韓立強,王衛(wèi)東,孫躍蒙,李紅柱
(中國煤炭地質(zhì)總局 第一勘探局地質(zhì)勘查院,河北 邯鄲 056004)
煤層氣是一種非常規(guī)天然氣資源,它吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體,傳統(tǒng)的煤層氣開采方式為地面直井排水降壓開采,但這種方式開采煤層氣單井產(chǎn)量低、經(jīng)濟效益比較差,在國家碳中和、碳達峰政策的大形勢下,這種傳統(tǒng)的煤層氣生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足我國經(jīng)濟發(fā)展要對煤層氣高效勘探開發(fā)的需要,而水平井井眼貫穿儲層段長,單井產(chǎn)量高,投入回報率遠高于直井和斜井,因此水平井一直受到行業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。但對于施工來說,水平井又屬于高難度、高成本的定向井,主要體現(xiàn)在施工工序繁瑣復雜、儀器昂貴、泥漿材料費用高。隨著鉆井施工工藝和導向技術(shù)的發(fā)展,水平井也成為現(xiàn)在及未來煤層氣生產(chǎn)中的一個趨勢。
沁水盆地位于呂梁隆起帶東側(cè)、太行復背斜西側(cè)、五臺山隆起帶以南、中條隆起帶以北,是在古生界基底上發(fā)育的盆地,現(xiàn)今的構(gòu)造面貌為一個近南北向的大型復式向斜。盆地內(nèi)部次級褶皺發(fā)育,南部和北部以近東向褶皺為主,局部近南北、北東和北西走向的褶皺;中部則以北北東向褶皺發(fā)育為特點。斷裂以北北東、北東、北東東向高角度正斷層為主,集中分布于盆地西北部、西南部及東南部邊緣。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造雖較簡單,但斷層、褶皺展布形態(tài)仍然反映了沁水盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動。
壽陽區(qū)塊位于沁水煤田的西北端,陽曲—盂縣緯向構(gòu)造帶南翼。其東、西兩側(cè)受太行徑向構(gòu)造帶和新華夏系構(gòu)造的控制,南部受壽陽—西洛南北向構(gòu)造帶的影響,故整個勘探區(qū)是在徑向與緯向和新華夏系構(gòu)造的復合控制之下。區(qū)域構(gòu)造明顯受陽曲—盂縣緯向構(gòu)造帶影響,構(gòu)造形態(tài)總體上呈現(xiàn)走向東西、向南傾斜的單斜構(gòu)造。在此背景上又發(fā)育著一些不同方向的次一級的褶曲和斷裂,區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為簡單,地層傾角一般較緩。斷層的走向多為NE~NNE 方向,少量斷層為近EW 向,反映出本區(qū)受多期構(gòu)造運動的影響。
本文施工的煤層氣井就位于該區(qū)塊內(nèi),根據(jù)已有資料可知該地區(qū)為一個近南北向的大型復式向斜,區(qū)塊內(nèi)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造雖然較為簡單,但內(nèi)部小斷層及次級褶皺較為發(fā)育,加上前期地質(zhì)資料較少,給水平井的施工造成了極大的困難,施工中常遇到3~5 m 的小褶皺或斷層。
該井井身結(jié)構(gòu)為三開鉆井,實際鉆井參數(shù)如下。
一開:孔徑374.7 mm,下入273.1 mm 表層套管。
二開:孔徑241.3 mm,下入193.7 mm 技術(shù)套管。
三開:孔徑171.5 mm,下入139.7 mm 生產(chǎn)套管1 395.24 m,著陸點深度1 393.20 m,二開套管下至1 395.24 m,井斜86.4°。
施工過程中,一開和二開施工均正常,未出現(xiàn)其他事故。
該井出事故前的施工鉆具組合為:PDC 鉆頭+近鉆頭導向+螺桿+接收短節(jié)+無磁+鉆桿+單根方入+頂驅(qū),井深1 536 m,井斜103.4°,已經(jīng)進入煤層水平段中145 m。出事故前期鉆進中,煤層垮塌卡鉆、憋泵,起鉆至技術(shù)套管內(nèi),調(diào)配鉆井液,下鉆至井深1 446 m 時遇阻。隨后進行開泵劃眼,至井深1 458.40 m 處,泵壓異常,由12.0 MPa升到18.0 MPa,且活動鉆具困難,開泵上提鉆具,摩阻達到20 t;開泵、開頂驅(qū)下放鉆具,摩阻16 t,循環(huán)后發(fā)現(xiàn)振動篩處有部分掉塊。
根據(jù)現(xiàn)場情況初步判斷為,劃眼至井深1 458.40 m 時,再次發(fā)生井塌;隨后進行倒劃眼至井深1 455.0 m 泵壓突然降低,由12.0 MPa 降為7.0 MPa,近鉆頭導向儀器突然異常,無法收到信號,判斷井下異常、決定起鉆進行檢查。上提鉆具完畢后,發(fā)現(xiàn)連接無磁鉆鋌的加重鉆桿公接頭80 cm 處斷落,無磁鉆鋌以下全部掉落入井內(nèi)。分析鉆具斷落原因為:處理上一趟鉆中的煤層垮塌、卡鉆事故中,造成鉆具疲勞,再次下鉆遇阻時,致使鉆具斷落井內(nèi),鉆頭位置應該在1 458.00 m 以上。
分析鉆具斷落原因和下一步處理方案,認為魚頭已被垮塌的巖屑埋住,初步判斷魚頭位置在1 438 m 處,決定用171.5 mm 三牙輪鉆頭通井、尋找落魚位置。
第一次:下入三牙輪鉆頭至井深1 434.20 m 處遇阻,開泵,排量14 L/s,泵壓7.5 MPa;開頂驅(qū),轉(zhuǎn)速10 rpm,扭矩2~4 kN·m,低鉆壓0.5 t。劃眼至井深1 439.10 m 無法繼續(xù)通過,反復嘗試多次均無法通過1 439.10 m,劃眼至1 439.10 m 處加鉆壓0.5 t 不回壓,頂驅(qū)轉(zhuǎn)速10 rpm,未接觸1 439.10 m時扭矩2.5 kN.m,接觸后加壓0.5 t,扭矩3~4 kN.m。循環(huán)后振動篩有少量煤層掉塊返出,后期巖屑明顯減少,無掉塊返出,在振動篩處放置的吸鐵石吸到少量的小長粒鐵屑,現(xiàn)場判斷魚頭位于1 439.10 m 處,決定對井底灌封閉泥漿,起鉆,打撈方案。
落魚組合示意圖如圖1 所示。
圖1 落魚組合示意Fig.1 Fish combination diagram
落魚位置示意圖如圖2 所示。
圖2 落魚位置示意Fig.2 Location of falling fish
第二次:下入卡瓦打撈筒至井深1 439.24 m 遇阻,上提1 m 開泵,泵壓6.0 MPa,排量14 L/s,下放至1 439.24 m 泵壓無變化;上提2 m,開頂驅(qū)轉(zhuǎn)速5 rpm,扭矩2~3.1 kN·m,下放至1 439.24 m扭矩3.5~4.1 kN.m,停泵下壓懸重2 t 不回壓,上提2 m 換方位開泵開頂驅(qū)下放至1 439.24 m 泵壓依然無變化,停泵下壓不回壓,多次換方位操作后仍無效果,地面無法確認是否觸碰到落魚。認為魚頭緊貼井眼上部,無法進入打撈筒,決定下入彎鉆桿+卡瓦打撈筒實施打撈作業(yè)。
第三次:下入彎鉆桿+卡瓦打撈筒至井深1 395.24 m 遇阻,經(jīng)過多次開泵、停泵、多方位下放卡瓦打撈筒均無法套住魚頭,打撈3 h 無果,現(xiàn)場決定起鉆研究下一步打撈方案。
第四次:下入φ171.50 mm 牙輪鉆頭+φ135 mm×1.5°螺桿+MWD 測斜儀器下鉆至魚頭位置清掃魚頭沉砂,為了防止劃眼出新井眼,下入MWD測斜儀器隨時跟進井眼軌跡數(shù)據(jù)。在清掃魚頭的過程中分別向魚頭上方和魚頭下方拉槽劃眼,在接觸到落魚時,指重表有明顯的變化,振動篩有小部分鐵屑返出,現(xiàn)場決定起鉆下入打撈鉆具。上提鉆具完畢后,發(fā)現(xiàn)牙輪鉆頭磨損嚴重,并且有斷齒的情況。判斷牙輪鉆頭碰到魚頭,研究決定下入彎鉆桿+卡瓦打撈筒實施打撈作業(yè)。
第五次:下入彎鉆桿+卡瓦打撈筒進行打撈作業(yè)后,魚頭進入了卡瓦打撈筒2 次,懸重由38 t 降至20 t,泵壓由5 MPa 上升至15 MPa,但卡瓦打撈筒卡不住魚頭,分析原因為加重鉆桿接箍上焊有耐磨帶,有耐磨帶的地方外徑131 mm,采用的卡瓦打撈筒最大只能打撈外徑127 mm 的鉆具?,F(xiàn)場決定起鉆后再研究下一步打撈方案,起鉆完畢后,檢查卡瓦打撈筒內(nèi)壁有磨損痕跡,再次確定魚頭進入了卡瓦打撈筒引鞋內(nèi)。
打撈工具組合示意如圖3 所示。
圖3 打撈工具組合示意Fig.3 Combination of fishing tools
由于現(xiàn)場沒有φ131 mm 的打撈筒,決定用彎鉆桿+安全接頭+公錐進行打撈,在公錐外加1 個外徑φ168 mm,內(nèi)徑φ140 mm 的引鞋。
第六次:下鉆完畢,開泵沖洗魚頭、停泵,尋找魚頭,待魚頭進入公錐引鞋內(nèi),緩慢加壓10 kN引扣,在引扣過程中,指重表懸重明顯回升,扭矩由2 kN·m 上升到4.5 kN·m,再緩慢加壓至50 kN造扣,引扣、造扣過程中指重表懸重明顯回升,頂驅(qū)反扭明顯,頂驅(qū)共有效轉(zhuǎn)動8.0 圈,上提遇阻,判斷造扣成功。試著開泵,排量6.0 L/s,泵壓18.0 MPa,無法建立循環(huán),多次活動鉆具(上提至懸重60 t,下放至懸重40 t,原懸重38 t),解卡后,上提鉆具4.0 m 后再次遇阻,重復活動鉆具直至解卡,起鉆完畢,落魚全部打撈出井。至此,歷時7 d、打撈6 次,處理事故成功。
(1)選擇好泥漿體系,保持井壁穩(wěn)定和井眼內(nèi)干凈。水平井井斜大、位移大,巖屑受自身重力的作用向下運動,如果鉆井液性能不足、環(huán)空返速不夠大,巖屑在井床越積越多,容易形成卡鉆,造成事故。為保證井眼的凈化,可采用以下方法:①首先保證足夠的排量,即保證足夠的環(huán)空返速,以破壞巖屑推擠的形成,從而達到清洗井壁的效果;②提高鉆井液粘度可以增加鉆井液對巖屑的粘附力,使巖屑隨鉆井液及時帶出井筒,在鉆速較快的井段要有意識的控制鉆速;③在鉆井過程中,定向鉆進中震動篩巖屑明顯減少時短起下一次,及時清除井壁上的巖屑,保證井眼暢通,防止粘卡事故;④加強鉆井設(shè)備的維修和保養(yǎng),保證鉆井的連續(xù)性,這樣才能減少鉆進過程中鉆井液靜止的時間;⑤用好凈化固控設(shè)備,保證良好的鉆井液性能,滿足攜巖、潤滑、防塌要求,確保井壁穩(wěn)定,井眼暢通。因此,水平井鉆進過程中,一定要控制好鉆井液的性能和泵壓、泵量,避免事故的發(fā)生。
(2)做好井身軌跡的控制工作。根據(jù)井身軌跡的變化,及時調(diào)整井斜和方位,避免大幅度調(diào)整造成狗腿度過大,給下步施工造成不利影響。
(3)造斜段和水平段全部使用斜坡鉆桿,加重鉆桿放在直井段,減少鉆具與井壁的摩擦。
(4)在造斜率允許的條件下盡量多采用復合鉆井方式鉆進,這樣可改善井眼的平滑性,又可促進巖屑的返出。加強配合協(xié)調(diào)工作,加快施工進度,縮短浸泡時間,避免垮塌卡鉆。
(5)加強坐崗工作,密切觀察震動篩上巖屑返出情況,如有巖屑返出減少現(xiàn)象,應立即停鉆進行短提下鉆,破壞井壁巖屑堆積,保證井眼暢通。
(1)灌入封閉漿。煤儲層易破碎、垮塌,一旦確定鉆具落入井內(nèi),要及時提高鉆孔內(nèi)鉆井液的比重和粘度,做好井壁保護工作,避免魚頭上部的井段垮塌,為后續(xù)打撈落魚做好準備。這次事故處理中,歷時7 d,6 次上下鉆,中間沒有專門更換泥漿,鉆孔內(nèi)也沒有出現(xiàn)再次垮塌現(xiàn)象,證明了打封閉泥漿的措施。
(2)尋找魚頭。處理事故中,找到魚頭位置是最重要的,根據(jù)魚頭位置,選擇合適的工具,處理事故中,要做好充分的處理方案,避免盲目下鉆打撈,造成井壁垮塌,給后續(xù)打撈工作造成新的困難。
(3)檢測鉆具。處理完卡鉆、埋鉆等事故后,一定要對鉆具進行探傷檢測,發(fā)現(xiàn)有損傷的鉆具要及時更換;每趟起、下鉆倒換鉆具位置,避免鉆具長時間受交變應力的作用,防止下次使用時,鉆具疲勞再次發(fā)生斷鉆具的事故。