近年來,中國煤炭地質總局在全國11座礦區部署施工了煤層氣參數井和生產試驗井25口,施工單位基本上摒棄了刮刀和硬質合金鉆頭鉆進的傳統工藝方法,采用了金剛石繩索取心鉆進和牙輪鉆頭擴孔成井的綜合鉆探工藝方法進行鉆探。儲層測試、固井及排采工作程序借用了常規天然氣井的有關技術。施工中我們獲得了一些經驗,但煤層氣井勘探開發中的鉆探工藝技術尚需完善。為了更好地與同行進行探討,筆者結合平頂山、峰峰、鶴崗、屯留煤田煤層氣井施工實踐,談談煤層氣井的工程技術特點及其鉆探工程技術的應用情況。

 

  1?煤層氣開發技術特點

 

  我們有煤田地質勘探技術做基礎,煤層氣勘探開發具有起點高和成功率高等特點,相對于天然氣氣田,煤層氣氣田較易勘探,容易找到其所在位置,且常存在較廣闊的面積。開采煤層氣需要對儲層下入生產套管,同時進行固井、射孔、壓裂改造并經過排水降壓以后才能產氣。因此,煤層氣與煤田地質鉆孔的顯著區別在于開孔、終孔孔徑大,一般的小口徑巖心回轉鉆機的提升、旋轉能力達不到,所以我們選用TK-3型鉆機和NBB-250/60型泥漿泵僅用于繩索取心鉆進;TSJ-1000型轉盤鉆機、TBW-850/50型泥漿泵應用于大口徑牙輪鉆頭排渣鉆進與生產套管入井及固井工作。煤層氣井結構詳見圖1。

 

  根據不同礦區不同類型鉆孔特點,即巖層傾角、 巖性、孔深、孔壁情況,鉆頭類型及磨損情況,鉆具條件,泥漿性能等及時調整鉆具結構和鉆進技術參數。以優質高效、安全低耗的工程工藝水平獲得最佳的經濟效益和社會效益。各孔段鉆進時的鉆具結構及技術參數見表1。

 

  實踐中,為了滿足高精度錘陀鉆進的要求,??158175mm鉆鋌壁厚431655mm,質量123191kg/m;??95mm鉆鋌壁厚12144mm,質量25132kg/m;??73mm石油鉆桿壁厚9119mm,質量15149kg/m。按照1000m孔深計算,鉆具總質量26133t,其中鉆鋌質量為12139t,最高的鉆頭軸壓為80kN,僅占鉆鋌質量的57%,另外還有43%的鉆鋌懸重平衡鉆桿重力,使鉆具重心始終控制在中和點以下,有效地使鉆具保持在張直狀態中鉆進,避免了鉆孔的偏斜。

 

  212 泥漿技術

 

  以平頂山礦區1511井為例,各孔段所用的泥漿配方及性能如下。

 

  0～250m主要以表土卵石層和劉家溝組砂巖為主,膠結性差,巖石級別1～5級。采用CaO-NaK栲膠泥漿護壁防垮效果好,主要表現為性能穩 定,攜帶巖屑能力強,起下鉆時粘附性小等。泥漿配 方為(質量比):土般土3%～6%,Ca(OH)2013%,NaK015%。性能為:粘度25s,密度1115～1118kg/L,失水量<15mL/(30min),泥皮厚度1mm,pH值10～1115。 250～700m主要由石千峰組平頂山砂巖及石 盒子組砂質泥巖構成,塑性較強,裂隙發育較好,巖石級別4～9級。采用PHP-NaK-CPAN低固相雙聚泥漿護壁防漏性能好,主要表現為井下環空流動阻力小,鉆具回轉平穩,鉆速高等。泥漿配方為(質量比):NV-13%～5%,Na2CO3012%,CPAN2%,PHP-NaK015%。性能為:粘度20～23s,密度1105～1108kg/L,失水量<10mL/(30min),泥皮厚度015～1mm,pH值815～9。

 

  700～1200m主要以山西組砂巖、粉砂巖、太原 組灰巖、泥巖、炭質泥巖、頁巖及煤層組成,研磨性中等,巖石級別3～7級。采用PHP-NaK-PAC141高分子低密度泥漿護壁防塌效果好,主要表現為流態穩定,升舉巖屑能力強,摩擦阻力小等。泥漿配方為(質量比):NV-12%～4%,Na2CO3012%,PHP-NaK015%,PAC141013%。性能為:粘度18～22s,密度1102～1104kg/L,失水量6～8mL/(30min),泥皮厚度014～018mm,pH值7～8。 擴孔鉆進采用防塌泥漿,有效地使牙輪鉆頭在井底能夠充分發揮水力效率,提高鉆頭的碎巖效率,對煤層傷害程度小等。

 

  213 大口徑擴孔成井技術

 

  采用擴孔刮洗孔壁的方法,對生產試采段進行擴孔鉆進,每個單根擴完后必須進行1～2次劃眼,以保證井壁規整光滑,劃眼時應適當降低鉆壓和轉速。擴進150～200m時測斜一次,以便了解井斜情況,及時調整鉆具組合和技術參數。換漿工作在擴孔后期進行,當擴孔至目的孔深前10～30m時調整泥漿性能逐漸由稠變稀,防止泥漿性能突變,導致粗顆粒沉淀或孔壁坍塌,并降低轉速和泵量,以防泥漿在孔內上返時產生串流現象,影響換漿效果,直至終孔再用清水循環2個周期。換漿用清水量可以根據煤層厚度、密度、頂底板巖性、煤巖組分、構造部位、水文地質特征等條件進行確定。

 

  即: q=KD2 H 式中:q———清水用量,m3 ;D———鉆孔直徑,m;H———孔深,m;K———導水系數018～1160(K值與巖溶裂隙溝通程度有關,對于煤及泥巖類水敏性巖層取018,砂巖、粉砂巖弱含水層段取112,灰巖類主要水體系層段取116)。 按照上述公式計算儲備清水量,滿足了沖孔換漿的要求,避免了施工中的窩工與資源浪費現象的發生,并保證了換漿效果。

 

  214 套管入井及固井方法

 

  套管入井:套管入井是煤層氣井完井工程的關鍵之一。??

 

  215 19mm鉆頭擴到目的層位后,必須用一根10m左右長的生產套管通井,通井鉆具至少要保留一根鉆鋌,防止套管遇阻粘附卡鉆、循環憋泵等異常情況的發生。通井用的鉆頭應去掉噴嘴,以便用較大的排量洗井,洗井循環周期應在2個周期以上。從通井循環結束后起鉆開始,到套管下入至設計井深這段時間,應保證井下泥漿性能穩定,不產生井涌井漏。為了防止對煤層射孔,壓裂改造時產生負壓擠扁套管,套管的鋼級、扣型、壁厚及其抗擠、抗內壓、抗拉安全系數均要滿足設計與校核要求。原則上入井前要用通徑規查內徑,用螺旋規查絲扣,應有超聲波探傷報告和打壓試驗報告。入井時必須上緊不留余扣,在盡可能短的時間內將套管全部下入井內。

 

  因套管長、質量大,必須考慮設備的承載能力和井內安全,采取必要的安全措施,如水泥浮塞及相應規格(??21519mm×13917mm)和一定數量(1個/15m)的扶正器。 固井:生產套管入井后開小泵量循環,正常后逐漸加大到正常鉆進時的排量,循環2個周期后,注入 前置液4m3 ,再注入密度為115～116kg/L、水灰比為015～016的優質水泥漿進行固井。水泥漿現場配方試驗必須按APL規范要求進行,水泥漿的返高面應保證在上部第一個煤層頂板以上200m,不允許超過250m。對于裂隙節理發育地層,應根據固井操作規程先堵漏后固井的原則,即一旦發現漏失時應及時用密度為115kg/L、水灰比為0145的優質水泥漿進行護壁堵漏,直至堵住漏失為止。如遇嚴重漏失的層段可采取間斷性注漿的方法來提高堵漏效果,加強圍巖的抗壓強度,確保固井質量。

 

  在固井作業中,排量應控制在800～1000L/min之間,確保上返速度<47m/min,以最大限度減小環空流動阻力,避免脆弱地層造成局部被壓裂漏失,導致氣井壓裂改造失敗。

 

  215 儲層測試

 

  裸眼測試:先用清水頂替完井液,清洗井壁后立即充氣膨脹膠套進行測試。

 

  油管入井前要在比較大 的范圍內選擇封隔器座封位置,并要求在巖層完整、井壁光滑、鉆孔圓度好的位置座封。所測試層段較大,除煤層外,還含部分煤層頂底板段、煤層夾矸段。在這些超過煤層厚度的巖層中,存在發育程度不同的裂隙,使所測的煤層參數準確性受到影響。此外,在復雜地層層段有坍塌掉塊的異常情況,易發生翻孔埋鉆事故,容易傷害電子壓力計,座封膠套在煤層頂板裂隙發育,或在地層內應力大、井的橢圓度較大時易造成座封失敗。

 

  套管內測試:套管內測試是在固井后期進行的,能夠準確地針對煤層射孔,注水壓裂測試,由于套管內壁光滑,管內都是清水,座封安全可靠啟封便利。實測數據表明:泥漿中的固相粒子對低滲透地層部分喉道侵入深度10mm左右,泥漿濾液的滲透半徑300mm左右;目前,射孔深度?10mm,壓裂裂縫長度>30m。因此,對于低滲透煤層,壓裂措施可有效地克服沖洗液對煤層的傷害,并消除煤層頂底板夾矸的干擾,所以,在套管內射孔試井可準確地測試儲層參數。

 

  3 應用效果與建議

 

  在煤層氣井鉆探施工中,不同礦區不同類型的鉆孔,綜合應用多種鉆探工藝方法,取得了滿意的工程工藝效果(見表2)。

 

  實踐證明,綜合鉆探工藝技術具有優質高效、安全低耗、性能價格比優越等特點。

 

  采用高精度錘陀式結構鉆具鉆進,使鉆具下端產生錘陀效應,整體鉆具產生張力,可降低孔斜的機會,一般鉆孔孔斜率可控制在0120%～0125%。 PHP-NaK-PAC141高分子低密度泥漿中存 在著數量足夠多的能在儲層裂縫上起到屏蔽作用的粒子,這些粒子在液柱壓力作用下,濾餅形成速度快,強度和致密性好,在較短時間內能夠阻止有害固相和濾液的侵入,有利于對儲層及軟弱地層的保護。配合巖屑,鉆時、沖洗液及氣測井與物探測井方法,可減少鉆井經費,取得相對多的地質信息。采取 在套管內進行儲層測試措施,井內安全,數據可靠。

 

  為了保護儲層,也為了井內安全,進入煤層時牙輪鉆頭采用大噴嘴或不帶噴嘴,或者采用帶中心噴嘴的牙輪鉆頭和PDC鉆頭等,既可以減少射流沖擊力的直接作用范圍,又可以確保井內循環暢通。進一步開拓鉆探工程的高技術領域,擺脫室內試驗消除誤差的傳統工作方法,發展計算機鉆進控制技術,依靠電腦實時采集鉆進工程數據,經計算機優選優配,進行程序控制,實現優化鉆探,達到最合理的高鉆速,最好的工程質量,最低的成本,即達到最佳的經濟效益,加速我國煤層氣產業的形成。