钻井工程在地面煤层气开发中的作用

2011-09-28胡向志

地质装备 2011年4期

胡向志

(河南豫中地质勘察工程公司,河南郑州450053)

1 引言

我国的煤层气资源量与我国的常规天然气总量相近,折标量为680亿吨原煤或340亿吨原油,是重要的新型能源。煤层气的开发利用还具有一举多得的功效:提高瓦斯事故防范水平,具有安全效应;有效减排温室气体,产生良好的环保效应;作为一种高效、洁净能源,产生巨大的经济效益。近年来中国煤层气产业发展迅猛,估计2010年底钻井数量达5000口,年产量达到15亿立方米,煤层气将迎来大规模市场化开发。

2 钻井的基本作用

钻井工程是煤层气开发的基础,它为后续工作提供开发依据和流动通道,取得的实物资料如煤层取心可以获得煤层气储层参数。在一定的煤层气物质基础上,通过钻井形成流动通道,再给予一定的能量差来产出煤层气。一口井顺利完井后,能够快速进入固井、压裂、排采等环节。如果钻井质量不合格,对后续排采极为不利,可能造成很难补救的后果,如井底水平位移过大,会打乱油田开发的布井方案;井径变化太大,固井容易不牢;煤层段扩孔太大,射孔不穿,压裂不能压开;井斜太大,排采容易磨油管和套管排不出水,产不出气,并且负荷大容易烧电机。

钻井工程能对煤层气开发产生规模效应,钻井数量的极大增加促使煤层气开发企业的发展。如晋煤集团利用“清水钻进、活性水压裂、低压排采、定压集输”等一整套的煤层气地面抽采技术,目前已累计施工地面钻井2001口,形成了15亿立方米的煤层气年抽采能力,成为全国最大的煤层气抽采利用基地,产生了极大的经济协同效应。钻井数量的增多也使得众多钻井公司更新换代钻机,研发高效钻井技术,进而推动了煤层气开发。

钻井技术的进步引起煤层气开发方式的显著变化,钻井技术一旦取得巨大进步,其影响深远。近年国内外正积极开展应用的多分支水平井、欠平衡钻井技术能显著提高低压低渗储层的煤层气采收率,代表着中国煤层气高效开发的发展趋势。中国煤层气产业的发展将从当前的以井下抽放为主逐步过渡到以地面开发为主 (并从当前以直井开发为主过渡到多分支水平井开发为主)。

3 煤层气钻井特殊性分析

煤储层具有伤害的敏感性与不可恢复性决定了在煤层气钻完井、开采过程中要坚持采取系统的保护煤层措施。煤层气储存状态和吸附运移决定了煤层气产出是一个漫长的过程,首先要保护煤层气储层。我国煤储层的三低特征,即低地层压力梯度0.8～1.0 M Pa/100m,低孔隙度1～10%,低渗透率k＜0.001μm,更要把储层保护放在首要位置。

宏观上由于孔隙度、渗透率随着地层压力的增加而降低,同时煤层裂缝和割理在高围压下闭合,并且是不可恢复的。在过平衡钻井中,钻井液液柱压力大于煤层压力,使作用在井筒附近的纯应力增加,从而引起渗透率降低,在正压差作用下,钻井液中的胶体颗粒和其它细微颗粒被吸附堵塞在煤层气的孔隙喉道上,钻井液滤液的侵入又有可能发生各类敏感性反应,从而生成各类不溶性沉淀物。

煤储层一方面煤层极易受钻井流体中固相成分污染,另一方面煤层破碎和高剪切应力造成井眼不稳定。为了保证安全穿过煤层,其主要措施又是增加其固相含量提高钻井液的密度,但这样又容易污染煤层,因而实施煤层保护较油气层更困难。实际很多煤层气井在钻井过程中受到污染,形成地层压力、渗透率测试不准确,表皮系数大,处理相当困难。在低压煤层中,这种固相颗粒的侵入半径大大增加并“镶嵌”在孔隙之中而无法清除,从而造成永久性的伤害。钻井液在煤层中的浸泡时间增加也会导致煤储层伤害半径增大,从而加剧对煤储层的伤害程度。

煤层气气藏的裂隙一般都比较发育,其控制着煤层气藏的渗透性。但是裂隙的宽度受上覆岩层所产生的净压力即有效压力控制,有效压力的改变,可导致裂缝的开启和闭合,进而导致渗透率的改变;而且这些裂隙闭合后在卸压过程中不易恢复张开,宏观表现为随有效压力的增加,渗透率降低和压力滞后现象。

4 煤层气钻井技术难点分析

4.1 优选优配,确保井身质量

根据不同地区不同类型钻孔特点,即岩层倾角、岩性、孔深、孔壁情况,钻头类型及磨损情况,钻具条件,泥浆性能等及时调整钻具结构和钻进技术参数。实践中,为了满足高精度锤陀钻进的要求,使钻具重心始终控制在中和点以下,使钻具保持在张直状态中钻进,可有效降低井斜,一般在0.2～0.25%,避免了煤层气钻井的超标偏斜。

常用的有刚性满眼钻具组合和钟摆钻具组合两种。前者可采用较大的钻压钻进,有利于提高钻速,井眼曲率较小,但不能纠斜,后者需控制一定的钻压,影响钻速,但可用来纠斜。为了保护煤储层,也为了井内安全,进入煤层是牙轮钻头采用大喷嘴或不带喷嘴,配合岩屑,钻时,冲洗液等分析钻进参数。

4.2 钻井液

钻井液要与煤层有良好的配伍性,钻井液密度等要符合要求,实施钻开煤储层通知书制度。要特别注意:(1)固相颗粒及泥饼堵塞油气通道;(2)滤失液使地层中粘土膨胀而堵塞地层孔隙;(3)钻井液滤液中离子与地层离子作用产生沉淀堵塞通道;(4)产生水锁效应,增加油气流动阻力;(5)影响固井,使套管的吸附层和井壁岩石滤饼与水泥浆的胶结强度不好,固结不牢。

4.3 绳索取心技术

按设计要求从井下钻取煤层样品为勘探和开发煤层气取得第一手资料。煤层气取心由于要测量煤层气含气量等要求煤心原始状态保持好、收获率高;出心速度快;煤心甲烷气体散失少;取心成本低。绳索取心钻进是一种不提钻而由钻杆内捞取岩心的先进钻进方法,其优越性在于纯钻时间长,辅助时间短,与普通钻进取心相比,具有可控制钻孔偏斜度、提高钻进效率、提高岩心采取率、减少孔内事故等优点;绳索取心钻探不仅要熟练掌握绳索取心钻具的结构和工作原理,也要注意做好现场一系列的配合工作。如套管选用、预防孔斜、钻头与护孔器的选择等。

5 新型高效煤层气开发技术

5.1 多分支水平井钻井技术

多分支水平井集钻井、完井和增产措施于一体,是目前开发低压、低渗煤层的主要手段。煤层气多分支水平井工艺集合了煤层造洞穴、两井对接、随钻地质导向、钻水平分支井眼、欠平衡等多项先进技术。其机理在于分支水平井在煤层形成相互连通的网络,最大限度地沟通煤层裂隙和割理系统,大大降低了煤层裂隙内流体的流动阻力,提高煤层排水降压速度和煤层气解吸运移速度,进而增加煤层气单井产量,提高采出程度,缩短采气时间,极大地提高煤层气开发经济效益。国内的研究和实践证明,煤层气多分支水平井技术对我国资源分布最大的两大盆地:沁水盆地和鄂尔多斯盆地都具有非常好的潜力。

目前多分支水平井在煤层气开发应用中存在一些急需解决的问题。这些问题包括适宜的地质条件、煤层段的井壁稳定性、欠平衡钻井、井的漏失、后期修井、预期气产量等。煤层气多分支水平井井眼轨迹设计坚持以最光滑、最短为原则。首先考虑分支井筒所处的煤层特性,根据煤层性质、地应力的分布状态和最大主应力方向、煤藏单元的几何形状和甲烷的流动控制要求等因素来确定井眼轨迹的设计,使主水平井眼沿最小应力方向钻进,钻井复杂情况最少并且钻进速度快,可获得较大的水平位移。

图1 多分支水平井钻井技术

表1 多分支水平井与常规直井比较

5.2 欠平衡钻井技术

欠平衡钻井又分为气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井、淡水或卤水钻井液钻井、常规低密度钻井等。欠平衡钻井作业的关键技术包括产生和保持欠平衡条件 (自然和人工诱导两种)、井控技术、产出流体的地面处理和电磁随钻测量技术等。欠平衡钻井技术进展主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面。与常规的直井套管注气相比,油管注气压力、排量更稳定,气体到达井底的时间更及时,欠平衡效果更好。