祁 斌, 劉蒙蒙
(1.中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院,廣東 廣州 510440; 2.新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì),新疆 烏魯木齊 830091)
在準(zhǔn)南煤田以往的煤層氣勘探開發(fā)實(shí)踐中,主要以叢式井鉆井技術(shù)為主,產(chǎn)氣效果參差不齊。煤層氣水平井是一種成本不是很高但增產(chǎn)效果非常好的井型,已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于煤層氣開發(fā),并初步形成了系列鉆井開發(fā)技術(shù)。為提高單井平均產(chǎn)氣量,在烏魯木齊煤層氣開發(fā)區(qū)塊開展針對大傾角、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜等地質(zhì)特點(diǎn)的水平井技術(shù)研究和實(shí)踐很有必要,也勢在必行。
準(zhǔn)噶爾盆地準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤層氣賦存,地層具有“大傾角、多煤層、大厚度”等特點(diǎn),在沁水盆地南部及鄂爾多斯盆地東緣等礦區(qū)成功應(yīng)用的中高煤階煤層氣開發(fā)技術(shù)不能照搬移用于烏魯木齊礦區(qū)中低煤階煤層氣勘探開發(fā)[1-4]。因此,“十三五”國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“新疆準(zhǔn)噶爾、三塘湖盆地中低煤階煤層氣資源與開發(fā)技術(shù)”(項(xiàng)目編號:2016ZX05043)針對新疆煤層氣賦存特點(diǎn),開展勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān),為該區(qū)煤層氣規(guī)模開發(fā)提供技術(shù)保障。
烏魯木齊礦區(qū)煤層氣開發(fā)區(qū)塊范圍西起烏魯木齊河?xùn)|0勘探線,東至鐵廠溝東37勘探線,北以八道灣向斜北翼45號煤垂深600 m為界,南至八道灣向斜南翼45號煤垂深600 m為界,東西長約12.52 km,南北寬約1~3 km,面積27.15 km2。礦區(qū)位置見圖1。
圖1礦區(qū)位置示意圖
Fig.1Diagram of the mining area location
據(jù)以往鉆孔揭露,礦區(qū)地層主要有:三疊系上統(tǒng)小泉溝群、下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組,中侏羅統(tǒng)西山窯組、頭屯河組,上侏羅統(tǒng)齊古組及第四系。侏羅系八道灣組、西山窯組是本區(qū)主要含煤地層。其中,西山窯組是區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)的目標(biāo)層系,在礦區(qū)呈北東—南西向廣泛分布,巖性以細(xì)碎屑巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層為主,底部為厚層灰—灰白色中砂巖,為西山窯組與三工河組的地層界限標(biāo)志層。西山窯組平均厚度856 m,八道灣向斜南翼厚度917 m,八道灣向斜北翼厚度812 m,北單斜厚度838 m,含2-46號編號煤層。
M6-七道灣背斜;W7-八道灣向斜;W5-南阜康向斜;M2-南阜康背斜;F2-碗窯溝(西山)逆斷層;F3-白楊北溝逆沖斷層;F4-紅山嘴—白楊北溝逆沖斷層;F6-池剛逆斷層;F8-魏家泉逆斷層;F9-五家泉逆斷層;F5-妖魔山逆斷層
圖2礦區(qū)構(gòu)造綱要圖
Fig.2Structural outline of the mining area
工作區(qū)位于北天山褶皺帶北緣,烏魯木齊山前坳陷的七道灣背斜和八道灣向斜中。主要構(gòu)造包括七道灣背斜(M6)、八道灣向斜(W7)、南阜康向斜(W5)、堿泉溝—魏家泉逆斷層(F8)、五家泉逆斷層(F9)、碗窯溝逆沖斷層(F2)、白楊北溝逆沖斷層(F3)。工作區(qū)總體構(gòu)造線方向?yàn)楸睎|東向,構(gòu)造復(fù)雜程度中等。
七道灣背斜(M6)地層傾角75°~85°,局部受斷層影響有直立、倒轉(zhuǎn)。背斜南翼即八道灣向斜北翼,傾角30°~65°,背斜軸自西向東逐漸上翹。
八道灣向斜(W7)兩翼傾角不等,北翼緩30°~65°,南翼陡62°~85°。
礦區(qū)含煤地層為侏羅系西山窯組(J2x)和侏羅系八道灣組(J1b)。煤層氣勘探開發(fā)的主力煤層為賦存于西山窯組底部的42-43和45號煤層。
西山窯組(J2x)地層平均厚度856 m,含煤28層,自上而下編為2-46號。煤層總平均厚度362 m。
42-43號煤層:全層厚42~94 m,平均59 m。結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含夾矸(層)9-48層,巖性多為炭質(zhì)泥巖-粉砂巖,單層厚一般在0.1~3 m。可采厚2.4~45 m,平均27 m。
45號煤層:距42-43號煤層3.3~29.5 m,平均20 m。全層厚32.2~145 m,平均83.7 m,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。含夾矸(層)9-56層,巖性多為泥巖-粉砂巖,單層厚一般0.10~3.0 m,可采厚6.7~51.4 m,平均30 m。
底板巖性均為細(xì)碎屑巖,局部為粗碎屑巖,有利于煤層氣的保存。
烏魯木齊礦區(qū)煤層穩(wěn)定性較差,夾矸多,分叉多,對于水平井判層和儲層鉆遇率等均有較大影響。尤其是目標(biāo)煤層在以往施工過程中常常會出現(xiàn)煤層分叉、鉆遇透鏡狀夾矸、煤質(zhì)不均等情況。
針對烏魯木齊礦區(qū)地層傾角大、煤層多、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜等地質(zhì)特點(diǎn),結(jié)合以往施工實(shí)際情況分析,判定該區(qū)塊水平井施工面臨以下主要難點(diǎn):
(1)地層傾角大,且砂巖和泥巖互層,軟硬交替,鉆井軌跡控制難。
煤層氣井完井經(jīng)儲層改造后,要下泵進(jìn)行排水降壓采氣,泵和抽油桿對井身軌跡質(zhì)量要求較高。而礦區(qū)地層傾角大,且砂巖和泥巖互層,軟硬交替,常規(guī)鉆井工藝容易造成井斜超標(biāo)和方位漂移等問題。因?yàn)榇髢A角地層,由于非均等面切削作用,鉆頭處于不平衡的鉆進(jìn)狀態(tài),容易偏離原鉆進(jìn)軸線,產(chǎn)生“小變向器”作用,且隨地層傾角的增大,這種“小變向器”作用也隨之增強(qiáng),井斜超標(biāo)也越大[6-7]。此外,由于砂巖和泥巖互層,軟硬交替,鉆頭在不同軟硬程度地層鉆進(jìn)時(shí),也會產(chǎn)生“小變向器”作用,并在軟硬分界面形成“狗腿”,鉆井軌跡控制較難。因此,針對大傾角地層,需要開展技術(shù)攻關(guān),提高鉆井效率,保證井身軌跡質(zhì)量。
(2)地層構(gòu)造較復(fù)雜,儲層夾矸多,儲層鉆遇率低。
礦區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)是地層傾角大,前期地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈,出現(xiàn)儲層沿傾向傾角是變化的,沿走向方位是變化的,會導(dǎo)致水平井在沿儲層鉆進(jìn)時(shí)易出頂?shù)装?,從而?dǎo)致鉆遇率低,重新入煤困難,頂?shù)装迮袛嗖磺?。煤層夾矸多會影響目的煤層的判斷,無法判斷是否進(jìn)入目的煤層,鉆遇夾矸對調(diào)整軌跡產(chǎn)生影響。因此水平井儲層鉆進(jìn)技術(shù)、頂?shù)装迮袛嗉夹g(shù)、側(cè)鉆技術(shù)需進(jìn)行適應(yīng)性研究。
(3)煤儲層控制精度不夠存在目標(biāo)儲層垂深、產(chǎn)狀的不確定性,造斜率的不確定性,對實(shí)施水平井來說難以把握,需進(jìn)行分析控制。
(4)水平井完井方式可選擇裸眼完井、篩管完井、套管固井射孔完井,根據(jù)礦區(qū)大傾角低階煤煤巖力學(xué)特點(diǎn),選擇清水鉆進(jìn)易出現(xiàn)煤層坍塌等事故,泥漿鉆進(jìn)會對儲層不同程度污染,需根據(jù)煤巖特點(diǎn)及增產(chǎn)改造效果進(jìn)行完井方式適應(yīng)性研究及優(yōu)化。
綜合分析礦區(qū)地層巖性、目的煤層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì),結(jié)合以往鉆井施工實(shí)際與地層壓力數(shù)據(jù),結(jié)果表明鉆遇巖層時(shí)井壁穩(wěn)定性較好,鉆遇主要目的煤層時(shí)井壁穩(wěn)定性差。
通過對煤巖的水化分散和膨脹性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),煤巖不易水化分散和膨脹。而對煤巖的XRD分析表明,煤巖中富含的高嶺石,容易形成微小顆粒并運(yùn)移堵塞煤巖原有裂隙,損害儲層滲透率;另外煤巖中含有部分有機(jī)物,這些有機(jī)物可能溶解在鉆井液中,也容易造成煤巖不穩(wěn)定,導(dǎo)致煤巖垮塌。因此,井壁失穩(wěn)的主要原因是由于高嶺石的運(yùn)移和有機(jī)物的溶解造成的。
通過對煤巖的理化性能及井壁失穩(wěn)機(jī)理分析可知:
(1)該區(qū)塊煤巖中的粘土礦物、二氧化硅,富含有機(jī)質(zhì),對酸敏感,易于溶解運(yùn)移,煤巖應(yīng)力敏感性較強(qiáng)。
(2)該區(qū)塊煤巖不易水化分散,但遇水會產(chǎn)生膨脹,造成井壁不穩(wěn)。
(3)安全鉆井液密度窗口為1.08~2.0 g/cm3。
根據(jù)煤層井壁失穩(wěn)機(jī)理分析,在實(shí)際鉆井施工中,應(yīng)選擇配伍性較好的高效低傷害鉆井液體系;可對水平井井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化,采用二開井身結(jié)構(gòu),減少套管層次,舍去技術(shù)套管。
通過煤巖理化性能、井壁穩(wěn)定性研究以及煤儲層敏感性試驗(yàn)研究,篩選了適合烏魯木齊礦區(qū)的低傷害鉆井液體系。由于該區(qū)塊構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育,應(yīng)控制鉆井液密度,使之始終處于安全窗口內(nèi),以確保井壁穩(wěn)定和鉆井安全。此外,要嚴(yán)格控制鉆井液失水指標(biāo),防止鉆井液滲入并污染儲層[11-12]。
按照室內(nèi)試驗(yàn)得到的配方配置鉆井液?,F(xiàn)場進(jìn)行了3口井的對比試驗(yàn),煤層井徑擴(kuò)大率及煤層垮塌掉塊情況得到明顯改觀。采用1.03~1.05 g/cm3的鉆井液體系時(shí),在實(shí)際施工中,煤層垮塌現(xiàn)象多次出現(xiàn),完井測井也多次受阻,測井結(jié)果表明煤層段井徑擴(kuò)大率超標(biāo)。需對鉆井液性能進(jìn)行調(diào)整,適當(dāng)提高其密度增加液柱壓力以平衡煤層坍塌壓力,從而增加其防塌效果。在研究的低傷害鉆井液基礎(chǔ)之上,合理增加鉆井液密度和粘度,降低失水的技術(shù)優(yōu)化方案。優(yōu)化后的鉆井液密度區(qū)間為1.10~1.15 g/cm3,粘度區(qū)間為40~50 s,并嚴(yán)格將失水控制在5 mL以下,可有效阻止煤層垮塌。
通過現(xiàn)場逐漸增加鉆井液密度,找出防塌的臨界密度。現(xiàn)場調(diào)整情況及效果如表1所示。
表1 鉆井液性能、配方現(xiàn)場數(shù)據(jù)Table 1 Drilling fluid performance and formula field data
通過對上述鉆井液的研究與現(xiàn)場試驗(yàn),得到以下結(jié)論:
(1)適合本礦區(qū)的低傷害鉆井液體系基本配方:1.5%~2%膨潤土(模擬現(xiàn)場土)+0.9%KYZ+2.3%SS-3。
(2)該鉆井液體系基本性能穩(wěn)定,溫度適應(yīng)范圍寬,在不同溫度條件下各項(xiàng)性能滿足現(xiàn)場要求。
(3)該鉆井液體系具有優(yōu)良的抗煤巖污染。
(4)該鉆井液體系對煤巖的穩(wěn)定指數(shù)較好,具有較強(qiáng)的防塌能力。
(5)該鉆井液體系對煤巖的滲透率降低影響較小,不會影響后期的采氣過程。
井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鉆井設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容之一,合理的井身結(jié)構(gòu)能有效地避免鉆井過程中漏失、坍塌、卡鉆等鉆井事故的發(fā)生,保證施工安全順利進(jìn)行,降低鉆井成本[14-15]。
井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定套管的下入層次、下入深度。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要依據(jù)對鉆井地質(zhì)特征(包括地層巖性、地層壓力、地層復(fù)雜情況、井壁圍巖特征、地層流體特征等)的認(rèn)識程度和鉆井裝備條件(套管、鉆頭、井口防噴裝置、鉆具等)以及鉆井工藝技術(shù)水平(鉆井液工藝、注水泥工藝、井眼軌跡控制技術(shù)、操作水平等)的掌握程度來進(jìn)行。隨著鉆井裝備條件的日益改善和鉆井工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,以及對鉆井地質(zhì)客觀規(guī)律認(rèn)識的不斷加深,以往根據(jù)地層孔隙壓力剖面和破裂壓力剖面設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)的模式已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代鉆井技術(shù)的發(fā)展,需要優(yōu)化改進(jìn),使井身結(jié)構(gòu)更加合理。烏魯木齊礦區(qū)水平井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則主要有如下幾點(diǎn):
(1)可以有效控制鉆井液密度,有效減小對儲層污染;
(2)保證鉆井作業(yè)特別是水平段安全鉆進(jìn),有效避免漏失、坍塌、卡鉆等事故情況;
(3)當(dāng)有溢流征兆時(shí),具備壓井的能力,并不得將地層壓漏;
(4)保證各開次套管能按設(shè)計(jì)順利下入;
(5)有利于提高鉆井效率、降本增效。
(6)便于鉆井軌跡控制,確保精確中靶。
水平井一般設(shè)計(jì)三開結(jié)構(gòu),下入技術(shù)套管的主要目的是封隔及穩(wěn)固目的儲層以上井段,保證水平段安全鉆進(jìn)。礦區(qū)以往鉆井資料顯示,儲層以上井段未出現(xiàn)因地質(zhì)因素而發(fā)生鉆井事故。煤層氣單分支水平井水平段較短,鉆井周期較短,工程難度與工序比SAGD、U型井、多分支水平井更簡單,可通過降低套管層次降低鉆井成本來提高單井綜合效益。
依據(jù)井壁穩(wěn)定性研究結(jié)果,烏魯木齊礦區(qū)地層壓力梯度見圖3。圖中所示100 m左右壓力突變處為第四系與基巖分界線,最后壓力梯度變化位置為儲層與上覆基巖段分界線。水平井一開套管鞋至目的煤層以上井段井壁穩(wěn)定性較好,屬于同一坍塌與漏失壓力梯度,可舍去技術(shù)套管,井身結(jié)構(gòu)可由三開結(jié)構(gòu)井改為二開結(jié)構(gòu)。
圖3 地層壓力曲線圖Fig.3 Formation pressure curve
從圖3曲線圖可知地層壓力特性突變點(diǎn)在50~100 m井深,此段為第四系,易漏易塌,鉆井液安全窗口較小,因此一開50~100 m需用套管隔離。進(jìn)入穩(wěn)定基巖至完鉆井深鉆井液安全窗口幾乎重疊,目的煤層段略小,采用同一范圍鉆井液密度即可滿足安全鉆井需要。因此可不必下入技術(shù)套管,直接二開完鉆下入生產(chǎn)套管,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表2。
表2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表Table 2 Well structure design data sheet
注:設(shè)計(jì)二開,若因地層復(fù)雜鉆井隊(duì)?wèi)?yīng)設(shè)計(jì)表層套管前下入大一級導(dǎo)管封隔第四系。
截止2019年6月,烏魯木齊礦區(qū)將原來三開結(jié)構(gòu)水平井優(yōu)化為二開結(jié)構(gòu),如圖4所示。所施工的二開結(jié)構(gòu)水平井均獲得成功。單井成本節(jié)約約70萬元。單井節(jié)約成本詳見表3。
圖4 水平井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖Fig.4 Schematic diagram of horizontal well structure optimization
井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不僅節(jié)約直接成本,也縮短了鉆完井周期,同時(shí)二開水平井更利于三維井與儲層變化時(shí)需抽回側(cè)鉆井的軌跡調(diào)整,礦區(qū)共出現(xiàn)3井次抽回著陸點(diǎn)以上井段側(cè)鉆情況,若二開下入技術(shù)套管則需要套管開窗側(cè)鉆,成本將增加數(shù)十萬元。
表3 三開結(jié)構(gòu)與二開結(jié)構(gòu)工序與材料對比Table 3 Comparison of drilling processes and material between the three-section structure and the two-section structure
為試驗(yàn)研究成果應(yīng)用情況,在烏魯木齊礦區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),取得了良好效果,水平井平均單井產(chǎn)氣得到提高,平均鉆井周期由20 d縮短至15 d,單井鉆井成本節(jié)約70萬元。
(1)優(yōu)化后的水平井井身結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 水平井二開井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the two-section horizontal well structure
一開:?311.15 mm鉆頭+?244.5 mm表層套管;
二開:?215.9 mm鉆頭+?139.7 mm生產(chǎn)套管。
(2)井眼軌跡設(shè)計(jì)。
烏魯木齊礦區(qū)新施工水平井均采用了中半徑雙增軌跡,避免了2個(gè)不確定性因素(靶區(qū)垂深不確定和造斜率不確定)引起的儲層鉆遇率風(fēng)險(xiǎn)。其中2口水平井采用了三維井眼軌跡。
(3)鉆頭和鉆具組合。
水平井一開使用牙輪鉆頭或PDC鉆頭,二開使用PDC鉆頭,二開鉆具組合以復(fù)合鉆具組合為主,全程使用無線MWD進(jìn)行軌跡監(jiān)控,水平段采用LWD隨鉆導(dǎo)向技術(shù),使用螺桿馬達(dá)控制井眼軌跡。
水平井鉆具組合根據(jù)實(shí)鉆情況,托壓嚴(yán)重,摩阻大,鉆壓較難傳遞到鉆頭,因此,采用常規(guī)鉆具組合與倒裝鉆具組合相結(jié)合方式。水平井鉆具組合如下:
常規(guī)鉆具組合:PDC鉆頭+1.5°/1.75°螺桿+加重鉆桿+常規(guī)鉆桿+主動鉆桿(上部加壓方式);
倒裝鉆具組合:PDC鉆頭+1.5°/1.75°螺桿+加重鉆桿+常規(guī)鉆桿+加重鉆桿(直井段)+主動鉆桿(上部加壓方式)。
(4)鉆井液體系。
優(yōu)化后的鉆井液密度區(qū)間為1.10~1.15 g/cm3,粘度區(qū)間為40~50 s,并嚴(yán)格將失水控制在5 mL以下。低傷害鉆井液體系基本配方:1.5%~2%膨潤土+0.9%KYZ+2.3%SS-3。
現(xiàn)場實(shí)施效果表明:針對大傾角、多煤層地層,二開結(jié)構(gòu)水平井快優(yōu)鉆井技術(shù)可以很好地滿足礦區(qū)煤層氣開發(fā)需要。井壁穩(wěn)定性分析結(jié)果、井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、水平井定向與導(dǎo)向技術(shù)的研究成果大大縮短了鉆井周期,提高了儲層鉆遇率,提高了鉆井效率,降低鉆井成本。在施工過程中嚴(yán)格按井身質(zhì)量控制技術(shù)措施來施工,測井結(jié)果表明鉆井的井身質(zhì)量得到了很好的控制,滿足后期壓裂和排采要求。
烏魯木齊礦區(qū)地層傾角大、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,針對水平井施工特點(diǎn)及難點(diǎn),并結(jié)合礦區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件,在研究查清井壁失穩(wěn)機(jī)理,優(yōu)化鉆井液配方后,將原來三開結(jié)構(gòu)水平井優(yōu)化為二開結(jié)構(gòu),水平井鉆井施工均取得成功,且縮短了鉆井施工周期,節(jié)約了鉆井成本。優(yōu)化的鉆井液減少了煤層垮塌事故,提高了成井率。同時(shí),研究的低傷害鉆井液體系經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證也能滿足該區(qū)塊鉆井要求,能保護(hù)井壁穩(wěn)定,減少煤層污染。在今后類似工程中可參考借鑒。