沁南潘河煤層氣田空氣鉆井和固井技術(shù)

摘 要

摘要：沁水盆地南部潘莊區(qū)塊位于沁水盆地東南緣，該區(qū)總體為單斜構(gòu)造，傾向西北，煤層穩(wěn)定、埋藏淺且滲透性較好，大量區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料和煤田勘探成果表明，區(qū)內(nèi)斷層稀少，以發(fā)育次級褶皺
摘要：沁水盆地南部潘莊區(qū)塊位于沁水盆地東南緣，該區(qū)總體為單斜構(gòu)造，傾向西北，煤層穩(wěn)定、埋藏淺且滲透性較好，大量區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料和煤田勘探成果表明，區(qū)內(nèi)斷層稀少，以發(fā)育次級褶皺為主。該區(qū)鉆井類型主要為鉆井液鉆井(煤層段清水鉆進(jìn))和空氣鉆井。通過對比分析空氣鉆井、水鉆井井身質(zhì)量與時效平均值可知：①空氣鉆井在井身質(zhì)量方面略優(yōu)于水鉆井，但相差不大，均達(dá)到設(shè)計及規(guī)范要求；②空氣鉆井在時效方面比水鉆井效率高，其機(jī)械鉆速是水鉆井機(jī)械鉆速的3倍多，因此，空氣鉆井周期短，綜合經(jīng)濟(jì)效益較好。而微珠低密度固井技術(shù)采用優(yōu)質(zhì)微珠為減輕材料，水泥漿密度為1.60g/cm3，抗壓強(qiáng)度在15MPa以上，滿足了在確保固井強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減輕水泥漿正壓差對儲層污染的要求。采用上述技術(shù)使潘河煤層氣田示范工程固井合格率達(dá)到100%，其中優(yōu)良率為84%。
關(guān)鍵詞：沁水盆地；南部；潘河煤層氣田；空氣鉆井；固井；合格率；優(yōu)良率
    沁水盆地南部(以下簡稱沁南)潘莊區(qū)塊位于沁水盆地東南緣，該區(qū)總體為單斜構(gòu)造，傾向西北，煤層穩(wěn)定、埋藏淺且滲透性較好。大量區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料和煤田勘探表明[1～2]，區(qū)內(nèi)斷層稀少，以發(fā)育次級褶皺為主。
    針對該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點，鉆井采用T685WS、T130XD頂驅(qū)車載鉆機(jī)、THZ-2000鉆機(jī)、ZJ20/1350DB鉆機(jī)等。鉆井類型有兩種：鉆井液鉆井(煤層段清水鉆進(jìn))和空氣鉆井。其中，采用T685WS、T130XD頂驅(qū)車載鉆機(jī)鉆井因?qū)γ簩游廴拘?、鉆井效率高、成本低，克服了丘陵地區(qū)設(shè)備搬遷困難等問題，非常適合煤層氣井的開發(fā)，潘河煤層氣田是國內(nèi)首次大規(guī)模采用空氣鉆井的煤層氣田。
    固井質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到井的壽命和后續(xù)作業(yè)能否順利地進(jìn)行[3]。沁南潘河示范工程項目采用微珠低密度固井技術(shù)，合格率達(dá)到100%，其中優(yōu)良率為84%，很好地完成了固井任務(wù)。
1 示范區(qū)鉆井工藝
潘河示范工程主要采用空氣(空氣泡沫)、清水、無固相聚合物作為鉆井循環(huán)介質(zhì)鉆煤層氣井，實現(xiàn)欠平衡和近平衡鉆井，以利于防止對煤儲層造成污染。
1.1 空氣、空氣泡沫鉆井
    空氣、空氣泡沫鉆井是以空氣或空氣泡沫作為循環(huán)介質(zhì)，采用潛孔錘沖擊鉆進(jìn)工藝技術(shù)進(jìn)行鉆井[4～5]，其工藝流程如圖1所示。在潘河示范工程采用空氣、空氣泡沫鉆井?dāng)?shù)約占總井?dāng)?shù)的60%。
 

1.2 清水鉆井
   為了有效保護(hù)煤層不被污染，提高鉆進(jìn)效率，在潘河示范工程也采用了以清水作為循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行多口煤層氣井的鉆井施工，循環(huán)介質(zhì)性能見表1(以PH73-01井為例)。
1.3 其他鉆井液組合方式鉆井
1.3.1空氣、空氣泡沫+清水
   示范區(qū)內(nèi)部分井在出水點以上地層利用高壓空氣和泡沫劑作為循環(huán)介質(zhì)，有效提高了鉆進(jìn)效率。隨著井內(nèi)出水量不斷增大，采用清水作為循環(huán)介質(zhì)鉆進(jìn)，圓滿完成了施工任務(wù)。
1.3.2空氣、空氣泡沫+無固相聚合物
   采用空氣鉆進(jìn)和常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，利用高壓空氣、泡沫劑和無固相聚合物作為循環(huán)介質(zhì)，在鉆進(jìn)過程中根據(jù)不同地層和要求選用合理的循環(huán)介質(zhì)施工，有效地保護(hù)了煤層不被污染，并提高了鉆進(jìn)效率。
1.3.3無固相聚合物+清水
    采用常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)，利用無固相聚合物與清水作為循環(huán)介質(zhì)鉆進(jìn)施工。第一次開鉆鉆井采用聚合物鉆井液，抑制了上部流沙及卵石層坍塌掉塊，保證了第一次開鉆鉆井的順利進(jìn)行；第二次開鉆采用清水鉆井液，用于非煤系地層及煤系地層鉆進(jìn)，防止了煤系地層的污染。循環(huán)介質(zhì)性能見表2(以PH1-002井為例)。
1.3.4空氣、空氣泡沫+無固相聚合物+清水
    采用空氣鉆進(jìn)和常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，使用空氣、無固相聚合物和清水作為循環(huán)介質(zhì)鉆進(jìn)施工。煤層段采用清水作為循環(huán)介質(zhì)，有效保護(hù)煤層不被污染。循環(huán)介質(zhì)性能見表3(以PH74-08井為例)。
 
2 井身質(zhì)量與時效分析
   從空氣鉆井與水鉆井身質(zhì)量與時效平均值對比(表4)分析可知：①在井身質(zhì)量方面，空氣鉆井比水鉆要稍好一些，但相差不大，均達(dá)到設(shè)計及規(guī)范要求；②在時效方面，空氣鉆井比水鉆效率要高得多，空氣鉆井機(jī)械鉆速是水鉆機(jī)械鉆速的3倍多，空氣鉆井周期短，綜合經(jīng)濟(jì)效益高。
3 氣測錄井
    氣測錄井能夠有效監(jiān)測煤層氣及其含氣層，具有隨鉆連續(xù)測量、連續(xù)作業(yè)、自動記錄、連續(xù)分析所含氣體含量及組分的特點，不受電性、巖性、物性及井溫等多因素的影響[6]。根據(jù)PH1-009井氣測錄井結(jié)果，主要得到以下結(jié)論：
    1) 氣異常顯示分析：綜合分析錄井資料，該井在51.00～182.00m含微量烴類氣體，全烴最大值為0.31%，主要成分為CH4，占烴組分的100%；183.00m見氣異常顯示。鉆進(jìn)至煤系地層之后，各煤層(煤線)都有氣測異常顯示，其中3號目的層、15號目的層氣測異常顯示較好，為煤層氣氣層。3號目的層頂板基本不含氣，底板泥巖中含有烴類氣體，全烴最大值5.69%，主要成分CH4，占烴組分的100%；15號目的層頂板基本不含氣，底板泥巖中含有烴類氣體，全烴最大值14.58%，主要成分CH4，占烴組分的100%。
    2) 氣層評價：氣測錄井測定煤層氣層2層，貧氣層19層(砂體含氣層、灰?guī)r及黑色泥巖含氣層)。下二疊統(tǒng)山西組251.17～257.09m煤層段(3#煤層)氣異常顯示明顯，具有一定厚度(5.84m)，可鉆性好，具有可采性，為該井主要煤層氣層之一。上石炭統(tǒng)太原組341.33～344.12m煤層段(15#煤層)氣異常顯示明顯，煤層厚度為2.72m，可鉆性好，具有可采性，也是該井主要煤層氣層。
4 微珠低密度固井
4.1 表層套管固井
    表層套管固井采用425#水泥，水泥漿平均密度為1.75g/cm3。
4.2 生產(chǎn)套管固井
    為減少水泥漿正壓差對產(chǎn)層的污染，保證水泥環(huán)的強(qiáng)度，要求水泥漿密度控制在1.60g/cm3±0.05g/cm3，抗壓強(qiáng)度達(dá)到12MPa以上(38℃，常壓，48h養(yǎng)護(hù))，同時控制水泥漿失水在150mL以下(38℃，7MPa)。實驗表明：水泥漿密度低于1.50g/cm3，后期強(qiáng)度必然偏低，且失水難以控制，同時加入大量外加劑不僅增加了成本，濾液更加大了對產(chǎn)層的污染。
    本項目采用G級(高抗)油井水泥，減輕材料為優(yōu)質(zhì)微珠。水泥漿配方如下：G級水泥+100%微珠+水120%+減阻劑ws 0.3%+低溫降失水劑TW200s 1.5%。速凝劑采用CaCl2，水泥漿密度1.60g/cm3，抗壓強(qiáng)度15MPa以上(38℃，常壓，48h養(yǎng)護(hù))，稠化時間小于100min/40℃·10MPa，失水120mL/常溫·7MPa。
4.3 固井質(zhì)量分析
    空氣鉆后期由于地層出水，往往采用泡沫鉆進(jìn)，需要加入大量有機(jī)物類穩(wěn)泡劑[7]。穩(wěn)泡劑吸附在井壁四周，與細(xì)小巖屑形成虛假濾餅，簡單的循環(huán)洗井很難去除，泥餅與水泥漿不兼容，使井壁與水泥膠結(jié)強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致測井聲幅值偏高，平均為15%～20%，一度使項目初期固井質(zhì)量陷入困境。
    對比分析發(fā)現(xiàn)，加入穩(wěn)泡劑的井在完鉆后必須帶三牙輪鉆頭劃眼、通井，對井底到煤層以上100m要反復(fù)劃眼通井，以確保清除穩(wěn)泡劑，固井質(zhì)量從此明顯好轉(zhuǎn)，聲幅值平均都在5%左右，優(yōu)質(zhì)率明顯提高。
    煤層易碎、易垮是煤層氣鉆井的關(guān)鍵難題，也是影響固井質(zhì)量的最大因素。從潘莊地區(qū)的固井實踐發(fā)現(xiàn)，規(guī)則的井眼是保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵。測井?dāng)?shù)據(jù)顯示，有的煤頂井徑達(dá)470mm，大井眼邊緣的鉆井液無法被水泥漿有效頂替，同時在水泥漿候凝階段，鉆井液與水泥漿發(fā)生置換，水泥漿被鉆井液稀釋，鉆井液密度(1.03g/cm3)比水泥漿(1.60g/cm3)低，鉆井液具有上竄的趨勢。以煤頂平均井徑數(shù)值380mm為例，環(huán)空容積是正常井段的4倍以上，極易導(dǎo)致“大肚子”井段及附近井段水泥漿遭到稀釋、破壞，造成第一界面聲幅值偏高、第二界面膠結(jié)不好。同時，井壁的不穩(wěn)定還增加了固井施工的風(fēng)險。
    潘莊地區(qū)漏失井屬于壓差型滲漏，漏失位置一般在200m以上，此類漏失不會影響水泥返高，同完井8h后漏失層水泥漿已經(jīng)終凝，漏失層已被堵住，應(yīng)及時從環(huán)空灌漿。對于少數(shù)下部漏失的井，采用了加大水泥漿附加量的方法。水泥漿是最好的堵漏劑，在施工過程中降低注水泥塞及替漿的排量(控制在0.4～0.5m3/min)，以留塞方式頂替，降低對漏失層的摩阻和激動壓力，減少水泥漿漏失。該方法成功解決了一些井嚴(yán)重漏失的問題，有效地提高了固井質(zhì)量。
5 認(rèn)識及建議
    通過沁南潘河煤層氣示范工程的開發(fā)試驗，根據(jù)煤層氣儲層特征、產(chǎn)出機(jī)理等方面與常規(guī)天然氣儲層的差異，研究開發(fā)出了一整套適合煤層氣開發(fā)的直井空氣(泡沫)鉆井、地質(zhì)錄井、微珠低密度固井等工藝技術(shù)，為經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)煤層氣起到了巨大的推動作用。綜合上述研究成果，對煤層氣鉆完井技術(shù)的發(fā)展有以下幾點認(rèn)識和建議：
   1) 煤儲層傷害是影響煤層氣勘探開發(fā)成功率的決定性因素之一，我國煤層低壓、低滲透，鉆井完井作業(yè)過程中對煤層造成的傷害比常規(guī)儲層更為嚴(yán)重，因此，儲層保護(hù)是我國煤層氣開發(fā)鉆探工藝技術(shù)的核心工作。
   2) 空氣鉆井在井身質(zhì)量方面比水鉆井稍好一些，但相差不大；空氣鉆井在時效方面比水鉆井效率高，其機(jī)械鉆速是水鉆機(jī)械鉆速的3倍多，因此空氣鉆井周期短，綜合經(jīng)濟(jì)效益好。
   3) 微珠低密度水泥漿固井降低了環(huán)空液柱壓力，能有效防止固井過程中水泥漿漏失，減輕固井液對煤層的傷害，是一種適用于煤層氣田的有效固井方式。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：孫建平 張健 王建中 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司)