煤層氣老井眼加深鉆井增加產能技術

張 慶 李 倩 祁空軍 張光波 賈慧敏 何軍

(中石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司,山西 048000)

我國煤層氣資源豐富，煤層氣開發始于20世紀90年代山西省沁水盆地,沁水盆地含煤層系主要是下二疊統山西組和上石炭統太原組，其中山西組3號煤層和太原組15號煤層是分布最穩定、單層厚度最大的煤層，是煤層氣勘探開發的主要目標層位。

華北油田從2006年開始在沁水盆地進行煤層氣資源規模開發。早期研究認為3號煤的地質特征及開發潛力優于15號煤層，因此只將3號煤作為主力開采煤層，以直井為主要井型進行規模勘探開發。鉆井通常僅鉆穿3號煤層，下入生產套管完井，進行單層開采，未將下部15號煤層鉆穿開采。經過近十幾年的煤層氣開發，早期投產的煤層氣井出現日產氣量持續下降、產能衰減的現象；同時煤層氣田周邊煤礦對3號煤層不斷采掘，井下瓦斯抽放，導致煤礦附近的煤層氣井產能短時間內衰竭，極大的影響煤層氣高產穩產和開發效益，這類煤層氣井面臨著封井廢棄的局面。

近幾年大量實驗測試、鉆井試采試驗、地震、測井等資料的研究使15號煤層的地質條件、儲層特征及開發潛力得到了進一步落實，開發15號煤煤層氣的經濟效益及開發價值得到了進一步肯定。

對于單采3號煤的產能衰竭井，可以采用老井眼加深鉆井增加產能技術開發利用15號煤層煤層氣資源，增加單井產能，提高單井產量。下面將對該技術進行詳細的分析和闡述。

1 產能衰減原因分析

華北油田早期煤層氣井均位于沁水盆地南部樊莊區塊，只鉆穿3號煤層進行生產，最高單井日產氣量可達到4000～5000m3，開發效果較好。隨著生產不斷深入，部分井出現產能衰減現象，嚴重影響單井的開發效益。經過分析研究，主要有兩方面原因：

(1)煤層氣采出程度高，產能衰減

樊莊區塊3號煤層煤層氣資源豐度為1.58×108m3/km2，平均每平方公里部署13口井，因此平均單井控制儲量為1215×104m3。隨著日產氣量不斷累積增加，煤層氣采出程度不斷升高，由于單井控制儲量是有限的，因此單井日產氣量逐漸下降，產能不斷降低直到衰竭。例如，H8-10井于2008年投產，最高日產氣量可達4500m3，經過10年的不斷開發，目前累計產氣量達到750×104m3，采出程度高達61.7%，目前日產氣量逐漸衰減至200m3，嚴重影響開發效益。

圖1 H8-10井生產曲線圖

(2)受煤礦采掘影響，產能衰竭

樊莊區塊南部有3個正在開采的煤礦，分別是隸屬于沁河能源的端氏煤礦、曲堤煤礦和隸屬于晉煤集團的坪上煤礦。該區塊鉆探的77%的煤層氣井的礦權與三個煤礦重疊。 隨著煤礦對3號煤層的不斷采掘，綜采工作面距離煤層氣生產井越來越近，煤礦瓦斯抽放孔對煤層氣進行抽排，導致煤儲層含氣量大幅降低，對煤層氣地面生產井產量影響巨大，當距離小于500m時，其影響更加顯著，煤層氣井產量在短時間內出現斷崖式下降，最終產能衰竭，失去開發價值。例如，D-063井距離煤礦采掘面邊界210m(圖2)，該井由于煤礦井下瓦斯抽放的原因，在兩周內日產氣量由5000m3衰減至0m3(圖3)。

圖2 D-063井與煤礦位置關系示意圖

圖3 D-063井生產曲線圖

樊莊區塊15號煤層具有分布較穩定，厚度適中(2.5～4m)，埋深較淺(500～800m)，含氣量高(19～24m3/t)的特點，可以作為3號煤層的接替資源。因此對樊莊區塊3號煤產能衰竭的老井采用老井眼加深鉆井增加產能技術，提高單井產量。

2 技術優點及選井原則

2.1 技術原理

老井眼加深鉆井增加產能技術是利用老井井眼，先用水泥封堵上部產能衰竭煤層，試壓確保施工安全后，鉆開水泥塞并繼續向下鉆穿下部潛力煤層，達到增加老井產能、提高單井產量、實現效益開發的目的。

2.2 技術優點

該技術主要有以下優點：①各施工階段工藝技術在常規油氣已有應用，工藝技術成熟、簡單；②樊莊區塊多為山地、林區等不利地形，井場施工難度大，而利用老井眼進行15號煤鉆井，只需要將原井場進行外擴，節約了井場建設費用。③3號煤及其上部地層已鉆開，節省鉆井費用和鉆井時間，同時能夠降低廢液、廢屑治理成本及污染風險。

2.3 選井原則

根據老井眼加深鉆井增加產能技術應用條件及原理，結合實際情況，在充分考慮經濟及技術因素的前提下，確定選井原則：①只鉆穿并開發3號煤層的煤層氣井；②3號煤層資源采出程度高或受周邊煤礦采掘影響，產量下降至效益開發水平以下；③15號煤層地質條件好，具有規模開發潛力。

3 加深鉆井實施步驟

3.1 準備工作

老井井眼進行加深鉆井之前，要做好資料調研工作，掌握老井井眼狀態及工程特征，同時對老井眼做好一系列必要的處理，在鉆井過程中避免復雜情況的發生，從而縮短鉆時，提高質量。

3.1.1 調研老井資料

搜集整理老井鉆井、測井、壓裂、排采等資料，充分掌握該井鉆井過程中是否出現過復雜情況，以及排采過程中是否出現套管變形、井下落物情況；落實該井開發層位、射孔井段以及壓力情況，為下步工作的開展奠定基礎。充分掌握老井井身結構及數據(如圖4)，以便為選擇合適的井下工具提供依據，如樊莊區塊老井表層套管外徑一般為244.5mm，生產套管外徑一般為139.7mm，可為下步鉆井確定鉆頭尺寸提供依據。

圖4 老井原井身結構示意圖

3.1.2 起出管柱并洗井

起出老井內排采管柱，對老井眼進行通井，保障井眼暢通無阻，方便下入管柱實施下步工序；下入沖砂管柱沖砂至原人工井底,實現充分洗井。

3.1.3 修整套變井段

經過長時間排采的直井，一般情況下會出現不同程度的套管變形，為使工序順利實施，需下入套管整形器修整變形套管，確保鉆井工具及生產套管能夠順暢通過。若井下有落物，需選擇合適的打撈工具對落物進行打撈。

3.1.4 填砂封層

老井3號煤層產能雖然衰竭，但煤層中仍會產出少量的煤層氣，鉆井中存在安全隱患；同時3號煤層經過壓裂和排采，裂縫發育，鉆井中易造成井漏。為防止3號煤層產出的煤層氣給后續施工帶來安全隱患，同時避免鉆井液侵入3號煤層造成井漏和污染，加深鉆井前需要先對原射孔井段炮眼進行封堵。向井內填入石英砂至3號煤層底界面以下2m處，下入注灰管柱向3號煤層擠注水泥灰漿，封堵炮眼，試壓合格后，才能實施下步工序(如圖5)。

圖5 老井填砂封層示意圖

3.2 實施加深鉆井

鉆井過程中為加快鉆井進度，保證井眼質量，將加深鉆井及擴眼鉆井分開進行，避免扭矩過大，拖壓嚴重，造成鉆井復雜。選好鉆井液，做好防塌、防漏工作，保障施工的順利開展。鉆進過程中實施巖屑錄井。

圖6 加深鉆井鉆穿15號煤層示意圖

3.2.1 加深鉆井

一般使用φ116mmPDC鉆頭實施加深鉆井，常用的鉆具組合為φ116mmPDC鉆頭+φ73mm加重鉆桿+φ73mm鉆桿。主要實施步驟如下：(1)使用螺桿鉆具鉆水泥塞，并沖砂至原人工井底；(2)洗井后，進行試壓試驗，保證3號煤層封堵有效；(3)用直徑大于φ116mm的磨鞋及配套鉆具磨銑原井底完井工具；(4)磨銑完畢后使用φ116mmPDC鉆頭向15號煤靶點鉆進，現場以井底坐標精確落實為標志(如圖6)。鉆進過程中應注意避免泵壓過高，防止造成井漏事故；鉆桿安裝耐磨帶、保護器或使用旋轉鉆柱接頭等工具，節省驅動能源，防止鉆具磨損老井套管。

3.2.2 擴眼鉆井

為了后期固井完井工作能夠高質量的完成，加深鉆進完成后，需要使用擴眼器及相應鉆具對新鉆井段實施擴眼。擴眼器工作原理為:開泵后鉆井液經裝在擴眼器本體上的活塞噴嘴產生壓力降,形成壓力推動活塞下行,活塞支撐PDC復合片刀翼外張擴眼。本區使用鉆具組合一般為D114mm擴眼器+D73mm加重鉆桿+D73mm鉆桿。

3.3 固井施工

樊莊區塊固井過程中發生漏失主要為壓差型漏失，因此固井過程中使用低磨阻、低密度水泥漿，減小阻力及過平衡壓力，避免漏失，提高固井質量(圖7)。固井施工主要分為以下幾步：(1)電測后進行通井，保障井眼暢通無阻；(2)向井內下入懸掛器和尾管管柱組合，懸掛在原生產套管內壁，尾管鋼級為P110、外徑為101.6mm的無接箍尾管；(3)循環鉆井液洗井；(4)下注灰管柱，對尾管井段實施固井；(5)候凝并檢驗固井質量。

圖7 老井眼加深鉆井后新井身結構示意圖

4 應用效果

樊莊區塊D-015井2010年投產，單采3號煤，最高日產氣量為5830m3。該井距離煤礦巷道260m，受煤礦采掘影響，日產氣量快速下降，2015年5月2日日產氣量降至0m3。

該井所在井區15號煤層構造簡單，埋深為 483～536m，厚度為3～3.5m，含氣量為19～21 m3/t，煤體結構主要為原生-碎裂結構，地質條件較好。為了提高D-015井產量，2017年采取老井眼加深鉆井增加產能技術，對3號煤層進行了封層，并將原井深420m加深鉆井至528m，鉆穿并僅開發15號煤層。

目前D-015井日產氣量為1600m3，實現了對15號煤層的高效開發，達到了提高單井氣量，增加開發效益的目的(圖8)。

圖8 D-015井生產曲線圖