沁水盆地南部煤層氣井叢式井鉆井工藝研究

0氣田概況及規(guī)模沁水盆地位于山西省東南部，東西寬120公里，南北長330公里，面積約2.3萬公里。天然氣豐富。該盆地含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組,煤層總厚度為1.2~23.6m,埋深一般小于1500m,大部分地區(qū)適合于煤層氣的勘探與開發(fā)。通過近10a的勘探研究和30多口試驗(yàn)井的實(shí)踐,中國石油天然氣股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱中國石油)在沁水盆地南部發(fā)現(xiàn)了樊莊等大型煤層氣田。另外“西氣東輸”管線穿越該地區(qū),同時(shí)氣田周邊的晉城、洛陽、鄭州、長治等地天然氣需求旺盛,預(yù)計(jì)2008年周邊城市民用、發(fā)電、化工用氣量達(dá)到28×108m3。沁水盆地南部煤層氣已具備了大規(guī)模開發(fā)利用的條件,目前低成本直井、叢式井等適用技術(shù)在該地區(qū)煤層氣的低成本勘探開發(fā)中已逐漸得到應(yīng)用和推廣。1煤層含氣量和產(chǎn)氣沁水南部煤層氣田位于盆地南部弧形斜坡帶,氣田總面積為2690km2,其中中國石油礦權(quán)區(qū)樊莊區(qū)塊面積398km2,鄭莊區(qū)塊面積693km2。該盆地含煤地層主要為石炭系太原組和二疊系山西組,主力含氣煤層為山西組3號(hào)煤層和太原組15號(hào)煤層,煤層埋深為350~1000m,單層厚度2.0~6.5m,橫向分布穩(wěn)定,煤階為高煤階無煙煤,煤層含氣量高,但滲透率偏低。山西組3號(hào)煤層厚5.7~6.4m,含氣量22.0~27.2m3/t,吸附飽和度87%~98%,原始儲(chǔ)集層壓力5.24MPa,煤層原始滲透率0.51×10-3μm2,產(chǎn)氣能力2800~3519m3/d,日產(chǎn)水2.8~3.63m3。太原組15號(hào)煤層厚2.0~5.2m,含氣量19.0~25.2m3/t,吸附飽和度71%~76%,平均74%,原始儲(chǔ)集層壓力6.09MPa,煤層原始滲透率0.067×10-3μm2。單層日產(chǎn)氣559~1967m3,日產(chǎn)水1.46~58m3,大部分井日產(chǎn)水在50m3以上。15號(hào)煤層氣藏中含微量硫化氫,解析出的氣體具明顯硫化氫味。15號(hào)煤層氣藏與3號(hào)煤層氣藏相比,臨界解吸壓力低,排采時(shí)需要將地層壓力降至很低才能產(chǎn)氣,需要的抽排時(shí)間長,產(chǎn)氣能力低。同時(shí)15號(hào)氣藏含微量硫化氫,如投入開發(fā)需要增加硫化氫分離設(shè)備。另外從儲(chǔ)量角度看,15號(hào)煤層氣藏探明煤層氣儲(chǔ)量?jī)H占探明儲(chǔ)量的18%,所占比例小,因此沁水盆地南部目前主要開發(fā)層系為3號(hào)煤層氣藏。2成本開挖和井溝技術(shù)2.1直井秘密2.1.1水源鉆機(jī)概述沁水盆地南部3號(hào)煤層埋藏較淺,埋深基本分布在400~700m,而且該井段地層壓力穩(wěn)定,壓力系數(shù)集中在0.8~0.9,因此該地區(qū)鉆井難度小,鉆機(jī)選型的主要目的是降低鉆井成本,實(shí)現(xiàn)低成本開發(fā)煤層氣的目的。目前應(yīng)用在該地區(qū)的鉆機(jī)主要有RD20車載空氣鉆機(jī)、TSJ1000水源鉆機(jī)、TSJ2000水源鉆機(jī)等3種類型。RD20車載空氣鉆機(jī)適用于空氣鉆進(jìn)、清水或鉆井液鉆進(jìn)等不同工藝,根據(jù)需要可隨時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以滿足不同地層的需求,空氣鉆井時(shí)采用152.4~203.2mm(6~8in)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn),該鉆機(jī)的最大井深達(dá)1550m。TSJ系列水源鉆機(jī)主要用于水源、中淺層石油、天然氣、煤層氣、地?zé)岬茹@探,具有低能耗、操作簡(jiǎn)單和便于維修保養(yǎng)等特點(diǎn)。2.1.2地表淺埋井保護(hù)綜合考慮沁水盆地南部地層壓力剖面、井壁穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等因素后,普遍采用了二開井身結(jié)構(gòu)方案(見圖1)。一開用Φ311.1mm鉆頭,鉆穿黃土和基巖風(fēng)化帶后,下Φ244.5mm表層套管,封固地表疏松層、礫石層,建立井口。二開用Φ215.9mm鉆頭,鉆穿3號(hào)煤層底界以下60m完鉆,下入Φ139.7mm生產(chǎn)套管,注水泥封固至3號(hào)煤層以上300m,目標(biāo)3號(hào)煤層以下留60m“口袋”。2.1.3空氣鉆井技術(shù)為了有效保護(hù)煤儲(chǔ)集層,并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化,鉆井一般采用清水或空氣鉆進(jìn)。沁水盆地南部的地層壓力系數(shù)一般在0.8~0.9,為了穩(wěn)定和保護(hù)井壁,平衡地層壓力,鉆井液密度應(yīng)控制在1.05g/cm3以下,必要時(shí)加入適量銨鹽等防塌劑。當(dāng)采用清水鉆進(jìn)時(shí),若出現(xiàn)攜砂困難情況,應(yīng)在鉆井液中加入適量羧甲基纖維素(CMC),以有效攜帶煤、巖屑。對(duì)于地層穩(wěn)定及沒有地層水涌出的井段可采用空氣鉆井?？諝忏@井工藝是以壓縮空氣作為動(dòng)力介質(zhì)驅(qū)動(dòng)潛孔錘或鉆頭鉆進(jìn)的一種欠平衡工藝。該工藝具有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):①對(duì)煤層傷害最小;②鉆速高,是常規(guī)鉆井液鉆井的3~10倍;③鉆井周期短;④綜合經(jīng)濟(jì)效益高。美國80%以上煤層氣開發(fā)井采用空氣或空氣/泡沫鉆井,并且取得了非常好的應(yīng)用效果。沁水盆地南部地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,為了縮短建井周期,降低開發(fā)成本,同時(shí)保護(hù)煤儲(chǔ)集層,空氣鉆井技術(shù)在該地區(qū)得到了普遍應(yīng)用。目前在沁水盆地應(yīng)用的空氣鉆機(jī)主要有RD20車載空氣鉆機(jī)、T685WS空氣潛孔錘鉆機(jī)等。2.1.4生產(chǎn)套管串結(jié)構(gòu)煤層氣直井一般需壓裂投產(chǎn),負(fù)壓排水開采。通常煤層氣井產(chǎn)量低,開采時(shí)間比較長。煤層氣獨(dú)特的開發(fā)與開采方式給固井設(shè)計(jì)與施工提出了更高的要求。固井質(zhì)量要求高,層間封隔要好,而且固井施工對(duì)煤層的傷害要小。常用的生產(chǎn)套管串結(jié)構(gòu)為:Φ139.7mm引鞋+Φ139.7mm套管+阻流環(huán)+Φ139.7mm套管+聯(lián)頂節(jié)。水泥漿配方:0.6%M83S降失水劑+0.6%M53S早強(qiáng)劑+3%CaCl2,水泥漿密度為1.8~1.9g/cm3,失水小于250mL,稠化時(shí)間為70~80min,以清水作隔離液,水泥上返至煤層以上300m。2.2井主要開發(fā)方式沁水盆地地形復(fù)雜,溝壑縱橫,地面海拔800m左右,為減少水土流失,節(jié)約井場(chǎng)和道路占用的耕地面積,降低鉆井成本,提高煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益,未來煤層氣的開發(fā)應(yīng)以叢式井組和多分支水平井作為主要的開發(fā)方式。叢式井組開發(fā)比單井開發(fā)更經(jīng)濟(jì),主要節(jié)約費(fèi)用為鉆前費(fèi)用,一般來說,井組布井?dāng)?shù)越多,鉆前費(fèi)用節(jié)約越多。由于沁水盆地煤層氣埋藏較淺,目前主要采用300m×300m的井網(wǎng)布局。通常,叢式井的布局需考慮鉆井技術(shù)水平、鉆井費(fèi)用、井場(chǎng)區(qū)域地貌、防碰繞障等因素,受地貌條件限制時(shí)每個(gè)井場(chǎng)布井?dāng)?shù)不少于3口,通常的井?dāng)?shù)為4~9口,井口間距一般為4~6m,不得小于3m。叢式井組具有較大的經(jīng)濟(jì)效益,但是隨著布井?dāng)?shù)的增加,增加了單井進(jìn)尺,施工難度增加,根據(jù)對(duì)不同叢式井組的評(píng)價(jià),四井組叢式井(見圖2)最適合煤層氣的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。2.2.1叢式井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)由于煤層埋藏較淺,煤層氣叢式井井身剖面一般采用大曲率半徑的“直—增—穩(wěn)”三段制剖面。剖面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是選擇合適的造斜點(diǎn)和造斜率,既可實(shí)現(xiàn)排水泵的順利下入,又能滿足井眼軌跡長度盡量最小的要求。造斜點(diǎn)選擇在適宜造斜的地層,同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)防碰目的要求相鄰井的造斜點(diǎn)深度交錯(cuò)30m以上。目前煤層氣排水采氣所用的排水泵主要包括桿式泵和電潛泵兩種。普通桿式泵的適宜工作井斜角一般小于45°,井斜角大于45°后球閥工作不穩(wěn)定。從實(shí)際使用情況看,普通電潛泵可順利通過造斜率為0.1(°)/m的Φ139.7mm井眼且不會(huì)造成永久損壞,另外可通過造斜率為0.17(°)/m的井眼,但需要進(jìn)行必要的保護(hù)。為了擴(kuò)大排水泵的選擇范圍并保證排水泵的順利下入,造斜率優(yōu)選為0.1~0.17(°)/m,井眼軌跡的最大井斜角范圍為30~45°。另外井眼軌跡中靶后繼續(xù)延長60m,保證預(yù)留約60m的“口袋”。首先建立如圖3所示的二維坐標(biāo)系,橫坐標(biāo)為水平位移(S),縱坐標(biāo)為井深(H),a點(diǎn)為造斜起點(diǎn),b點(diǎn)為造斜結(jié)束點(diǎn),c點(diǎn)為井眼軌跡終點(diǎn)。建立了軌跡優(yōu)化模型,即:H1=H0+Rsinαb+Lwcosαb(1)S1=R(1?cosαb)+Lwsinαb(2)R=(H1?H0)sinαb?S1cosαb1?cosαb(3)L=H0+Rπαb/180+[S?R(1?cosαb)]/sinαb(4)k=180/(πR)(5)Η1=Η0+Rsinαb+Lwcosαb(1)S1=R(1-cosαb)+Lwsinαb(2)R=(Η1-Η0)sinαb-S1cosαb1-cosαb(3)L=Η0+Rπαb/180+[S-R(1-cosαb)]/sinαb(4)k=180/(πR)(5)式中H0——造斜點(diǎn)井深,m;H1——c點(diǎn)垂深,m;R——曲率半徑,m;Lw——穩(wěn)斜段長度,m;L——c點(diǎn)井深,m;αb——穩(wěn)斜角,(°);S1——c點(diǎn)的水平位移,m;k——造斜率,(°)/m。對(duì)于該軌跡優(yōu)化模型,造斜點(diǎn)垂深、曲率半徑(造斜率)、穩(wěn)斜角大小、穩(wěn)斜段長度是方程組(1)和(2)的4個(gè)未知變量,但它們四者之間存在著相互制約的關(guān)系,若已知其中兩個(gè)變量,即可求解出其余兩個(gè)變量。煤層氣叢式井優(yōu)化的變量通常為造斜點(diǎn)位置、造斜率和最大穩(wěn)斜角。造斜點(diǎn)越淺,井眼軌跡長度越短,同時(shí)最大井斜角也越小,井眼軌跡越有利于后期管柱及排水泵的下入與運(yùn)行。但是淺層造斜施工難度大,鉆壓難以滿足施工要求?？紤]地層條件,建議造斜點(diǎn)選在100~180m。依據(jù)上述造斜點(diǎn)的優(yōu)選結(jié)果,設(shè)計(jì)造斜點(diǎn)位于井深130m和160m處,相鄰井造斜點(diǎn)相距30m,造斜率為0.1(°)/m,設(shè)計(jì)目標(biāo)垂深為700m,另外包括長60m的“口袋”,圖4為四井組叢式井井眼軌跡設(shè)計(jì)曲線圖。計(jì)算結(jié)果顯示,4口定向井井深為804~807m,最大井斜角為28.16°,滿足排水采氣要求。表1為四井組叢式井軌跡優(yōu)選結(jié)果。2.2.2地層下入深度叢式井的鉆機(jī)選型、井身結(jié)構(gòu)、鉆井液體系和固井方案與直井基本相同,僅鉆具組合略有差別。叢式井井身結(jié)構(gòu)與直井方案基本一致,采用二開井身結(jié)構(gòu)方案,一開用Φ311.1mm鉆頭,下Φ244.5mm表層套管,套管下入深度約30~50m,封固地表疏松層、礫石層,注水泥全封固。二開用Φ215.9mm鉆頭,鉆穿3號(hào)煤層底界以下60m完鉆,下入Φ139.7mm生產(chǎn)套管。煤層氣叢式井常用的鉆具組合有兩類,第一類為穩(wěn)定器造斜組合,第二種為導(dǎo)向馬達(dá)鉆具組合。第一種鉆具組合成本低,工具配置簡(jiǎn)單,適合于軌跡控制要求不高的煤層氣井。第二種鉆具組合采用了連續(xù)鉆井導(dǎo)向技術(shù),加強(qiáng)了井眼井斜、方位的控制能力,同時(shí)也避免了測(cè)單點(diǎn)作業(yè),因此提高了鉆井速度和井身質(zhì)量,但受煤田地質(zhì)鉆井隊(duì)裝備的限制,該鉆具組合推廣應(yīng)用難度大。鉆桿粒徑59根直井段:Φ311.1mm鉆頭+Φ178mm鉆鋌(2根)+Φ159mm鉆鋌(2根)+Φ121mm鉆桿。定向造斜井段:Φ215.9mm鉆頭+Φ165mm導(dǎo)向馬達(dá)(1°)+Φ158.8mm無磁鉆鋌+Φ158.8mm普通鉆鋌(6~9根)+Φ127mm鉆桿。增斜段:Φ215.9mm鉆頭+Φ214mm穩(wěn)定器+Φ158.8mm鉆鋌+Φ158.8mm短鉆鋌(微增斜組合時(shí)長度一般為4m)+Φ214mm穩(wěn)定器+Φ127mm鉆桿。穩(wěn)斜段:Φ215.9mm鉆頭+Φ214mm穩(wěn)定器+Φ158.8mm無磁鉆鋌+Φ158.8mm普通鉆鋌+Φ214mm鉆鋌+Φ127mm鉆桿。鉆內(nèi)鉆桿+119mm鉆桿直井段:Φ311.1mm鉆頭+Φ178mm鉆鋌(2根)+Φ159mm鉆鋌(2根)+Φ121mm鉆桿。增斜及穩(wěn)斜井段:Φ215.9mm鉆頭+Φ165mm導(dǎo)向馬達(dá)(1°)+Φ163mmMWD短節(jié)+Φ158.8mm無磁鉆鋌+Φ158.8mm普通鉆鋌(6~9根)+Φ127mm鉆桿。3叢式井與直井的成本對(duì)比經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的目的是對(duì)比分析低成本直井、叢式井開發(fā)方案的效益,主要考慮了鉆前費(fèi)用、鉆井和材料費(fèi)用等。鉆前費(fèi)用包括征地、修路、平井場(chǎng)等,經(jīng)平均計(jì)算,沁水盆地樊莊區(qū)塊單井井場(chǎng)的費(fèi)用約為15×104元。直井井深按760m計(jì)算,直井進(jìn)尺成本目前降低到470元/m,J55套管(壁厚7.72mm)重量為25.3kg/m,套管價(jià)格為6000元/t。叢式井每口井的定向施工費(fèi)用為5×104元,忽略后期輸氣工程節(jié)約費(fèi)用。從表2可以看出,采用小鉆機(jī)和空氣或清水鉆進(jìn)等低成本工藝后,煤層氣井的鉆井成本較以往的常規(guī)鉆井方式降低了62.5%。叢式井組開發(fā)淺層煤層氣與直井井型相比更具成本優(yōu)勢(shì),四井組叢式井單井與直井相比,可節(jié)約鉆井成本的4