小井眼钻井技术在煤层气勘探中的试验研究_黄洪春

＊黄洪春,工程师,1966年生;1986年毕业于重庆石油学校钻井专业,现从事煤层气钻井完井技术研究和试验工作。地址:(065007)河北省廊坊市万庄石油分院完井工艺研究所。电话:(010)62095017转3301。

小井眼钻井技术在煤层气勘探中的试验研究

黄洪春＊

(中国石油天然气集团公司石油勘探开发科学研究院廊坊分院)

黄洪春.小井眼钻井技术在煤层气勘探中的试验研究.天然气工业,2000;20(2):54～56

摘　要　煤层气作为一种新兴的非常规天然气资源,正越来越受人们的重视。中国石油天然气集团公司也先后进行了10多口井的尝试。但由于煤层气单井产量较低,工艺性试验投入大,勘探效益低。为降低煤层气钻井成本,借鉴了国内外常规油气井小井眼钻井技术的成功经验,结合煤层气的特点,研究了小井眼钻头、煤层保护、小井眼取煤心等工艺技术,评选了小井眼钻机,并在现场进行了1口煤层气小井眼钻井试验。通过与常规煤层气试验井对比,分析了煤层气小井眼钻井的经济效益。文章介绍了上述石油系统(CNPC )煤层气钻井现状及煤层气小井眼钻井技术研究和勘探性工艺试验情况。

主题词　小井眼钻井　技术　煤层气　勘探钻井　研究

煤层气在国外已投入工业性开采,并形成了煤层气工业。而国内起步较晚。中国石油天然气集团

公司于90年代初才开始介入煤层气的研究,经“八五”准备性研究后,列入了“九五”重点攻关研究项目。经过几年的探索,在研究和工艺性试验上都有长足的发展。就煤层气钻井技术而言,进行了常规钻井和小井眼钻井等技术的研究和工艺性试验,取得了一些认识。现就煤层气小井眼钻井试验情况与广大钻井同仁进行一些探讨。

煤层气井钻井特点及现状分析

煤层气亦称煤层甲烷,是煤层自生自储的一种非常规天然气资源,其井深一般为300～1500m ;单井产量偏低,为1000～10000m 3/d (通常为3000～5000m 3/d )。而且,作为储层的煤层与常规石油天然气储层相比具有特殊的物理力学性质。鉴于上述特点和国内外经验,我国目前的煤层气钻井具有:①领域新、可借鉴的经验少;②单井产量低、钻井费用高;③煤储层机械强度低,易造成井下情况复杂和井下事故;④煤储层保护技术难度大;⑤煤层取心技术要求高、难度大。

从中国石油天然气集团公司近几年完成的煤层

气试验井来看,基本沿用已成熟的常规石油天然气井的钻井完井工艺技术。其井身结构通常为: 339.7mm 表层套管+ 244.5m m 技术套管下至煤层顶部+ 139.7mm 油层套管(或尾管)完井;井深视地区不同有500～1400m ;选用钻机为大庆—I 型或大庆—II 型;单井钻井工程费用高,约200～380万元。虽投入了大量资金,进行了十多口井的工艺性试验,但勘探成功率较低,至今没有取得实质性突破。

由于煤层气井单井产量较低,按常规石油天然气井工业开发标准,均达不到工业气流。显然,用常规油气钻井技术钻探煤层气井成本太高。为推动煤层气勘探开发的兴起,我们进行了以降低煤层气钻井费用为目标的小井眼钻井工艺性试验,取得了一定的效果。

煤层气小井眼钻井工艺

现场试验

小井眼钻井技术在经历了长期的沉默后,于近几年重又受到人们的重视。为了降低成本,我们从煤储层特性和开发特点出发,研究了小井眼钻井相关技术,并在江西进行了现场试验。

1.试验井的基本数据

(1)井号、井别:QS —1井、煤层气试验井

(2)井身结构: 444.5mm 钻头×20.50m /

323.8m m 表层套管×20.28m + 215.6m m 钻

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头×960.50m/139.7mm技术套管×958.33m+ 108mm钻头×1037.89m/裸眼完井。

(3)目的层井段:二叠系老山下亚段B4煤层,埋深962.20～966.0m

2.钻井设备评选

与常规油气田钻井工程类似,煤层气钻井装备的选择既要安全地实现钻探目的,又要最大限度地降低成本。通过对比分析,我们选用了吉林油田机修总厂生产的ZJ—10型石油钻机。其配套设备及性能指标如下:

(1)钻井深度:1000m(114.3mm钻杆)、1200m(88.9mm钻杆)。

(2)最大钩载:490kN。

(3)井架:型号JJ75/A-27;负荷735kN;高度27m;底座高度2m。

(4)装机功率:220kW。

(5)转盘:型号ZP—360;通径360mm;转速(正反)55、78、125、260r/min。

(6)钻井泵:型号NB1—350;功率250kW;1台;最高泵压13M Pa。

(7)柴油机:型号PZ8V190P—1;功率470kW;1台。

(8)发电机:型号50GF9—1;功率50kW;1台。

(9)压风机:型号W—1.2/10;1台。

(10)振动筛:型号ZDS—D;1台。

(11)封井器:型号ΠΠM203mm× 89m m (73mm);手动控制方式。

经QS—1井实践证明,该钻机满足小井眼煤层气井钻井的需要,避免了大马拉小车的作业方式,大大降低了钻井成本。另一方面,由于钻机体积小,重量轻,运移性好,缩短了装拆周期,降低了整机搬迁费。

3.小井眼钻井技术

上部井段仍采用常规油气井钻井工艺技术。第三次开钻井段(960.50～1037.89m)为小井眼,采取的工艺措施如下:

(1)防斜打直技术。采用的钻具组合为:108 mm钻头+ 89m m钻铤×14根+ 73mm钻杆+ 83mm方钻杆,增大了钻铤的重量,提高钻具稳定性。在钻进过程中,采用低钻压(10～20kN)、合理转速钻进;结合勤划眼修好井壁和井底,确保井身质量。

(2)快速钻进技术。针对小井眼牙轮钻头和水功率的利用效率低的特点,研制了108mm PDC钻头。施工时采用低钻压、中等转速(78～100r/min)、较高泵压的钻井参数;仅用1只钻头就钻完了第三次开钻井段,平均机械钻速达到2.06m/h,取得了显著效果。

(3)保护煤层、防止污染钻井液体系。通过对煤岩污染试验表明,钻井液对煤层的伤害主要有三个方面,即钻井液固相颗粒、滤液和压差对煤层的影响。由于煤层的特殊物性,作为煤层气运移通道的割理和裂隙喉径一般都较大;其中微孔占煤总孔隙的60%～75%,而钻井液中微颗粒和胶体颗粒极易直接进入煤层的微孔隙造成堵塞;另一方面,钻井液滤液的侵入使煤层中粘土矿物水化膨胀,导致煤层有效孔隙度和渗透率降低。而过高的钻井液液柱压力则大大增加了煤层的围压,导致煤岩塑性增强,从而降低渗透率,造成对煤层的污染。因此,为减少钻井液对煤层的损害,应尽量降低钻井液中固相含量,降低失水和控制钻井液密度,有效地减少和避免压力激动,以平衡压力或近平衡压力钻进。同时小井眼环空间隙较小,应提高钻井液携岩能力、滤饼质量和良好的润滑性。

针对QS—1井的具体情况,筛选并应用了无固相低伤害低摩阻钻井液体系。配方:3%～5%KCl +1%单向压力封闭剂+0.5%～0.8%LVCMC+适量聚合物处理剂+清水。性能:密度1.01～1.03g/ cm3,常温常压失水2～4mL,粘度30～35s,滤饼小于0.5mm,含砂小于0.2%,切力1～3Pa。

通过精心维护和使用,既保证了安全钻进,又及时发现和保护了煤层气。在钻进和循环过程中,钻井液槽面见有大量的煤层甲烷气泡返出,而井下正常。

(4)小井眼取心技术。由于煤层孔隙和割理发育,机械强度低,极易破碎;从而导致煤层取心困难,收获率低。另一方面,小井眼无配套取心工具。为此,我们选用煤炭系统新型“双筒单动式取煤器”,并加以改进。增加了可快速取心的半合式内管、弹簧片式卡心机构和专用取心钻头,使之适合于石油钻井工艺、煤层和小井眼特点。取出岩心直径58 m m。在961.50～966.89m井段共取心6筒,进尺5.39m,取出岩心长4.28m,平均收获率为79.41%;其中煤层进尺3.80m,煤心长2.85m,煤心收获率75%。基本满足了煤层气井取心要求。

(5)小井眼测井技术。由于完井井眼为108 m m,常规石油测井仪无法下入,故采用煤炭系统TYCD—3S型数字测井仪测井。该仪器尺寸小,重

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