提高煤层气井钻井效率的工艺技术

摘 要

摘要：目前煤层气井钻井，特别是探井、参数井，钻井效率不高已成为影响煤层气勘探开发进程的主要因素之一。在分析影响煤层气钻井效率的原因的基础上，针对不同影响因素，着重从简化井
摘要：目前煤层气井钻井，特别是探井、参数井，钻井效率不高已成为影响煤层气勘探开发进程的主要因素之一。在分析影响煤层气钻井效率的原因的基础上，针对不同影响因素，着重从简化井身结构、开发保护储层的钻井液体系、优选钻井工艺、完善钻井设备配套等方面进行了探讨。提出了如下技术思路：①开发适用于Φ152.4mm井眼的煤层气井专用绳索取心工具，从而将井身结构缩小一级；②研制能保护上部井壁、有效保护储层、满足获取煤层参数要求的钻井液体系，从而省去技术套管，将三级井身结构简化为二级井身结构；③推广不同循环介质下旋冲钻井工艺技术；④研究适应煤层气井的钻井液泵和固控设备配套方案。为提高煤层气井钻井效率，建议开展以下研究：①优化井身结构；②保护储层的钻井液体系；③优选钻井工艺；④完善钻井设备。
关键词：煤层气；钻井效率；井身结构；钻井液体系；钻井工艺；钻井装备
    煤层气勘探开发的特点要求煤层气钻井必须做到高效率、低成本。由于目前国内专业的煤层气钻井队伍还比较缺乏，施工工艺技术系列尚不完善，钻井效率低已成为制约煤层气勘探开发进程的主要原因之一。
1 影响钻井效率的原因
1.1 井身结构复杂
    目前煤层气探井常用的井身结构为三级井身结构，具体结构形式为Φ444.5mm井眼×Φ339.7mm技术套管+Φ311.1mm井眼×Φ244.5mm技术套管+Φ215.9mm井眼Φ139.7mm生产套管。
    采用三级井身结构，是因为煤层井段需要采用清水钻进保护储层，以取得准确的煤层参数。为了在清水钻进时保证上部井段的稳定，需要将煤层顶部以上井段用技术套管封固。采用Φ215.9mm井眼完井，一是因为煤层气井对取心的速度有特殊要求，传统的油气井取心工艺不能满足煤层气井取心的需要；二是由于仅对煤层取心，传统的全井绳索取心技术也不能满足煤层气井的取心需要。因此，必须采用适应煤层气井取心的专用绳索取心工具。由于目前只有用于Φ215.9mm井眼的煤层气井专用绳索取心工具，所以只能采用Φ215.9mm井眼完井。实钻表明，由于井眼尺寸大，特别是煤层以上大段Φ311.1mm井眼，单位面积上的钻压较小，钻井效率低、成本高[1～3]。
1.2 钻井液体系不完善
    目前尚缺乏能有效保护煤储层的钻井液体系，为了取得真实的储层参数，只能采用清水钻进。煤层井段采用清水钻进，一是造成如前所述的井身结构复杂；二是不利于煤层的稳定，特别是当有两套以上煤层时，在钻下部煤层时，上部煤层易产生垮塌，迫使采用套管封固上部地层，使井身结构复杂化。
1.3 钻井工艺技术相对落后
    由于煤层气相对于常规油气的低产出，决定了煤层气钻井必须低成本。因此，一些常规油气钻井采用的如欠平衡钻井等先进的施工工艺难以推广应用。
1.4 钻井设备不配套
    为了降低钻井成本，目前所用的钻机多为车载液压钻机和水文钻机，设备功率小，特别是钻井液泵排量太小，不利于携带井底岩屑，造成井底重复切削，更不能产生水力破岩效果。另一方面是固控设备配套简陋，甚至没有固控设备，采用地面循环，不利于钻井液的维护处理，钻井液性能参数得不到保障，既不利于对储层的保护，又影响了钻井效率[4～8]。
2 对提高煤层气井钻井效率的探讨
2.1 针对井身结构复杂的问题
   1) 开发适用于Φ152.4mm井眼的煤层气井专用绳索取心工具，从而将井身结构变小一级，即：Φ311.1mm井眼×Φ244.5mm表层套管+Φ215.9mm井眼×Φ177.8mm技术套管+Φ152.4mm井眼×Φ114.3mm生产套管。
   2) 研制能保护上部井壁、有效保护储层、满足获取煤层参数要求的钻井液体系，从而省去技术套管，将三级井身结构简化为二级井身结构。其井身结构可采用以下形式：Φ311.1mm井眼×Φ244.5mm表层套管+Φ215.9mm井眼×Φ139.7mm生产套管，甚至可采用Φ215.9mm井眼×Φ177.8mm表层套管+Φ152.4mm井眼×Φ114.3mm生产套管，从而大幅度地提高钻井效率。中国石化华东分公司在沁水盆地的实钻表明，Φ215.9mm井的机械钻速比Φ311.1mm井眼的机械钻速可提高20%～40%。
2.2 针对钻井液体系问题
   可借鉴石油钻井的技术成果，如非渗透钻井液体系等，针对煤储层的特点加以改进。非渗透钻井液(NIF)是美国环保钻井技术公司(EDTI)在20世纪90年代研究和推广出的新型钻井液体系。该钻井液是利用表面化学原理使NIF钻井液在地层表面产生可以密封地层的非渗透性薄膜。与传统桥堵地层方法不同的是，NIF钻井液通过钻井液内颗粒的引力密封地层。引力把隔离集中在岩石的表面，这样就可以用同一种组分的钻井液封闭不同孔隙尺寸分布的地层，室内试验证明，NIF钻井液可使岩石的渗透率恢复率超过90%，这是常规钻井液无法达到的效果。非渗透钻井液与常规钻井液对砂床的侵入深度与时间的关系室内实验曲线如图1所示。

   结合煤储层的特点将NIF钻井液体系经改进后用于煤层气钻井，虽然会增加钻井液成本，但若能因此代替清水钻进，从而免去下技术套管，简化了井身结构，其钻井效率会大幅度地提高，将会取得较好的经济效益。目前国内已开发出了非渗透钻井液材料，已经大大降低了非渗透钻井液的使用成本。另外非渗透钻井液体系在井壁上形成的非渗透膜，可以起到稳定井壁的作用，减少井下复杂情况的发生，也有助于钻井效率的提高。
2.3 针对钻井工艺技术问题
    可在综合经济评价的基础上，增加必要的设备，推广应用一些能降低成本增效的钻井工艺技术。就目前来看，旋冲钻井工艺是较好的选择。在地层较稳定的地区，可以采用以空气为循环介质的旋冲钻井工艺，即空气潜空锤钻井。空气潜空锤是以压缩空气为循环动力，它所产生的冲击力和冲击频率可以直接传递给钻头，再通过钻机转盘的旋转驱动，形成对井底地层的脉动破碎，从而实现对井底的冲击旋转钻进。该技术的主要优点有：①空气密度低，降低了循环介质对井底的压力，在井底形成负压，有利于提高机械钻速；②空气在井内循环速度快，能及时将井底岩屑气举到地面，避免钻头重复切削，有利于提高机械钻速；③压缩空气在井内除起循环携带岩屑作用外，还可以作为动力源实现冲击旋转钻进，大幅度地提高机械钻速；④空气介质容易制备，成本低，特别是对于易井漏、供水困难的工区可大幅度地降低钻井成本。在地层不太稳定的地区，可采用以液体作为循环介质的旋冲钻井工艺，也可以达到提高钻速的目的。中国石化华东分公司在沁水盆地和顺区块部分井采用以空气为循环介质的旋冲钻井工艺，较常规工艺井机械钻速提高了4～6倍。
2.4 针对钻井设备不配套的问题
2.4.1 配备单机泵组，提高水力能量
    鉴于目前用于煤层气井的钻井设备配备的钻井液泵排量普遍较小，可另配一套满足大井眼施工要求的单机泵组，正常钻进采用单机泵组，取心作业时采用原钻井液泵。
2.4.2 增加必要的固控设备
地面循环不能清除钻井液中的固相，不利于钻井液性能的维护，不利于储层保护，而配备全套的四级固控也不现实，一是增加了钻井成本，二是场地也不允许。因此，需要根据煤层气钻井的特点，研究相适应的煤层气钻井固控设备配备方案。
3 建议
    煤层气钻井既不同于岩心钻探钻井，也区别于常规油气钻井，需要开展有针对性地研究和探讨。就提高煤层气钻井效率而言，建议开展以下几方面的研究工作：
    1) 优化井身结构。重点是开发适用于Φ152.4mm井眼的煤层气井专用绳索取心工具。
    2) 开发保护储层的钻井液体系。重点是非渗透钻井液体系的应用研究。
    3) 优选钻井工艺。重点是不同循环介质下旋冲钻井工艺的应用研究。
    4) 完善钻井设备。重点是钻井液泵和固控设备配套方案的研究。
参考文献：
[1] 鲍清英，陈峰，蒋卫东.煤层气低成本钻井技术[J].天然气工业，2008，28(3)：56-58.
[2] 王一兵，孙平，鲜保安，等.沁水煤层气田开发技术及应用l效果[J].天然气工业，2008，28(3)：90-92.
[3] 薛改珍，金学锋，张景良，等.沁水盆地煤层气安全钻井工艺[J].石油钻探技术，2007，(5)：65-67.
[4] 包全贵.煤层气钻井工程中几个重点技术问题的探讨[J].探矿工程：岩土钻掘工程，2007(12)：4-8.
[5] 刘保双，杨凤海，汪兴华，等.煤层气钻井液工艺现状[J].国外油田工程，2007，23(8)：27-33.
[6] 张遂安，崔岗，胡少韵，等.煤层气钻机的技术现状及发展对策[J].中国煤层气，2007，4(4)：9-11.
[7] 刘贻军.应用新技术促进煤层气的开发[J].地质通报，2007，26(5)：625-629.
[8] 黄洪春，卢红.用空气钻井开发晋城煤层气技术研究[J].煤田地质与勘探，2003，31(4)：61-64.
 
(本文作者：王彦祺 中国石化华东石油局工程技术设计研究院)