和顺区块煤层气远端连通水平井钻井关键技术研究

2010-02-13王彦祺

中国煤层气 2010年1期

王彦祺

(华东石油局工程技术设计研究院,江苏 210031)

1 概述

和顺区块位于沁水盆地东缘北部,主要含煤层为古生界石碳系太原组和二叠系山西组,其中太原组15#煤变质程度高,为煤层气勘探的主要煤层。为了进一步探索沁水盆地和顺区块采用水平井开采煤层气的效果,中石化华东分公司决定在该区块实施一口远端连通水平井。

2 远端连通水平井的优势

水平井与排采直井的连通方式有两种,一种是在进入水平段时连通,称为近端连通;一种是在水平段的末段连通,称为远端连通。远端连通的水平井与直井和近端连通水平井相比具有以下优势：

(1)与直井相比,提高了导流能力,增加了解吸波及面积,扩大了煤层气供给范围,从而大幅度提高单井产量。

(2)与近端连通水平井相比,可通过两连通井眼循环洗井,解决井眼可能发生的堵塞,提高井眼的使用寿命。

(3)水平段沿储层下倾方向钻井,有利于轨迹控制。

3 和顺区块实施远端连通水平井的难点

和顺区块钻遇地层的地质特点为：(1)第四系砂为砾层和流砂层;(2)太原组灰岩段易水侵、易漏失;(3)15#煤层顶板砂岩层为弱含水层;(4)15#煤层为块状碎裂煤,裂缝教发育,含有1～2层较薄碳质泥岩夹矸。上述地质特点导致了在该地区施工远端连通水平井存在以下难点：

(1)在井眼轨迹控制方面：一是由于和顺区块储层埋深较浅,施工水平连通井特点是井浅,位垂比大,造斜率高,造斜井段轨迹控制精度要求高;二是由于是远端连通,控制井段较长,连通难度较大。

(2)在井眼稳定方面：一是煤层井段要求清水钻进,对煤层的抑制能力差;二是由于煤层胶结疏松,在水平井段钻进时易发生坍塌卡钻。

(3)在储层保护方面：一是由于煤储层的吸附能力、应力敏感性、速敏性、水敏性、碱敏性强等特点,决定了煤层容易受到伤害。二是由于煤储层的压力低,钻井液中的固相颗粒在液柱压差作用下容易进入煤层孔隙和裂缝,对储层造成伤害。

4 关键技术研究

4.1 井身结构的确定及优化设计技术

4.1.1 井身结构设计应考虑的因素

在和顺区块进行煤层气水平井井身结构设计时应重点考虑以下因素：

(1)在水平段清水钻进时确保上部井段井壁稳定;

(2)从排水采气的角度考虑,套管必须将煤层上部出水量大的层位封堵;

(3)考虑到和顺地区15#煤层上部为粉煤层,极易垮塌,要求技术套管视实钻情况下至目的煤层夹矸位置处,以确保后续施工的井下安全。

(4)水平井段井眼的大小需考虑井壁的稳定性及工具仪器的配套;

(5)在确保安全的基础上,尽可能降低生产成本。

4.1.2 和顺区块煤层气水平井井身结构设计

综合考虑上述因素,研究确定和顺区块水平连通井的井身结构采用三级结构,水平段采用φ152.4mm井眼。具体结构为：φ311mm井眼 ×φ244.5mm表层套管 +φ215.9mm井眼 ×φ177.8mm技术套管+φ152.4mm水平井眼。

4.2 井眼轨道设计及轨迹控制技术

4.2.1 井眼轨道设计

井眼轨道设计除要考虑常规水平井须考虑的因素外,还要根据煤层气水平井的特点,重点考虑以下两个因素：

(1)井眼轨迹控制。由于煤层气井埋藏较浅,入窗前可供控制的井段较短,因此,设计的井眼轨道应有利于井眼轨迹控制,确保准确入窗。

(2)水平井段加压。由于煤层气水平井位垂比大,到水平段后钻柱能提供的钻压有限,使得水平井段施工加压困难,特别是滑动钻进时更加困难。因此,所设计的水平井井眼轨道应尽可能光滑,以最大限度减少摩阻。

综合上述因素,研究确定采用“直-增-稳-增-水平”五段制轨道,造斜率不大于 8°/30m,以确保井眼的光滑和水平段加压。将着陆点控制在入窗前20m的井段,以利于入窗前井眼轨迹的控制。

4.2.2 井眼轨迹控制

(1)直井段。重点是控制井斜,为下部井段施工创造了良好条件。可采用塔式钻具组合。

(2)造斜段。重点是确保工具的造斜率能够达到设计要求,使井眼轨迹能够准确在煤层中顺利着陆。可采用“导向马达+MWD”的常用定向钻具组合。

(3)水平段。重点是确保井眼轨迹在目的层的穿透率。可采用“单弯螺杆钻具+LWD”的地质导向钻具组合。在参考区域资料、邻井的测试、生产情况、岩心分析等资料的基础上,结合本井的岩屑录井、钻时等相关数据,利用伽马测量仪确定煤层的位置及界面准确地钻入设计目的层并在其层位中有效地延伸。

(4)连通段。首先在直井中下入探管,在水平井钻头处连接一个永磁短节。永磁短节的探测距离是70m,所以一般在距离直井100米左右起钻下入。连通段的重点一是保证在连通仪器探测距离之外的井段方位偏差不大,否则很难一次连通;二是在距离直井20m以内对井底方位的判断要准确,否则两井很可能会“擦肩而过”。

4.3 钻井液体系设计及维护技术

4.3.1 钻井液体系设计

针对钻遇地层的特点,研究出相适应的钻井液体系方案如下：

(1)一开设计使用预水化膨润土钻井液,解决大井眼的携岩问题。

(2)二开设计使用成膜防塌钻井液体系,满足斜井段的携岩和煤层段的井眼稳定要求,为顺利下入技术套管提供良好条件。

(3)三开设计使用在清水加入2%氯化钾的钻井液。根据煤层水矿化度分析,氯含量在200～400mg/l,采用在清水中加入2%氯化钾的钻井液,以保护储层和提高防塌能力;配制高粘CMC胶液定期清扫岩屑,以解决水平井的携岩问题。

4.3.2 钻井液维护技术

(1)一开。配制40m3膨润土浆,充分水化24小时后,进行一开钻进。一开钻完后,打入100s高粘度钻井液彻底洗井,保证井眼洁净,确保下表套、固井作业顺利。

(2)二开直井段。在一开膨润土浆的基础上,补充聚丙烯酰胺胶液,提高钻井液的抑制能力和包被能力,控制固相含量,钻井液性能控制在：密度1.05～1.10g/cm3,粘度 30～50s。钻至 3#煤层前,为保护煤层不被污染,逐步替换为清水,密度控制在1.01～1.02g/cm3,固相含量控制在1%以内。

(3)二开定向侧钻井段。在原井浆的基础上,补充正电胶,提高钻井液的抑制、防塌能力,同时增加钻井液的携砂和悬浮能力;补充聚丙烯酰胺胶液,提高钻井液的抑制、包被能力,钻井液性能维护在：密度1.05g/cm3,粘度44s,切力2/8Pa。二开钻完后,充分洗井,确保测井,下套管顺利。

(4)三开水平井段。主要在煤层段钻进,将前开次使用的钻井液放掉,使用清水加2%氯化钾的钻井液钻进;每钻进3个单根加入50升高粘CMC胶液循环清扫钻屑,保障水平段施工安全顺利。充分使用三级固控设备,清除钻井液中的固相,密度控制在1.01～1.02g/cm3,固相含量控制在1%以内,粘度33～28s,pH在8以下。

5 现场应用

沁水盆地和顺区块实施的远端连通水平井由和1井、和平1井组成,通过该井组的设计与施工,初步形成在该地区实施煤层气水平连通井的设计与施工技术。

5.1 和1井概况

和1井位于山西省和顺县,属沁水盆地北部榆社-武乡构造带,是一口煤层气探井,同时作为和平1水平连通井组的排采井。该井2008年9月25日一开,2008年10月14日完钻,完钻井深560m,其井身结构为φ244.5mm表层套管 ×36.45m+φ177.8mm生产套管×550.47m,在目的层位石炭系太原组15#煤503.93～512.34m处下入玻璃钢套管1根,固井后对505.50～509.00m井段进行了扩孔,扩空直径为500mm。