中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展方向.pdf

作者简介 郑毅 男 1957 年 11月生 1982 年 7 月毕业于华东石油学院钻井工程专业 现任中国石油天然气集团公司市场管理部副总工程师 中国地质大学 北京 在读博士研究生 O张建博 黄洪春 李安启 等 中国石油天然气集团公司赴美煤层气考察报告 2000 文章编号 0253O2697 2002 03O0081 O05 中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展方向 郑 毅1 黄洪春2 1 中国石油天然气集团公司市场管理部 北京 100724 2 中国石油勘探开发研究院 廊坊分院完井研究所 河北廊坊 065007 摘要 对 10 多年来我国煤层气钻井完井技术状况进行了回顾 结合美国煤层气开发成功的技术和研究成果 从钻 井完井工程的角度分析了我国现有技术存在的问题和制约煤层气开发效果的主要因素 提出了在我国煤层低压 特低渗透 气饱和等特殊物性条件下钻井完井过程中的技术难点 解决问题的思路和应采取的技术措施 关键词 中国 煤层气 钻井 完井 技术现状 对策 中图分类号 TE242 文献标识码 A 煤层气是煤层中自生自储的非常规天然气资源 至 1999 年底 美国已钻各类煤层气井 11000 多口 年产 量达到 350 108m3 O 并根据煤层气储层特征 产出机理等方面与常规天然气储层的差异 研究开发出了一整 套适合煤层气经济开发的钻井完井工艺技术 我国煤层气有预测储量 35 1012m3 1 与常规天然气的资源量 相当 但煤层气领域的勘探开发研究工作起步较晚 仅有 10 多年的历史 到 2000 年底全国累计已钻 208 口 煤层气试验井 初步掌握了中国煤层气地质选区评价 实验测试 绳索取煤心 压裂和排采等工艺技术 但是钻 井完井技术基本沿用常规油气井技术 在产量方面迄今没有形成可供商业性开发的煤层气田 究其原因 一是 中国煤层气地质条件复杂 二是现有煤层气钻井完井工艺技术一直与我国煤层特性不相适应 1 国内煤层气勘探钻井完井状况 我国利用地面钻井进行煤层气开发始于 20世纪 80 年代 当时煤炭科学研究院基于煤矿生产安全考虑 先 后在湖南里王庙 河南焦作 山西阳泉 辽宁抚顺等煤矿采用探矿钻机 ZSTO 6 600 水源钻机 ZJ10和 ZJ15 型钻 机钻了几十口煤层气井 井深 170 500m 采用直径为 108mm 或 127mm 套管完井 其中筛管完井 16 口 80 年代后期至 90 年代初 联合国开发计划署 简称 UNDP 资助中国原煤炭工业部和地质矿产部在山西柳林 晋 城 阳泉及安徽淮南 河南安阳 河北唐山 东北铁法等地区进行有针对性的煤层气钻探试验 其中 原地矿部 华北石油地质局采用 ZJ32 钻机共钻 9 口井 煤层埋深 400 1000m 采用直径为 127mm 套管射孔完井 形成了 以山西柳林煤层气试验区为代表的煤层气勘探钻井 MSO 2150绳索取煤心 LBM0低固相钻井液和完井等工 艺技术 但是煤层气单井产量较低 100 2600m3 d 且产量递减快 与此同时 美国的 ICF ARI Enron ARCO PHILLIPS 等公司纷纷介入中国煤层气的勘探开发 其钻井完井技术基本上利用我国现有的技术 到 目前为止 已在东北 江南和山西等地区钻了 80多口试验井 均为套管射孔压裂完井 初步达到工业气流的煤 层气井有 9 口 分布在柳林 潘庄 胡底 铁法和屯留地区 最高产气量 7000m3 d 最低 2600m3 d 其余煤层气 井试采产气量为 10 1500m 3 d 不等 中国石油天然气集团公司 CNPC 于 1992 1994 年投资进行了 5 口井 欧 15 井 沁参 1 井 大参 1 井 曲 试 1井和冷试 1 井 的煤层气勘探试验 除江西曲试 1 井为裸眼洞穴完井外 其余为套管射孔完井 1996 年中 联煤层气有限责任公司和CNPC煤层气勘探项目经理部相继成立 标志着中国煤层气勘探开发第一个高潮的 第 23 卷 第 3 期 2002 年 5 月 石油学报 ACTA PETROLEI SINICA Vol 23 No 3 May2002 到来 九五0期间 CNPC 进行了较大规模的煤层气综合研究和工艺性勘探开发试验 先后在华北大城 山西 晋城和陕西吴堡地区共钻了 20 口煤层气试验井 包括 2 个井组 除取煤心技术有发展之外 其余钻井完井技 术基本与常规油气井类似 从产气量来看 晋试 1 井区 6 口井组联合排采后取得了 2500 4050m3 d 的产量 其余井的产气量都较低 见表 1 虽然取得一定的初期产气量 但产量递减迅速 以至停止试采 表 1 CNPC煤层气试验井钻井完井资料 Table 1 The statistics of drilling and completion data of coalObed methane test wells of CNPC 地区井 号井深 m 井身结构钻机型号钻井液取心方式固 井完井方法产气量 m3 d 辽河欧 15240618三开ZJ32常规钻井液常规川 83常规射孔压裂 70 1000 沁水沁参 11169108二开ZJ32常规钻井液常规川 83常规射孔压裂150 30 大城大参 11500四开ZJ32常规钻井液常规 THO 2常规射孔压裂425 6391 江西曲试 11037189三开ZJ10低固相钻井液煤炭取煤器常规裸眼洞穴 30 170 湖南冷试 1600二开ZJ10低固相钻井液常规川 6 O4常规射孔压裂 0 168 大城 大试1 大 1O 1 至 大1O 5 井组 1100 1384 三开ZJ32低固相钻井液绳索取心 3 口低密度领 浆 常规水泥 射孔压裂200 3500 吴堡 吴试 1 吴试 2 1430 1570 二开ZJ32低固相钻井液绳索取心 低密度领浆 常规尾浆 双级 射孔压裂 15 1129 未试 大宁吉试 11135二开ZJ32低固相钻井液绳索取心常规射孔压裂1600 3800 晋城 晋试1 晋 1O 1 至 晋1O 5 井组 晋试 2 至晋试 6 680 720 700 1250 33917mm 15m 24415mm 85m 13917mm 井底 ZJ32低固相钻井液绳索取心 常规 2 口低密度 领浆 常规 射孔压裂 2500 4050 500 3900 虽然我国煤层气开发试验已遍布全国 但取得一定工业气流的煤层气井仅占钻探井的 7 左右 从钻井 完井技术和设备方面来看 基本沿用常规油气井钻井完井技术 而许多在常规低渗天然气井中应用相当有效的 新技术 如水平井 欠平衡钻井 小井眼钻井等技术 未应用于煤层气开采 整体技术与美国煤层气开发技术相 比存在着较大的差距 有些方面可能是制约我国煤层气突破的潜在因素 而且这些尚未引起中国煤层气开发 试验决策者和技术人员的高度重视 2 主要存在问题 211 煤储层伤害 与常规天然气储层不同 煤既是生气层又是储集层 煤层中的甲烷气体以三种状态赋存 即 直接吸附在 煤孔隙的内表面上 以游离态分布在煤的孔隙和裂缝内 溶解在煤的地层水中 当钻进煤层后 甲烷气从煤的 内表面解吸 扩散并通过裂缝流到井内 如果煤层的孔隙和裂缝一旦受到损害 其损害程度比常规油气层严重 得多 不仅使气体的渗流通道受损 而且还会影响甲烷气的解吸过程 另外 煤是一种多孔介质 具有非常大的 内表面积 一般可达 10 40m2 g 和较强的吸附能力 当钻开煤层后 工作液和高分子聚合物都会吸附在煤层 上 它一方面诱发煤基质膨胀而使有效裂缝受到挤压变窄 另一方面 聚合物在煤表面的多点吸附形成胶凝层 堵塞煤层的裂缝和割理系统 而且在钻井 固井过程中 钻井液和水泥浆的密度控制不好或施工不当 易发生 井漏而造成煤层大面积污染 煤储层伤害评价普遍采用常规油气储层伤害评价方法 已为广大煤层气工作者认可并采纳 现场实施中也 采取相关钻井液技术 主要采用无固相或低固相钻井液 但对压力引起的煤层伤害认识不清 重视不够 压力敏感性是指施加在煤层上有效压力的变化对煤储层微观结构的影响 在宏观上表现为煤层的孔隙度 渗透率随着围压的增加而降低的现象 煤层裂缝和割理发育 裂缝在高围压下闭合 这种闭合是不可完全恢复 的 对 CNPC 三个试验区的煤心进行室内实验研究发现 煤经过多次加压 卸压周期性的试验 加压使渗透 率降低 但卸压时渗透率只能得到一定程度的恢复 这就造成了渗透率的损害 见图 1 82 石 油 学 报 2002年 第 23 卷 图 1 围压与煤层渗透率的关系曲线 Fig 1 T he relative curves of permeability of coal Obed at different confining pressure 由图 1 可知 随着煤岩围压的增加 其渗透率 呈下降趋势 当围压达到 6MPa 时 渗透率降低 55 83 卸压后渗透率只能得到 8 32 的恢复 而目前钻井完井过程中的过平衡现象是 普遍存在的 常规钻井液钻井和水泥浆固井都有 较高的围压 密度为 1185g cm3的水泥浆所产生 的液柱压力对煤储层的伤害也是不可低估的 由此可知 煤层气储层潜在的损害因素除与 常规油气储层有类似的地方以外 煤层应力敏感 性也同样会造成储层损害问题 即钻井完井过程 中液柱压力没有控制在煤层压力以下 会造成煤 层应力改变和塑性变形 使渗透率无法完全恢复 从而影响产气量 212 煤层气钻井方法 美国煤层气煤储层渗透率在 110 50 10 3Lm2 一般为 10 10 3Lm2左右 2 孔隙压力为常压 且煤 层富含水 采用的井型有三种类型 垂直井 煤矿采空区钻井 水平排泄孔钻井 含分枝井 其 90 的开发井 是用空气或泡沫进行钻井和完井O 采用的钻井设备有矿业旋转或冲击式钻机 轻便自行式液压钻机 小型车 载钻机和普通石油钻机 并与一种新型空气钻井井下马达配套 效果显著 煤层气井采用空气 泡沫等非泥浆 体系循环介质钻井具有以下优点 对煤层伤害最小 钻速高 是泥浆钻井的 3 10 倍 钻井周期短 500m 深的井 一般 24 48h 对煤层浸泡时间短 综合经济效益高 如果钻遇到多裂缝 高渗透地层而产出大量水的时候 可以采用空气钻进和泥浆钻进相结合的方法 即先 利用空气钻井液直至泥浆贮备池装满采出的水 再转用采出的水作钻井液至贮备池排空 如此交替直到钻至 目标井深 最后用空气 水和肥皂混合物洗井 3 与美国相比 中国的煤层渗透率通常在 01001 110 10 3Lm2的范围 属于特低渗透层 煤层孔隙压力 0187 110MPa 100m 属低压层 4 见表 2 而目前的钻井方法全部采用水基钻井液常规钻井工艺 钻井周 期长 14 125d 虽然采取了一些保护煤层的措施 但现场实施时往往考虑井下安全因素而提高钻井液密度 使煤层保护效果差 美国的经验表明 欠平衡钻井技术是开发煤层气最有效的手段之一 O 对中国这种特低 渗 低压煤层更应考虑空气 泡沫 等欠平衡钻井技术的应用 减少过平衡压力对煤层渗透率的损害 最大限度 地降低工程技术对煤层气产出的阻碍 5 但如何确保欠平衡钻井时井下安全和实现绳索取煤心是制约该项 技术应用的关键 O张建博 黄洪春 李安启 等 中国石油天然气集团公司赴美煤层气考察报告 2000 表 2 中国部分煤层气试验区煤层主要参数 Table 2 The main parameters of coal Obed in some test areas producing coal Obed methane in China 煤层参数 试 验 区 山西晋城陕西吴堡山西柳林山西屯留河北唐山河北大城 煤层时代C PC PC PC PC PC P 埋深 m 600 8001200 1500400 600400 700700 9501120 1300 厚度 m 10 15 8 18 8 12 5 10 10 20 10 28 渗透率 10 3Lm2 0125 11601035110 1130103 0125011 015011 016 煤层孔隙压力梯度 MPa 100m 0187 1100191 01960195 1101 0184 01970194 0198 泊松比0132 01420136 0124 0130 0134 0140 83 第 3 期 郑毅等 中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展方向 213 煤层气固井工艺 煤层气井固井与常规油气井固井一样 直接关系到井的寿命和后续作业能否顺利地进行 而且与常规天然 气不同的是它直接影响到煤层气的产量 因此 固井是煤层气勘探开发过程中至关重要的环节之一 煤层气井通常具有 井浅 一般为 400 1500m 替浆量少 加之煤层胶结强度低 松散 井壁易坍塌形成 大肚子0 对多煤层井段易成 糖葫芦0井眼 顶替效率低 温度低 在25 45e 时 如晋城地区的 晋 1O 1井 井底温度只有 26e 影响水泥水化反应 导致水泥浆强度发展慢 在井下环空长时间处于液态 浆体不稳定 煤层段孔隙压力梯度低 一般小于 110MPa 100m 破裂压力也低 且割理裂隙发育 固井时水泥浆易漏失 水泥浆低返 这些因素往往难以保证煤层气井固井质量 美国的煤层气开发者在解决煤层气固井质量问题的同时 十分重视固井过程中对煤层的保护 固井首先 考虑的是如何减少水泥浆对煤层的伤害问题 其关键是降低液柱压力和失水 从美国已完成的煤层气井固井 工艺来看 主要采用以下几项工艺技术 高强度 低密度 低失水水泥浆 在水泥浆中加入固体降重剂 如粉煤 灰 空心微珠等 以降低密度 可达 1120 1144g cm3 全井封固 且强度达到常规水泥浆的强度 泡沫水泥 浆 在水泥浆中加入氮气 分散成稳定的均匀小气泡 可将水泥浆密度降到 0180g cm3左右 且失水少 强度满 足要求 双级注水泥 其目的也是降低水泥浆液柱压力 减少对煤储层的伤害 绕煤层固井技术 在煤 层部位的套管柱中加装套管外封隔器和特殊接头 注水泥时 水泥浆流到煤层底部后绕过煤层至煤顶部返回 环空 即水泥浆不与煤层接触 最大限度地降低对煤层的伤害 6 通过 九五0科技攻关研究和现场试验 国内开发出了 低温空心微珠低密度水泥浆领浆 常规水泥浆尾 浆0体系 结合控制失水 低返速塞流顶替等技术 基本解决了煤层气固井的封固质量 但仍未解决固井对煤层 造成的伤害 这是因为煤层属强压力敏感低压低渗储层 现有技术固井的水泥浆液柱压力与煤层静压差达到 3 7MPa 导致煤层产生不可逆的塑性变形而降低渗透率 使钻井过程中保护煤层的努力失去意义 此外 无 法实施近平衡固井也使未来的煤层气空气 泡沫 钻井效果降低 214 煤层气完井方法 建立有效的井筒与煤层连通通道 有助于深部煤层甲烷气的解吸 向井筒的流动是煤层气完井的关键 为了满足各种不同储层物性的煤层气经济有效开发的需要 美国试验了多种完井方法 主要有裸眼完井 套管完井 套管 裸眼完井 裸眼洞穴完井和水平排泄孔衬管完井五种完井方法 其中 以射孔压裂完井和裸 眼洞穴完井为主 而洞穴完井是煤层气特有的 也是最有效的完井方法 所谓裸眼洞穴完井 是裸眼完井后人 为地在裸眼段煤层部位通过多次注空气或泡沫憋压放喷 造成剧烈的井内压力 激动0 使煤层崩落 形成一个 稳定的煤层大洞穴 同时消除可能已发生的地层损害和在井眼周围形成很大面积含有大量张性裂缝的卸载区 提高井筒周围割理系统的渗透性 这样增大了地层的导流能力 使井眼与地层之间实现有效连通而达到增产的 目的 从开发最成功的 San Juan 盆地 4000 多口煤层气井来看 1 3 为裸眼洞穴完井 这些裸眼洞穴完成的井 煤层气产量是射孔完井后水力压裂的 3 20 倍 且成本低于大型水力压裂 到目前为止 裸眼洞穴完井累计产 表 3 煤层气裸眼洞穴完井统计表 Table 3 The statistics of cavity completion in coal Obed methane wells 井 号 日产气量 m3 d 造洞穴前造洞穴后 造洞穴方法 曲试 1 井30170 唐五井5414111 焦作 13 井10167435 用侧向喷嘴 清水 循环水力冲剌 气量占整个盆地产气量的 76 为美国煤层气产量作出了重 大的贡献O O张建博 黄洪春 李安启 等 中国石油天然气集团公司赴美煤层气考察报告 2000 国内煤层气井的完井方法 98 采用套管射孔压裂完 井 3 仅 八五0期间煤炭系统进行了开滦 唐五井0 焦作 13 井和江西 曲试 1 井03 口煤层气井的裸眼洞穴完井试验 见表 3 造穴初期增产 2倍以上 但最终效果都不理想 这 给人们造成了一种错觉 认为裸眼洞穴完井在中国不可行 但笔者认为并非如此 中国煤层渗透率在 01001 016 10 3L m2的范围 普遍低于美国 水力压裂改造后的产气量 84 石 油 学 报 2002年 第 23 卷 也远远低于美国煤层气单井产量 从造洞穴的工艺来看 国内都是采用简单的侧向喷嘴直接水力冲刺使煤层 垮塌 再将煤屑循环出地面 形成一定的洞腔 其结果仅仅是井筒附近煤层垮塌 增大了裸露面积 未出现由压 力 激动0形成的近井地层破碎带和长距离应力扰动带 井筒有效渗透率基本未改变 这与美国的煤层气洞穴 完井完全是两个概念 即中国的洞穴完井并不是真正意义上的洞穴完井 另一方面 中国煤层多数不含水 目 前全采用水基压裂液进行增产改造 而压裂液的返排率仅为 35 68 剩余水滞留煤层在一定程度上造成 二次伤害 加之煤层松软 煤粉多 压裂砂的支撑效果相对较差 这也是导致部分井压裂无效的重要原因 因 此 如果在中国选择渗透率相对较好的煤层 进行真正的裸眼动力洞穴完井 其效果可能会有所改观 除上述空气 泡沫 钻井 低密度 泡沫 固井 裸眼动力洞穴完井技术之外 还应探讨水平井 分枝井和小井 眼钻井完井技术在煤层气中的应用 使我国煤层气钻井完井技术多样化 寻求我国煤层气经济开发的工艺 技术 3 中国煤层气钻井完井技术发展方向 1 煤层气有其自身的一套勘探开发方法 不能简单地照搬常规油气钻井 固井和完井工艺技术 否则 很 难取得实效 2 煤储层伤害是影响煤层气开发成功率的决定因素之一 尤其对中国这种低压 特低渗透率等特殊物性 的煤层而言 钻井完井作业过程中对煤层造成的伤害比常规储层更为严重 由此可见 中国煤层气开发钻探技 术的核心是尽量使所采用的钻井完井工艺技术不伤害煤层 3 中国煤层气开发不成功 除了中国煤层的气饱和 特低渗透率等客观地质条件以外 主要是缺乏与空 气 或泡沫 等欠平衡钻井 低压固井 气体动力洞穴完井等相适应的配套工艺技术 建议国内煤层气开发决策 者和业主们高度重视煤层气钻井完井过程中压力对煤层的伤害问题 选择合理的钻井完井工艺方法 4 加强国内外联合 选择有利煤层气区带 继续深入地研究适合中国煤层气特性的低压钻井完井工艺技 术 为未来的煤层气大开发做好技术储备 参考文献 1 张新民 张遂安 等 中国的煤层甲烷 M 1 西安 陕西科学技术出版社 1991 1 51 2 赵庆波 刘兵 等 世界煤层气工业发展现状 M 1 北京 地质出版社 1998 32 851 3 张彦平 等 国外煤层甲烷气开发技术译文集 M 1 北京 石油工业出版社 19961 4 赵庆波 等 煤层气地质与勘探技术 M 1 北京 石油工业出版社 1999 1 991 5 朱兴珊 徐风银 罗平亚 等 中国煤层气开发的特殊性和应采取的对策 A 1 中国北京 煤层气开发与利用国际会议论文集 C 1995 10 181 1901 6 Young G B C Kelso BS PaulG W Understanding cavity well performance C SPE 28579 in the SPE 69thannualtechnical con ference and exhibition New Orleans LA September 19941 收稿日期2001O01 O03 改回日期 2001 O05 O 17 编辑 张君娥 85 第 3 期 郑毅等 中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展方向 and then the oil reservoir pressure will be reduced so pressure sensitivity hurt to formation will unavoidable Even tually effect of permeability loss on low permeability oil field developing is strong Research result shows due to ex istence of pressure sensitive effect formation permeability value nearby well wall is only around the 45 of that in feed flow border When formation pressure drops by 5 MPa output will drop by 13 around Key words low permeability oilfield development pressure sensitive effect formation pressure PRODUCTION PERFORMANCE ANALYSIS ON HORIZONTAL WELLS WITH VARIABLE PRODUCTION INDEX ZHOU Sheng tian et al University of Petroleum China Dongying 257061 China ACTA 2002 23 3 77 80 Abstract The hypothesis of constant specific Production Index PI by Dikken is extended to that piece wise con stant variable PI for horizontal well A segmented well model is presented The numerical method for this new model is proposed and a computer program is made T he cross sectional flow rate influx along the horizontal well and the pressure distribution of two examples are calculated The design for perforation distribution and density of horizontal section in horizontal well can be optimized using the present model in reference to different reservoir situ ations T his model may provide a theoretical foundation for analyzing the optimal performance in horizontal well Key words horizontal well production index draw down piece section constant production performance analysis PETROLEUM ENGINEERING DEVELOPMENT OF DRILLING AND COMPLETION TECHNOLOGY OF COALO BED METHANE WELLS IN CHINA ZHENG Yi HUANGHong chun Completion Technology Research Develop ment Langf ang of Research Institute of Petroleum Exploration and Development PetroChina Langf ang 065007 China ACTA 2002 23 3 81 85 Abstract The developing situation of drilling and completion technology in