注氣欠平衡技術(shù)在煤層氣單分支水平井鉆井中的應(yīng)用

強(qiáng)明宇

摘 要：隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略的調(diào)整，煤層氣作為清潔能源的地位也得到了提升，煤層氣開發(fā)進(jìn)程逐步加快。隨著進(jìn)入煤層開發(fā)后期，儲(chǔ)層壓力下降，鉆井過程中的井漏及儲(chǔ)層保護(hù)等問題凸顯，因此，注氣欠平衡技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文主要以沁水盆地東緣某區(qū)塊為例，結(jié)合該煤層實(shí)際條件，詳細(xì)介紹了注氣欠平衡設(shè)備、工藝參數(shù)、作業(yè)流程等各項(xiàng)內(nèi)容，并分析了注氣欠平衡技術(shù)在煤層氣鉆井中的影響，為同類工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：注氣欠平衡技術(shù)；煤層氣；單分支水平井；鉆井應(yīng)用

0 引言

煤層氣，俗稱“瓦斯”，是煤礦事故多發(fā)的主要原因之一。通過地面抽采將煤層氣加以利用，既實(shí)現(xiàn)了礦井作業(yè)安全，又促進(jìn)了能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整；相比于以往的煤層氣直井和U型井而言，單分支水平井具有占地面積少、鉆井成本低、利于后期排采、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，因此在近年來煤層氣開發(fā)過程中越來越多的被采用，注氣欠平衡技術(shù)也得到了更廣泛的應(yīng)用。

1 鉆遇地層特點(diǎn)

該區(qū)塊位于沁水盆地東緣，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，整體上為一西傾的單斜構(gòu)造。目標(biāo)煤層為山西組3#煤層，鉆遇地層由上至下依次為新生第四系（Q）；上二疊統(tǒng)上石盒子組（P2s）；下二疊統(tǒng)下石盒子組（P1x）、山西組（P1s）；缺失上二疊統(tǒng)石千峰組（P2sh）、中生界三疊系（T）、新生界第三系（N）。受開發(fā)過程中排水降壓影響，目前3#煤層儲(chǔ)層壓力系數(shù)為0.2-0.6，煤層厚度在5-8米，含有1層夾矸，埋深300-350米。

2 井身結(jié)構(gòu)

以某井為例，井型為單分支水平井，主要目的是及時(shí)獲得煤儲(chǔ)層物性參數(shù)，進(jìn)而為該區(qū)域煤層開發(fā)提供相應(yīng)的參考依據(jù)。該井目標(biāo)層位3#煤層，煤層厚度6米，設(shè)計(jì)煤層段進(jìn)尺1500米。

一開采用Φ311毫米鉆頭，下入Φ244.5×8.94毫米表層套管，固井水泥返至地面。二開采用φ215.9毫米的鉆頭鉆至著陸點(diǎn)，下入φ177.8×8.05毫米技術(shù)套管，固井水泥返至地面。三開采用φ152.4毫米鉆頭鉆至完鉆井深，最終采用Φ89毫米玻璃鋼篩管完井。

3 注氣欠平衡技術(shù)

3.1 注氣設(shè)備

與傳統(tǒng)U型井注氣采用洞穴井油管帶封隔器的方式不同[1]，單分支水平井采用氣液同注的方式，即鉆井液和壓縮空氣同時(shí)從鉆機(jī)立管進(jìn)入鉆具水眼，經(jīng)過鉆頭后進(jìn)入井眼環(huán)空，井口裝置需使用旋轉(zhuǎn)防噴器。

進(jìn)行實(shí)際作業(yè)時(shí)，使用一臺(tái)空壓機(jī)、一臺(tái)增壓機(jī)和生產(chǎn)注入系統(tǒng)配套設(shè)備，另需準(zhǔn)備一套空壓機(jī)與增壓機(jī)備用。具體如表1所示。

3.2 工藝參數(shù)選擇

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)[2]，當(dāng)環(huán)空注氣壓力一定時(shí)， 井底欠壓值隨鉆井液排量的增大呈單調(diào)遞增變化關(guān)系， 且環(huán)空注氣量越大， 井底欠壓值越小； 不同環(huán)空注氣壓力條件下， 在井底形成的欠平衡效果差異較大， 當(dāng)環(huán)空注氣量一定時(shí)， 環(huán)空注氣壓力越高、越接近煤儲(chǔ)集層壓力， 注氣效果越好， 井底欠壓值隨鉆井液排量變化越穩(wěn)定。

為取得最好的欠壓效果，同時(shí)考慮井壁穩(wěn)定性，控制注氣壓力3～4MPa，注氣量在20～30m3/min時(shí)，泥漿泵排量控制在13～15L/s，轉(zhuǎn)速控制在40～60r/min，鉆壓控制在30～60kN。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該井二開中完井深476米，安裝井口后，組合鉆具D152.4mm bit+D120mm Motor（1.5°）+Float Valve Sub+EM-MWD Assembly+ D89mmDP，鉆水泥塞后循環(huán)清理水泥。

進(jìn)入裸眼后，初始按照鉆井液排量12L/s，氣體排量14m3/min的參數(shù)試鉆進(jìn)，觀察返砂、鉆速、扭矩、馬達(dá)等工作情況，無異常，逐步提高注氣量至20m3/min，提高鉆井液排量至14L/s，鉆壓40～50kN，轉(zhuǎn)速50r/min，EM-MWD儀器監(jiān)測(cè)環(huán)空ECD為0.65，觀察振動(dòng)篩處無明顯井壁垮塌現(xiàn)象，說明當(dāng)前參數(shù)選擇得當(dāng)。

若鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)輕微的坍塌掉塊，需采取控制鉆速或提高泵排量方式，循環(huán)觀察。也可進(jìn)行劃眼觀察，劃眼時(shí)要堅(jiān)持“進(jìn)一退二”的原則，防止卡鉆；同時(shí)適當(dāng)減少注氣量。

接單根之前，循環(huán)活動(dòng)鉆具上提下放正常后、停止注氣，當(dāng)不含氣的泥漿循環(huán)到上部鉆具單流閥的底部，停泵、此時(shí)打開注氣管線上的泄壓閥卸掉供氣管線的氣體。立壓為零，關(guān)閉節(jié)流閥，開始接單根。

接單根操作程序：循環(huán)→停止注氣（開泄壓閥） → 循環(huán)→上提鉆具→停泵（停泵后立壓為零）→關(guān)閉井眼環(huán)空（關(guān)節(jié)流閥）→卸扣→接單根→開節(jié)流閥→循環(huán)（注氣）打磨接頭→鉆進(jìn)。

接好單根后先開泵觀察，建立循環(huán)并返出穩(wěn)定后關(guān)住氣體管線的泄壓閥開始注氣循環(huán)3min左右達(dá)到最佳氣液比后恢復(fù)鉆進(jìn)。一旦停止鉆進(jìn)，就必須停止注氣，之后再關(guān)泵。

該井最終完鉆井深1950米，水平段進(jìn)尺1479.2米，煤層鉆遇率95.4%；在鄰井采用清水鉆進(jìn)水平段期間，受區(qū)內(nèi)斷層影響，井下持續(xù)發(fā)生漏失，漏速約15～25m3/h。但該井水平段施工過程中，由于采用了注氣欠平衡技術(shù)，未出現(xiàn)漏失情況，也進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)具有降低井底循環(huán)當(dāng)量密度、防止井漏等作用。

4 投產(chǎn)效果

該井已經(jīng)安裝了射流泵及配套地面裝置等排采設(shè)備，并正式投入到實(shí)際抽采作業(yè)中。數(shù)據(jù)顯示，投產(chǎn)初期日產(chǎn)氣量可達(dá)到14000m3，目前均衡產(chǎn)氣量在8000m3，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿ΑＳ纱丝梢姡馇菲胶饧夹g(shù)能夠有益于儲(chǔ)層保護(hù)，對(duì)提高采收率、縮短回報(bào)周期有著一定的幫助。

5 結(jié)束語

沁水盆地屬于高煤階煤層，煤層質(zhì)脆，割理發(fā)育，是煤層氣富集區(qū)，儲(chǔ)量較大，物性較好，是煤層氣開發(fā)示范區(qū)塊。單分支水平井憑借其自身優(yōu)勢(shì)，在該區(qū)塊得到了成功應(yīng)用，配合注氣欠平衡技術(shù)，能夠有效緩解水平段井下漏失、降低對(duì)煤層的污染。在施工前，應(yīng)對(duì)注氣工藝進(jìn)行模擬分析，選取合適的施工參數(shù)；在施工過程中，需精細(xì)、平穩(wěn)操作，降低壓力激動(dòng)給井壁穩(wěn)定帶來的影響。