煤层气井钻井工艺及完井技术适应性研究

涂 乙 涂 辉 臧真霞

(1.中国石油大学 (北京)石油工程学院,北京 102249;2.四川科宏石油天然气工程有限公司,四川 643000)

在煤层气勘探和开发过程中,由于各种不合适的钻、完井工艺会对煤层气井储层造成很大伤害,影响煤层气的产出量,对后续的补救措施也会带来很大的麻烦,从而严重影响最终的采收率,因此,有必要针对煤层气井储层特征,进行钻井工艺和完井技术适应性研究和探讨,选出有效的钻井和完井工艺措施,加强储层的保护,避免或者减小对储层的伤害,这对提高煤层气井产气量具有很实际的意义。

1 钻井工艺优选方案

钻井过程中诱发煤层气损害的根源是钻井液,赵庆波、杨胜来等通过研究认为,其对煤层的伤害主要为以下几个方面：(1)钻井液中固相颗粒对煤层的损害;(2)煤与钻井液中的高分子聚合物相互作用产生的堵塞; (3)煤基质吸附膨胀造成的损害;(4)压力敏感性对煤层的损害。

据对储层伤害研究分析得到,低压钻井工艺是一种相对于常规钻井方法来讲,其液柱压力较低的钻井方法,但其值或小于 (欠平衡)或等于 (平衡)、或略大于 (微过平衡)地层压力;也就是说钻井流体可以是水、油基钻井液,或是气基流体。其优点在于：能使煤层处于受低压的解放状态,从而有效地降低了压差,减少了钻井液中有害物质侵入煤层的机会,有利于保护煤层气储层。从保护储层的角度来考虑,在钻井过程中应采用既能降低伤害,又具有抑制滤液类型的钻井液。属于这种钻井工艺的钻井技术有：欠平衡钻井即气体和雾化钻井、清水、泡沫钻井、边喷边钻和微过平衡钻井。

1.1 欠平衡钻井

1.1.1 气体和雾化钻井

据油田实践经验可知,气体和雾化钻井常用于干旱缺水和漏失地区,在使用空气、雾化空气或泡沫进行钻进时,由于空气循环使煤层气储层很少能接触到固体颗粒和化学添加剂,而且对煤层施加的静水压力也是最小的,故可有效地保护煤层气储层。

1.1.2 清水钻井

据理论分析研究显示,在用钻井液来控制地层压力,优先使用产出的地层水或者加有少量膨润土提高粘度的清水,使用这种清水作为钻井液,能够降低钻井过程中的压差和成本,可减少储层中的矿物质的化学反应及粘土颗粒的膨胀,从而降低对储层的伤害。

1.1.3 泡沫钻井

泡沫流体一般分为硬胶泡沫和稳定泡沫。前者是由气体、牯土、稳定剂和发泡剂配成的稳定性比较强的分散体系;稳定泡沫是指空气、漉体、发泡剂和稳定剂配成的分散体系。硬泡沫用于需要泡沫寿命长,携屑能力强的场所。该钻井液是在普通低固相钻井液中加入发泡剂与稳定剂配置的钻井液体系,其密度在0.8～1.10g/cm3之间可调,成本低,滤失量低等,能有效地保护煤层气储层。

1.1.4 边喷边钻

上述气体型钻井液及相应钻井技术多用于地层压力较低的油气藏,在钻井过程中,井口回压一般均较低。而对于地层压力较高的油气藏,如地层压力系数大于1.0,为了实行欠平衡压力钻井,则可以采用非气体型钻井液,只是控制当量循环钻井液密度低于地层压力系数即可。这种情况下的井口回压有时可能较高。

1.2 微过平衡钻井

据调研相关资料了解到,采用液相钻井液进行钻井时,如果采用欠平衡钻井,或者采用平衡压力钻井,会出现钻井液无法在孔壁上形成泥饼情况、从而导致钻井液在地层内失水量的增加和固相的侵入,所以存在一最小过平衡压力,其定义为钻井液能在井壁上形成泥饼时的钻井液液柱压力,其大小与钻井液的流变性和特定现场条件有关,可以利用室内所测的钻井液流变性和模拟特定现场条件下的岩心动失水试验数据确定。在这一过平衡压力下的钻井工艺称为微过平衡钻井工艺。

2 煤层气常用完井方式分析研究

煤层气完井技术是煤层气开发中的关键技术之一。根据煤层性质,合理选择完井和井底连通参数,加强完井作业中对煤层的保护、降低煤层伤害,有利于延长煤层气井的生产时间,提高煤层气井产量。

据王玺研究发现对储层造成伤害的因素有：(1)水泥颗粒对煤层割理和孔隙的堵塞;(2)水泥浆滤液对煤层的伤害;(3)水泥浆液柱与煤层之间的压力差;(4)射孔作业对煤储层的伤害等。

2.1 裸眼洞穴完井

裸眼洞穴完井方式 (图1)是在裸眼完井的基础上发展起来的一种独特的煤层气完井方式。在较高的生产压差作用下,利用井眼的不稳定性,在井壁煤岩发生破坏后允许煤块塌落到井筒中,进而形成物理洞穴 (自然裸眼洞穴完井)。采用先期裸眼完井,避免了固井、射孔等作业对煤层的伤害,为在钻开煤层时采取保护煤层的措施提供了良好的井眼条件,同时节约了套管和水泥。

图1 裸眼洞穴完井示意图

将技术套管鞋下入顶板内,管鞋与煤层的距离为1～2m,且越靠近煤层越好。技术套管直径不小于177.8ram,钻头尺寸要保证与技术套管之间有足够的水泥环厚度,从而保证技术套管固井质量。

现场实践发现,裸眼洞穴完井具有良好的远期经济效益。裸眼洞穴完井仅从完井作业或强化增产措施方面评价,成本的确相对较高,但从总投入与产出比分析,洞穴完井的相对成本较低。在煤层气富集区域,成功的裸眼洞穴完井可以使产量成倍地增加。

2.2 动力洞穴完井

人工施加压力 (从地面注气),使井壁煤层发生破坏,再清除井底的煤粉,进而形成物理洞穴(动力或人工洞穴完井)。

图2 动力洞穴完井地面流程

动力洞穴完井工艺技术 (图2)从钻井、完井、排水采气的整个工序过程与其它完井方法相比,具有不进行单相注入/压降试井和压裂等措施就可以达到单井面积降压、恢复和提高煤层渗透率等优点。该工艺方法同样适用于煤层割理发育,物性较好、封盖条件好、厚度大、含气量及解吸率高的中低挥发份 (中高煤阶)的煤岩储层。局限性在于洞穴完井工艺成功需要高渗透率、超压和高挥发份烟煤阶几种条件的结合。

位于山西临县程家塔乡后南裕村的LX20001井使用这种完井技术,其煤层通过人工造穴后,其渗透率比造穴前提高了近8.2倍,证明动力洞穴完井工艺是可取的。目前美国的圣胡安盆地有不少成功的经验及实例,我国虽然在几个地区也陆续进行过试验,但尚未进入大规模实战阶段,预计在今后的煤层气勘探及开发领域中,会更多的使用这种技术。

2.3 套管射孔压裂完井

美国大多数西部煤层盆地的煤层气井都是采用下套管并压裂的钻井工艺 (图3),下套管完井工艺可以避免裸眼完井工艺所带来的问题。其主要优点是可对不同的煤层实行单独的完井钻,井时不会出现井壁不稳定问题,使用钻井液钻井时可对大规模的水侵和气侵进行有效控制。

图3 射孔压裂完井方式

国内98%的煤层气井采用套管射孔压裂完井,但压裂液选择不当则会造成煤孔隙的堵塞。对像中国这样的低压煤层气储层用泡沫压裂液就非常合适,可以达到快速返排的目的。根据国内沁水盆地南部主力煤层实施的泡沫压裂试验结果,泡沫压裂效果比较好,返排快,产气相对较高,压裂成本高。

获得高产的原因是在煤层人工形成裂缝,从而增大了渗流面积、改善了渗流方式,人工形成的长裂缝有利于煤层深处甲烷气解析并流到井筒中去。

[1] 涂乙,邹来方,汪伟英,等.煤层气井储层的伤害及优选保护钻井工艺 [J].油气田地面工程,2010,29(2)：4-6.

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