煤層氣井復合造穴技術研究及應用

蔣海濤 周俊然 董 穎 于懷彬 董趙朋

(中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院, 河北 062552)

1 概述

在煤層氣井開采中, 為了使煤層與井眼最大限度的連通, 解除近井地帶的污染, 增大井眼的有效半徑, 通常采用裸眼洞穴技術, 對煤層實施造穴。裸眼洞穴技術, 就是在裸眼完井后, 人為地在裸眼段煤層部位, 通過工具擴眼方式或者負壓方式, 形成一個穩定的煤層大洞穴; 同時消除可能已發生的煤層地層損害和在井眼周圍形成很大面積含有大量張性裂縫的卸載區, 提高井眼周圍割理裂縫的滲透性, 增大地層的導流能力, 使井眼與地層之間實現有效連通而達到增產的目的。渤海鉆探工程院經過多年的技術研究和開發, 研究開發出了一套安全高效的射流附加機械方式的復合造穴技術, 通過多口井的造穴現場試驗與應用, 形成了自主的系列射流造穴及機械造穴工具及配套復合造穴工藝, 取得多項技術突破, 為煤層氣高效開采提供了技術保障。

2 造穴技術現狀

目前, 在國內外煤層氣開采中, 采用的造穴技術主要有三種： 負壓造穴、水力射流造穴和機械工具造穴。負壓造穴技術, 一般采用一部經過特殊改造的鉆井或完井作業機穿透煤層, 通過配備的幾臺大功率的空壓機和旋轉頭以及地面復式管路系統,將大量空氣壓人井內, 通過多次的快速蹩壓和放噴, 造成劇烈的井內壓力激動, 使煤層崩落形成洞穴。水力射流造穴技術是采用水力射流的原理, 通過在鉆具下部連接特殊設計的水力噴射裝置, 使循環鉆井液在煤層產生水力射流沖割的作用, 形成一定的煤層洞穴。機械工具造穴技術一般是在原理上采用機械擴眼方式, 通過某種控制方式使造穴工具的刀桿張開, 并在鉆具的帶動下旋轉, 切削煤層形成滿足實際需要的洞穴。

從以上三種造穴技術的設備和工藝的復雜程度及其應用的效果來看, 負壓造穴技術所需的工藝設備最為復雜, 技術要求高, 操作難度大, 危險性大, 在目前的國內技術條件下安全性難于保證。水力射流造穴技術工藝和設備較為簡單, 但是, 根據目前水力射流的應用現狀, 還沒有可靠的計算方法可以確定這種射流到底能夠造出多大直徑的什么樣的洞穴, 因此, 在現場應用中, 水力射流造穴技術造出的洞穴遠遠不能滿足煤層氣開采對洞穴的大小要求。機械工具造穴技術相對來說工藝和設備也比較簡單, 而且對洞穴的大小能夠隨意控制, 從而滿足不同煤層氣開采的需要,但是,對于大直徑造穴,由于工具及其刀桿尺寸小、強度低,造穴過程中容易變形,導致因刀桿變形而無法起出井眼的事故。

表1 三種造穴方式優缺點對比

3 復合造穴技術

通過對三種裸眼造穴技術的優缺點的分析, 并結合國內外相關的研究成果和技術發展方向, 考慮到施工操作安全因素, 制定形成了煤層氣井裸眼復合造穴技術。煤層氣井裸眼復合造穴技術是一種水力射流+機械式造穴技術綜合應用形成的新型造穴技術。該技術工藝主要包括水力射流工具造穴、機械造穴工具造穴兩個階段, 施工中首先利用水力射流技術依靠高壓水射流破壞煤層, 降低煤層膠結強度, 在松軟煤層的同時形成不規則的洞穴, 然后利用機械造穴工具對造穴段煤層進行強制造穴作業,最終實現煤層洞穴。該復合造穴技術不僅解決了水力射流造穴難以滿足擴眼尺寸要求, 而且解決了大直徑機械造穴工具施工中極易發生工具變形的缺陷, 通過水力射流和機械式造穴技術的有效復合應用, 實現了煤層氣井造穴施工工藝的安全可靠, 保證了洞穴尺寸, 并可根據需要控制洞穴大小, 降低煤層氣井裸眼造穴作業風險, 提高煤層氣井裸眼造穴效率, 滿足煤層氣鉆井施工和高效開采的需要。

4 造穴工具

4．1 水力射流造穴工具

水力射流造穴技術是采用水力射流的原理, 通過在鉆具下部連接特殊設計的水力噴射裝置, 使循環鉆井液在地層產生水力射流沖割的作用, 在井眼周圍形成很大面積含有大量張性裂縫的卸載區, 降低煤層膠結強度, 在松軟煤層的同時形成不規則的洞穴。

水力射流造穴工具結構如圖1 所示, 主要由本體和噴嘴機構兩大部分組成, 其中噴嘴機構部分是采用高壓水射流的基本原理而設計的, 施工中用鉆具把射流擴孔工具送入所需擴孔、造穴井段, 開泵循環, 液流在經過小噴嘴時產生較大的射向井壁的水柱, 破壞井壁形成洞穴。

圖1 水力射流工具結構示意圖

4．2 機械造穴工具

為了滿足不同造穴直徑的需要, 我們研制出了兩種機械造穴工具, 一種是適用于1～2m 的超大直徑機械造穴工具, 其結構如圖2 所示; 另一種是適用于1m 以下的小直徑機械造穴工具, 其結構如圖3 所示。

圖2 大直徑機械造穴工具

大直徑機械造穴工具主要有上接頭、芯軸、本體、刀桿和連桿等組成, 其原理是利用水泥漿流過小孔產生的壓差, 作用在工具芯軸的活塞上產生下推力, 通過連桿的傳遞作用, 使切刀在切削地層的同時逐步張開, 造出需要直徑的洞穴, 并通過鉆具上提工具造出具有一定直徑和一定高度的洞穴, 達到有利于煤層氣開采的洞穴。

小直徑機械造穴工具主要有上接頭、芯軸、本體、推頭和刀桿等組成, 其原理也是利用水泥漿流過小孔產生的壓差, 作用在工具芯軸的活塞上產生下推力, 通過推頭的傳遞作用, 使刀桿在切削地層的同時逐步張開, 造出需要直徑的洞穴, 然后, 下放鉆具, 就像正常鉆井一樣, 在煤層鉆出具有一定直徑和一定高度的洞穴, 達到有利于煤層氣開采的洞穴。本工具工作能完成低泵壓、低排量條件先井眼造穴; 在井眼內起下容易; 打開和收回機構簡單、安全可靠; 施工工藝簡便。

圖3 小直徑機械造穴工具

5 復合造穴施工工藝

(1) 下入水力射流造穴工具, 對設定的需要造穴段進行水力射流作業, 完成射流造穴施工。

(2) 根據鉆井現場實際情況, 選擇確定機械造穴工具節流裝置噴嘴的大小和泥漿泵排量。

(3) 配接下井鉆具, 保證在最接近套管下端位置安裝滿眼扶正器, 并保證工具能夠下到造穴段的底部。

(4) 下入機械造穴工具, 實施機械造穴作業。本步根據應用的大直徑機械造穴工具和小直徑機械造穴工具的不同, 復合造穴施工工藝有所不同。

①大直徑機械造穴作業工藝

a. 下大直徑造穴工具到設計洞穴的底部, 緩慢開泵建立循環, 并緩慢轉動鉆具, 要時刻觀察鉆具扭矩表值, 如發現扭矩陡增, 必須立即調整鉆具轉速或泥漿泵排量, 以防損壞造穴工具刀桿機構,造成井下事故。

b. 按照調整好的排量和轉速, 進行造穴施工作業。

c. 觀察到鉆具扭矩顯著降低, 并持續一段時間, 緩慢上提鉆具, 扭矩增加到接近原值時, 停止上提鉆具并保持該上提力, 繼續造穴施工, 當再次觀察到鉆具扭矩顯著下降時, 再次上提鉆具, 使鉆具扭矩接近原值, 如此反復操作, 直到鉆具上提距離達到設計的洞穴的高度。

②小直徑機械造穴作業工藝

a. 下小直徑機械造穴工具到設計洞穴的頂部,緩慢開泵建立循環, 并緩慢轉動, 要時刻觀察鉆具扭矩表值, 如發現扭矩陡增, 必須立即調整鉆具轉速或泥漿泵排量, 以防損壞造穴工具刀桿機構, 造成井下事故。

b. 至沒有煤屑返出時, 下放鉆具, 如能產生鉆壓, 則按照調整好的排量和轉速, 控制鉆壓0．5～1t , 按照類似鉆進作業, 實施造穴作業, 直至造至設計洞穴底部。

(5) 停泵終止泥漿循環, 緩慢轉動鉆具, 并緩慢上提鉆具, 使造穴工具刀桿機構收回, 起出鉆具和造穴工具, 造穴作業完成。

6 現場應用

渤海鉆探工程院自進行煤層氣造穴技術研究以來, 形成了復合造穴理論基礎, 研制形成了系列造穴工具, 并自2009 年以來先后在F200V、鄭平05- 1V、鄭平3- 5V、鄭試平7 等多次成功進行了造穴工具的現場應用, 標志著已基本掌握了煤層氣井造穴技術。以下以鄭平05 - 1V 井造穴現場試驗為典型實例介紹應用情況。

(1) 鄭平05- 1V 井概況

2010 年4 月24 日, 在山西沁水縣盆地南部斜坡沁水煤層氣田鄭莊區塊鄭平05 - 1V 井試驗了水力射流外附加機械工具復合造穴工藝, 取得應用的成功。

鄭平05 - 1V 井鉆穿3#煤層底界以下60m 完井, 深度約830m, 下入D177．8mm 生產套管固井,注水泥封固至420m。在煤層段套管柱下入一根玻璃鋼套管, 便于后期造洞穴銑割套管, 要求玻璃鋼套管上端面超出煤頂不少于2m, 下端面位于煤底以下10cm。洞穴直徑不小于500mm。

(2) 施工過程

①配接導引鉆頭 (堵水眼)

②連接SL145 水力射流造穴工具井口試驗鉆具組合

③SL145 水力射流造穴工具井口試驗

管串連接后, 下鉆具組合至井口下15 米左右,緩慢轉動鉆具, 開泵建立循環并逐漸增大排量, 觀察排量在25L/s 時, 泵壓15MPa 不再上升, 可以判斷SL145 水力射流工具產生射流, 此時停泵。

④下SL145 水力射流造穴工具鉆具組合

⑤水力射流造穴工具SL145 造穴過程

鉆具組合下至預定井段805m, 緩慢轉動鉆具,開泵并逐漸增大排量至25L/s, 此時觀察泵壓升至15MPa 后, 基本保持穩定。此時, 泥漿有煤屑返出, 可以判斷水力射流造穴工具開始作業。保持25～28L/s 大排量循環并觀察泵壓表保持15 ～16MPa, 轉速10～15 轉/min; 20 分鐘左右返出煤屑明顯減少, 下放鉆具0．2m, 緩慢轉動鉆具, 開泵建立循環并逐漸增大排量。重復上述動作, 下放鉆具至設計洞穴頂部后, 水力射流造穴作業完成。

⑥換鉆具

水力射流造穴作業完成后, 循環通井, 停泵,上提鉆具, 卸下D152mm 鉆頭+D145mm 轉換接頭+D145mm 水力射流造穴工具, 安裝ZXQ145- 1000機械造穴工具+D121mmDc ×1 根+D88．9mm 方鉆桿。

⑦ZXQ145- 1000 機械造穴工具井口試驗

為了保證機械造穴工具井底作業的可靠性, 在井口做ZXQ145 - 1000 機械造穴工具的刀桿張開和收縮試驗。

⑧下ZXQ145- 1000 機械造穴工具鉆具組合

⑨ZXQ145- 1000 機械造穴工具造穴過程

將鉆具下到設計擴孔段底部, 保持鉆具高度位置不動, 緩慢轉動鉆具, 開泵建立循環并逐步增加排量至20L/s。注意隨時監測扭矩, 而后隨扭矩變化調整降低排量至15～20L/s, 轉速40 轉/min, 控制扭矩在3KNm 以內。

當扭矩下降并保持穩定時, 停泵, 停轉盤, 緩慢上提鉆具0．1m, 轉動轉盤, 轉速保持在40 轉/min, 開泵并保持排量15 ～20L/s, 控制扭矩在3KNm 以內, 繼續擴孔施工。每上提200mm, 重復上述操作, 直到鉆具上提距離達到設計的洞穴的高度。

⑩起出鉆具和造穴工具, 復合造穴成功。

(3) 應用效果

該井成功實施了SL145 水力射流+ ZXQ145 -1000 機械工具組成的復合造穴技術, 洞穴高度達到5 米, 造穴效率明顯提高。

7 結論

(1) 復合造穴技術是一種有效的煤層氣井裸眼洞穴造穴技術, 既能可靠地保證煤層氣井對洞穴的規則性及尺寸要求, 又能夠保證造穴施工的快速、安全。

(2) 從水力射流造穴工具以及機械造穴工具的現場使用可以看出, 所自主研發的造穴工具性能穩定可靠, 使用壽命長, 并可重復使用, 降低施工成本。

(3) 現場應用表明, 復合造穴技術具有造穴效率高、安全性高、現場操作簡單等特點, 能夠滿足各類煤層氣井造洞穴的要求, 為煤層氣的高效開發奠定了技術基礎。

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