程設(shè)計(jì)中充分考慮水平段軌跡頻繁調(diào)整對(duì)下套管摩阻的影響，調(diào)高裸眼段摩擦系數(shù)，留有工程余量。