涂 乙 涂 輝 臧真霞

(1.中國(guó)石油大學(xué) (北京)石油工程學(xué)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(kāi)發(fā)過(guò)程中,由于各種不合適的鉆、完井工藝會(huì)對(duì)煤層氣井儲(chǔ)層造成很大傷害,影響煤層氣的產(chǎn)出量,對(duì)后續(xù)的補(bǔ)救措施也會(huì)帶來(lái)很大的麻煩,從而嚴(yán)重影響最終的采收率,因此,有必要針對(duì)煤層氣井儲(chǔ)層特征,進(jìn)行鉆井工藝和完井技術(shù)適應(yīng)性研究和探討,選出有效的鉆井和完井工藝措施,加強(qiáng)儲(chǔ)層的保護(hù),避免或者減小對(duì)儲(chǔ)層的傷害,這對(duì)提高煤層氣井產(chǎn)氣量具有很實(shí)際的意義。

1 鉆井工藝優(yōu)選方案

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

據(jù)對(duì)儲(chǔ)層傷害研究分析得到,低壓鉆井工藝是一種相對(duì)于常規(guī)鉆井方法來(lái)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(guò)平衡)地層壓力;也就是說(shuō)鉆井流體可以是水、油基鉆井液,或是氣基流體。其優(yōu)點(diǎn)在于：能使煤層處于受低壓的解放狀態(tài),從而有效地降低了壓差,減少了鉆井液中有害物質(zhì)侵入煤層的機(jī)會(huì),有利于保護(hù)煤層氣儲(chǔ)層。從保護(hù)儲(chǔ)層的角度來(lái)考慮,在鉆井過(guò)程中應(yīng)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(shù)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(guò)平衡鉆井。

1.1 欠平衡鉆井

1.1.1 氣體和霧化鉆井

據(jù)油田實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知,氣體和霧化鉆井常用于干旱缺水和漏失地區(qū),在使用空氣、霧化空氣或泡沫進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí),由于空氣循環(huán)使煤層氣儲(chǔ)層很少能接觸到固體顆粒和化學(xué)添加劑,而且對(duì)煤層施加的靜水壓力也是最小的,故可有效地保護(hù)煤層氣儲(chǔ)層。

1.1.2 清水鉆井

據(jù)理論分析研究顯示,在用鉆井液來(lái)控制地層壓力,優(yōu)先使用產(chǎn)出的地層水或者加有少量膨潤(rùn)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(guò)程中的壓差和成本,可減少儲(chǔ)層中的礦物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)及粘土顆粒的膨脹,從而降低對(duì)儲(chǔ)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(wěn)定泡沫。前者是由氣體、牯土、穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑配成的穩(wěn)定性比較強(qiáng)的分散體系;穩(wěn)定泡沫是指空氣、漉體、發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑配成的分散體系。硬泡沫用于需要泡沫壽命長(zhǎng),攜屑能力強(qiáng)的場(chǎng)所。該鉆井液是在普通低固相鉆井液中加入發(fā)泡劑與穩(wěn)定劑配置的鉆井液體系,其密度在0.8～1.10g/cm3之間可調(diào),成本低,濾失量低等,能有效地保護(hù)煤層氣儲(chǔ)層。

1.1.4 邊噴邊鉆

上述氣體型鉆井液及相應(yīng)鉆井技術(shù)多用于地層壓力較低的油氣藏,在鉆井過(guò)程中,井口回壓一般均較低。而對(duì)于地層壓力較高的油氣藏,如地層壓力系數(shù)大于1.0,為了實(shí)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(dāng)量循環(huán)鉆井液密度低于地層壓力系數(shù)即可。這種情況下的井口回壓有時(shí)可能較高。

1.2 微過(guò)平衡鉆井

據(jù)調(diào)研相關(guān)資料了解到,采用液相鉆井液進(jìn)行鉆井時(shí),如果采用欠平衡鉆井,或者采用平衡壓力鉆井,會(huì)出現(xiàn)鉆井液無(wú)法在孔壁上形成泥餅情況、從而導(dǎo)致鉆井液在地層內(nèi)失水量的增加和固相的侵入,所以存在一最小過(guò)平衡壓力,其定義為鉆井液能在井壁上形成泥餅時(shí)的鉆井液液柱壓力,其大小與鉆井液的流變性和特定現(xiàn)場(chǎng)條件有關(guān),可以利用室內(nèi)所測(cè)的鉆井液流變性和模擬特定現(xiàn)場(chǎng)條件下的巖心動(dòng)失水試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。在這一過(guò)平衡壓力下的鉆井工藝稱為微過(guò)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(shù)是煤層氣開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)煤層性質(zhì),合理選擇完井和井底連通參數(shù),加強(qiáng)完井作業(yè)中對(duì)煤層的保護(hù)、降低煤層傷害,有利于延長(zhǎng)煤層氣井的生產(chǎn)時(shí)間,提高煤層氣井產(chǎn)量。

據(jù)王璽研究發(fā)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層造成傷害的因素有：(1)水泥顆粒對(duì)煤層割理和孔隙的堵塞;(2)水泥漿濾液對(duì)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(yè)對(duì)煤儲(chǔ)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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種獨(dú)特的煤層氣完井方式。在較高的生產(chǎn)壓差作用下,利用井眼的不穩(wěn)定性,在井壁煤巖發(fā)生破壞后允許煤塊塌落到井筒中,進(jìn)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(yè)對(duì)煤層的傷害,為在鉆開(kāi)煤層時(shí)采取保護(hù)煤層的措施提供了良好的井眼條件,同時(shí)節(jié)約了套管和水泥。

圖1 裸眼洞穴完井示意圖

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

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),裸眼洞穴完井具有良好的遠(yuǎn)期經(jīng)濟(jì)效益。裸眼洞穴完井僅從完井作業(yè)或強(qiáng)化增產(chǎn)措施方面評(píng)價(jià),成本的確相對(duì)較高,但從總投入與產(chǎn)出比分析,洞穴完井的相對(duì)成本較低。在煤層氣富集區(qū)域,成功的裸眼洞穴完井可以使產(chǎn)量成倍地增加。

2.2 動(dòng)力洞穴完井

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

圖2 動(dòng)力洞穴完井地面流程

動(dòng)力洞穴完井工藝技術(shù) (圖2)從鉆井、完井、排水采氣的整個(gè)工序過(guò)程與其它完井方法相比,具有不進(jìn)行單相注入/壓降試井和壓裂等措施就可以達(dá)到單井面積降壓、恢復(fù)和提高煤層滲透率等優(yōu)點(diǎn)。該工藝方法同樣適用于煤層割理發(fā)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(fā)份 (中高煤階)的煤巖儲(chǔ)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(fā)份煙煤階幾種條件的結(jié)合。

位于山西臨縣程家塔鄉(xiāng)后南裕村的LX20001井使用這種完井技術(shù),其煤層通過(guò)人工造穴后,其滲透率比造穴前提高了近8.2倍,證明動(dòng)力洞穴完井工藝是可取的。目前美國(guó)的圣胡安盆地有不少成功的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)例,我國(guó)雖然在幾個(gè)地區(qū)也陸續(xù)進(jìn)行過(guò)試驗(yàn),但尚未進(jìn)入大規(guī)模實(shí)戰(zhàn)階段,預(yù)計(jì)在今后的煤層氣勘探及開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中,會(huì)更多的使用這種技術(shù)。

2.3 套管射孔壓裂完井

美國(guó)大多數(shù)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(lái)的問(wèn)題。其主要優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)不同的煤層實(shí)行單獨(dú)的完井鉆,井時(shí)不會(huì)出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定問(wèn)題,使用鉆井液鉆井時(shí)可對(duì)大規(guī)模的水侵和氣侵進(jìn)行有效控制。

圖3 射孔壓裂完井方式

國(guó)內(nèi)98%的煤層氣井采用套管射孔壓裂完井,但壓裂液選擇不當(dāng)則會(huì)造成煤孔隙的堵塞。對(duì)像中國(guó)這樣的低壓煤層氣儲(chǔ)層用泡沫壓裂液就非常合適,可以達(dá)到快速返排的目的。根據(jù)國(guó)內(nèi)沁水盆地南部主力煤層實(shí)施的泡沫壓裂試驗(yàn)結(jié)果,泡沫壓裂效果比較好,返排快,產(chǎn)氣相對(duì)較高,壓裂成本高。

獲得高產(chǎn)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(zhǎng)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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