煤層氣多分支水平井技術探討

劉志強 胡漢月 劉海翔 史兵言

(中國地質科學院勘探技術研究所,河北 065000)

1 前言

近年來,隨著能源形勢的日趨嚴峻,煤層氣的開采利用逐步得到國家重視,但受技術、政策、產權、并網等條件限制,到目前為止,我國煤層氣產業仍處于產業化初期,開發利用遠不能滿足需要。“十一五”規劃曾經提出,到2010年,我國瓦斯利用率要達到60%以上,而目前僅達到30%左右,業內專家指出,要實現我國煤層氣的大規模開發,急需對適合我國特殊地質條件的鉆井、完井、排采等關鍵技術進行攻關,否則,我國煤層氣產業化開發只能求助于國外技術,從而增加大量的開采成本。

2 國內外煤層氣開發利用現狀

美國是世界上開采煤層氣最早的國家,也是率先實現煤層氣商業化開發的國家,其煤層氣的開發利用無論在技術方面還是在產業化方面處于世界領先水平。20世紀初美國就開始在井下開采煤層氣,從70年代末到80年代初,美國通過采前預抽和采空區井抽采回收煤層氣,并開始進行地面開采煤層氣試驗,1997年,其產量達320億m3,基本形成產業化規模。

加拿大煤層氣開發比較晚,但多年來政府一直支持煤層氣的發展,一些研究機構根據本國以低變質煤為主的特點,開展了一系列技術研究工作,例如多分支水平井、連續油管壓裂等技術方面取得了進展,從而降低了煤層氣開采成本。

澳大利亞以及俄羅斯等國在煤層氣開發和利用等方面均領先于我國。

我國煤層氣地質研究始于20世紀80年代,經過20多年的地質研究和勘探實踐,在煤層氣成因、儲層特性、成藏、區域展布規律、控氣地質因素等方面均取得顯著進展,初步形成了一套煤層氣富集地質理論和選區評價技術,20世紀90年代初開始研究煤層氣地面勘探開發技術,經歷了十幾年來對國外技術設備的引進、消化、吸收和發展,也取得了實質性的進展。由于我國在煤層氣開發利用方面的研究起步比較晚,許多關鍵技術問題尚待解決,因此我國煤層氣的開發利用仍處于初級階段,完成煤層氣產業化還有較長的路要走。

3 煤層氣多分支水平井技術的優點

當前開發煤層氣一般采用排水采氣法,通過抽排煤層中的承壓水,降低煤層壓力,使煤層中吸附的甲烷解吸出來,但是煤層氣井的產量一般較低,為了提高煤層氣井的產量,通常都要采取一些增產措施。常用于煤層氣增產的技術有：水力壓裂改造技術、煤中多元氣體驅替技術和多分支水平井技術等。我國的煤層氣藏具有低滲、高壓、低飽和、構造煤發育、煤儲層具有強烈的非均質性等地質特征,因此不適合采用水力壓裂改造技術,而煤中多元氣體驅替技術盡管效果非常好,但是成本高,從經濟角度考慮不太適用。煤層氣多分支水平井是一種新的煤層改造技術,優點是效果好成本低,在一些特定煤層中可以取得其它方法無法比擬的開發效果。因此多分支水平井技術日益受到國內外專家的重視,也受到各個煤層氣勘探開發公司的青睞。

4 煤層氣多分支水平井開采原理

煤層氣多分支水平鉆井是集鉆井、完井與增產措施于一體的新的鉆井技術。所謂多分支水平井是指在一個主水平井眼兩側再側鉆出多個分支井眼作為泄氣通道,同時為了滿足排水降壓采氣的需要在距主水平井井口200m左右處鉆一口直井與主水平井眼在煤層內連通,用于排水降壓采氣 (圖1)。主水平井眼的一開鉆表層,并下表層套管封固地表易漏地層;二開鉆至著陸點 (見煤點),下入套管封固煤層段以上地層;三開鉆主水平井眼和分支井眼,不下套管,裸眼完井。與常規直井的鉆井、射孔完井和水力壓裂增產技術相比,多分支水平井開采煤層氣的主要增產機理體現在以下幾個方面：(a)提高了導流能力。壓裂的裂縫無論長度多長,流動的阻力都是相當大的,而水平井內流體的流動阻力相對于割理系統要小得多。分支井眼與煤層割理的相互交錯,煤層割理與裂隙更暢通,就提高了裂隙的導流能力。(b)減少了對煤層的傷害。常規垂直井鉆井完鉆后要固井,完井后還要進行水力壓裂改造,每個環節都會對煤層造成不同程度的傷害,而且煤層傷害很難恢復。采用多分支水平井鉆井完井方法,避免了固井和水力壓裂作業,而且水平井段采用清水、欠平衡鉆進避免了對煤層的傷害。(c)增大解吸波及面積,溝通更多割理和裂隙。多分支水平井在煤層中呈網狀分布,將煤層分割成很多連續的狹長條帶,從而大大增加煤層氣的供給范圍。已有的實踐證明,多分支水平井對各項異性明顯的煤層,煤層厚度較大且相對穩定的煤層,高煤階、低滲透、高強度和高含氣量煤層氣藏更適合。

圖1 煤層氣多分支水平井示意圖

5 煤層氣多分支水平井技術難點

煤層氣多分支水平井集成了水平井與洞穴井的連通、鉆水平分支井眼、充氣欠平衡鉆井和地質導向鉆井技術等,是一項技術性強、施工難度高的系統工程。同時為了保持煤層的井壁穩定,煤層段一般采用小井眼鉆進 (φ152.4mm井眼),因而對鉆井工具、測量儀器和設備性能等方面都提出了新的要求。

煤層氣多分支水平井面臨的主要難點可概括為如下幾點：

(1)煤層可鉆性好,鉆速快,但同時又存在大量的裂縫和割理,從而破壞了煤系地層的完整性。因此,在煤層中進行定向鉆井和水平鉆井,井眼軌跡不易控制。如何使井眼軌跡準確實時控制達到預先設計好的目標區,難度較大;

(2)一般情況下,煤系地層均存在大量割理和裂縫,容易造成煤層破碎和垮塌。而且煤層易受污染,儲保護難度大。因此,采用常規的鉆井泥漿不易維護孔壁穩定和保護儲層;

(3)煤層埋藏通常都比較淺,而水平分支井眼都比較長,一般在1000米以上,因此鉆壓難以滿足要求,同時鉆水平分支井眼時鉆柱易發生疲勞破壞。

(4)煤層氣多分支水平井工藝屬于鉆井新工藝,涉及到許多新式鉆井工具和儀器,例如用于兩井連通的電磁測量裝置、小尺寸的地質導向工具和高效減阻短節 (AG-itator)等,目前有些裝備和儀器在國內仍屬空白。

6 煤層氣多分支水平井關鍵技術

6.1 井身結構和井眼剖面優化設計

煤層氣多分支井的井身結構設計與常規油氣井的設計略有區別,需考慮水平井與洞穴井的連通、后期的排水采氣和煤層的井壁穩定等因素。水平分支井通常采用的井身結構為：φ244.5mm表層套管+φ177.8mm技術套管+φ152.4mm主水平井眼 (裸眼)+φ152.4mm分支水平井眼,洞穴井的井身結構一般為：φ244.5mm表層套管+φ177.8mm技術套管 (煤層頂板)+裸眼段 (包括口袋)。

進行井身結構設計和井眼剖面設計時,還需考慮以下幾點因素：

(1)盡可能選擇軌跡長度短的軌道,減少無效進尺,既可以降低鉆井成本,也可以減少施工風險,同時應盡量縮小可鉆性較差的地層進尺,盡量避開研磨性較強的地層和破碎易坍埸的地層;

(2)由于煤層氣多分支水平井垂直井段短,而水平段較長,一般在800m以上,鉆柱能提供的鉆壓是有限的,所以在多分支水平井井身剖面設計中,要使所設計的井眼軌跡滿足滑動鉆進時的工況要求;

(3)由于煤層承壓強度低,技術套管一定不能下到煤層中,防止固井時將煤層壓裂,導致后續鉆進過程中的井壁坍塌;

(4)為了在洞穴井井底造洞穴,井底必須留有合理容量的口袋。口袋留深以不揭開下部含水層為基本原則,應優先考慮增大口袋留深。

6.2 井眼軌跡控制技術

定向井的井眼軌跡參數主要為：井深、井斜角、方位角、垂深。多分支井的垂直段重點是控制井斜,一般采用塔式鉆具組合,如果出現井斜則采用鐘擺鉆具進行糾斜。造斜井段一般采用“導向鉆具+MWD”的定向造斜鉆具組合,通過連續滑動鉆進的方式實現增斜、降斜,通過旋轉鉆進方式實現穩斜。水平段及分支井采用“導向鉆具+LWD”的地質導向鉆具組合,利用LWD隨鉆監測到的自然伽瑪、電阻率參數對鉆遇地層實時監測,并調整鉆孔軌跡始終沿煤層鉆進。為提高鉆進速度,在導鉆鉆具組合中經常使用高效減阻接頭等輔助器具,減阻接頭由本體、上下擋環和防磨套組成,本體隨鉆柱旋轉而防磨套不轉,本體和防磨套之間、防磨套和上下擋環之間設有磨擦副。高效抗磨減阻接頭可解決大位移井、深井或大斜度井套管磨損和扭矩過高的技術難題。

由于煤層可鉆性好,鉆速快,單層厚度薄 (3～6m),所以井眼軌跡控制難度較大。煤層氣分支水平井鉆井施工過程中,既要實現連續鉆井連續控制,提高井眼軌跡控制的精度,使井眼軌跡圓滑,加快鉆井速度,同時又要避免井眼軌跡出現較大的曲率波動。鉆井中盡量避免大幅度變動下部鉆具組合結構、尺寸和鉆進參數,并控制機械鉆速在一定范圍內變化,防止井眼出現小臺肩現象。從而避免井下坍塌、起鉆困難、鍵槽卡鉆等復雜施工。

6.3 煤層造洞穴技術

為了實現水平井與洞穴井在煤層中成功對接并且建立氣液通道,需要在洞穴井的煤層部位造一洞穴,洞穴的直徑一般為0.7～1.6m,高為2～4m。目前主要有水力造穴方式、機械工具造穴方式和爆破造穴方式。

水力射流造穴法利用了高壓水射流破碎巖石的能力,施工中用鉆具把特殊設計的水力射流裝置送入造穴井段,開泵循環,使循環鉆井液在經過小噴嘴時產生高壓水力射流,破壞煤儲層,形成洞穴。機械工具造穴利用機械切削的原理,用鉆具把特殊設計的機械裝置送入造穴井段,然后通過液壓控制方式使造穴工具的刀桿張開,并在鉆具的帶動下旋轉,切削儲層,形成滿足實際需要的洞穴。

中國地質科學院勘探技術研究所經過多年的技術研究,開發了一種具有獨立知識產權的機械式造洞穴造頭 (圖2),基本原理如下：鉆頭在使用時,通過壓縮空氣或高壓水推動桿件的上盤,桿件上盤壓縮彈簧向下運動,而桿件上的齒條帶動擴孔刀翼上的齒輪轉動,使擴孔刀翼張開,實現擴孔鉆進;當鉆進結束后,停止送空氣或水,在回位彈簧的作用下帶動桿向上運動,擴孔刀翼收攏,可進行加尺或提鉆。

圖2 機械式造穴工具

遼河石油管理局研究成功爆破式造穴工藝,并取得發明專利。該工藝方法主要由洞穴爆破成形、洞穴形態檢測,撈屑三部分組成。實施爆破造穴之前,需要制定完善的施工風險消減措施,并充分做好施工前的一切準備工作。該工藝方法的造縫功能顯著,同時具有規模可控,速度快,周期短,成本低等優點。

6.4 水平井與洞穴連通技術

兩井連通過程中采用的技術為近鉆頭電磁測距法,國外通常稱為Rotating Magnet Ranging Service,英文縮寫為 RMRS,目前RMRS技術在CBM井、SAG D、控制井噴等領域得到廣泛應用。

基本原理：在垂直井中下入磁信號接收裝置,在水平井的導向鉆具組合中加入磁信號接收裝置(磁接頭),磁接頭與鉆頭一起旋轉時將發射磁信號,這時垂直井內的接收器就能接收到來自水平井磁發生裝置發出的磁信號,并將信號通過連接線纜傳送至地表,經信號解調后輸出至電腦,由電腦進行參數分析計算,最終計算出磁發生裝置與接收裝置兩點間的連線方位,垂直深度差和兩點當前距離。獲取當前鉆進參數后,可利用水平井中置于無磁鉆桿中的MWD系統,及時糾正方向,使其靠近靶點目標,并使水平井與垂直井最終連通。

圖3 近鉆頭電磁測距示意圖

由中國地質科學院勘探技術研究所自主研發的“‘慧磁’鉆井中靶引導系統”(圖3),已成功應用于生產實踐中。由該單位承攬的土耳其貝帕扎里天然堿礦三期工程,有23組井使用“慧磁”引導水平井中。

6.5 欠平衡鉆井技術

國內煤層普遍具有低壓、低滲的特點為,為了保護儲層,不宜采用常規的過平衡鉆井技術。目前適合煤儲層的鉆井液體系主要有充空氣鉆井液、泡沫流體、地層水和空氣。煤層氣多分支水平井采用的注氣方法主要有洞穴井井筒注氣法和油管注氣法(圖 4)。

圖4 油管注氣法

洞穴井井筒注氣法工藝簡單,成本低,適用于淺層煤層氣的開發。對于深層煤層氣的開發,由于洞穴井井筒體積較大,小的注氣量難以形成穩定的氣液兩相流,最后導致欠平衡工藝效果較差。所以垂深超過600m的井很少使用。

油管注氣法是一種實用的注氣方法,洞穴井完鉆后下入注氣油管和井下封隔器,然后壓縮氣體通過油管進入到水平井的環空,這種注氣方式適合在煤儲層較深的洞穴井中使用。即使在近平衡注氣的情況下 (注氣量很小),由于注氣油管直徑較小,壓縮空氣能在短時間內進入水平井環空,從而改善了氣液兩相流的均勻性,使欠平衡工藝更容易控制。另外油管注氣法容易實現欠值很小時的欠平衡作業,這樣對于煤層井壁的穩定性具有相當大的益處,從而實現了既保護煤層又安全鉆進的目的。

6.6 側鉆分支井眼技術

鉆分支井眼需要進行側鉆,石油鉆井進行側鉆通常有三種方式：水泥架橋側鉆、使用可回收式斜向器側鉆、懸空側鉆。

在煤系地層打水泥塞容易封堵煤層裂隙,使煤儲層遭到破壞,最重要的是水泥塞使主井眼和分支井眼喪失連通性。由于煤系地層比較松散破碎,可回收式斜向器在煤層中不容易固定,如果在鉆進分支井眼時需要提鉆,當鉆具再次下入時則不易找回分支井眼。因此前兩種側鉆方式不適用于煤層氣多分支井。而懸空側鉆方式工藝簡單,易于實現,還能節省大量輔助時間,因此它是煤層氣多分支水平井側鉆的首選,但必須注意以下幾點：

(1)進行側鉆之前一定要充分活動鉆具,在上提下放鉆具過程中將鉆柱中的扭力釋放;

(2)側鉆時采用滑動鉆進方式,一定要控制鉆井參數,機械鉆速一般控制在0.5～1.0m/h;

(3)側鉆時通常將工具面擺在以降井斜為主的位置,使井底鉆具在出新孔過程中始終能夠與井壁接觸;

(4)分支成功并鉆完一個單根后,需要反復劃眼幾次,以利于后續鉆進施工;

7 結論與建議

(1)應用多分支水平井開發煤層氣資源,受到煤層地質條件和分支井眼幾何形態等主控因素的制約,只有將二者有機結合并進行井身結構優化,才能發揮出多分支水平井的效率;

(2)加強煤層氣開發數值模擬技術的研究,開發數值模擬軟件。煤層氣數值模擬軟件刻畫了煤層氣解析、擴散、滲流的過程,通過數值模擬對煤層氣產能做出預測,為煤層氣開發方案設計提供參考;

(3)建立完善的煤層氣多分水平支井風險評估體系,包括煤層井壁穩定力學評價,斷層、煤階和地層傾角等儲層特性的影響評估等方法;

(4)進一步研發配套的煤層氣多分支水平井設計軟件和井下工具,包括煤層造洞穴工具、高效減阻接頭和電磁測距裝置等。

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