煤层气水平井充气欠平衡钻井注入参数模型优化设计

孙成龙

(中石化中原石油工程有限公司钻井一公司)

目前，煤层气水平井欠平衡钻井通常采用双井筒油管注气法欠平衡技术。这种注入方式的优势在于注气油管直径较小，压缩气体能在短时间内进入水平井环空，提高两相流的均匀性，使欠平衡工艺更容易控制；另外，该技术容易实现欠压值很小的欠平衡作业，这样对于煤层井壁的稳定性具有相当大的益处，从而实现了既保护煤层又安全钻进的目的[1-4]。因此，为发挥这种欠平衡钻井的独特优势，在进行现场施工之前，必须对注入参数进行合理的优化设计。本文结合煤层气水平井充气欠平衡钻井特殊的工艺过程，综合考虑井底欠压差、井壁稳定、井眼清洁等因素，以气液流量窗口优化设计原理为基础，建立一套煤层气水平井注入参数优化设计模型，形成一套煤层气水平井充气平衡注入参数优化设计技术，为今后实现更为经济有效的煤层气水平井充气欠平衡作业提供技术支撑。

一、煤层气水平井充气欠平衡钻井注入参数模型优化设计原理

煤层气水平井充气欠平衡钻井可以通过设计不同组合的钻井液排量和气体注入量来获得相同的井底压力及静液柱压力。在地质条件、井身结构、钻具组合、井眼轨迹确定条件下，存在一组最佳的气液流量组合满足：①井底压差在安全范围内；②停止循环时井底压力大于煤层坍塌压力；③具有足够的携岩能力，避免岩屑床的形成；④避免对井眼造成冲蚀。因此，通过煤层气水平井充气欠平衡钻井压力平衡关系及携岩能力可绘制出气液流量窗口图，如图1所示。气液流量窗口由四条曲线构成，即平衡压力限、坍塌压力限、携岩能力限、冲蚀压力限。这四条气液流量限分别代表四种临界条件下的气液流量组合：平衡压力限上气液流量组合满足井底压力等于地层压力；坍塌压力限上各点满足停止循环时液柱压力等于地层坍塌压力；携岩能力限是根据气液混合流体满足临界携岩标准界定的；冲蚀压力限是根据井眼的冲蚀限界定的。合理的气液组合应该在流量窗口之内。

图1 煤层气水平井充气欠平衡气液流量窗口图

二、煤层气水平井充气欠平衡注入参数模型建立

目前，冲蚀压力限一般是参考煤层气多分支水平井井径录井曲线和当地钻井实践来确定的[5-6]。通常煤层气充气欠平衡钻井的注气量不超过40 m3/min，钻井液排量不超20 L/s。因此，基于气液流量窗口设计原理，本文建立了平衡压力限、坍塌压力限、携岩能力限数学模型。

1.煤层气水平井充气欠平衡平衡压力限模型

煤层气水平井充气欠平衡钻井可通过设计不同的液体和气体体积流量混合来得到相同井底压力。在井身结构、钻具组合、井眼轨迹及其他参数一定的情况下，平衡压力限上每个点均满足在各自的组合下井底压力等于地层压力，煤层气水平井充气欠平衡钻井平衡压力限控制方程为：

pbh=pp=ξ(Qg,Ql)+pa

(1)

式中：Ql—钻井液排量，L/s；Qg—注气量，m3/min；pp—地层压力，MPa；pbh—井底压力，MPa；pa—井口回压，MPa。

2.煤层气水平井充气欠平衡坍塌压力限模型

煤层气水平井充气欠平衡坍塌压力限是根据不同气体注入量下，使得不同气液流量组合产生的停止循环的液柱压力等于地层坍塌压力来界定的。因此，在其他参数一定情况下，坍塌压力限上每个点均在各自的组合下使得液柱压力等于坍塌压力，因此，煤层气水平井充气欠平衡钻井坍塌压力限控制方程为：

pt=p总g=ψ(Qg,Ql)-pa

(2)

式中：pt—坍塌压力，MPa；p总g—液柱压力，MPa。

图2 水平井筒环空及岩屑床几何模型

3.煤层气水平井充气欠平衡携岩能力限模型

3.1 水平/倾斜井筒环空内多相流体流动携岩模型[7-11]

根据Gavlgnet&Sobey提出的携岩理论，在水平井筒内下部形成一层向上滑移的岩屑层，物理模型如图2所示。设岩屑层厚度为h，输送岩屑的环空上部截面积为Am，下部截面积为Ac，接触部分弧长分别为Sm和Sc，两层界面线长为Si。

图2所示为水平井筒环空及岩屑几何形态，图2中几何参数的确定分为以下三种情况进行讨论：

当rcosβ<(L-re)，即钻杆完全掩埋在岩屑床中：

(3)

当(L-re)

(4)

当rcosβ>(r+re)，即钻杆位于岩屑床上面：

(5)

两层界面的摩擦系数为：

(6)

式中：Dh—环空水力直径，m；Dc—岩屑的直径，m。

3.2 直井筒环空内多相流体流动携岩模型

在引力作用下，液相中某一颗粒的下落将加速直到颗粒上作用的拉力刚好平衡引力，此后，颗粒将继续以一不变的速度下落，此为颗粒的终端速度，也称为终了速度或沉降末速度。

颗粒的终了速度受很多因素的影响，包括颗粒尺寸、颗粒密度、形状、液体的密度、黏度、流态、颗粒间的相互作用等。根据平衡关系可以推导出终了沉降速度表达式：

(7)

如果环空内充气液的有效上返速度大于岩屑的沉降速度与岩屑最低返速之和，则岩屑就可以被携带到地面上来。

在煤层气充气欠平衡钻进过程中，随着岩屑的不断产生，要求环空中岩屑浓度不超过某一临界值Cc。岩屑向井口移动的速度vc、机械钻速Rp以及岩屑浓度之间关系为：

(8)

式中：vc—临界速度，m/s；Rp—机械钻速，m/h；Cc—岩屑浓度。

三、实例计算

沁水盆地南部晋城斜坡带郑庄区块X井，设计总进尺5 386.75 m，其中煤层段总进尺4 500 m；井型：多分支水平井；目的层位：山西组3#～5#煤层。

本文利用X井基本数据，计算出该井充气欠平衡段平衡压力限、坍塌压力限和携岩能力限如表1所示，图3为气液流量窗口图。为满足平衡压力限和坍塌压力限要求，注气量随钻井液排量增加而增加；为满足携岩能力限，相同条件下注气量随钻井液排量增加而减小。

表1 气液流量组合计算结果表

图3 气液流量窗口图

井底压差/MPa气体注入量/(m3·min-1)液排量8L/s液排量10.4L/s液排量12.8L/s液排量15.2L/s-0.216.822.833.640.8-0.319.824.635.444.4-0.42127.638.446.2-0.523.429.440.248.6

由于煤层气水平井充气欠平衡井底设计压差在-0.5～-0.2 MPa范围内，因此，计算分析出满足井底欠压值的气液组合，缩小流量窗口范围，计算结果如表2和图4所示。相同钻井液排量下，注气量随井底压差的增大而增大。

图4 满足井底压差的气液组合计算结果图

将满足井底压差的气液组合绘制在气液流量窗口示意图上，如图5所示。只要在图中阴影区域里的气液流量组合对煤层气水平井充气欠平衡钻井都是安全的。井口回压和注入压力的增大，流量窗口位置向坐标轴右上移动。通过设计回压和注入压力，可以使流量窗口中气液流量限在合理范围内。

图5 气液流量组合设计结果图

但是从液体泵入及气体注入时的能耗方面考虑，接近下限的组合为最优方案，本文设计的气体注入量为30 m3/min，钻井液排量为12 L/s，此时井底欠压值为0.28 MPa。本文综合考虑了井眼清洁、井底欠压值以及井壁稳定等因素，设计结果更为合理，能够用于指导现场施工。

四、现场应用

FL-H16-L井位于富地河东煤田中部柳林县附近，完成进尺7 366 m，分支有效煤层段进尺6 313 m，煤层厚度平均3.7 m，储层压力系数仅为0.48，周边施工多口水平井均出现失返性漏失，设计井型：多分支连通水平井；目的层：3#+4#、5#煤层。井身结构如表3、表4。

表3 水平井井身结构数据表

表4 洞穴直井井身结构数据表

该技术应用在了FL-H16-L井取得了较好的效果。前6个分支均发生不同程度的漏失，分支M7在FL-H16-V井实施注气作业时，注入量为30 m3/min，钻井液排量为12 L/s，使用PWD测量计算此时井底欠压值0.26～0.28 MPa，与计算值0.28 MPa吻合，验证了模型的可靠性。通过应用该技术，施工过程中降低了漏失量，减少了复杂，确保了井下安全，提高了钻井速度，达到了甲方设计目的。

五、结论

(1)本文建立的煤层气水平井充气欠平衡钻井注入参数优化设计模型，能够为现场施工设计提供理论依据。通过参数模型在FL-H16-L井多分支连通水平井的应用，验证了模型的可靠性。

(2)分析评价了钻井液排量、钻井液密度、井口回压、注气量和注入压力对环空压力场和速度场的影响，以及不同注入压力和井口回压对平衡压力限、坍塌压力限、携岩能力限以及气液流量窗口的影响，得到如下规律：①为满足平衡压力限和坍塌压力限，注气量随钻井液排量增加而增加；相同钻井液排量下，注气量随井底压差的增大而增大；②为满足携岩能力限，相同条件下注气量随钻井液排量增加而减小；相同钻井液排量下，注气量随着井底压差的增大而增大；③井口回压和注入压力的增大，流量窗口位置向坐标轴右上移动。通过设计回压和注入压力，可以使流量窗口中气液流量限在合理范围内。