劉志強(qiáng),胡漢月,史兵言,劉海翔

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)

煤層氣多分支水平井技術(shù)探討

劉志強(qiáng),胡漢月,史兵言,劉海翔

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)

煤層氣多分支水平井是集鉆井、完井及增產(chǎn)措施為一體的煤層改造技術(shù),近年來在國內(nèi)有較大發(fā)展。結(jié)合國內(nèi)當(dāng)前煤層氣多分支水平井的發(fā)展?fàn)顩r,對(duì)其技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論,并得出幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

煤層氣;多分支井;水平井;對(duì)接連通;開采技術(shù)

近年來,隨著能源形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻,煤層氣的開采利用逐步得到國家重視,但受技術(shù)、政策、產(chǎn)權(quán)、并網(wǎng)等條件限制,到目前為止,我國煤層氣產(chǎn)業(yè)仍處于產(chǎn)業(yè)化初期,開發(fā)利用遠(yuǎn)不能滿足需要。“十一五”規(guī)劃曾經(jīng)提出,到 2010年我國瓦斯利用率要達(dá)到60%以上,而目前僅達(dá)到 30%左右,業(yè)內(nèi)專家指出,要實(shí)現(xiàn)我國煤層氣的大規(guī)模開發(fā),急需對(duì)適合我國特殊地質(zhì)條件的鉆井、完井、排采等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān),否則,我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化開發(fā)只能求助于國外技術(shù),從而增加大量的開采成本。

1 國內(nèi)外煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀

美國是世界上開采煤層氣最早的國家,也是率先實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)化開發(fā)的國家,其煤層氣的開發(fā)利用無論在技術(shù)方面還是在產(chǎn)業(yè)化方面處于世界領(lǐng)先水平。20世紀(jì)初美國就開始在井下開采煤層氣,從 70年代末到 80年代初,美國通過采煤前預(yù)抽和采空區(qū)井抽放回收煤層氣,并開始進(jìn)行地面開采煤層氣試驗(yàn),1997年其產(chǎn)量達(dá) 320億 m3,基本形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

加拿大煤層氣開發(fā)比較晚,但多年來政府一直支持煤層氣的發(fā)展,一些研究機(jī)構(gòu)根據(jù)本國以低變質(zhì)煤為主的特點(diǎn),開展了一系列技術(shù)研究工作,例如多分支水平井、連續(xù)油管壓裂等技術(shù)方面取得了進(jìn)展,從而降低了煤層氣開采成本。

法國、德國、澳大利亞以及俄羅斯等國在煤層氣開發(fā)和利用等方面均領(lǐng)先于我國。

我國煤層氣地質(zhì)研究始于 20世紀(jì) 80年代,經(jīng)過 20多年的地質(zhì)研究和勘探實(shí)踐,在煤層氣成因、儲(chǔ)層特性、成藏、區(qū)域展布規(guī)律、控氣地質(zhì)因素等方面均取得顯著進(jìn)展,初步形成了一套煤層氣富集地質(zhì)理論和選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù),20世紀(jì) 90年代初開始研究煤層氣地面勘探開發(fā)技術(shù),經(jīng)歷了十幾年來對(duì)國外技術(shù)設(shè)備的引進(jìn)、消化、吸收和發(fā)展,也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。由于我國在煤層氣開發(fā)利用方面的研究起步比較晚,許多關(guān)鍵技術(shù)問題尚待解決,因此我國煤層氣的開發(fā)利用仍處于初級(jí)階段,完成煤層氣產(chǎn)業(yè)化還有較長的路要走。

2 煤層氣多分支水平井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)前開發(fā)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氣釋放出來。但是煤層氣井的產(chǎn)量一般較低,為了提高煤層氣井的產(chǎn)量,通常都要采取一些增產(chǎn)措施。常用于煤層氣增產(chǎn)的技術(shù)有:水力壓裂改造技術(shù)、煤中多元?dú)怏w驅(qū)替技術(shù)和多分支水平井技術(shù)等。我國的煤層氣藏具有低滲、高壓、低飽和、構(gòu)造煤發(fā)育、煤儲(chǔ)層具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性等地質(zhì)特征,因此不適合采用水力壓裂改造技術(shù);而煤中多元?dú)怏w驅(qū)替技術(shù)盡管效果非常好,但是成本高,從經(jīng)濟(jì)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(shù),優(yōu)點(diǎn)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(fā)效果。因此多分支水平井技術(shù)日益受到國內(nèi)外專家的重視,也受到各個(gè)煤層氣勘探開發(fā)公司的青睞。

3 煤層氣多分支水平井開采原理

煤層氣多分支水平井是集鉆井、完井與增產(chǎn)措施于一體的綜合鉆井技術(shù)。所謂多分支水平井是指在一個(gè)主水平井眼兩側(cè)再側(cè)鉆出多個(gè)分支井眼作為泄氣通道,同時(shí)在距主水平井井口 200 m左右處鉆一口直井與主水平井眼在煤層內(nèi)連通,用于排水降壓采氣之需要,見圖 1。

圖 1 煤層氣多分支水平井示意圖

主水平井一般采用三開完井。一開井徑 31111 mm,并下入 “24415 mm表層套管,封隔地表含水層和易漏失地層;二開井徑 21519 mm,鉆至煤層頂板,并下入 “17718 mm生產(chǎn)套管;三開主水平井眼及分支水平井眼均采用 “15214 mm井徑,并裸眼完井。與常規(guī)直井的鉆井、射孔完井和水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)相比,多分支水平井開采煤層氣的主要增產(chǎn)機(jī)理體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)擴(kuò)大解吸范圍,增加供給面積。多分支水平井在煤層中呈網(wǎng)狀分布,溝通更多割理和裂隙,從而增加了煤層氣的供給范圍。(2)降低流動(dòng)阻力,提高導(dǎo)流能力。受煤層割理形態(tài)和分布的影響,流體在煤層裂隙中運(yùn)動(dòng),會(huì)受到非常大的流動(dòng)阻力,而在水平井內(nèi)流體的流動(dòng)阻力要小得多。(3)減少了對(duì)煤層的傷害。采用常規(guī)直井完鉆后要固井,還要進(jìn)行水力壓裂改造等,這些環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)煤層造成不同程度的傷害。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(yè),從而避免了對(duì)煤層的傷害。

4 煤層氣多分支水平井技術(shù)難點(diǎn)

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(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)等,是一項(xiàng)技術(shù)性強(qiáng)、施工難度高的系統(tǒng)工程。同時(shí)為了保持煤層的井壁穩(wěn)定,煤層段一般采用 “15214 mm的小井眼鉆進(jìn),因而對(duì)鉆井工具、測(cè)量儀器和設(shè)備性能等方面都提出了新的要求。煤層氣多分支水平井鉆井面臨的主要難點(diǎn)可概括如下。

(1)煤層可鉆性好,鉆速快,但同時(shí)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(jìn)行定向水平鉆進(jìn),軌跡不易控制。

(2)裂縫和割理的存在,容易造成煤層破碎,易坍塌。而且煤層易受污染,儲(chǔ)層保護(hù)難度大,采用常規(guī)的鉆井泥漿不易維護(hù)孔壁穩(wěn)定和保護(hù)儲(chǔ)層。

(3)煤儲(chǔ)層埋藏通常都比較淺,而主水平井眼和分支水平井眼都比較長,一般在幾百米至上千米,因此鉆具自身重力難以滿足鉆進(jìn)要求,同時(shí)鉆分支水平井眼時(shí)鉆柱易發(fā)生疲勞破壞,導(dǎo)致井下復(fù)雜。

(4)涉及許多新的鉆井工藝和鉆井器具,例如用于實(shí)現(xiàn)兩井對(duì)接連通的磁中靶系統(tǒng)、小尺寸的地質(zhì)導(dǎo)向工具和高效減阻短節(jié) (AG-itator)等,所以先進(jìn)的鉆井技術(shù)以及完善的鉆井方案是安全實(shí)施煤層氣多分支水平井的基礎(chǔ)和保證。

5 煤層氣多分支水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

5.1 井身結(jié)構(gòu)和井眼剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)

煤層氣多分支井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于常規(guī)油氣井的設(shè)計(jì),進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和井眼剖面設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮以下幾點(diǎn)因素。

(1)盡可能選擇軌跡長度短的軌道,減少無效進(jìn)尺,既可以降低鉆井成本,也可以減少施工風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)應(yīng)盡量縮小可鉆性較差的地層進(jìn)尺,盡量避開研磨性較強(qiáng)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 800 m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(shè)計(jì)中,要使所設(shè)計(jì)的井眼軌跡滿足滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的工況要求;

(3)由于煤層抗壓強(qiáng)度較低,所以技術(shù)套管一定不能下到煤層中,防止固井時(shí)將煤層壓裂,導(dǎo)致后續(xù)鉆進(jìn)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(yīng)優(yōu)先考慮增大“口袋”留深。

5.2 井眼軌跡控制技術(shù)

多分支水平井的井眼軌跡參數(shù)主要為:井深、井斜角、方位角、垂深。垂直井段重點(diǎn)是控制井斜,一般采用塔式鉆具組合,如果出現(xiàn)井斜則采用鐘擺鉆具進(jìn)行糾斜。造斜井段一般采用“導(dǎo)向鉆具 +MWD”的定向造斜鉆具組合,通過連續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)的方式實(shí)現(xiàn)增斜、降斜,通過旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜。水平段及分支井采用“導(dǎo)向鉆具 +LWD”的地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合,利用LWD隨鉆監(jiān)測(cè)到的自然伽瑪、電阻率參數(shù)對(duì)鉆遇地層實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并調(diào)整鉆孔軌跡始終沿煤層鉆進(jìn)。為提高鉆進(jìn)速度,在導(dǎo)向鉆具組合中經(jīng)常使用高效減阻接頭 (見圖 2)等輔助器具,減阻接頭由本體、上下?lián)醐h(huán)和防磨套組成,本體隨鉆柱旋轉(zhuǎn)而防磨套不轉(zhuǎn),本體和防磨套之間、防磨套和上下?lián)醐h(huán)之間設(shè)有摩擦副。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(shù)難題。

圖 2 高效減阻接頭

由于煤層可鉆性好,鉆速快,單層厚度薄 (3～6 m),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(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆井連續(xù)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(shí)又要避免井眼軌跡出現(xiàn)較大的曲率波動(dòng)。鉆進(jìn)中盡量避免大幅度變動(dòng)下部鉆具組合結(jié)構(gòu)、尺寸和鉆進(jìn)參數(shù),并控制機(jī)械鉆速在一定范圍內(nèi)變化,防止井眼出現(xiàn)小臺(tái)肩現(xiàn)象。從而避免井下坍塌、起鉆困難、鍵槽卡鉆等復(fù)雜工況。

5.3 煤層造洞穴技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)水平井與洞穴井在煤層中成功對(duì)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 017～116 m,高為 2～4 m。目前主要有水力造穴方式、機(jī)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(shè)計(jì)的水力射流裝置送入造穴井段,開泵循環(huán),使循環(huán)鉆井液在經(jīng)過小噴嘴時(shí)產(chǎn)生高壓水力射流,破壞煤儲(chǔ)層,形成洞穴。機(jī)械工具造穴利用機(jī)械切削的原理,用鉆具把特殊設(shè)計(jì)的機(jī)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(dòng)下旋轉(zhuǎn),切削儲(chǔ)層,形成滿足實(shí)際需要的洞穴。

我所經(jīng)過多年的技術(shù)研究,開發(fā)了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)械式造洞穴鉆頭 (見圖 3),基本原理如下:鉆頭在使用時(shí),通過壓縮空氣或高壓水推動(dòng)桿件的上盤,桿件上盤壓縮彈簧向下運(yùn)動(dòng),而桿件上的齒條帶動(dòng)擴(kuò)孔刀翼上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),使擴(kuò)孔刀翼張開,實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔鉆進(jìn);當(dāng)鉆進(jìn)結(jié)束后,停止送空氣或水,在回位彈簧的作用下帶動(dòng)桿向上運(yùn)動(dòng),擴(kuò)孔刀翼收攏,可進(jìn)行加尺或提鉆。

5.4 水平井與洞穴連通技術(shù)

兩井連通過程中采用的技術(shù)為近鉆頭電磁測(cè)距法,國外通常稱為 RotatingMagnet Ranging Service,英文縮寫為 RMRS,目前 RMRS技術(shù)在 CBM井、SAG D、控制井噴等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

基本原理:在垂直井中下入磁信號(hào)接收裝置,在水平井的導(dǎo)向鉆具組合中加入磁信號(hào)接收裝置 (磁接頭),磁接頭與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)時(shí)將發(fā)射磁信號(hào),這時(shí)垂直井內(nèi)的接收器就能接收到來自水平井磁發(fā)生裝置發(fā)出的磁信號(hào),并將信號(hào)通過連接線纜傳送至地表,經(jīng)信號(hào)解調(diào)后輸出至電腦,由電腦進(jìn)行參數(shù)分析計(jì)算,最終計(jì)算出磁發(fā)生裝置與接收裝置兩點(diǎn)間的連線方位、垂直深度差和兩點(diǎn)當(dāng)前距離。獲取當(dāng)前鉆進(jìn)參數(shù)后,可利用水平井中置于無磁鉆桿中的MWD系統(tǒng),及時(shí)糾正方向,使其靠近靶點(diǎn)目標(biāo),并使水平井與洞穴井最終連通。

由我所自主研發(fā)的“慧磁”鉆井中靶引導(dǎo)系統(tǒng)(見圖 4),已成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。由我所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(dǎo)水平井中。

圖 3 機(jī)械式造穴工具

圖4 近鉆頭電磁測(cè)距示意圖

5.5 欠平衡鉆井技術(shù)

國內(nèi)煤層普遍具有低壓、低滲特點(diǎn),為了保護(hù)儲(chǔ)層,不宜采用常規(guī)的過平衡鉆井技術(shù)。目前適合煤儲(chǔ)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 5)。

圖 5 油管注氣法

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

油管注氣法是一種實(shí)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(jìn)入到水平井的環(huán)空,這種注氣方式適合在煤儲(chǔ)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(shí)間內(nèi)進(jìn)入水平井環(huán)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(shí)現(xiàn)欠值很小時(shí)的欠平衡作業(yè),這樣對(duì)于煤層井壁的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的益處,從而實(shí)現(xiàn)了既保護(hù)煤層又安全鉆進(jìn)的目的。

5.6 側(cè)鉆分支井眼技術(shù)

鉆分支井眼需要進(jìn)行側(cè)鉆,石油鉆井進(jìn)行側(cè)鉆通常有 3種方式:水泥架橋側(cè)鉆;使用可回收式斜向器側(cè)鉆;懸空側(cè)鉆。

在煤系地層打水泥塞容易封堵煤層裂隙,使煤儲(chǔ)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(jìn)分支井眼時(shí)需要提鉆,當(dāng)鉆具再次下入時(shí)則不易找回分支井眼。因此前兩種側(cè)鉆方式不適用于煤層氣多分支井。而懸空側(cè)鉆方式工藝簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),還能節(jié)省大量輔助時(shí)間,因此它是煤層氣多分支水平井側(cè)鉆的首選,但必須注意以下幾點(diǎn)。

(1)進(jìn)行側(cè)鉆之前要充分活動(dòng)鉆具,目的就是將鉆柱中的扭力全部釋放,有利于井下動(dòng)力鉆具在側(cè)鉆時(shí)保持工具面的穩(wěn)定;

(2)側(cè)鉆時(shí)采用滑動(dòng)鉆進(jìn)方式,鉆速一般控制在 015～110 m/h之間,較慢的鉆速有利于先在孔壁形成臺(tái)階,進(jìn)一步磨出分支井眼;

(3)側(cè)鉆時(shí)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,鉆具工具面擺在 150°～210°為宜,根據(jù)分支要求可同時(shí)增加或減少方位;

(4)分支成功并鉆完一個(gè)單根后,需要反復(fù)劃眼幾次,以利于后續(xù)鉆進(jìn)施工。6 認(rèn)識(shí)與建議

(1)應(yīng)用多分支水平井開發(fā)煤層氣資源,受到煤層地質(zhì)條件和分支井眼幾何形態(tài)等主控因素的制約,只有將二者有機(jī)結(jié)合并進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化,才能發(fā)揮出多分支水平井的效率。

(2)加強(qiáng)煤層氣開發(fā)數(shù)值模擬技術(shù)的研究,開發(fā)數(shù)值模擬軟件。煤層氣數(shù)值模擬軟件刻畫了煤層氣解析、擴(kuò)散、滲流的過程,通過數(shù)值模擬對(duì)煤層氣產(chǎn)能做出預(yù)測(cè),為煤層氣開發(fā)方案設(shè)計(jì)提供參考。

(3)建立完善的煤層氣多分水平支井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,包括煤層井壁穩(wěn)定力學(xué)評(píng)價(jià),斷層、煤階和地層傾角等儲(chǔ)層特性的影響評(píng)估等方法。

(4)進(jìn)一步研發(fā)配套的煤層氣多分支水平井設(shè)計(jì)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(cè)距裝置等。

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Technology of CBM Multiplelateral HorizontalWell

LIU Zhi-qiang,HU Han-yue,SHI B ing-yan,LIU Hai-xiang(The Institute of Exploration Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China)

CBM multiple-lateral horizontalwell is a coalbed modification technique combined with well drilling,completion and stimulation,which has great development in China in the past years.According to the development situation of CBM multiple-lateral horizontalwell in China,the paper discusses the technical difficulties and key technologies and presents some conclusions.

CBM;multiple-lateralwell;horizontalwell;butting and connecting;recovery technology

TE243

A

1672-7428(2011)06-0006-04

2010-11- 19;

2011-05-09

劉志強(qiáng) (1970-),男 (蒙古族),內(nèi)蒙古赤峰人,中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所高級(jí)工程師,勘察工程專業(yè),從事定向鉆探技術(shù)的研究與開發(fā)工作,河北省廊坊市金光道 77號(hào),zhiqiang-liu@hotmail.com;胡漢月 (1964-),男 (漢族),湖北浠水人,中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所教授級(jí)高級(jí)工程師,地質(zhì)工程專業(yè),博士,從事定向鉆探技術(shù)以及高精度中靶技術(shù)的研究工作。