李宏欣 張學(xué)峰

(1.河南省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司,河南 450016;2.河南豫中地質(zhì)勘察工程公司,河南 450053)

為了改變煤層透氣性差設(shè)計(jì)采用洞穴-篩管完井這一技術(shù),目的在于有效擴(kuò)大煤儲(chǔ)層暴露面積或滲流面積,最大限度降低鉆井液和固井水泥漿對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害,保持煤儲(chǔ)層和井筒之間最佳的連通條件,煤層氣流達(dá)到井口的阻力最小。采用該技術(shù)和常規(guī)的施工方法及工作內(nèi)容一樣,完鉆后在煤層段利用造穴工具對(duì)煤層段造洞穴,施工工藝簡(jiǎn)單,操作方便,施工時(shí)間短、成本低。

1 研究區(qū)地質(zhì)及煤層氣開(kāi)采狀況

1.1 地質(zhì)

井田地層自下而上為寒武系上統(tǒng)崮山組;石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組;二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組,上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組;三疊系下統(tǒng)劉家溝組及第四系,總厚約1400m。其中石炭系上統(tǒng)太原組-二疊系上統(tǒng)上石盒子組為含煤地層,二疊系的山西組為主要的含煤地層,含主要可采煤層二1煤。因此,該井田的開(kāi)采煤層和本次研究的目的層為二1煤層。

1.2 煤層氣的儲(chǔ)存和開(kāi)采情況

井田內(nèi)二1煤頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,其厚度一般為2.00～15.00m,厚-巨厚層狀,致密,巖石完整,裂隙不發(fā)育,該井田參數(shù)井煤層頂板巖石取樣測(cè)試滲透率為0.03～0.038×10-3μm2;證明二1煤層頂板滲透性差,隔水性好,是一層很好的氣蓋層。

煤層底板一般為厚0.5～2m的泥巖或炭質(zhì)泥巖,其下巖性多為砂質(zhì)泥巖,厚5～10m,井田參數(shù)井煤層底板巖石取樣測(cè)試滲透率為0.045×10-3μm2;證明二1煤層底板滲透性差,隔水性好。

井田內(nèi)二1煤層的頂、底板在整個(gè)巖性組合上基本相同,即均覆蓋著一套氣密性較好、厚度較大的泥巖、砂質(zhì)泥巖,二1煤層吸附能力強(qiáng),使煤層氣大部分被圈閉在煤層中以原地吸附的形式保存,有利于形成原生煤層氣藏。

煤層上覆有效地層厚度控制著煤層含氣性,本區(qū)二1煤層埋深一般650～1000m,上覆有效地層厚度一般為600～950m,煤層氣逸散的氣量較少,煤層氣含量高。

(1)煤層氣含量

地質(zhì)勘探時(shí)期鉆孔瓦斯含量：二1煤層所測(cè)瓦斯含量變化范圍為3.15～15.52m3/t·r,屬于高瓦斯含量區(qū);同一煤層在南北傾向上瓦斯變化不甚明顯;沿走向從西向東瓦斯含量逐漸增高,變化規(guī)律明顯。

已揭露的工作面瓦斯涌出情況：回采期間瓦斯絕對(duì)涌出量4.193～15.823m3/min,掘進(jìn)工作面在0.82～5.62m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量在11.483～17.189m3/t。二1煤層為突出煤層,礦井為煤與瓦斯突出礦井。

本次所布設(shè)的地面參數(shù)為生產(chǎn)試驗(yàn)井所測(cè)的4個(gè)吸附樣,樣品的空氣干燥基煤層含氣量為5.86～12.31cm3/g,平均8.21cm3/g。

(2)井下工作面本層鉆孔瓦斯抽采量

己2采區(qū)綜采工作面瓦斯抽采量為0～8.15m3/min,己2采區(qū)掘進(jìn)面瓦斯抽采量為3.32m3/min。由于煤層透氣性系數(shù)較低,井下鉆孔瓦斯抽采率較低。

(3)礦井瓦斯抽采量

礦井瓦斯抽采量包括綜采工作面、綜掘工作面、預(yù)抽工作面、采空區(qū)、老空區(qū)等地點(diǎn)瓦斯抽采量。經(jīng)計(jì)算礦井瓦斯抽采量為42.51m3/min。瓦斯抽采系統(tǒng)服務(wù)年限與礦井生產(chǎn)服務(wù)年限相同。

2 煤層氣洞穴-篩管完井工藝的原理與鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 原理

洞穴完井是單一厚煤層重要的煤層氣增產(chǎn)完井技術(shù)之一。增產(chǎn)機(jī)理在于對(duì)煤儲(chǔ)層周期性的壓力激動(dòng),導(dǎo)致煤層內(nèi)微裂隙和割理受到波動(dòng)壓力作用而產(chǎn)生縱橫向的擴(kuò)張和擴(kuò)展。施工采用噴射式造穴器進(jìn)行水力沖洗、擴(kuò)眼、激勵(lì)、破碎、清洗等組合技術(shù),在煤層段營(yíng)造一個(gè)合適規(guī)模的洞穴,用來(lái)釋放煤層部分地應(yīng)力,同時(shí)使煤層段的應(yīng)力場(chǎng)分布均一化;然后對(duì)裸眼洞穴煤層實(shí)施水力加砂壓裂,壓裂液選用活性水,支撐劑選用粗石英砂,壓裂結(jié)束后,控制壓裂液排放速度,防止洞穴過(guò)度坍塌,然后再采用水力沖洗、破碎、清洗等技術(shù),對(duì)裸眼洞穴進(jìn)行有效清理。洞穴清理完畢后,在裸眼洞穴段下入預(yù)制好的鉆孔篩管,篩管下部支撐于井底,上部進(jìn)入生產(chǎn)套管內(nèi)5m左右。

這一技術(shù)可以有效擴(kuò)大煤儲(chǔ)層暴露面積或滲流面積,最大限度降低鉆井液和固井水泥漿對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。最近,在平頂山十三礦成功地完成了一組洞穴-篩管煤層氣生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)井。洞穴完井工藝技術(shù)概括為：鉆頭鉆至煤層頂界上3m時(shí)停止鉆進(jìn),進(jìn)行裸眼地球物理測(cè)井,下技術(shù)套管,注水泥固井候凝后,再?gòu)募夹g(shù)套管中下入小一級(jí)的鉆頭鉆穿煤層至底板下10m完鉆。在完成該段裸眼測(cè)井和前一階段的固井測(cè)井后,下入噴射式造穴器對(duì)煤層段造穴,洞穴直徑達(dá)到1.2m時(shí)停止造穴。對(duì)裸眼洞穴煤層實(shí)施水力加砂壓裂后,再下入鉆具對(duì)裸眼洞穴進(jìn)行有效徹底清理,最后在裸眼煤層段及以下井段安裝懸掛式割縫篩管,并密封襯管和套管之間的環(huán)形空間。煤層氣可以流過(guò)篩管割縫進(jìn)入井筒。割縫襯管完井它既有裸眼完井的作用,又防止裸眼井壁坍塌堵塞井筒,同時(shí)在一定程度上起到防砂的作用。施工工藝簡(jiǎn)單,成本較低。

割縫襯管鉆完井方法比常規(guī)套管完井鉆井方法具有的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)在煤層段使用近平衡或欠平衡鉆進(jìn)能有效降低鉆進(jìn)過(guò)程中鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的浸泡侵害;常規(guī)套管完井在下套管固井作業(yè)時(shí)水泥漿加深對(duì)煤儲(chǔ)層的污染,同時(shí)在坍塌的煤層段形成一個(gè)厚大水泥石墩既增加射孔的難度,也造成井壁附近滲透率的降低;

(2)清水造洞穴作業(yè)時(shí)基本上消除鉆進(jìn)中可能發(fā)生的煤儲(chǔ)層損傷;也避免了射孔、壓裂等完井施工過(guò)程對(duì)儲(chǔ)層不同程度的損傷;

(3)射孔完井由于射孔孔眼數(shù)目和位置有限,煤儲(chǔ)層裸露面積少,會(huì)使煤層氣流入井筒的阻力大;而洞穴篩管完井有效擴(kuò)大煤儲(chǔ)層暴露面積或滲流面積,煤層氣流達(dá)到井口的阻力最小;

(4)減少套管和固井水泥的用量,減少射孔前后兩次測(cè)井的工作量,也不再進(jìn)行要求較高的射孔操作技術(shù);

(5)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)及施工難點(diǎn)

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洞穴-篩管完井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)方案 (見(jiàn)圖1),一開(kāi)φ311.15鉆穿第四系黃土層,進(jìn)入穩(wěn)定基巖不少于10m。下入表層套管：φ273.1×7.00mm螺旋管,封隔地表不穩(wěn)定的松散易塌地層、水層、漏層,注1.85g/cm3的水泥漿密度返到地面。二開(kāi)φ215.9mm鉆頭鉆進(jìn)至二1煤層頂板3m左右中途完鉆下入177.8mm套管至二開(kāi)井底,注1.85g/cm3的水泥漿密度返到地面。三開(kāi)φ152mm鉆頭鉆穿二1煤層至底板10m完鉆,在煤層段造洞穴至洞穴直徑達(dá)到1.2m,壓裂洗井后,下入氣層篩管φ139.75×7.72mm鋼級(jí)為J55篩管,放置在裸眼煤層及以下井段。

2.2.2 鉆具組合及鉆井參數(shù)

0～50m 311.1mm鉆頭+158.8鉆鋌×8根+方鉆桿;鉆壓 10～30K N,轉(zhuǎn)速 43～110rpm,排量16L/S。

50～760m 215.9mm鉆頭+158.8鉆鋌×8根+88.9鉆桿 +方鉆桿;鉆壓30～80K N,轉(zhuǎn)速43～110rpm,排量16L/S。

760～777m 152.4mm鉆頭+88.9鉆鋌×8根+88.9鉆桿+方鉆桿;鉆壓5～10K N,轉(zhuǎn)速43rpm,排量16L/S。

763.05 ～766.87m噴射式擴(kuò)孔造穴器 (550mm)+88.9鉆桿+方鉆桿;鉆壓0K N,轉(zhuǎn)速43rpm,排量16L/S。

2.3 鉆井液

山西組地層鉆井液體系要求：清水、無(wú)粘土和少量粘土優(yōu)質(zhì)鉆井液,鉆井液地面循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置沉淀池、振動(dòng)篩、除砂器等鉆井液凈化固控裝置。用清水作鉆井液,相對(duì)密度控制在1.03g/cm3以下。該區(qū)地層壓力較低,做到煤層井段近平衡鉆進(jìn),能有效地?cái)y帶煤、巖屑;穩(wěn)定和保護(hù)井壁,平衡地層壓力,以保障鉆進(jìn)施工安全。

煤層造穴段鉆井液體系：用清水作鉆井液,密度保持控制在1.03g/cm3以下。

2.4 各次開(kāi)鉆及分井段施工重點(diǎn)要求

一開(kāi)鉆進(jìn)：該井段地層主要以第四系表土層為主,含有卵礫石,鉆進(jìn)中要注意①防止井漏、垮塌、防卡。②要嚴(yán)格控制鉆壓,防止井斜,以保證井眼垂直下套管順利。③準(zhǔn)備足夠的堵漏材料,以保證施工的正常進(jìn)行。④確認(rèn)進(jìn)入比較穩(wěn)定的基巖后方可起鉆下套管。

二開(kāi)、三開(kāi)鉆進(jìn)：①做好鉆頭及鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)選工作,以提高鉆進(jìn)速度。②嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù),隨鉆電子多點(diǎn)：點(diǎn)/10m測(cè)量一次井斜,確保井斜控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi),以保證后續(xù)施工的正常進(jìn)行。③起下鉆作業(yè)時(shí),要操作平穩(wěn),禁止猛提猛放,防止壓力激動(dòng),破損井壁。

下套管技術(shù)要求：①起鉆前做好下套管的準(zhǔn)備,套管鋼級(jí)和壁厚必須符合設(shè)計(jì)要求;計(jì)算套管下入深度,入井套管必須復(fù)核,下套管必須有下套管記錄;②下套管前進(jìn)行通井,確保井眼暢通;下套管作業(yè)時(shí)套管扭矩必須符合規(guī)范要求,保證套管不留余扣,套管串使用標(biāo)準(zhǔn)絲扣密封脂;③下套管過(guò)程中及時(shí)灌漿,防止套管在井下靜止時(shí)間過(guò)長(zhǎng);④套管下到位后,先小排量頂通,待暢通后,再大排量充分循環(huán)。

固井主要技術(shù)措施：①固井作業(yè)前,要認(rèn)真測(cè)量泥漿性能和井底溫度,讀取電測(cè)井徑等,認(rèn)真計(jì)算水泥漿等用量。②按設(shè)計(jì)要求加扶正器,保證套管居中。下套管到位后,套管內(nèi)灌滿(mǎn)鉆井液,接水泥頭及固井管線(xiàn)。③先小排量打通,確認(rèn)返出正常后,按正常環(huán)空返速循環(huán)清洗井眼1周。④控制合理的注替速度,以減少環(huán)空壓差,注水泥期間,必須有專(zhuān)人監(jiān)控返出的鉆井液中是否有水泥漿。

圖1 井身結(jié)構(gòu)圖

造穴施工措施要求：①根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,選擇確定泥漿泵排量。②下入機(jī)械式造穴工具到設(shè)計(jì)洞穴的頂部,緩慢開(kāi)泵建立循環(huán),并緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具,要時(shí)刻觀(guān)察鉆具扭矩表值,如發(fā)現(xiàn)扭矩陡增,必須立即調(diào)整鉆具轉(zhuǎn)速或泥漿泵排量,以防損壞造穴工具刀桿機(jī)構(gòu),造成井下事故。③按照調(diào)整好的排量和轉(zhuǎn)速,進(jìn)行造穴施工作業(yè)。④觀(guān)察到鉆具扭矩顯著降低,并持續(xù)一段時(shí)間,緩慢向下送鉆,繼續(xù)造穴施工,直到鉆具下送距離達(dá)到設(shè)計(jì)的洞穴的高度。⑤停泵終止泥漿循環(huán),緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具,并緩慢上提鉆具,使機(jī)械式造穴工具刀桿機(jī)構(gòu)收回,起出鉆具和造穴工具,造穴作業(yè)完成。

3 施工工藝和主要施工技術(shù)措施

3.1 施工工藝

一開(kāi)采用φ311.2mm牙輪鉆頭,鉆進(jìn)至二疊系上統(tǒng)石千峰組平頂山砂巖5～10m左右完鉆;下入規(guī)格為φ273.1×7.00mm表層套管,套管口和地面平。固井水泥漿泛出地面,候凝48小時(shí);二開(kāi)下入φ215.9mm鉆頭、φ159mm鉆鋌、φ88.9mm鉆桿,鉆進(jìn)至二1煤層頂板3m左右中途完鉆。進(jìn)行裸眼井中途地球物理測(cè)井 (包括標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井、綜合測(cè)井、井斜測(cè)量)等,用來(lái)劃分地層巖性剖面。接著下入鋼級(jí)為N80、規(guī)格為 φ177.8×8.05mm技術(shù)套管,套管口比地面高0.25m。固井水泥漿泛出地面關(guān)井候凝48小時(shí)。三開(kāi)下入φ152mm鉆頭、φ88.9mm鉆鋌、φ88.9mm鉆桿,鉆進(jìn)至二1煤層底板10m完鉆。進(jìn)行第二次測(cè)井主要確定二1煤層頂?shù)装宓臏?zhǔn)確位置 (包括埋深厚度、煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)以及煤層底板的方位與煤層底板的水平位移)。接著進(jìn)行固井質(zhì)量檢查測(cè)井,評(píng)價(jià)水泥環(huán)膠結(jié)情況等。下入造穴器對(duì)煤層段造洞穴,施工達(dá)到設(shè)計(jì)的要求后,大排量清洗井眼,將煤屑全面循環(huán)出地面,進(jìn)行升波幅度測(cè)井來(lái)確定洞穴的形狀和大小,壓裂清洗凈井眼后,在煤層段下入氣層篩管 φ139.75×7.72mm后完井。安裝井口裝置,技術(shù)套管與表層套管之間采用環(huán)形鋼板來(lái)固定,井口平正,用井口帽封蓋。恢復(fù)井場(chǎng)至進(jìn)場(chǎng)時(shí)原貌。

3.2 洞穴施工

造穴工具采用噴射式擴(kuò)孔造穴器,造穴鉆具采用φ89mm鉆桿,其內(nèi)徑為φ63.5mm較小,鉆井液流速快,擴(kuò)孔造穴器受泵壓作用時(shí)作用力作用在割刀上,使噴射器的合金割刀自然翹起,利用高強(qiáng)度水力能量切割造穴。鉆具下井前先對(duì)造穴器割刀部位進(jìn)行靈活完好檢查,緩慢開(kāi)動(dòng)泥漿泵,當(dāng)泵壓達(dá)2.5MPa時(shí)造穴器割刀受力后自然翹起,泵壓慢慢減小時(shí)造穴器割刀自然緩慢下落,至恢復(fù)原位。將鉆具下至指定造穴位置-煤層頂板下0.5m處造洞穴起始井深處,記錄方入的準(zhǔn)確位置并把方鉆桿向上相當(dāng)于煤層厚度的位置表示出來(lái),來(lái)保證造洞穴施工在煤層段。

在鉆具下至指定造穴位置造穴施工前,人工轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)數(shù)周,沒(méi)阻力后使鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為Ⅰ檔,排量有小到大至排量為14L/s,造穴時(shí)保證泵壓不低于2.5MPa,鉆井液相對(duì)密度為1.03g/cm3,粘度為16s,pH值為8。造穴過(guò)程時(shí)刻觀(guān)察泥漿循環(huán)槽里返出物的變化情況,循環(huán)槽里有不斷的煤油、煤屑小顆粒返出,表明造穴工具井下工作正常,繼續(xù)保持該鉆井參數(shù)。造穴施工中當(dāng)觀(guān)察到鉆具扭矩顯著降低,仍保持該鉆井參數(shù)繼續(xù)持續(xù)一段時(shí)間,當(dāng)觀(guān)察返出井口煤屑量少時(shí),緩慢下放鉆具每次下放0.10m,扭矩會(huì)不斷增加到接近原值時(shí),停止下放鉆具保持該鉆具下深位置,其他鉆井參數(shù)不變,繼續(xù)造穴鉆進(jìn),直至鉆具下深至煤層底板以上0.15m即煤層洞穴終止位置。接著在煤層洞穴段緩慢順利上提下放鉆具往返3次后緩慢上提0.5m鉆具后關(guān)閉鉆機(jī)鉆盤(pán)、泥漿泵,泵壓為零,停泵終止泥漿循環(huán),使機(jī)械式造穴工具刀桿機(jī)構(gòu)收回,起出鉆具和造穴工具,造穴作業(yè)完成。最后用原鉆具接φ152mm鉆頭下鉆至井底,循環(huán)至井底無(wú)煤屑返出后起鉆,造穴結(jié)束。

造穴結(jié)束后,把造穴過(guò)程中鉆井液所返出的煤屑樣全部撈出和鉆遇煤層時(shí)堆在一起,煤油、煤屑量出其總重量,減去煤樣中水的重量。根據(jù)干煤樣的重量和煤的密度來(lái)推算煤層段洞穴容積,作為理想的圓柱狀洞穴容積,有測(cè)井所知的煤層厚度來(lái)推算洞穴直徑是否符合造穴設(shè)計(jì)要求。造穴合格,將孔內(nèi)鉆井液置換成清水,做最后的完井工作。

在煤層氣開(kāi)發(fā)施工過(guò)程中不斷的摸索完井工藝,根據(jù)煤儲(chǔ)層的特性本次主要闡述水力切割煤層產(chǎn)生裸眼洞穴的一種完井方法,總結(jié)出了一整套完井的施工工藝,采用以上施工措施不但縮短了施工工期也降低了施工成本。

4 施工效果評(píng)述

該區(qū)塊施工的三口洞穴-篩管完井和常規(guī)套管完井相比是針對(duì)低滲低壓儲(chǔ)層的嘗試。常規(guī)套管完井以原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤為主的地區(qū),已有煤層氣開(kāi)發(fā)成功的經(jīng)驗(yàn),是現(xiàn)今廣泛使用的完井方法。但該井田為突出煤層,以碎粒煤、靡棱煤為主,目前還沒(méi)有可借鑒的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),本次洞穴-篩管完井方法是在本區(qū)的煤層氣研究基礎(chǔ)上采用的完井方法。該技術(shù)施工的井與普通工藝施工的井效果對(duì)比,需通過(guò)后期的試生產(chǎn)來(lái)評(píng)價(jià)完井的成功與否。

[1] 蘇現(xiàn)波陳江峰等.煤層氣地質(zhì)學(xué)與勘探開(kāi)發(fā) [M].北京：科學(xué)出版社,2001.

[2] 沈琛主編.井下作業(yè)工程監(jiān)督北京：石油工業(yè)出版社,2005.8.