孫成龍

(中石化中原石油工程有限公司鉆井一公司)

目前，煤層氣水平井欠平衡鉆井通常采用雙井筒油管注氣法欠平衡技術(shù)。這種注入方式的優(yōu)勢在于注氣油管直徑較小，壓縮氣體能在短時間內(nèi)進入水平井環(huán)空，提高兩相流的均勻性，使欠平衡工藝更容易控制；另外，該技術(shù)容易實現(xiàn)欠壓值很小的欠平衡作業(yè)，這樣對于煤層井壁的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的益處，從而實現(xiàn)了既保護煤層又安全鉆進的目的[1-4]。因此，為發(fā)揮這種欠平衡鉆井的獨特優(yōu)勢，在進行現(xiàn)場施工之前，必須對注入?yún)?shù)進行合理的優(yōu)化設(shè)計。本文結(jié)合煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井特殊的工藝過程，綜合考慮井底欠壓差、井壁穩(wěn)定、井眼清潔等因素，以氣液流量窗口優(yōu)化設(shè)計原理為基礎(chǔ)，建立一套煤層氣水平井注入?yún)?shù)優(yōu)化設(shè)計模型，形成一套煤層氣水平井充氣平衡注入?yún)?shù)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，為今后實現(xiàn)更為經(jīng)濟有效的煤層氣水平井充氣欠平衡作業(yè)提供技術(shù)支撐。

一、煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井注入?yún)?shù)模型優(yōu)化設(shè)計原理

煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井可以通過設(shè)計不同組合的鉆井液排量和氣體注入量來獲得相同的井底壓力及靜液柱壓力。在地質(zhì)條件、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、井眼軌跡確定條件下，存在一組最佳的氣液流量組合滿足：①井底壓差在安全范圍內(nèi)；②停止循環(huán)時井底壓力大于煤層坍塌壓力；③具有足夠的攜巖能力，避免巖屑床的形成；④避免對井眼造成沖蝕。因此，通過煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井壓力平衡關(guān)系及攜巖能力可繪制出氣液流量窗口圖，如圖1所示。氣液流量窗口由四條曲線構(gòu)成，即平衡壓力限、坍塌壓力限、攜巖能力限、沖蝕壓力限。這四條氣液流量限分別代表四種臨界條件下的氣液流量組合：平衡壓力限上氣液流量組合滿足井底壓力等于地層壓力；坍塌壓力限上各點滿足停止循環(huán)時液柱壓力等于地層坍塌壓力；攜巖能力限是根據(jù)氣液混合流體滿足臨界攜巖標(biāo)準(zhǔn)界定的；沖蝕壓力限是根據(jù)井眼的沖蝕限界定的。合理的氣液組合應(yīng)該在流量窗口之內(nèi)。

圖1 煤層氣水平井充氣欠平衡氣液流量窗口圖

二、煤層氣水平井充氣欠平衡注入?yún)?shù)模型建立

目前，沖蝕壓力限一般是參考煤層氣多分支水平井井徑錄井曲線和當(dāng)?shù)劂@井實踐來確定的[5-6]。通常煤層氣充氣欠平衡鉆井的注氣量不超過40 m3/min，鉆井液排量不超20 L/s。因此，基于氣液流量窗口設(shè)計原理，本文建立了平衡壓力限、坍塌壓力限、攜巖能力限數(shù)學(xué)模型。

1.煤層氣水平井充氣欠平衡平衡壓力限模型

煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井可通過設(shè)計不同的液體和氣體體積流量混合來得到相同井底壓力。在井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、井眼軌跡及其他參數(shù)一定的情況下，平衡壓力限上每個點均滿足在各自的組合下井底壓力等于地層壓力，煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井平衡壓力限控制方程為：

pbh=pp=ξ(Qg,Ql)+pa

(1)

式中：Ql—鉆井液排量，L/s；Qg—注氣量，m3/min；pp—地層壓力，MPa；pbh—井底壓力，MPa；pa—井口回壓，MPa。

2.煤層氣水平井充氣欠平衡坍塌壓力限模型

煤層氣水平井充氣欠平衡坍塌壓力限是根據(jù)不同氣體注入量下，使得不同氣液流量組合產(chǎn)生的停止循環(huán)的液柱壓力等于地層坍塌壓力來界定的。因此，在其他參數(shù)一定情況下，坍塌壓力限上每個點均在各自的組合下使得液柱壓力等于坍塌壓力，因此，煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井坍塌壓力限控制方程為：

pt=p總g=ψ(Qg,Ql)-pa

(2)

式中：pt—坍塌壓力，MPa；p總g—液柱壓力，MPa。

圖2 水平井筒環(huán)空及巖屑床幾何模型

3.煤層氣水平井充氣欠平衡攜巖能力限模型

3.1 水平/傾斜井筒環(huán)空內(nèi)多相流體流動攜巖模型[7-11]

根據(jù)Gavlgnet&Sobey提出的攜巖理論，在水平井筒內(nèi)下部形成一層向上滑移的巖屑層，物理模型如圖2所示。設(shè)巖屑層厚度為h，輸送巖屑的環(huán)空上部截面積為Am，下部截面積為Ac，接觸部分弧長分別為Sm和Sc，兩層界面線長為Si。

圖2所示為水平井筒環(huán)空及巖屑幾何形態(tài)，圖2中幾何參數(shù)的確定分為以下三種情況進行討論：

當(dāng)rcosβ<(L-re)，即鉆桿完全掩埋在巖屑床中：

(3)

當(dāng)(L-re)

(4)

當(dāng)rcosβ>(r+re)，即鉆桿位于巖屑床上面：

(5)

兩層界面的摩擦系數(shù)為：

(6)

式中：Dh—環(huán)空水力直徑，m；Dc—巖屑的直徑，m。

3.2 直井筒環(huán)空內(nèi)多相流體流動攜巖模型

在引力作用下，液相中某一顆粒的下落將加速直到顆粒上作用的拉力剛好平衡引力，此后，顆粒將繼續(xù)以一不變的速度下落，此為顆粒的終端速度，也稱為終了速度或沉降末速度。

顆粒的終了速度受很多因素的影響，包括顆粒尺寸、顆粒密度、形狀、液體的密度、黏度、流態(tài)、顆粒間的相互作用等。根據(jù)平衡關(guān)系可以推導(dǎo)出終了沉降速度表達式：

(7)

如果環(huán)空內(nèi)充氣液的有效上返速度大于巖屑的沉降速度與巖屑最低返速之和，則巖屑就可以被攜帶到地面上來。

在煤層氣充氣欠平衡鉆進過程中，隨著巖屑的不斷產(chǎn)生，要求環(huán)空中巖屑濃度不超過某一臨界值Cc。巖屑向井口移動的速度vc、機械鉆速Rp以及巖屑濃度之間關(guān)系為：

(8)

式中：vc—臨界速度，m/s；Rp—機械鉆速，m/h；Cc—巖屑濃度。

三、實例計算

沁水盆地南部晉城斜坡帶鄭莊區(qū)塊X井，設(shè)計總進尺5 386.75 m，其中煤層段總進尺4 500 m；井型：多分支水平井；目的層位：山西組3#～5#煤層。

本文利用X井基本數(shù)據(jù)，計算出該井充氣欠平衡段平衡壓力限、坍塌壓力限和攜巖能力限如表1所示，圖3為氣液流量窗口圖。為滿足平衡壓力限和坍塌壓力限要求，注氣量隨鉆井液排量增加而增加；為滿足攜巖能力限，相同條件下注氣量隨鉆井液排量增加而減小。

表1 氣液流量組合計算結(jié)果表

圖3 氣液流量窗口圖

井底壓差/MPa氣體注入量/(m3·min-1)液排量8L/s液排量10.4L/s液排量12.8L/s液排量15.2L/s-0.216.822.833.640.8-0.319.824.635.444.4-0.42127.638.446.2-0.523.429.440.248.6

由于煤層氣水平井充氣欠平衡井底設(shè)計壓差在-0.5～-0.2 MPa范圍內(nèi)，因此，計算分析出滿足井底欠壓值的氣液組合，縮小流量窗口范圍，計算結(jié)果如表2和圖4所示。相同鉆井液排量下，注氣量隨井底壓差的增大而增大。

圖4 滿足井底壓差的氣液組合計算結(jié)果圖

將滿足井底壓差的氣液組合繪制在氣液流量窗口示意圖上，如圖5所示。只要在圖中陰影區(qū)域里的氣液流量組合對煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井都是安全的。井口回壓和注入壓力的增大，流量窗口位置向坐標(biāo)軸右上移動。通過設(shè)計回壓和注入壓力，可以使流量窗口中氣液流量限在合理范圍內(nèi)。

圖5 氣液流量組合設(shè)計結(jié)果圖

但是從液體泵入及氣體注入時的能耗方面考慮，接近下限的組合為最優(yōu)方案，本文設(shè)計的氣體注入量為30 m3/min，鉆井液排量為12 L/s，此時井底欠壓值為0.28 MPa。本文綜合考慮了井眼清潔、井底欠壓值以及井壁穩(wěn)定等因素，設(shè)計結(jié)果更為合理，能夠用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

四、現(xiàn)場應(yīng)用

FL-H16-L井位于富地河?xùn)|煤田中部柳林縣附近，完成進尺7 366 m，分支有效煤層段進尺6 313 m，煤層厚度平均3.7 m，儲層壓力系數(shù)僅為0.48，周邊施工多口水平井均出現(xiàn)失返性漏失，設(shè)計井型：多分支連通水平井；目的層：3#+4#、5#煤層。井身結(jié)構(gòu)如表3、表4。

表3 水平井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

表4 洞穴直井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

該技術(shù)應(yīng)用在了FL-H16-L井取得了較好的效果。前6個分支均發(fā)生不同程度的漏失，分支M7在FL-H16-V井實施注氣作業(yè)時，注入量為30 m3/min，鉆井液排量為12 L/s，使用PWD測量計算此時井底欠壓值0.26～0.28 MPa，與計算值0.28 MPa吻合，驗證了模型的可靠性。通過應(yīng)用該技術(shù)，施工過程中降低了漏失量，減少了復(fù)雜，確保了井下安全，提高了鉆井速度，達到了甲方設(shè)計目的。

五、結(jié)論

(1)本文建立的煤層氣水平井充氣欠平衡鉆井注入?yún)?shù)優(yōu)化設(shè)計模型，能夠為現(xiàn)場施工設(shè)計提供理論依據(jù)。通過參數(shù)模型在FL-H16-L井多分支連通水平井的應(yīng)用，驗證了模型的可靠性。

(2)分析評價了鉆井液排量、鉆井液密度、井口回壓、注氣量和注入壓力對環(huán)空壓力場和速度場的影響，以及不同注入壓力和井口回壓對平衡壓力限、坍塌壓力限、攜巖能力限以及氣液流量窗口的影響，得到如下規(guī)律：①為滿足平衡壓力限和坍塌壓力限，注氣量隨鉆井液排量增加而增加；相同鉆井液排量下，注氣量隨井底壓差的增大而增大；②為滿足攜巖能力限，相同條件下注氣量隨鉆井液排量增加而減小；相同鉆井液排量下，注氣量隨著井底壓差的增大而增大；③井口回壓和注入壓力的增大，流量窗口位置向坐標(biāo)軸右上移動。通過設(shè)計回壓和注入壓力，可以使流量窗口中氣液流量限在合理范圍內(nèi)。