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六盘水煤田大倾角地层煤层气L型水平井钻完井技术.pdf
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1、断块油气田第3 0 卷第4 期FAULT-BLOCKOIL&GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt202304013六盘水煤田大倾角地层煤层气L型水平井钻完井技术2023年7 月梁龙军1,2,陈捷1,2,颜智华1,高为1,2,易旺1,胡海洋1(1.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心,贵州贵阳5 5 0 0 0 9;2.贵州省煤田地质局一五九队,贵州贵阳5 5 0 0 0 9)基金项目:贵州省科技计划项目“六盘水地区煤层气水平井抽采关键技术研究(2 0 2 0 2 Y028)、“贵州省煤层气(煤矿瓦斯)抽采提产增效关键技术及工程试验(2 0 2 2 ZD001)摘要针对六盘水煤田实
2、施煤层气L型水平井时存在井位选择难、浅层漏涌严重、精准着陆难、水平段托压严重、储层污染、产套固井质量差等难题,从井位与钻机适配选型、封堵及钻井方式、轨道设计、钻具组合、钻井液、完井管串、固井配方及工艺等方面进行了研究。通过钻井设备优选,有效节约了用地面积;采用套管跟钻技术,有效解决了永宁镇组浅层漏涌同存的难题;采用六段制的轨道剖面及实时追踪对比技术,有效规避了单增单稳轨道调整后出现全角变化率急剧变化的现象,同时也提高了二开一次性着陆成功率;采用优配后的钻井液体系,有效降低了储层污染,增强了轨道润滑性;三开采用“两弹扶+一滚珠”间装扶正模式及固井三段法,保证了产套的固并质量;PZ-H井的成功实施
3、,有效解决了该区水平井钻井所面临的难题,为后续煤层气水平井降本增效开发提供了宝贵的工程经验和技术支撑。关键词煤层气;L型水平井;六段制;三段制;六盘水煤田中图分类号:TE243Drilling and completion technology of L-shaped horizontal wells for coalbed methane in(1.Guizhou Provincial Coalbed Gas and Shale Gas Engineering Technology Research Center,Guiyang 550009,China;Abstract:In view o
4、f the difficulties such as difficult well location selection,serious shallow gushing,difficult precise landing,serioushorizontal section support pressure,reservoir pollution and poor cementing quality in the implementation of coalbed methane Ltypehorizontal well in Liupanshui coalfield,this paper st
5、udies the adaptation and selection of wellocation and drilling rig,plugging anddrilling mode,track design,dilling assemby,diling fluid completion pipe string cementing fomula and technology,etc.Drilingequipment optimization can save land area effectively.The problem of shallow leakage and gushing in
6、 Yongningzhen Formation waseffectively solved by using the technology of casing and drilling,Using the six-stage system orbit profile and realtime tracking andcomparison technology,it can effectively avoid the phenomenon that the dog leg changes sharply after the adjustment of the singleincrease and
7、 single stability orbit,and also improve the success rate of one time landing of second spud.The optimized drilling fluidsystem can effectively reduce reservoir pollution and enhance track lubrication In the third spud,two bullets+one ball is used to installthe centralizing mode and threestage syete
8、m of cementing to ensure the cementing quality of the production casing.The successfulimplementation of the well PZ-H effectively solves the difficulties faced by horizontal well drlling in this area,and provides valuableengineering experience and technical support for the subsequent development of
9、the horizontal well of coalbed methane with costreduction andefficiency improvement.Key words:coalbed methane;Lshaped horizontal well;sixstage system three-stage syetem;Liupanshui coalfield六盘水煤田位于贵州省西南部,面积约1 0 0 0 0.0 0km,煤层埋深小于2 0 0 0 m的含煤面积为6 1 5 4.3 5km。含煤地层主要为龙潭组,埋深一般为2 0 0 2 0 0 0m。该区煤层气资源量为1 3
10、 8 9 5.2 6 x10m,平均煤层气引用格式:梁龙军,陈捷,颜智华,等.六盘水煤田大倾角地层煤层气L型水平井钻完井技术 J.断块油气田,2 0 2 3,3 0(4):6 1 6-6 2 3.LIANG Longjun,CHEN Jie,YAN Zhihua,et al.Drlling and completion technology of L-shaped horizontal wels for coalbed methane in high-dipformation in Liupanshui coalfieldJ.Fault-Block Oil&Gas Field,2023,30(
11、4):616-623.文献标志码:Ahigh-dip formation in Liupanshui coalfieldLIANG Longjun,CHEN Jie,YAN Zhihua,GAO Wei2,YI Wang,HU Haiyang2.No.159 Team,Guizhou Coalfield Geology Bureau,Guiyang 550009,China)收稿日期:2 0 2 3-0 1-2 8;改回日期:2 0 2 3-0 5-0 6。第一作者:梁龙军,男,1 9 8 7 年生,工程师,现从事非常规油气钻完井工作。E-mail:。通信作者:陈捷,男,1 9 8 7 年生,
12、高级工程师,硕士,主要从事非常规天然气地质评价与勘探开发。E-mail:Ji e c h e n 7 1 4 1 6 3.c o m。第3 0 卷第4 期资源丰度为2.2 6 x10m/km,资源量丰富。煤层气水平钻井是结合常规油气钻井技术和煤层实际地层特征发展起来的一种钻井技术 1 ,该技术能有效地解决低渗煤层采用直井、定向井存在的泄压面积小、采收率及产量低的问题。根据六盘水煤田土城向斜区块前期勘探开发效果,直井/定向井平均单井产气量达2 2 0 0 m/d,是六盘水煤田内中高阶煤煤层气开发的甜点区,但相较于直井和定向井,水平井日产气量净增加5 0 0 0 6 0 0 0 m,能更好地满足后
13、期规模化开发需求。六盘水煤田地表大部分属于喀斯特地貌,在井位选择时较为困难,一开在永宁镇组浅层灰岩层中钻进时易漏失和涌水。同时,该区块构造复杂、煤层多且薄,上覆地层可追踪标志层少,进而导致二开精准着陆难度大。由于该区块煤系地层属于欠压一常压地层,储层压力系数普遍在0.8 1.1,渗透率介于0.0 5 1 0-3 0.1 6 10-m,在目标煤层水平段钻井过程中常采用低固相聚合物钻井液体系,水平段后期滑动钻进时托压严重,井壁稳定性差且钻井液漏失后对储层污染严重。由于水平段固井产套居中度低、水泥浆离析水及高密度水泥浆返深过高后常压漏地层等原因,固井质量难以保证。为此,PZ-H井的成功实施,有效地克
14、服了该区煤层气L型水平井钻井所面临的难题,为后续煤层气的高效开发提供了理论和技术支撑。1煤层气L型水平井钻完井难点目前,在贵州地区实施的煤层气L型水平井多为三开结构,主要分布在织纳煤田和六盘水煤田,由于六盘水煤田煤系地层构造复杂、地层倾角大及煤层多且薄等特点,L型水平井与该区地质条件的适配性相对差 2 。在六盘水煤田采用L型水平井开发煤层气时,面临以下难点:1)地面平均海拔在1 4 0 0 1 9 0 0 m,地表沟壑纵横,选择适宜井场困难。该区地表大部分属于典型喀斯特地貌,表层洞缝发育,钻井时漏失及涌水严重,从该区块前期钻井资料统计显示,表层堵漏、封涌占钻井周期的3 0%4 0%,最终移井位
15、约占统计井数的2.0%。2)构造复杂,地层倾角大,一般在1 8 3 0。在综合考虑地层倾角、地应力、割理及综合渗透率等因素时,水平段方位设计难度大。3)该区实施L型水平井目的煤层相对较薄(厚度介于1.5 3.0 m),加之上覆地层标志层比较少及地层变化的不确定性 3 ,二开一次性精准入靶成功着陆的难度大。4)水平段后期滑动钻进托压严重,尤其是在水平梁龙军,等.六盘水煤田大倾角地层煤层气L型水平井钻完井技术617段追求煤层钻遇率及高水垂比时,实钻最大井斜角一般大于9 0 4-5 ,且轨迹多呈现“波浪 形,水平段钻进时钻具偏心平躺在下井壁,容易形成砂桥,钻柱摩阻及反扭矩大。5)煤系地层多具有低渗、
16、欠压、煤体结构破碎等特点,三开水平段井壁稳定性差,成井难度大 6 。6)煤层易污染,储层保护难度大。该区块煤系地层具有双低特点(低压力、低渗透率),同时煤层内表面积一般为2 8 4 0 m/g,吸附能力强,极易受到钻井液和高密度水泥浆中固相颗粒的侵人伤害。实验表明,在正压差3.5 MPa、5 0 和2 h的实验条件下,经过4.0%的随钻堵漏剂或CMC-HV浆伤害后的煤样,气测渗透率降低了6 5.0 3%。由于煤层本身脆性大、结构力差,一旦受到侵害,不仅堵塞了气体的渗流通道,而且还会影响后期煤层解吸。7)水平段产套固井采用常规定密度固井模式 7 ,不仅储层近井地带污染严重,还极易压漏储层,降低产
17、套固井质量。2水平井钻完井关键技术优化2.1并位及设备目前,六盘水煤田土城向斜区块煤层气开发的主要煤层垂深介于6 0 0 1 2 0 0 m,水平井完钻井深一般小于2 2 0 0 m,水平段5 0 0 1 0 0 0 m不等。一般常采用石油ZJ20,ZJ30,ZJ40钻机施工,但该地区受地面条件制约,要选择满足上述钻机施工的井场极为困难。从经济性考虑,为有效地节约钻前工程及施工成本,根据不同井轨道设计参数、完钻井深等,利用Landmark模拟计算出钻井和下套过程中的最大扭矩及载荷,附加1.2 1.3动负荷安全系数,优选出车载或拖挂式钻机 8 ,该类型的钻机较常规石油钻机具有循环固控系统简约、占
18、地面积小等优点,优选结果见表1。2.2表层钻进堵漏、堵涌工艺技术六盘水煤田表层多为第四系或下三叠系的永宁镇组,以发育灰岩为主。该段大多出露地表,受地表水长期侵蚀的影响,浅层溶洞、裂缝及地下暗河较为发育,浅层局部地区存在地层漏涌同存的情况,采用常规的钻井技术钻进较为困难,而常规堵漏材料封堵漏失涌水层时消耗量较大,成本高,且堵漏成功率也低。针对六盘水煤田土城向斜矿区表层洞缝和地下暗河发育的特点,一开钻井优化提出如图1 所示的“空气钻+套管跟钻”堵漏技术。即一开采用444.5mm空气锤钻进,在钻遇漏层或涌水层时,起出空气钻,采用444.5mm空气锤+钻杆外套入套管跟钻钻进 9 。依据漏涌点及对618
19、应深度和上部灰岩地层岩性稳定不易塌的特点,套管外壁采用多层海绵纱布缠绕多处,用以封隔漏失或涌水层,井口采用套管专用吊卡悬挂套管,海绵纱布、棉絮和防渗布等密封井口套管外环空即可下人空气锤相关参数钻机型号车载类型127.0mm钻杆名义钻深/m最大提升力/kN最大给进力/kN最大扭矩/(kNm)钻机功率/kW套管接箍海绵纱布漏层管涌水层海绵纱布岩屑及空气返出方尚一图1 表层封堵示意Fig.1 Schematic diagram of surface plugging2.3方位优化设计该区地质构造复杂,地层倾角一般在1 8 3 0,最大主应力Smx方向为北东3 0 3 5,褶皱、小断层等发育,深部区块
20、钻井几乎为空白,勘探程度较低,实施L型水平井风险大。井眼轨迹方位设计时,需要综合考虑地层倾角、地应力、割理发育方向、综合渗透率等因素,也要考虑后期更好排水采气要求,水平段轨迹常设计为上翘型。根据水平井渗流机理、压裂起缝特征及储层的非均质性,水平井井筒与储层综合渗透率K和最大主应力方向的夹角越大,水平井压后增渗效果越好,所以水平井眼方位应尽可能垂直于最大主应力,与综合渗透率夹角大于6 0 为宜(见图2,其中8 mim为最小主应力,MPa)。(1)(2)+=T/2(3)式中:K,为最大水平渗透率,1 0-m;K,为最小水平渗断块油气田钻进(见图1)。当钻穿漏失或涌水层后,套管无需继续下放,采用空气
21、钻继续钻进,一开完钻后将空气锤及套管起出,下入表层套管,在漏失和涌水段采用穿靴戴帽的方式正注和反挤水泥浆固井。表1 钻机技术参数Table 1 Technical parameters of drilling rigs德国宝峨美国雪母RB-T100T200XD拖挂式自走式3 00025001 00090720014546.024.0708567口吊卡空气进人方向空气锤K=K,+k,2023年7 月意大利先科瑞典阿特拉斯HH102PREDATOR拖挂式自走式2.9002.435100091020023035.340.0575698透率,1 0 m;W为水平井眼设计方位,();为综合渗透率与最大水
22、平渗透率方向的夹角,();为水平井眼与最大水平渗透率方向夹角,()。煤层走向770m760m750m图2 煤层气藏水平井方位设计Fig.2 Orientation design of horizontal wells in coalbed methane reservoirs2.4米精准着陆设计由于该区块前期未开展二维、三维地震工作,仅依据周边煤勘孔或少量的煤层气参数井资料来推算着陆点坐标,从而导致推算的着陆点坐标在横向和纵向上存在一定误差,加之目的煤层厚度相对较薄,设计靶窗小,同时由于地层变化的不确定性,二开一次性入靶成功着陆难度大。实施L型煤层气水平井时,二开增斜常规工具为311.2mm钻
23、头+216.0mm/197.0mm单弯螺杆(1.5)+172.0mm无磁钻+MWD,有时候,由于地层或工具的客观原因出现增斜不足的现象,后续需急增全角变化率。针对大井眼,强行增大全角变化率后会降低井眼轨迹的平滑度,增大入井钻具的摩阻,易发生井下复杂事故。基于上述问题,提出了动态着陆技术思路 1 0 ,即着陆点在纵向上存在5 1 0 m调整空间,而不是一个定值,二开设计采用“追踪对比+中长半径”的设计思路。例如,在黔北地区实施的一口L型二维水江苏天明TMC-135自走式3100135030037.5783Omin下底板等高线中煤科工10-3MM2Y-100自走式2.5001 00018030.0
24、496第3 0 卷第4 期平井,由于上覆标志层少,二开造斜段也未设计简易介入,现场判层难度大。当实钻至井斜约7 0.0 0 时(设计着陆点井斜角约为9 1.0 0),推算出着陆点实际垂深提前了约6.0 0 m,为保证水平段轨迹平滑性,避免出现“勺子”轨迹,全角变化率必须从5.0 0/3 0 m提高到Table 2Changes in whole angle change rate adjustment with different advance values of vertical depth of landing point当前井斜/当前垂深/()m70.00577.302.5降摩减扭优化
25、设计2.5.1轨道剖面设计为追求大水垂比 1 和提高煤层钻遇率,在水平井三开常采用近钻头(伽马临长0.6 1.0 m)作为地质导向工具,这对人靶前的轨道控制提出了更高要求。根据六盘水煤田前期实钻情况统计分析,采用三段制(直一增一平)或四段制(直一增一稳一平)轨道剖面,后期调整窗口小,人靶精度要求高,轨道调整频繁,且有时现场必须整根滑动纠偏或增斜,导致在造斜段局部出现全角变化率变化大,使钻具摩阻大幅度增加。为此,将之前的单增或单增单稳设计轨道剖面优化为六段制(直一增一稳一增一稳一平)轨道剖面,即轨道设计为直井段一增斜段一稳斜段一增斜段一再稳斜段探着陆点一水平段,保证了全井轨道的平滑度,也极大地增
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