雙管柱篩管完井技術(shù)在沁水煤層氣區(qū)塊水平井開發(fā)中的應(yīng)用

鮮保安，王 力，張曉斌，畢延森，張 洲

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作454000；2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層（頁巖）氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454000；3.河南省非常規(guī)能源地質(zhì)與開發(fā)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南焦作454000；4.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100080；5.北京九尊能源技術(shù)股份有限公司，北京100011；6.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249）

由于我國(guó)天然氣資源緊缺，煤層氣作為一種潔凈的非常規(guī)天然氣，是我國(guó)能源的重要補(bǔ)充，其開發(fā)和利用對(duì)解決能源供需矛盾和環(huán)境污染問題極為重要[1-2]。目前我國(guó)煤層氣呈現(xiàn)單井產(chǎn)量偏低、煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)、單井產(chǎn)量差異大的特征[3-10]，煤儲(chǔ)層鉆完井液對(duì)煤儲(chǔ)層傷害一直沒有徹底解決[11-15]，直接影響煤層氣水平井單井產(chǎn)量。截至2019年底，國(guó)內(nèi)煤層氣已累計(jì)鉆井19 000余口，其中水平井939口。水平井鉆完井工藝技術(shù)推動(dòng)了沁水地區(qū)煤層氣高效開發(fā)模式，但是由于裸眼完井水平井筒坍塌造成的減產(chǎn)與停產(chǎn)問題日益顯著，水平井開發(fā)技術(shù)適用性越來越得到重視。沁水區(qū)塊15#構(gòu)造煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，縱向與橫向變化大，煤層滲透性普遍較低，且差異性很大，前期儲(chǔ)層改造后平均單井日產(chǎn)氣量不足1 000 m3，制約著煤層氣水平井單井產(chǎn)量的提高，急需在煤儲(chǔ)層改造及增產(chǎn)技術(shù)方面加大研究與試驗(yàn)。

1 煤層氣水平井雙管柱篩管結(jié)構(gòu)與完井機(jī)理

煤層氣儲(chǔ)層具有低孔、低滲、易受污染等特點(diǎn)，在煤層氣水平井鉆井過程中煤儲(chǔ)層極易受到物理、化學(xué)傷害，造成滲透率降低，限制后期排采的產(chǎn)氣量。為了解決此問題，煤層氣水平井鉆完井技術(shù)也在不斷發(fā)展與完善，先后研發(fā)了PE 篩管完井、鋼篩管完井、玻璃鋼篩管完井[16-19]，但上述完井工藝重點(diǎn)在于對(duì)井眼的支撐，沒有應(yīng)對(duì)鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層傷害的合理措施。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)出雙管柱篩管完井工藝，技術(shù)核心是長(zhǎng)期支撐井壁與及時(shí)消除鉆完井液對(duì)煤層的傷害。

1.1 水平井雙管柱篩管結(jié)構(gòu)

雙管柱篩管完井結(jié)構(gòu)由外層管柱的篩管柱（圖1a）與內(nèi)層管柱的沖洗管柱（圖1b）構(gòu)成，外層管串結(jié)構(gòu)包括浮鞋、盲管、密封筒、篩管串、懸掛器、扶正器、鉆具，內(nèi)層管串結(jié)構(gòu)包括拋光管、沖管串、調(diào)整短節(jié)，內(nèi)外層管柱最后都要與懸掛器相連。玻璃鋼篩管已形成不同井身結(jié)構(gòu)的配套系列產(chǎn)品，即φ73 mm、φ89 mm與φ110 mm及配套的沖洗管柱結(jié)構(gòu)。

圖1 雙管柱篩管完井管串的內(nèi)、外層管柱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of inner and outer string of dual-tubing screen completion

1.2 雙管柱篩管完井機(jī)理

煤層氣水平井雙管柱篩管完井工藝主要機(jī)理在于：首先利用水力沖蝕作用消除井壁1～3 mm厚度的泥餅帶，再利用水力噴射高壓逐步消除沖洗帶與過渡帶煤巖裂縫中殘留的鉆井液（圖2），疏通井壁附近煤層原始裂隙。煤巖儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)率為76%～80%，降低地層流體進(jìn)入井筒的壓力損耗，有利于提高煤層氣采出率。以鄭莊區(qū)塊某井3#煤層為例，利用等溫曲線法預(yù)測(cè)煤層氣采收率，煤層原始含氣量（V）為25 m3/t，PL為2.0 MPa，VL為35 m3/t，參照傳統(tǒng)完井方式的煤層氣井棄井壓力假設(shè)為1.0 MPa，含氣量為10.5 m3/t時(shí)對(duì)應(yīng)的按照式（1）計(jì)算煤層氣采收率為46.7%；采用無固井相鉆井液配合洗井作業(yè)后地層流體進(jìn)入井筒的壓力損耗為洗井前的80%，臨界解吸壓力為4.0 MPa，此時(shí)煤層氣采收率提高至66.7%。

式中：Rf為煤層氣采收率，%；V為原始含氣量，m3/t；VL為蘭氏體積，m3；pL蘭氏為蘭氏壓力，MPa；pad為枯竭壓力；pcd為臨界解吸壓力

圖2 煤儲(chǔ)層傷害范圍剖面Fig.2 Scope of damage to coal reservoir

2 雙管柱篩管完井方法

2.1 雙管柱篩管完井工藝主要配套工具

XGS-178×114多功能懸掛器可連接沖洗管與篩管，是適用于直井、大斜度井、水平井篩管完井的專用工具，配合篩管、沖管及專用噴頭，實(shí)現(xiàn)篩管和沖管的內(nèi)外雙層連接，在管柱下入過程中遇阻時(shí)，可實(shí)現(xiàn)開泵循環(huán)沖洗，保障篩管下至設(shè)計(jì)位置。

1）多功能懸掛器組成

多功能懸掛器包括上接頭、活塞缸、坐封活塞、坐封卡瓦、滑套球座、中心管、外連接管、一級(jí)柱塞、梯形凸臺(tái)、二級(jí)柱塞、剪切銷釘（圖3）。

圖3 XGS-178×114型多功能篩管懸掛器Fig.3 Type XGS-178×114 multi-function screen pipe suspension

2）多功能懸掛器技術(shù)參數(shù)

多功能懸掛器技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 XGS-178×114型篩管懸掛器技術(shù)參數(shù)Table1 Technical parameters of XGS-178×114 screen pipe suspension

3）主要功能

多功能懸掛器實(shí)現(xiàn)外層篩管和內(nèi)層沖管的層連接，在管柱下入過程中遇阻時(shí)可實(shí)現(xiàn)開泵沖洗井底沉砂，保障篩管下入至設(shè)計(jì)位置；當(dāng)篩管下至設(shè)計(jì)深度時(shí)，投球進(jìn)行打壓，實(shí)現(xiàn)卡瓦坐封，將篩管柱懸掛固定于生產(chǎn)套管內(nèi)壁；完成卡瓦坐封后，正轉(zhuǎn)倒扣，實(shí)現(xiàn)鉆具與篩管本體的丟手分離；完成打壓后，內(nèi)部通道打開，配合沖管及專用噴頭可實(shí)現(xiàn)水力噴射洗井；如發(fā)生井下復(fù)雜情況，可使用專用打撈矛回收懸掛器。

2.2 雙管柱篩管完井工藝

煤層氣水平井雙管柱篩管完井工藝，是使用沖管、懸掛器等工具輔助將完井玻璃鋼或鋼篩管串送入裸眼井段，固定在上層套管后，并進(jìn)行洗井的一種煤層氣水平井完井工藝。目前應(yīng)用于單支煤層氣水平井完井中，適用的井身結(jié)構(gòu)見表2。

2.3 工藝施工流程

雙管柱篩管完井工藝現(xiàn)場(chǎng)施工分為11個(gè)步驟：①施工準(zhǔn)備；②下篩管；③下沖管及配長(zhǎng)；④安裝懸掛器；⑤測(cè)試懸掛器；⑥下鉆具；⑦進(jìn)行坐掛丟手操作；⑧洗井；⑨起鉆具；⑩卸懸掛器；?甩沖管。工藝流程見圖4。

圖4 雙管柱篩管完井工藝流程Fig.4 Technical process of dual-tubing screen completion

該項(xiàng)工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵在于雙層管柱的成功分離。在直井或定向井中井斜角相對(duì)水平井較小，完井管柱懸重在丟手后會(huì)有明顯減小，可作為判斷丟手是否成功的顯示。煤層氣水平井雙管柱在彎曲井段與水平井段受摩擦阻力影響顯著，丟手前是篩管與井壁的摩擦阻力，丟手后是沖管與篩管的摩擦阻力，管柱材質(zhì)、管柱結(jié)構(gòu)組合、鉆井液性能、井身軌跡、摩擦系數(shù)等均為影響摩擦阻力的因素，導(dǎo)致煤層氣水平井雙管柱篩管完井管柱摩擦阻力理論計(jì)算較為復(fù)雜，為了便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，采用管柱上提、下放懸重變化作為判斷雙管柱篩管完井管柱系統(tǒng)是否成功分離的判斷依據(jù)。

煤層氣水平井雙管柱完井工藝統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用φ114 mm鋼篩管完井33口井進(jìn)行分析，受煤層氣水平井井眼軌跡、鉆井液性能、管柱結(jié)構(gòu)等影響，井下管柱受力情況復(fù)雜，不同井存在較大差異，管柱懸重呈現(xiàn)較強(qiáng)的離散性；煤層氣水平井雙管柱在分離前后上提、下放懸重差異，由于煤層埋藏深度一般不超過800 m，水平井水垂比超過2，雙管柱受到摩阻影響在分離前后上提、下放懸重變化相對(duì)較小，但仍為判斷雙管柱分離的重要指示特征（圖5）。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中懸掛器完成丟手后上提鉆柱后再下放至懸掛器懸掛位置并施加鉆壓3～5 t，鉆柱不發(fā)生向下移動(dòng)，證明懸掛器懸掛丟手成功。

表2 雙管柱篩管完井井身結(jié)構(gòu)Table2 Well structure of dual-tubing screen completion

圖5 F114 mm鋼篩管與沖管分離前后懸重對(duì)比Fig.5 Suspension weight comparison of F114 mm screen pipe before and after separation

3 水平井雙管柱篩管完井工藝技術(shù)應(yīng)用

在山西沁水盆地南部成功推廣應(yīng)用331口煤層氣水平井雙管柱篩管完井技術(shù)，相比2014年之前的裸眼水平井，篩管完井水平井穩(wěn)產(chǎn)周期提高5倍以上，山西組3#煤層氣平均日產(chǎn)氣量由原來低于5 000 m3提高到20 000 m3，最高日產(chǎn)量達(dá)到38 000 m3，如圖6所示；太原組15#煤層氣平均日產(chǎn)氣量由原來不足1 000 m3提高到10 000～12 000 m3，最高日產(chǎn)量達(dá)到32 151 m3，實(shí)現(xiàn)了15#煤層氣開發(fā)技術(shù)和產(chǎn)量的重大突破，從根本上解決了15#煤層氣開發(fā)的技術(shù)難題。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

1）水平井雙管柱篩管完井工藝技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)施工穩(wěn)定性高，操作性強(qiáng)，可以滿足煤層水平井井眼支撐井壁與清除井壁附近鉆井液的傷害的要求，尤其是后期的長(zhǎng)期排采，可以長(zhǎng)期保持井壁穩(wěn)定，為穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供良好的井眼條件。

圖6 沁水區(qū)塊3#煤層某裸眼完井水平井與某篩管完井水平井生產(chǎn)曲線Fig.6 Comparison of production curves for a horizontal well with open hole completion and a horizontal well with screen completion in 3#coal seam of Qinshui Block

2）雙管柱篩管完井技術(shù)在山西沁水盆地南部煤層氣推廣應(yīng)用331口水平井，相比2014年之前裸眼完井，3#煤層平均單井日產(chǎn)量提高4倍，穩(wěn)產(chǎn)周期提高5倍以上，解決了該區(qū)塊15#煤層開發(fā)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了沁水盆地水平井完井方式的轉(zhuǎn)變。

3）煤層氣水平井雙管柱篩管完井工藝專用懸掛器技術(shù)已成熟，尤其是其連接的沖洗管串能夠?qū)崿F(xiàn)篩管外環(huán)空沖砂、洗井，并可以根據(jù)井下條件設(shè)定靈活的洗井水力參數(shù)，提高沖洗井壁的效率，對(duì)減少煤層污染與提高煤層氣產(chǎn)量具有重大意義。