煤层气钻井与完井技术

1煤层气井钻井完井技术浅议蒋作焰【摘要】：煤层在储层物性、机械力学性质及储集方式等方面具有与常规油气储层不同的特征；这些特征决定了煤层气井钻井、取心、完井及储层保护诸技术的特殊性。据此，我们从钻井完井工程的角度分析了现有技术存在的问题和制约煤层气开发效果的主要因素。研究并形成了一整套煤层气井的取心技术、储层保护技术和完井技术。这套技术应用于中国多个煤层气试验开发区，不仅满足了地质评价的需要，也为实现煤层气工业性开采起到了积极推动作用。【关键词】：煤层气钻井技术完井技术【作者】：蒋作焰2006年毕业于长江大学石油工程专业，中原石油勘探局钻井一公司工程师。2前言煤层气又称煤层甲烷,是一种优质高效清洁能源。凭借良好的安全效益、环保效益和经济效益，煤层气的勘探开发已在国际上引起广泛的关注。我国煤层气资源十分丰富,但是目前我国的天然气勘探开发还处于起步阶段。中原钻井通过多年的攻关研究和试验，形成并掌握了一整套适合煤层气的钻井完井工艺技术，其内容包括：煤层造穴技术、连通技术、煤层井眼轨迹控制技术、水平分支井技术、充气欠平衡钻井技术、煤层绳索取心技术、煤层气完井技术、煤储层保护技术、煤层气井完井技术等。一、煤层气井钻井完井的特殊性煤层气钻井完井技术是建立在煤层地质力学性质及开采要求基础之上的。煤层具有不同于其他储层的特殊地质特性表现在以下几个方面：1、井壁稳定性差，容易发生井下复杂故障。煤层机械强度低，裂缝和割理发育，均质性差，存在较高剪切应力作用。因而煤层段井壁极不稳定，在钻井完井过程中极易发生井壁坍塌、井漏、卡钻甚至埋掉井眼等井下复杂。2、煤层易受污染，实施煤层保护措施难度大。煤层段孔隙压力低且孔隙和割理发育，极易受钻井液、完井液和固井水泥浆中固相颗粒及滤液的污染；但在钻井完井过程中，为安全钻穿煤层，防止井壁坍塌，又要适当提高钻井液完井液的密度，保持一定的压力平衡。这就必然会增加其固相含量和滤失量，加重煤层的污染。因此，存在着防止煤层污染和保证安全钻进的矛盾，从而使实施煤层保护较油气层更为困难。3、煤层破碎含游离气多，取心困难。3煤层机械强度低，一般煤层取心收获率低，完整性差。而且煤层气井都是选择在含气量较高的煤区，割心提升时，随着取心筒与井口距离的缩短，煤心中游离气不断逸出，当达到一定值时会将煤心冲出取心筒，造成取心失败。4、煤层气井产气周期长，对井的寿命要求高。煤层气主要是吸附在煤层缝、隙表面上的吸附气，它的产出规律与天然气正好逆向，须经过较长时间的排水降压后才慢慢地解吸。据有关资料介绍，煤层气井少可供开采20年以上，因此对井的寿命要求特别高。二、煤层气井钻井技术1、煤层造穴技术为了易于实现水平井与洞穴井在煤层中成功对接并且建立气液通道，需要在洞穴井的煤层部位造一洞穴，洞穴的直径一般为0.8～1.5m，高为2～5m。目前有两种造穴方式，即水力造穴和机械工具造穴。水力射流造穴法利用了高压水射流破碎岩石的能力，施工中用钻具把特殊设计的水力射流装置送入造穴井段，开泵循环，使循环钻井液经过小喷嘴时产生高压水力射流，破坏煤储层，形成洞穴。机械工具造穴法利用了机械切削的原理，用钻具把特殊设计的机械装置送入造穴井段，然后通过液压控制方式使造穴工具的刀杆张开，并在钻具的带动下旋转，切削储层,形成满足实际需要的洞穴。2、井眼轨迹控制技术煤层气多分支水平井定向控制的主要参数包括：井斜角、方位角、垂深。为了很好地将井眼轨迹控制在煤层中，采用地质导向技术进行井眼轨迹适时监测与控制。首先利用前期地震的资料建立区块的地质模型，然后利用从LWD随钻监测到的储层伽玛、电阻率参数来修正地质模型并调整井眼轨迹。另外，定向工程师可以结合综合录井仪实时监测到的钻4时和泥浆返出的岩屑，判断钻头是否穿出煤层。2.1各井段钻具组合主井眼垂直段重点控制井斜，所以常用塔式钻具组合。如果直井段增斜较严重，应使用钟摆钻具等纠斜钻具组合。主井眼造斜段一般常用“导向马达+MWD”的定向钻具组合，施工过程中要确保工具的造斜率能够达到设计要求，使井眼轨迹在煤层中顺利着陆。水平段及分支一般采用“单弯螺杆+LWD+减阻器”的地质导向钻具组合钻进。通过连续滑动钻进的方式实现增斜、降斜；通过复合钻进的方式稳斜，既达到了连续钻进的目的，又可根据需要随时调整井眼状态，有效提高了钻井速度和轨迹控制精度。2.2分支侧钻工艺煤层中的各分支是在裸眼中侧钻完成的，裸眼侧钻是煤层气分支井钻井中的难点。由于煤层比较脆，所以煤层气多分支井的侧钻不同于油井的侧钻，具体侧钻工艺如下：(1)起钻至每一个分支的设计侧钻点上部，然后开始上下活动钻具，将钻柱中的扭力释放后开始悬空侧钻。(2)侧钻时采取连续滑动的方式，严格控制ROP30S参数（30s的平均机械钻速），新井眼进尺1～2m内ROP30S控制为0.8～1.2m/h，2～3m内控制为1.2～2.5m/h，3～10m内控制为3m/h，整个侧钻工序预计需要5个小时。(3)侧钻时将工具面角摆到90º，首先向左/右下方侧钻，形成了一条向下倾斜的曲线。因为钻柱处于水平井眼的底部，而不是中心线部位，90º的工具面角能够让钻头稳定地和井眼接触，以防止振动引起煤层的跨塌。5(4)滑动侧钻至设计方位和井斜后开始复合钻进，钻进过程中要密切注意摩阻扭矩的变化。钻完每一个分支后，至少循环一周，然后起钻至下个分支的侧钻点位置。重复上述步骤，完成其余分支井眼的作业。2.3PZP08-1H悬空侧钻工作程序(1)、起钻至侧钻位置，开泵将工具面摆至110.00°。(2)、保持工具面在110.00°，慢慢上提下放钻具8～10m，控制下放速度100m/h以内，反复划槽3～5次。(3)、将钻头放至侧钻点，开始侧钻。(4)、控制钻速在2m/h，钻进1m，然后控制钻时在3m/h钻进2m，再控制钻时在4m/h钻进2m。最后控制钻时在5m/h钻进3m，然后将工具面摆至90°控制钻时6～10m/h再钻进3～4m，悬空侧钻结束。悬空侧钻结束后地质导向师利用LWD随钻测井数据超前预测和识别钻头在煤层相对位置，地层走向，地层倾角，并指导钻井工程师根据需要来调整井眼轨迹，引导钻头准确在煤层钻进。3、水平井与洞穴井连通技术两井连通过程中采用的技术为近钻头电磁测距法。国外通常称为RotatingMagnetRangingService，英文缩写为RMRS。RMRS这一概念是在1995年提出的。随着两井对接技术服务的市场需求，到1999年该技术得到了进一步发展并逐渐走向成熟。目前RMRS技术在CBM井、SAGD、控制井喷等领域得到了广泛应用。3.1硬件构成包括永磁短节和强磁计或探管。永磁短节的长度约为40㎝，由横行排列的多个永磁体组成，它主要用来提供一个恒定的待测磁场，电磁信号的有效传播距离为50m。探管由三部分组成：扶正器、传感器组件、加重杆，其长度约为3m。RMRS必须与MWD和马达等配合使用。63.2连通原理当旋转的永磁短节通过洞穴井附近区域时，探管可以采集永磁短节产生的磁场强度信号，最后通过软件可准确计算两井间的距离和当前钻头位置。3.3RMRS技术的连通过程首先在直井中下入探管，在钻头处接一个永磁短节。钻具组合通常为：钻头＋永磁短节＋马达＋无磁钻挺＋MWD＋钻杆。连通前将两个井井底所测的陀螺数据输入到RivCross配套采集软件中，初始化坐标系。当钻头进入到探头的测量范围后，接收仪器就可以不断地收到当前磁场的强度值（Hx、Hy和Hz）,定向工程师然后根据采集的测点数据判断出当前的井眼位置，适时计算当前测点的闭合方位并预测钻头处方位的变化，然后通过调整工具面，及时将井眼方向纠正至洞穴中心的位置。接近洞穴时，根据防碰原理，利用专用的轨迹计算软件进行柱面法扫描，判断水平井与洞穴中心的距离，从3D视图上分析轨迹每接近洞穴一步其变化趋势，以达到连通的目的。3.4PZP08-1H井实际连通情况2008年11月4日组合连通钻具下钻。钻具结构：Φ152.4mmBit×0.22m+RMRS×0.42m+motor×5.36m+FV×0.50m+UBHO×0.89m+NMDC×76.10m+GAP×1.17m+SNMDC×2.03m+NMDC×4.61m+Φ88.9mmDP，洞穴直井下入连通仪器（Vector）。2008年11月4日17:30三开，根据直井Vector反馈的信息，实时沿直井洞穴中心修正轨迹，并严格控制井眼的方位角钻至洞穴位置。2008年11月5日2:30钻进至612.00m进入3＃煤层。2:00钻进至619.50m，根据直井反馈信息，距洞穴直井2～3m左右，水平井停止钻进，直井将仪器起出。井口闸门微开。3:00水平井恢复钻进，钻至622.00m时钻压突降，井口泥浆停止返出，泥浆损失2.00m3。洞穴直井液面上涨，表明两井连通成功。为避免大量煤粉进入直井随即关闭井口,连通井深622.00m。连通一次成功，连通后钻进至651.00m起钻，甩掉强磁接头（RMRS）。4、多分支水平井技术多分支水平井是指在主水平井眼的两侧不同位置分别侧钻出多个水平分支井眼，也可以在分支上继续钻二级分支，因其形状像羽毛，国外也将其称为羽状水平井。4.1多分支水平井的特点多分支水平井技术是近年来发展起来的一项快速开采煤层气资源的先进技术；该技术集钻井、完井和增产于一体，是开发低压、低渗煤层的主要手段。其主要特点：(1)解决了高产高效的问题，相对于常规水力压裂直井，产能提高约10-100倍，单井日产量5万方/天，高者已突破10万方/天。(2)实现了在煤层中定向开采，单井眼水平定向延伸能力可达1000-1500m。(3)实现了欠平衡储层保护。(4)使煤矿全程瓦斯抽放成为现实。4.2多分支水平井井眼剖面优化设计8因为煤层一般较浅，所以煤层气多分支水平井主水平井眼采用消耗较少垂深而得到较大位移的理念进行井身剖面设计，从而达到更大的水垂比。其井身剖面设计主要考虑的因素有钻机和顶驱设备的能力、井眼的摩阻/扭矩大小、钻柱的强度、现场施工的难易程度等因素，主要有以下几项设计原则：(1)主井眼入煤层方位的确定考虑煤层的产能优化和井壁稳定，尽量让进入煤层的井眼方位垂直于煤层最小主应力方向。(2)满足现场施工工况的要求由于煤层气多分支水平井垂直井段短，通常在500m以内，而水平段一般在1000m以上，钻柱能提供的钻压是有限的，所以在多分支水平井井身剖面设计中，要使所设计的井眼轨迹满足滑动钻进时的工况要求。(3)应当满足各种设计条件下的最短轨迹根据煤田地质确定的目标点，按照不同设计方法设计出来的轨道，其长度是不同的。显然应尽可能选择轨迹长度短的轨道，减少无效进尺，既可以提高钻井的经济效益，也可以降低施工风险。同时应尽量缩小可钻性较差的地层进尺，例如尽量避开研磨性的宁武盆地石盒子组地层。(4)钻柱摩阻和扭矩最小煤层气多分支井的显著特点是水平位移大，分支较多，80%以上的进尺为水平段，从而导致钻柱和套管柱在井眼内摩阻和扭矩很大，以及钻压难以加上等问题，摩阻和扭矩是多分支水平井的水平位移大小的主要限制因素，所以应尽可能选择摩阻扭矩小的轨迹。(5)考虑到煤层的井壁稳定性差，主井眼和分支井眼要处于煤层的中上部位，以利于安全钻进。9(6)分支井眼长度、方位和距离的优化设计需要结合煤层气藏、钻柱力学和经济评价等多方面的因素进行综合考虑。4.3多分支水平井井身结构优化设计井身结构优化设计是保证全井安全、快速钻达目的层并达到开发目的层的重要前提。某国外公司在山西打了一口煤层气多分支水平井，由于设计的套管鞋进入了煤层，固井时密度为1.80g/cm3的水泥浆将煤层压裂，导致三开后的井壁坍塌，从而影响了整个井的施工。煤层气多分支井井身结构设计与常规油气井的设计略有区别，需考虑洞穴井与水平井的连通、后期的排水采气和煤层井壁稳定等因素。水平分支井通常采用的井身结构为：φ244.5mm表层套管×H1＋φ139.7mm技术套管×H2（下至造斜段结束处）＋φ121mm主水平井眼（裸眼完井）＋φ121mm分支水平井眼。洞穴井的井身结构一般为：φ244.5mm表层套管×H1＋φ139.7mm技术套管×H2