沁南潘河煤層氣田空氣鉆井和固井技術

摘 要

摘要：沁水盆地南部潘莊區塊位于沁水盆地東南緣，該區總體為單斜構造，傾向西北，煤層穩定、埋藏淺且滲透性較好，大量區域地質調查資料和煤田勘探成果表明，區內斷層稀少，以發育次級褶皺
摘要：沁水盆地南部潘莊區塊位于沁水盆地東南緣，該區總體為單斜構造，傾向西北，煤層穩定、埋藏淺且滲透性較好，大量區域地質調查資料和煤田勘探成果表明，區內斷層稀少，以發育次級褶皺為主。該區鉆井類型主要為鉆井液鉆井(煤層段清水鉆進)和空氣鉆井。通過對比分析空氣鉆井、水鉆井井身質量與時效平均值可知：①空氣鉆井在井身質量方面略優于水鉆井，但相差不大，均達到設計及規范要求；②空氣鉆井在時效方面比水鉆井效率高，其機械鉆速是水鉆井機械鉆速的3倍多，因此，空氣鉆井周期短，綜合經濟效益較好。而微珠低密度固井技術采用優質微珠為減輕材料，水泥漿密度為1.60g/cm3，抗壓強度在15MPa以上，滿足了在確保固井強度的基礎上減輕水泥漿正壓差對儲層污染的要求。采用上述技術使潘河煤層氣田示范工程固井合格率達到100%，其中優良率為84%。
關鍵詞：沁水盆地；南部；潘河煤層氣田；空氣鉆井；固井；合格率；優良率
    沁水盆地南部(以下簡稱沁南)潘莊區塊位于沁水盆地東南緣，該區總體為單斜構造，傾向西北，煤層穩定、埋藏淺且滲透性較好。大量區域地質調查資料和煤田勘探表明[1～2]，區內斷層稀少，以發育次級褶皺為主。
    針對該區地質構造特點，鉆井采用T685WS、T130XD頂驅車載鉆機、THZ-2000鉆機、ZJ20/1350DB鉆機等。鉆井類型有兩種：鉆井液鉆井(煤層段清水鉆進)和空氣鉆井。其中，采用T685WS、T130XD頂驅車載鉆機鉆井因對煤層污染小、鉆井效率高、成本低，克服了丘陵地區設備搬遷困難等問題，非常適合煤層氣井的開發，潘河煤層氣田是國內首次大規模采用空氣鉆井的煤層氣田。
    固井質量的好壞直接關系到井的壽命和后續作業能否順利地進行[3]。沁南潘河示范工程項目采用微珠低密度固井技術，合格率達到100%，其中優良率為84%，很好地完成了固井任務。
1 示范區鉆井工藝
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介質鉆煤層氣井，實現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介質，采用潛孔錘沖擊鉆進工藝技術進行鉆井[4～5]，其工藝流程如圖1所示。在潘河示范工程采用空氣、空氣泡沫鉆井數約占總井數的60%。
 

1.2 清水鉆井
   為了有效保護煤層不被污染，提高鉆進效率，在潘河示范工程也采用了以清水作為循環介質進行多口煤層氣井的鉆井施工，循環介質性能見表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
   示范區內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介質，有效提高了鉆進效率。隨著井內出水量不斷增大，采用清水作為循環介質鉆進，圓滿完成了施工任務。
1.3.2空氣、空氣泡沫+無固相聚合物
   采用空氣鉆進和常規鉆進技術相結合，利用高壓空氣、泡沫劑和無固相聚合物作為循環介質，在鉆進過程中根據不同地層和要求選用合理的循環介質施工，有效地保護了煤層不被污染，并提高了鉆進效率。
1.3.3無固相聚合物+清水
    采用常規鉆進技術，利用無固相聚合物與清水作為循環介質鉆進施工。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，防止了煤系地層的污染。循環介質性能見表2(以PH1-002井為例)。
1.3.4空氣、空氣泡沫+無固相聚合物+清水
    采用空氣鉆進和常規鉆進技術相結合，使用空氣、無固相聚合物和清水作為循環介質鉆進施工。煤層段采用清水作為循環介質，有效保護煤層不被污染。循環介質性能見表3(以PH74-08井為例)。
 
2 井身質量與時效分析
   從空氣鉆井與水鉆井身質量與時效平均值對比(表4)分析可知：①在井身質量方面，空氣鉆井比水鉆要稍好一些，但相差不大，均達到設計及規范要求；②在時效方面，空氣鉆井比水鉆效率要高得多，空氣鉆井機械鉆速是水鉆機械鉆速的3倍多，空氣鉆井周期短，綜合經濟效益高。
3 氣測錄井
    氣測錄井能夠有效監測煤層氣及其含氣層，具有隨鉆連續測量、連續作業、自動記錄、連續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PH1-009井氣測錄井結果，主要得到以下結論：
    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、灰巖及黑色泥巖含氣層)。下二疊統山西組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 生產套管固井
    為減少水泥漿正壓差對產層的污染，保證水泥環的強度，要求水泥漿密度控制在1.60g/cm3±0.05g/cm3，抗壓強度達到12MPa以上(38℃，常壓，48h養護)，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，濾液更加大了對產層的污染。
    本項目采用G級(高抗)油井水泥，減輕材料為優質微珠。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，抗壓強度15MPa以上(38℃，常壓，48h養護)，稠化時間小于100min/40℃·10MPa，失水120mL/常溫·7MPa。
4.3 固井質量分析
    空氣鉆后期由于地層出水，往往采用泡沫鉆進，需要加入大量有機物類穩泡劑[7]。穩泡劑吸附在井壁四周，與細小巖屑形成虛假濾餅，簡單的循環洗井很難去除，泥餅與水泥漿不兼容，使井壁與水泥膠結強度不夠，導致測井聲幅值偏高，平均為15%～20%，一度使項目初期固井質量陷入困境。
    對比分析發現，加入穩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要反復劃眼通井，以確保清除穩泡劑，固井質量從此明顯好轉，聲幅值平均都在5%左右，優質率明顯提高。
    煤層易碎、易垮是煤層氣鉆井的關鍵難題，也是影響固井質量的最大因素。從潘莊地區的固井實踐發現，規則的井眼是保證固井質量的關鍵。測井數據顯示，有的煤頂井徑達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。以煤頂平均井徑數值380mm為例，環空容積是正常井段的4倍以上，極易導致“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、第二界面膠結不好。同時，井壁的不穩定還增加了固井施工的風險。
    潘莊地區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終凝，漏失層已被堵住，應及時從環空灌漿。對于少數下部漏失的井，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重漏失的問題，有效地提高了固井質量。
5 認識及建議
    通過沁南潘河煤層氣示范工程的開發試驗，根據煤層氣儲層特征、產出機理等方面與常規天然氣儲層的差異，研究開發出了一整套適合煤層氣開發的直井空氣(泡沫)鉆井、地質錄井、微珠低密度固井等工藝技術，為經濟有效地開發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的發展有以下幾點認識和建議：
   1) 煤儲層傷害是影響煤層氣勘探開發成功率的決定性因素之一，我國煤層低壓、低滲透，鉆井完井作業過程中對煤層造成的傷害比常規儲層更為嚴重，因此，儲層保護是我國煤層氣開發鉆探工藝技術的核心工作。
   2) 空氣鉆井在井身質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，其機械鉆速是水鉆機械鉆速的3倍多，因此空氣鉆井周期短，綜合經濟效益好。
   3) 微珠低密度水泥漿固井降低了環空液柱壓力，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
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[2] 翟光明，何文淵.中國煤層氣賦存特點與勘探方向[J].天然氣工業，2010，30(11)：1-3.
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(本文作者：孫建平 張健 王建中 中聯煤層氣有限責任公司)