刘明,许孝顺,李绪锋

刘伟,李业,翟文涛 (中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司,山东 东营 257064)

李培庆 (东南大学交通学院载运工具运用工程研究所,江苏 南京 210096)

煤层气V型水平井组钻井关键技术

刘明,许孝顺,李绪锋

刘伟,李业,翟文涛 (中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司,山东 东营 257064)

李培庆 (东南大学交通学院载运工具运用工程研究所,江苏 南京 210096)

煤层气V型水平井组是由2口水平井与1口直井组成的新型水平连通井组。该井组在实现水平井与直井的连通后,由水平井提供泄流通道,直井进行排采生产,具有增加有效供给范围、提高单井产量等优点。对前期完成的延3-V1试验井组进行了概括,并结合施工情况,系统阐述了井眼轨迹控制、远端精确连通和钻井液的选用等钻井关键技术中的技术措施及成功经验。该V型水平井组的顺利完成,表明其可成为煤层气的开发手段之一,为未来延川南区块煤层气的大规模开发提供技术支撑。

煤层气;V型水平井组;井眼轨迹控制;远端精确连通

煤层气俗称 “瓦斯”,主要成分为甲烷,是以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气。在世界能源需求日益紧张的情况下,作为一种优质、清洁能源,煤层气的大规模开发利用前景广阔。延川南区块煤层气藏具有 “三低”特征,即低压、低渗、低饱和度[1],这些特征决定该区块布井方式、开采方法以及生产管理都与常规油气田有很大不同。目前,开采煤层气普遍采用U型井连通技术,这种技术是指2口不同位置的水平井与直井、定向井与水平井或水平井与水平井在同一目的层连通。V型井是一种新型的水平连通井组,由2组之间呈一定夹角并共用1口排采直井的U型井组成;地层流体通过2个水平井眼分别流向同一排采直井井筒内,增加了泄流面积,较U型井能够产生更大的经济效益。笔者以延3-V1井组为例,介绍煤层气V型水平井组钻井关键技术。

1 延3-V1井组概况

为了开发延川南区块下二叠统山西组2号煤层(以下简称 “2号煤层”)的煤层气,扩大井控面积,提高煤层气储量动用程度以及探索V型特殊工艺井技术在延川南区块煤层气开发中的适用性,进行了延3-V1井组的钻探。延3-V1井组是在延川南区块延3井区部署的一个排采试验井组,设计由2口水平井(延3-V1-P1井、延3-V1-P2井)与1口直井(延3-V1井)组成,并实现远端连通,夹角约为44°(图1)。完井后由2口水平井提供泄流通道,直井进行排采生产。

1.1 延3-V1井组井身结构

1)直井井身结构及造穴 直井采用二级井身结构:①一开采用Ø444.5mm钻头钻穿上部易漏失地层后下入Ø339.7mm表层套管;②二开采用Ø215.9mm钻头钻穿目的煤层,完钻下入Ø177.8mm套管后封固。

直井造穴:为达到水平井与直井在煤层中成功对接的目的,需要在直井的目的层位造一个洞穴。直井套管在位于煤层位置处添加一根长度约8m的玻璃钢套管,下入扩孔器至玻璃钢套管处。扩孔器刀杆(长度约25cm)在钻井液的冲击下张开并随着钻具的转动切削玻璃钢套管和周围煤层,形成直径约0.5m的洞穴[2]。

图1 延3-V1井组轨道空间示意图

1.2 连通设计要求及地质参数

连通设计要求及地质参数为:①连通位置垂深——延3-V1-P1井垂深1246.20m,延3-V1-P2井垂深1225.20m;②连通位置井径为500mm;③目的层位为2号煤层;④连通点位置确定需根据井组中另一口水平井的连通位置进行修改调整 (先施工的水平井可不考虑),确保两水平井连通点之间垂直距离≥1m;⑤完钻原则——水平井与直井连通后再打10m口袋完钻;⑥地质参数如表1所示。

图2 延3-V1井组井身结构图

表1 延3-V1井组地质参数

2 井眼轨迹控制技术

井眼轨迹控制的主要目的是尽可能地增加轨迹与煤层的接触面积,提高煤层穿遇率,并保证井眼轨迹平滑,避免大幅度的轨迹调整[3]。2号煤层厚度约为5m,中部发育有约0.5m厚的夹矸。延3-V1-P1井穿行上部煤层,厚度约2m;延3-V1-P2井穿行下部煤层,厚度约2.5m,2井口与B靶点连线成约44°的夹角。

2.1 施工中存在的问题

1)PDC钻头主要通过切削的方式工作,在增斜段地层较硬的情况下,钻压过大容易憋泵,过小又容易托压,使得造斜率偏低。

2)增斜段后期及水平段进行滑动钻进时,随着位移的增大,钻具的摩阻和扭矩增大,存在工具面摆放困难及钻进时工具面不稳定等问题[4]。

3)2号煤层不但中间有0.5m厚的夹矸,而且存在2～3层厚度不等的小夹矸,给现场技术人员对煤层倾角、层位的判断带来困难。

通过驱油体系和注入工艺的自主研发和现场推广，三年来，采出水聚合物驱和聚/表二元驱已扩大到11 个区块，覆盖地质储量3432 万吨，注入井数达到216 口，受益油井数达到367 口，可增加可采储量296 万吨，可提高采收率13.6 个百分点，实施区块原油产量从三次采油前的820 吨上升到1100 吨。

2.2 解决措施

根据直井段轨迹情况修正轨道剖面,由单增剖面优化为 “直-增-稳-增-水平”五段制结构的双增剖面。以延3-V1-P1井为例,如表2所示。

双增剖面指从造斜点开始将井斜角增到需要的角度后稳斜钻进,然后再增斜至水平的剖面,适用于井眼较大、靶前位移较长、目的层较薄、垂深不明确、要求造斜率较低的水平井。由于中上部地层较硬,所用机械钻速较慢,增斜段选用六刀翼高效PDC钻头,配合1.5°动力钻具,满足第1造斜率的要求。井斜达到60°左右时,托压严重,PDC钻头达不到造斜率要求,需选用牙轮钻头增斜钻进。二开增斜段钻具结构:Ø311.1mm钻头+Ø197mm1.5°动力钻具+631×630回压阀+631×630定向接头+Ø203.2mm无磁钻铤+631×410配合接头+Ø127mm加重钻杆+Ø127mm钻杆。三开水平段钻具结构:Ø215.9mm钻头+Ø165mm1.25°动力钻具+431×410回压阀+411×410定向接头+Ø177.8mm无磁钻铤+Ø127mm钻杆+Ø127mm加重钻杆+Ø127mm钻杆。

表2 延3-V1-P1井优化后井眼轨道设计

2)水平井施工过程中由于钻具扭矩不能及时释放而经常造成工具面摆放困难,采用以下措施解决:①在不影响煤层穿遇率的前提下尽量采用复合钻进方式进行水平段施工,提高复合钻进的进尺比例;②前期轨迹尽量保持圆滑,减少由于轨迹问题引起的扭矩和摩阻;工具面摆放后要上下大幅度活动钻具使其扭矩得到充分释放;③严格按照设计要求进行短起下作业以携带岩屑、修整井壁,减少钻具的摩阻和扭矩。

3)夹矸是指夹在煤层之中的岩层,又称夹石层。2号煤层中夹矸以粉砂岩和炭质泥岩为主,含有少量的砂质泥岩。延3井区地质资料显示,2号煤层底板泥岩含粉砂质、灰质成分;顶板泥岩致密坚硬,可钻性差,此可作为判断底出、顶出的依据。随着水平段的不断加深,全烃值、自然伽马值、钻时等参数均受到干扰,必须综合分析影响因素后再作出判断。

实例分析:延3-V1-P1井钻进至井深1673m时,钻压由50k N加到120k N,钻时由9min/m升至22min/m,伽马值由49API升至117.2API,全烃值由66.87%降至10.33%,各项参数显示已钻出煤层。但通过分析工程参数后认为,下放钻具时摩阻达80k N,即加到钻头上的钻压仅为40k N,因为钻压小造成机械钻速较慢,不能说明地层可钻性差;由于机械钻速慢,单位时间内钻头破碎岩屑体积少造成了全烃值下降。结合已钻延3-V1-P2井的伽马曲线形态特征及2号煤层岩电特征,分析认为钻遇小夹矸。复合钻进至1685m时各项参数恢复正常,钻头穿出夹矸重新进入煤层,计算该夹矸厚度约为0.2m。继续钻进至1730m,钻压保持在60k N左右,伽马值由52API逐渐升至99.8API,钻时由2min/m升至10～12min/m,全烃值由55.9%逐渐降至9.6%,捞取岩屑发现碎煤屑夹杂着致密炭质泥岩,判断井眼轨迹即将顶出,随后采取降斜施工。

3 远端精确连通技术

3.1 概况

水平井与直井的远端精确连通是V型井组施工中的难点。连通使用精确定位设备——RMRS(rotary magnetic ranging system),全称为旋转磁测距系统,通过强磁接头产生的场强信号计算出强磁接头与靶点的相对位置,对钻头当前位置进行精确定位,引导钻头准确进入靶区 (图3)[5]。

3.2 连通过程

图3 两井连通示意图

1)当水平井接近目标直井时,起钻下入强磁接头(接钻头上),同时利用绞车把RMRS接收探管下放到直井洞穴预定位置。当旋转的强磁接头到达直井附近区域时,探管采集强磁接头产生的交变磁场,在计算机上表现出正弦连续波。选定一井段为测量段,将采集并标定的有效波形信号传输到计算机软件处理系统,计算分析出钻头所在位置、方位偏移量、水平距离偏移量等,然后通过工具面的调整及时将井眼方向纠正至洞穴中心的位置[6]。

2)当钻头距离直井4～5m时停止钻进,取出直井内接收探管并关闭井口。当水平井钻进时出现泵压突然降低,钻井液返出量减小,钻具出现一定距离的放空现象时,表明两井连通成功。按照设计继续钻进10m后完钻。

3.3 遇到的问题及解决措施

1)遇到的问题 ①目标直井内玻璃钢套管因被磁化,套管产生的直通磁场在接收探管感应交变磁场初期对来自磁性接头的信号产生干扰。②动力钻具转速不平稳所引起的干扰,导致信号噪声过高,影响初期引导钻进过程中数据的计算精度。③由于煤层脆性高且易垮塌,为避免在同一位置长时间循环泥浆,每次采集磁信号时间偏短,采集量偏少,影响计算精度。

2)解决措施 ①接收探管尽可能接近靶点位置,离刚性套管越远其所受干扰越低。②当信号不稳定时适当降低转盘转速,且钻进或下放过程要保持平稳,保证采集信号的稳定性。③当在有限的时间内无法采集足够多的交变磁场信号时,采取 “少采集、多标定”的方法,在采集到的少量磁场信号上标定更多的井眼参数信息,以增加计算精度。

4 钻井液的选用

延3-V1井组直井段以防斜、防掉块为主;斜井段采用聚合物低固相钻井液,以防垮塌、防漏失、防掉块为主。三开主要在煤层中钻进,而煤层具有的吸附力强、应力敏感性强等特点,使得煤层容易受到污染。为了满足快速钻井、保持井壁稳定及保护煤层等要求,设计使用绒囊钻井液。

绒囊钻井液以水为连续相,表面活性剂或聚合物处理剂通过物理、化学作用自然形成粒径为15～150μm、壁厚为3～10μm、内部似气囊、外部粘附绒毛的绒囊,分散在连续相中形成的气液体系里,具有高效封堵、高效悬浮携带岩屑、控制储层伤害和体系密度等特点[1]。

绒囊钻井液以其独特的封堵性能、优良的润滑性和较强的抑制性,有效避免了井下漏失、掉块、坍塌、井底沉砂等复杂情况的发生,其良好的携岩能力有利于提高机械钻速,缩短钻井周期,现已成功应用于延川南区块多口煤层气水平井的钻井中。

5 结论与建议

1)延3-V1井组施工工艺复杂,施工难度大。该井组的顺利完成为今后延川南区块同类型井的施工起到了良好的借鉴作用,对该地区煤层气的大规模开发提供了技术支撑。

2)为减少井下钻具的摩阻和扭矩,应尽量保持井眼轨迹圆滑。优化钻井参数,采取小排量、勤划眼等钻井技术措施,可以有效防止煤层段发生垮塌。

3)在连通过程中要求匀速缓慢送钻,以保证探管接收到准确度高的信号,同时加密测斜,及时调整工具面。RMRS在延3-V1井组的成功应用,表明这是一种精确、可靠的导向设备,可实现高精度中靶的目的。

[1]龙志平,袁明进,朱智超.延川南煤层气水平井钻井关键技术研究[J].中国煤层气,2012,9(6):12～15.

[2]杜新锋,田振林,赵永哲.彬长矿区煤层气水平井钻井与完井技术[J].中国煤层气,2013,10(1):3～5.

[3]纪伟,姜维寨,胡锦堂,等.煤层气分支水平井地质导向实践与认识[J].石油钻采工艺,2011,33(3):82～86.

[4]苏义脑.水平井井眼轨道控制[M].北京:石油工业出版社,2000.190～193.

[5]姚林,樊华.RMRS测距仪在延平1水平连通井组中的应用[J].油气藏评价与开发,2011,1(6):76～80.

[6]杨力.和顺地区煤层气远端水平连通井钻井技术[J].石油钻探技术,2011,33(3):40～43.

[编辑]黄鹂

TE243

A

1000-9752(2014)02-0092-04

2013-07-01

刘明(1983-),男,2009年济南大学毕业,助理工程师,现主要从事现场定向井技术服务工作。