煤層氣井鉆井工藝及完井技術適應性研究

涂 乙 涂 輝 臧真霞

(1.中國石油大學 (北京)石油工程學院,北京 102249;2.四川科宏石油天然氣工程有限公司,四川 643000)

在煤層氣勘探和開發過程中,由于各種不合適的鉆、完井工藝會對煤層氣井儲層造成很大傷害,影響煤層氣的產出量,對后續的補救措施也會帶來很大的麻煩,從而嚴重影響最終的采收率,因此,有必要針對煤層氣井儲層特征,進行鉆井工藝和完井技術適應性研究和探討,選出有效的鉆井和完井工藝措施,加強儲層的保護,避免或者減小對儲層的傷害,這對提高煤層氣井產氣量具有很實際的意義。

1 鉆井工藝優選方案

鉆井過程中誘發煤層氣損害的根源是鉆井液,趙慶波、楊勝來等通過研究認為,其對煤層的傷害主要為以下幾個方面：(1)鉆井液中固相顆粒對煤層的損害;(2)煤與鉆井液中的高分子聚合物相互作用產生的堵塞; (3)煤基質吸附膨脹造成的損害;(4)壓力敏感性對煤層的損害。

據對儲層傷害研究分析得到,低壓鉆井工藝是一種相對于常規鉆井方法來講,其液柱壓力較低的鉆井方法,但其值或小于 (欠平衡)或等于 (平衡)、或略大于 (微過平衡)地層壓力;也就是說鉆井流體可以是水、油基鉆井液,或是氣基流體。其優點在于：能使煤層處于受低壓的解放狀態,從而有效地降低了壓差,減少了鉆井液中有害物質侵入煤層的機會,有利于保護煤層氣儲層。從保護儲層的角度來考慮,在鉆井過程中應采用既能降低傷害,又具有抑制濾液類型的鉆井液。屬于這種鉆井工藝的鉆井技術有：欠平衡鉆井即氣體和霧化鉆井、清水、泡沫鉆井、邊噴邊鉆和微過平衡鉆井。

1.1 欠平衡鉆井

1.1.1 氣體和霧化鉆井

據油田實踐經驗可知,氣體和霧化鉆井常用于干旱缺水和漏失地區,在使用空氣、霧化空氣或泡沫進行鉆進時,由于空氣循環使煤層氣儲層很少能接觸到固體顆粒和化學添加劑,而且對煤層施加的靜水壓力也是最小的,故可有效地保護煤層氣儲層。

1.1.2 清水鉆井

據理論分析研究顯示,在用鉆井液來控制地層壓力,優先使用產出的地層水或者加有少量膨潤土提高粘度的清水,使用這種清水作為鉆井液,能夠降低鉆井過程中的壓差和成本,可減少儲層中的礦物質的化學反應及粘土顆粒的膨脹,從而降低對儲層的傷害。

1.1.3 泡沫鉆井

泡沫流體一般分為硬膠泡沫和穩定泡沫。前者是由氣體、牯土、穩定劑和發泡劑配成的穩定性比較強的分散體系;穩定泡沫是指空氣、漉體、發泡劑和穩定劑配成的分散體系。硬泡沫用于需要泡沫壽命長,攜屑能力強的場所。該鉆井液是在普通低固相鉆井液中加入發泡劑與穩定劑配置的鉆井液體系,其密度在0.8～1.10g/cm3之間可調,成本低,濾失量低等,能有效地保護煤層氣儲層。

1.1.4 邊噴邊鉆

上述氣體型鉆井液及相應鉆井技術多用于地層壓力較低的油氣藏,在鉆井過程中,井口回壓一般均較低。而對于地層壓力較高的油氣藏,如地層壓力系數大于1.0,為了實行欠平衡壓力鉆井,則可以采用非氣體型鉆井液,只是控制當量循環鉆井液密度低于地層壓力系數即可。這種情況下的井口回壓有時可能較高。

1.2 微過平衡鉆井

據調研相關資料了解到,采用液相鉆井液進行鉆井時,如果采用欠平衡鉆井,或者采用平衡壓力鉆井,會出現鉆井液無法在孔壁上形成泥餅情況、從而導致鉆井液在地層內失水量的增加和固相的侵入,所以存在一最小過平衡壓力,其定義為鉆井液能在井壁上形成泥餅時的鉆井液液柱壓力,其大小與鉆井液的流變性和特定現場條件有關,可以利用室內所測的鉆井液流變性和模擬特定現場條件下的巖心動失水試驗數據確定。在這一過平衡壓力下的鉆井工藝稱為微過平衡鉆井工藝。

2 煤層氣常用完井方式分析研究

煤層氣完井技術是煤層氣開發中的關鍵技術之一。根據煤層性質,合理選擇完井和井底連通參數,加強完井作業中對煤層的保護、降低煤層傷害,有利于延長煤層氣井的生產時間,提高煤層氣井產量。

據王璽研究發現對儲層造成傷害的因素有：(1)水泥顆粒對煤層割理和孔隙的堵塞;(2)水泥漿濾液對煤層的傷害;(3)水泥漿液柱與煤層之間的壓力差;(4)射孔作業對煤儲層的傷害等。

2.1 裸眼洞穴完井

裸眼洞穴完井方式 (圖1)是在裸眼完井的基礎上發展起來的一種獨特的煤層氣完井方式。在較高的生產壓差作用下,利用井眼的不穩定性,在井壁煤巖發生破壞后允許煤塊塌落到井筒中,進而形成物理洞穴 (自然裸眼洞穴完井)。采用先期裸眼完井,避免了固井、射孔等作業對煤層的傷害,為在鉆開煤層時采取保護煤層的措施提供了良好的井眼條件,同時節約了套管和水泥。

圖1 裸眼洞穴完井示意圖

將技術套管鞋下入頂板內,管鞋與煤層的距離為1～2m,且越靠近煤層越好。技術套管直徑不小于177.8ram,鉆頭尺寸要保證與技術套管之間有足夠的水泥環厚度,從而保證技術套管固井質量。

現場實踐發現,裸眼洞穴完井具有良好的遠期經濟效益。裸眼洞穴完井僅從完井作業或強化增產措施方面評價,成本的確相對較高,但從總投入與產出比分析,洞穴完井的相對成本較低。在煤層氣富集區域,成功的裸眼洞穴完井可以使產量成倍地增加。

2.2 動力洞穴完井

人工施加壓力 (從地面注氣),使井壁煤層發生破壞,再清除井底的煤粉,進而形成物理洞穴(動力或人工洞穴完井)。

圖2 動力洞穴完井地面流程

動力洞穴完井工藝技術 (圖2)從鉆井、完井、排水采氣的整個工序過程與其它完井方法相比,具有不進行單相注入/壓降試井和壓裂等措施就可以達到單井面積降壓、恢復和提高煤層滲透率等優點。該工藝方法同樣適用于煤層割理發育,物性較好、封蓋條件好、厚度大、含氣量及解吸率高的中低揮發份 (中高煤階)的煤巖儲層。局限性在于洞穴完井工藝成功需要高滲透率、超壓和高揮發份煙煤階幾種條件的結合。

位于山西臨縣程家塔鄉后南裕村的LX20001井使用這種完井技術,其煤層通過人工造穴后,其滲透率比造穴前提高了近8.2倍,證明動力洞穴完井工藝是可取的。目前美國的圣胡安盆地有不少成功的經驗及實例,我國雖然在幾個地區也陸續進行過試驗,但尚未進入大規模實戰階段,預計在今后的煤層氣勘探及開發領域中,會更多的使用這種技術。

2.3 套管射孔壓裂完井

美國大多數西部煤層盆地的煤層氣井都是采用下套管并壓裂的鉆井工藝 (圖3),下套管完井工藝可以避免裸眼完井工藝所帶來的問題。其主要優點是可對不同的煤層實行單獨的完井鉆,井時不會出現井壁不穩定問題,使用鉆井液鉆井時可對大規模的水侵和氣侵進行有效控制。

圖3 射孔壓裂完井方式

國內98%的煤層氣井采用套管射孔壓裂完井,但壓裂液選擇不當則會造成煤孔隙的堵塞。對像中國這樣的低壓煤層氣儲層用泡沫壓裂液就非常合適,可以達到快速返排的目的。根據國內沁水盆地南部主力煤層實施的泡沫壓裂試驗結果,泡沫壓裂效果比較好,返排快,產氣相對較高,壓裂成本高。

獲得高產的原因是在煤層人工形成裂縫,從而增大了滲流面積、改善了滲流方式,人工形成的長裂縫有利于煤層深處甲烷氣解析并流到井筒中去。

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