提高煤層氣井鉆井效率的工藝技術(shù)

王彥祺

中國(guó)石化華東石油局工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究院

提高煤層氣井鉆井效率的工藝技術(shù)

王彥祺

中國(guó)石化華東石油局工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究院

目前煤層氣井鉆井,特別是探井、參數(shù)井,鉆井效率不高已成為影響煤層氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程的主要因素之一。在分析影響煤層氣鉆井效率的原因的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同影響因素,著重從簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)保護(hù)儲(chǔ)層的鉆井液體系、優(yōu)選鉆井工藝、完善鉆井設(shè)備配套等方面進(jìn)行了探討。提出了如下技術(shù)思路:①開(kāi)發(fā)適用于`152.4 mm井眼的煤層氣井專用繩索取心工具,從而將井身結(jié)構(gòu)縮小一級(jí);②研制能保護(hù)上部井壁、有效保護(hù)儲(chǔ)層、滿足獲取煤層參數(shù)要求的鉆井液體系,從而省去技術(shù)套管,將三級(jí)井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二級(jí)井身結(jié)構(gòu);③推廣不同循環(huán)介質(zhì)下旋沖鉆井工藝技術(shù);④研究適應(yīng)煤層氣井的鉆井液泵和固控設(shè)備配套方案。為提高煤層氣井鉆井效率,建議開(kāi)展以下研究:①優(yōu)化井身結(jié)構(gòu);②保護(hù)儲(chǔ)層的鉆井液體系;③優(yōu)選鉆井工藝;④完善鉆井設(shè)備。

煤層氣 鉆井效率 井身結(jié)構(gòu) 鉆井液體系 鉆井工藝 鉆井裝備

煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)要求煤層氣鉆井必須做到高效率、低成本。由于目前國(guó)內(nèi)專業(yè)的煤層氣鉆井隊(duì)伍還比較缺乏,施工工藝技術(shù)系列尚不完善,鉆井效率低已成為制約煤層氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程的主要原因之一。

1 影響鉆井效率的原因

1.1 井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜

目前煤層氣探井常用的井身結(jié)構(gòu)為三級(jí)井身結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)形式為`444.5 mm井眼×`339.7 mm技術(shù)套管+`311.1 mm井眼×`244.5 mm技術(shù)套管+`215.9 mm井眼`139.7 mm生產(chǎn)套管。

采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu),是因?yàn)槊簩泳涡枰捎们逅@進(jìn)保護(hù)儲(chǔ)層,以取得準(zhǔn)確的煤層參數(shù)。為了在清水鉆進(jìn)時(shí)保證上部井段的穩(wěn)定,需要將煤層頂部以上井段用技術(shù)套管封固。采用`215.9 mm井眼完井,一是因?yàn)槊簩託饩畬?duì)取心的速度有特殊要求,傳統(tǒng)的油氣井取心工藝不能滿足煤層氣井取心的需要;二是由于僅對(duì)煤層取心,傳統(tǒng)的全井繩索取心技術(shù)也不能滿足煤層氣井的取心需要。因此,必須采用適應(yīng)煤層氣井取心的專用繩索取心工具。由于目前只有用于`215.9 mm井眼的煤層氣井專用繩索取心工具,所以只能采用`215.9 mm井眼完井。實(shí)鉆表明,由于井眼尺寸大,特別是煤層以上大段`311.1 mm井眼,單位面積上的鉆壓較小,鉆井效率低、成本高[1-3]。

1.2 鉆井液體系不完善

目前尚缺乏能有效保護(hù)煤儲(chǔ)層的鉆井液體系,為了取得真實(shí)的儲(chǔ)層參數(shù),只能采用清水鉆進(jìn)。煤層井段采用清水鉆進(jìn),一是造成如前所述的井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜;二是不利于煤層的穩(wěn)定,特別是當(dāng)有兩套以上煤層時(shí),在鉆下部煤層時(shí),上部煤層易產(chǎn)生垮塌,迫使采用套管封固上部地層,使井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

1.3 鉆井工藝技術(shù)相對(duì)落后

由于煤層氣相對(duì)于常規(guī)油氣的低產(chǎn)出,決定了煤層氣鉆井必須低成本。因此,一些常規(guī)油氣鉆井采用的如欠平衡鉆井等先進(jìn)的施工工藝難以推廣應(yīng)用。

1.4 鉆井設(shè)備不配套

為了降低鉆井成本,目前所用的鉆機(jī)多為車載液壓鉆機(jī)和水文鉆機(jī),設(shè)備功率小,特別是鉆井液泵排量太小,不利于攜帶井底巖屑,造成井底重復(fù)切削,更不能產(chǎn)生水力破巖效果。另一方面是固控設(shè)備配套簡(jiǎn)陋,甚至沒(méi)有固控設(shè)備,采用地面循環(huán),不利于鉆井液的維護(hù)處理,鉆井液性能參數(shù)得不到保障,既不利于對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù),又影響了鉆井效率[4-8]。

2 對(duì)提高煤層氣井鉆井效率的探討

2.1 針對(duì)井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題

1)開(kāi)發(fā)適用于`152.4 mm井眼的煤層氣井專用繩索取心工具,從而將井身結(jié)構(gòu)變小一級(jí),即:`311.1 mm井眼×`244.5 mm表層套管+`215.9 mm井眼×`177.8 mm技術(shù)套管+`152.4 mm井眼× `114.3 mm生產(chǎn)套管。

2)研制能保護(hù)上部井壁、有效保護(hù)儲(chǔ)層、滿足獲取煤層參數(shù)要求的鉆井液體系,從而省去技術(shù)套管,將三級(jí)井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二級(jí)井身結(jié)構(gòu)。其井身結(jié)構(gòu)可采用以下形式:`311.1 mm井眼×`244.5 mm表層套管+`215.9 mm井眼×`139.7 mm生產(chǎn)套管,甚至可采用`215.9 mm井眼×`177.8 mm表層套管+ `152.4 mm井眼×`114.3 mm生產(chǎn)套管,從而大幅度地提高鉆井效率。中國(guó)石化華東分公司在沁水盆地的實(shí)鉆表明,`215.9 mm井的機(jī)械鉆速比`311.1 mm井眼的機(jī)械鉆速可提高20%～40%。

2.2 針對(duì)鉆井液體系問(wèn)題

可借鑒石油鉆井的技術(shù)成果,如非滲透鉆井液體系等,針對(duì)煤儲(chǔ)層的特點(diǎn)加以改進(jìn)。非滲透鉆井液(N IF)是美國(guó)環(huán)保鉆井技術(shù)公司(ED TI)在20世紀(jì)90年代研究和推廣出的新型鉆井液體系。該鉆井液是利用表面化學(xué)原理使N IF鉆井液在地層表面產(chǎn)生可以密封地層的非滲透性薄膜。與傳統(tǒng)橋堵地層方法不同的是,N IF鉆井液通過(guò)鉆井液內(nèi)顆粒的引力密封地層。引力把隔離集中在巖石的表面,這樣就可以用同一種組分的鉆井液封閉不同孔隙尺寸分布的地層,室內(nèi)試驗(yàn)證明,N IF鉆井液可使巖石的滲透率恢復(fù)率超過(guò)90%,這是常規(guī)鉆井液無(wú)法達(dá)到的效果。非滲透鉆井液與常規(guī)鉆井液對(duì)砂床的侵入深度與時(shí)間的關(guān)系室內(nèi)實(shí)驗(yàn)曲線如圖1所示。

結(jié)合煤儲(chǔ)層的特點(diǎn)將N IF鉆井液體系經(jīng)改進(jìn)后用于煤層氣鉆井,雖然會(huì)增加鉆井液成本,但若能因此代替清水鉆進(jìn),從而免去下技術(shù)套管,簡(jiǎn)化了井身結(jié)構(gòu),其鉆井效率會(huì)大幅度地提高,將會(huì)取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出了非滲透鉆井液材料,已經(jīng)大大降低了非滲透鉆井液的使用成本。另外非滲透鉆井液體系在井壁上形成的非滲透膜,可以起到穩(wěn)定井壁的作用,減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生,也有助于鉆井效率的提高。

圖1 非滲透鉆井液與常規(guī)鉆井液對(duì)砂床的侵入深度與時(shí)間的關(guān)系圖

2.3 針對(duì)鉆井工藝技術(shù)問(wèn)題

可在綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,增加必要的設(shè)備,推廣應(yīng)用一些能降低成本增效的鉆井工藝技術(shù)。就目前來(lái)看,旋沖鉆井工藝是較好的選擇。在地層較穩(wěn)定的地區(qū),可以采用以空氣為循環(huán)介質(zhì)的旋沖鉆井工藝,即空氣潛空錘鉆井。空氣潛空錘是以壓縮空氣為循環(huán)動(dòng)力,它所產(chǎn)生的沖擊力和沖擊頻率可以直接傳遞給鉆頭,再通過(guò)鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),形成對(duì)井底地層的脈動(dòng)破碎,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井底的沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有:①空氣密度低,降低了循環(huán)介質(zhì)對(duì)井底的壓力,在井底形成負(fù)壓,有利于提高機(jī)械鉆速;②空氣在井內(nèi)循環(huán)速度快,能及時(shí)將井底巖屑?xì)馀e到地面,避免鉆頭重復(fù)切削,有利于提高機(jī)械鉆速;③壓縮空氣在井內(nèi)除起循環(huán)攜帶巖屑作用外,還可以作為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),大幅度地提高機(jī)械鉆速;④空氣介質(zhì)容易制備,成本低,特別是對(duì)于易井漏、供水困難的工區(qū)可大幅度地降低鉆井成本。在地層不太穩(wěn)定的地區(qū),可采用以液體作為循環(huán)介質(zhì)的旋沖鉆井工藝,也可以達(dá)到提高鉆速的目的。中國(guó)石化華東分公司在沁水盆地和順區(qū)塊部分井采用以空氣為循環(huán)介質(zhì)的旋沖鉆井工藝,較常規(guī)工藝井機(jī)械鉆速提高了4～6倍。

2.4 針對(duì)鉆井設(shè)備不配套的問(wèn)題

2.4.1 配備單機(jī)泵組,提高水力能量

鑒于目前用于煤層氣井的鉆井設(shè)備配備的鉆井液泵排量普遍較小,可另配一套滿足大井眼施工要求的單機(jī)泵組,正常鉆進(jìn)采用單機(jī)泵組,取心作業(yè)時(shí)采用原鉆井液泵。

2.4.2 增加必要的固控設(shè)備

地面循環(huán)不能清除鉆井液中的固相,不利于鉆井液性能的維護(hù),不利于儲(chǔ)層保護(hù),而配備全套的四級(jí)固控也不現(xiàn)實(shí),一是增加了鉆井成本,二是場(chǎng)地也不允許。因此,需要根據(jù)煤層氣鉆井的特點(diǎn),研究相適應(yīng)的煤層氣鉆井固控設(shè)備配備方案。

3 建議

煤層氣鉆井既不同于巖心鉆探鉆井,也區(qū)別于常規(guī)油氣鉆井,需要開(kāi)展有針對(duì)性地研究和探討。就提高煤層氣鉆井效率而言,建議開(kāi)展以下幾方面的研究工作:

1)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)適用于`152.4 mm井眼的煤層氣井專用繩索取心工具。

2)開(kāi)發(fā)保護(hù)儲(chǔ)層的鉆井液體系。重點(diǎn)是非滲透鉆井液體系的應(yīng)用研究。

3)優(yōu)選鉆井工藝。重點(diǎn)是不同循環(huán)介質(zhì)下旋沖鉆井工藝的應(yīng)用研究。

4)完善鉆井設(shè)備。重點(diǎn)是鉆井液泵和固控設(shè)備配套方案的研究。

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Techn iques of im proving the dr illing efficiency of coalbed methane gas wells

Wang Yanqi
(Engineering Design Research Institute of East China Petroleum Bureau,Sinopec Group,N anjing,Jiangsu 210031,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.64-66,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The exp lo ration and p roduction of CBM requires a high efficiency and a low cost in CBM drilling.A t p resent,a low drilling efficiency fo r the CBM wells,especially the exp lo ratory wells and strat test wells,has become one of the bottlenecks impeding the p rocess of exploration and development.Based on analysisof the reasons leading to a low efficiency in CBM drilling,a discussion was made focusing on technical imp rovement from many aspects including simp lifying the well structure,developing a drilling fluid system to p rotect the reservoirs,op timizing drilling techniques,and imp roving drilling equipments,etc.Hereby,the technicalmeasures were put forward as follow s:①Special w ireline coring tools were developed for the CBM wells w ith the diameter of 152.44 mm,so as to reduce the borehole by one level from the p revious diameter of 215.9 mm.②A drilling fluid system was studied and developed to p ro tect the upper well wall and reservoirs and meet the requirement of obtaining the coal bed parameter;Thus,the intermediate casing could be omitted and the p revious three-level casing work could be simp lified as a two-level one;③The percussion drilling technique was popularized w ith different cyclingmedium.④A single pump set and solid control deviceswerewo rked out to be in line w ith the CBM drilling equipments.Besides,the follow ing p roposals were also p resented for further studies on how to enhance the drilling efficiency of CBM wells:the well structure to be op timized,favo rable drilling fluids to be developed fo r the p rotection of reservoirs,the drilling technology to be op timally selected,and drilling equipments to be comp leted.

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中國(guó)石化華東分公司油氣田開(kāi)發(fā)先導(dǎo)項(xiàng)目“煤層氣鉆井完井技術(shù)研究”(編號(hào):G1409-08-KK-0110)。

王彥祺,1962年生,高級(jí)工程師;1989年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué);主要從事鉆井工藝技術(shù)研究工作,現(xiàn)任中國(guó)石化華東石油局工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究院副院長(zhǎng)。地址:(210031)江蘇省南京市浦口區(qū)新馬路182號(hào)。電話:(025)58859460,13655170866。E-mail:hdjgcyw yq@sina.com

王彥祺.提高煤層氣井鉆井效率的工藝技術(shù).天然氣工業(yè),2010,30(6):64-66.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.017

2010-02-23 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.017

Wang Yanqi,bo rn in 1962,senio r engineer,graduated from China University of Geosciences in 1989.He has been engaged in research of drilling technology.

Add:No.182,Xinma Rd.,Pukou District,Nanjing,Jiangsu 210031,P.R.China

Tel:+86-25-5885 9460 Mobile:+86-13655170866E-mail:hdjgcyw yq@sina.com