劉明,許孝順,李緒鋒

劉偉,李業(yè),翟文濤 (中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司,山東 東營 257064)

李培慶 (東南大學(xué)交通學(xué)院載運(yùn)工具運(yùn)用工程研究所,江蘇 南京 210096)

煤層氣V型水平井組鉆井關(guān)鍵技術(shù)

劉明,許孝順,李緒鋒

劉偉,李業(yè),翟文濤 (中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司,山東 東營 257064)

李培慶 (東南大學(xué)交通學(xué)院載運(yùn)工具運(yùn)用工程研究所,江蘇 南京 210096)

煤層氣V型水平井組是由2口水平井與1口直井組成的新型水平連通井組。該井組在實(shí)現(xiàn)水平井與直井的連通后,由水平井提供泄流通道,直井進(jìn)行排采生產(chǎn),具有增加有效供給范圍、提高單井產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)前期完成的延3-V1試驗(yàn)井組進(jìn)行了概括,并結(jié)合施工情況,系統(tǒng)闡述了井眼軌跡控制、遠(yuǎn)端精確連通和鉆井液的選用等鉆井關(guān)鍵技術(shù)中的技術(shù)措施及成功經(jīng)驗(yàn)。該V型水平井組的順利完成,表明其可成為煤層氣的開發(fā)手段之一,為未來延川南區(qū)塊煤層氣的大規(guī)模開發(fā)提供技術(shù)支撐。

煤層氣;V型水平井組;井眼軌跡控制;遠(yuǎn)端精確連通

煤層氣俗稱 “瓦斯”,主要成分為甲烷,是以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣。在世界能源需求日益緊張的情況下,作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔能源,煤層氣的大規(guī)模開發(fā)利用前景廣闊。延川南區(qū)塊煤層氣藏具有 “三低”特征,即低壓、低滲、低飽和度[1],這些特征決定該區(qū)塊布井方式、開采方法以及生產(chǎn)管理都與常規(guī)油氣田有很大不同。目前,開采煤層氣普遍采用U型井連通技術(shù),這種技術(shù)是指2口不同位置的水平井與直井、定向井與水平井或水平井與水平井在同一目的層連通。V型井是一種新型的水平連通井組,由2組之間呈一定夾角并共用1口排采直井的U型井組成;地層流體通過2個(gè)水平井眼分別流向同一排采直井井筒內(nèi),增加了泄流面積,較U型井能夠產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。筆者以延3-V1井組為例,介紹煤層氣V型水平井組鉆井關(guān)鍵技術(shù)。

1 延3-V1井組概況

為了開發(fā)延川南區(qū)塊下二疊統(tǒng)山西組2號(hào)煤層(以下簡稱 “2號(hào)煤層”)的煤層氣,擴(kuò)大井控面積,提高煤層氣儲(chǔ)量動(dòng)用程度以及探索V型特殊工藝井技術(shù)在延川南區(qū)塊煤層氣開發(fā)中的適用性,進(jìn)行了延3-V1井組的鉆探。延3-V1井組是在延川南區(qū)塊延3井區(qū)部署的一個(gè)排采試驗(yàn)井組,設(shè)計(jì)由2口水平井(延3-V1-P1井、延3-V1-P2井)與1口直井(延3-V1井)組成,并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端連通,夾角約為44°(圖1)。完井后由2口水平井提供泄流通道,直井進(jìn)行排采生產(chǎn)。

1.1 延3-V1井組井身結(jié)構(gòu)

1)直井井身結(jié)構(gòu)及造穴 直井采用二級(jí)井身結(jié)構(gòu):①一開采用?444.5mm鉆頭鉆穿上部易漏失地層后下入?339.7mm表層套管;②二開采用?215.9mm鉆頭鉆穿目的煤層,完鉆下入?177.8mm套管后封固。

直井造穴:為達(dá)到水平井與直井在煤層中成功對(duì)接的目的,需要在直井的目的層位造一個(gè)洞穴。直井套管在位于煤層位置處添加一根長度約8m的玻璃鋼套管,下入擴(kuò)孔器至玻璃鋼套管處。擴(kuò)孔器刀桿(長度約25cm)在鉆井液的沖擊下張開并隨著鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)切削玻璃鋼套管和周圍煤層,形成直徑約0.5m的洞穴[2]。

圖1 延3-V1井組軌道空間示意圖

1.2 連通設(shè)計(jì)要求及地質(zhì)參數(shù)

連通設(shè)計(jì)要求及地質(zhì)參數(shù)為:①連通位置垂深——延3-V1-P1井垂深1246.20m,延3-V1-P2井垂深1225.20m;②連通位置井徑為500mm;③目的層位為2號(hào)煤層;④連通點(diǎn)位置確定需根據(jù)井組中另一口水平井的連通位置進(jìn)行修改調(diào)整 (先施工的水平井可不考慮),確保兩水平井連通點(diǎn)之間垂直距離≥1m;⑤完鉆原則——水平井與直井連通后再打10m口袋完鉆;⑥地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

圖2 延3-V1井組井身結(jié)構(gòu)圖

表1 延3-V1井組地質(zhì)參數(shù)

2 井眼軌跡控制技術(shù)

井眼軌跡控制的主要目的是盡可能地增加軌跡與煤層的接觸面積,提高煤層穿遇率,并保證井眼軌跡平滑,避免大幅度的軌跡調(diào)整[3]。2號(hào)煤層厚度約為5m,中部發(fā)育有約0.5m厚的夾矸。延3-V1-P1井穿行上部煤層,厚度約2m;延3-V1-P2井穿行下部煤層,厚度約2.5m,2井口與B靶點(diǎn)連線成約44°的夾角。

2.1 施工中存在的問題

1)PDC鉆頭主要通過切削的方式工作,在增斜段地層較硬的情況下,鉆壓過大容易憋泵,過小又容易托壓,使得造斜率偏低。

2)增斜段后期及水平段進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí),隨著位移的增大,鉆具的摩阻和扭矩增大,存在工具面擺放困難及鉆進(jìn)時(shí)工具面不穩(wěn)定等問題[4]。

3)2號(hào)煤層不但中間有0.5m厚的夾矸,而且存在2～3層厚度不等的小夾矸,給現(xiàn)場技術(shù)人員對(duì)煤層傾角、層位的判斷帶來困難。

通過驅(qū)油體系和注入工藝的自主研發(fā)和現(xiàn)場推廣，三年來，采出水聚合物驅(qū)和聚/表二元驅(qū)已擴(kuò)大到11 個(gè)區(qū)塊，覆蓋地質(zhì)儲(chǔ)量3432 萬噸，注入井?dāng)?shù)達(dá)到216 口，受益油井?dāng)?shù)達(dá)到367 口，可增加可采儲(chǔ)量296 萬噸，可提高采收率13.6 個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)施區(qū)塊原油產(chǎn)量從三次采油前的820 噸上升到1100 噸。

2.2 解決措施

根據(jù)直井段軌跡情況修正軌道剖面,由單增剖面優(yōu)化為 “直-增-穩(wěn)-增-水平”五段制結(jié)構(gòu)的雙增剖面。以延3-V1-P1井為例,如表2所示。

雙增剖面指從造斜點(diǎn)開始將井斜角增到需要的角度后穩(wěn)斜鉆進(jìn),然后再增斜至水平的剖面,適用于井眼較大、靶前位移較長、目的層較薄、垂深不明確、要求造斜率較低的水平井。由于中上部地層較硬,所用機(jī)械鉆速較慢,增斜段選用六刀翼高效PDC鉆頭,配合1.5°動(dòng)力鉆具,滿足第1造斜率的要求。井斜達(dá)到60°左右時(shí),托壓嚴(yán)重,PDC鉆頭達(dá)不到造斜率要求,需選用牙輪鉆頭增斜鉆進(jìn)。二開增斜段鉆具結(jié)構(gòu):?311.1mm鉆頭+?197mm1.5°動(dòng)力鉆具+631×630回壓閥+631×630定向接頭+?203.2mm無磁鉆鋌+631×410配合接頭+?127mm加重鉆桿+?127mm鉆桿。三開水平段鉆具結(jié)構(gòu):?215.9mm鉆頭+?165mm1.25°動(dòng)力鉆具+431×410回壓閥+411×410定向接頭+?177.8mm無磁鉆鋌+?127mm鉆桿+?127mm加重鉆桿+?127mm鉆桿。

表2 延3-V1-P1井優(yōu)化后井眼軌道設(shè)計(jì)

2)水平井施工過程中由于鉆具扭矩不能及時(shí)釋放而經(jīng)常造成工具面擺放困難,采用以下措施解決:①在不影響煤層穿遇率的前提下盡量采用復(fù)合鉆進(jìn)方式進(jìn)行水平段施工,提高復(fù)合鉆進(jìn)的進(jìn)尺比例;②前期軌跡盡量保持圓滑,減少由于軌跡問題引起的扭矩和摩阻;工具面擺放后要上下大幅度活動(dòng)鉆具使其扭矩得到充分釋放;③嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行短起下作業(yè)以攜帶巖屑、修整井壁,減少鉆具的摩阻和扭矩。

3)夾矸是指夾在煤層之中的巖層,又稱夾石層。2號(hào)煤層中夾矸以粉砂巖和炭質(zhì)泥巖為主,含有少量的砂質(zhì)泥巖。延3井區(qū)地質(zhì)資料顯示,2號(hào)煤層底板泥巖含粉砂質(zhì)、灰質(zhì)成分;頂板泥巖致密堅(jiān)硬,可鉆性差,此可作為判斷底出、頂出的依據(jù)。隨著水平段的不斷加深,全烴值、自然伽馬值、鉆時(shí)等參數(shù)均受到干擾,必須綜合分析影響因素后再作出判斷。

實(shí)例分析:延3-V1-P1井鉆進(jìn)至井深1673m時(shí),鉆壓由50k N加到120k N,鉆時(shí)由9min/m升至22min/m,伽馬值由49API升至117.2API,全烴值由66.87%降至10.33%,各項(xiàng)參數(shù)顯示已鉆出煤層。但通過分析工程參數(shù)后認(rèn)為,下放鉆具時(shí)摩阻達(dá)80k N,即加到鉆頭上的鉆壓僅為40k N,因?yàn)殂@壓小造成機(jī)械鉆速較慢,不能說明地層可鉆性差;由于機(jī)械鉆速慢,單位時(shí)間內(nèi)鉆頭破碎巖屑體積少造成了全烴值下降。結(jié)合已鉆延3-V1-P2井的伽馬曲線形態(tài)特征及2號(hào)煤層巖電特征,分析認(rèn)為鉆遇小夾矸。復(fù)合鉆進(jìn)至1685m時(shí)各項(xiàng)參數(shù)恢復(fù)正常,鉆頭穿出夾矸重新進(jìn)入煤層,計(jì)算該夾矸厚度約為0.2m。繼續(xù)鉆進(jìn)至1730m,鉆壓保持在60k N左右,伽馬值由52API逐漸升至99.8API,鉆時(shí)由2min/m升至10～12min/m,全烴值由55.9%逐漸降至9.6%,撈取巖屑發(fā)現(xiàn)碎煤屑夾雜著致密炭質(zhì)泥巖,判斷井眼軌跡即將頂出,隨后采取降斜施工。

3 遠(yuǎn)端精確連通技術(shù)

3.1 概況

水平井與直井的遠(yuǎn)端精確連通是V型井組施工中的難點(diǎn)。連通使用精確定位設(shè)備——RMRS(rotary magnetic ranging system),全稱為旋轉(zhuǎn)磁測(cè)距系統(tǒng),通過強(qiáng)磁接頭產(chǎn)生的場強(qiáng)信號(hào)計(jì)算出強(qiáng)磁接頭與靶點(diǎn)的相對(duì)位置,對(duì)鉆頭當(dāng)前位置進(jìn)行精確定位,引導(dǎo)鉆頭準(zhǔn)確進(jìn)入靶區(qū) (圖3)[5]。

3.2 連通過程

圖3 兩井連通示意圖

1)當(dāng)水平井接近目標(biāo)直井時(shí),起鉆下入強(qiáng)磁接頭(接鉆頭上),同時(shí)利用絞車把RMRS接收探管下放到直井洞穴預(yù)定位置。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)磁接頭到達(dá)直井附近區(qū)域時(shí),探管采集強(qiáng)磁接頭產(chǎn)生的交變磁場,在計(jì)算機(jī)上表現(xiàn)出正弦連續(xù)波。選定一井段為測(cè)量段,將采集并標(biāo)定的有效波形信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)軟件處理系統(tǒng),計(jì)算分析出鉆頭所在位置、方位偏移量、水平距離偏移量等,然后通過工具面的調(diào)整及時(shí)將井眼方向糾正至洞穴中心的位置[6]。

2)當(dāng)鉆頭距離直井4～5m時(shí)停止鉆進(jìn),取出直井內(nèi)接收探管并關(guān)閉井口。當(dāng)水平井鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)泵壓突然降低,鉆井液返出量減小,鉆具出現(xiàn)一定距離的放空現(xiàn)象時(shí),表明兩井連通成功。按照設(shè)計(jì)繼續(xù)鉆進(jìn)10m后完鉆。

3.3 遇到的問題及解決措施

1)遇到的問題 ①目標(biāo)直井內(nèi)玻璃鋼套管因被磁化,套管產(chǎn)生的直通磁場在接收探管感應(yīng)交變磁場初期對(duì)來自磁性接頭的信號(hào)產(chǎn)生干擾。②動(dòng)力鉆具轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)所引起的干擾,導(dǎo)致信號(hào)噪聲過高,影響初期引導(dǎo)鉆進(jìn)過程中數(shù)據(jù)的計(jì)算精度。③由于煤層脆性高且易垮塌,為避免在同一位置長時(shí)間循環(huán)泥漿,每次采集磁信號(hào)時(shí)間偏短,采集量偏少,影響計(jì)算精度。

2)解決措施 ①接收探管盡可能接近靶點(diǎn)位置,離剛性套管越遠(yuǎn)其所受干擾越低。②當(dāng)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,且鉆進(jìn)或下放過程要保持平穩(wěn),保證采集信號(hào)的穩(wěn)定性。③當(dāng)在有限的時(shí)間內(nèi)無法采集足夠多的交變磁場信號(hào)時(shí),采取 “少采集、多標(biāo)定”的方法,在采集到的少量磁場信號(hào)上標(biāo)定更多的井眼參數(shù)信息,以增加計(jì)算精度。

4 鉆井液的選用

延3-V1井組直井段以防斜、防掉塊為主;斜井段采用聚合物低固相鉆井液,以防垮塌、防漏失、防掉塊為主。三開主要在煤層中鉆進(jìn),而煤層具有的吸附力強(qiáng)、應(yīng)力敏感性強(qiáng)等特點(diǎn),使得煤層容易受到污染。為了滿足快速鉆井、保持井壁穩(wěn)定及保護(hù)煤層等要求,設(shè)計(jì)使用絨囊鉆井液。

絨囊鉆井液以水為連續(xù)相,表面活性劑或聚合物處理劑通過物理、化學(xué)作用自然形成粒徑為15～150μm、壁厚為3～10μm、內(nèi)部似氣囊、外部粘附絨毛的絨囊,分散在連續(xù)相中形成的氣液體系里,具有高效封堵、高效懸浮攜帶巖屑、控制儲(chǔ)層傷害和體系密度等特點(diǎn)[1]。

絨囊鉆井液以其獨(dú)特的封堵性能、優(yōu)良的潤滑性和較強(qiáng)的抑制性,有效避免了井下漏失、掉塊、坍塌、井底沉砂等復(fù)雜情況的發(fā)生,其良好的攜巖能力有利于提高機(jī)械鉆速,縮短鉆井周期,現(xiàn)已成功應(yīng)用于延川南區(qū)塊多口煤層氣水平井的鉆井中。

5 結(jié)論與建議

1)延3-V1井組施工工藝復(fù)雜,施工難度大。該井組的順利完成為今后延川南區(qū)塊同類型井的施工起到了良好的借鑒作用,對(duì)該地區(qū)煤層氣的大規(guī)模開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

2)為減少井下鉆具的摩阻和扭矩,應(yīng)盡量保持井眼軌跡圓滑。優(yōu)化鉆井參數(shù),采取小排量、勤劃眼等鉆井技術(shù)措施,可以有效防止煤層段發(fā)生垮塌。

3)在連通過程中要求勻速緩慢送鉆,以保證探管接收到準(zhǔn)確度高的信號(hào),同時(shí)加密測(cè)斜,及時(shí)調(diào)整工具面。RMRS在延3-V1井組的成功應(yīng)用,表明這是一種精確、可靠的導(dǎo)向設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)高精度中靶的目的。

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[編輯]黃鸝

TE243

A

1000-9752(2014)02-0092-04

2013-07-01

劉明(1983-),男,2009年濟(jì)南大學(xué)畢業(yè),助理工程師,現(xiàn)主要從事現(xiàn)場定向井技術(shù)服務(wù)工作。