煤层气低成本钻井技术

3本文受到中国石油天然气集团公司重点科技工程项目(编号:970209)的资助。

作者简介:鲍清英,1965年生,高级工程师;1989年毕业于原西南石油学院开发系钻井工程专业;从事定向丛式井、煤层气勘探钻井管理与研究工作。

地址:(065007)河北省廊坊市44号信箱。

电话:(010)69213541。

E 2mail :bqymcq69@petrochina.煤层气低成本钻井技术3鲍清英1　陈峰2　蒋卫东3　张义4(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院　2.吉林石油集团监理公司　3.中国石油大学・北京　4.中国石油大学・华东) 鲍清英等.煤层气低成本钻井技术.天然气工业,2008,28(3):56258. 摘　要　分析了我国煤层气勘探开发现状,基于煤层气生产特征分析了煤层气开发向产业化、商业化发展降低钻井成本的主要技术方法。

根据潜孔锤钻井原理和特点,详细分析了钻压、转速、注气压力、注气量等实钻参数合理的确定方法,综合阐述了这些参数与提高钻井速度之间的变量关系,以及其中影响钻井速度、钻井周期的关键因素,介绍了潜孔锤在煤层气钻井使用中的效果及优点。

实践证明,潜孔锤钻井技术是当前降低煤层气开发钻井成本的关键技术之一。

还提出了国内轻型钻机现有装备技术条件下潜孔锤钻井的实施方案。

主题词　煤层气　钻井　潜孔锤钻井　钻井参数　成本　设备配套 我国对煤层气开发综合利用进行了多学科基础研究,而目前煤层气地面开发仍处于小范围生产试验阶段。

煤层气开发与常规油气相比,在储层介质、产气机理等方面有诸多不同;我国煤层气产业化、商业化水平还很低,地面开采技术难度大,单井产量低、生产成本高、投资回收期长。

目前地面开采煤层气的钻井方式从井型而言主要有常规直井、丛式井、多分支水平井,以钻井循环介质来划分主要有水基钻井液和空气钻井两种方式。

中国石油勘探开发研究院廊坊分院煤层气项目经理部从1996年开始探索研究煤层气钻井方面的开发技术[126]。

2003年在新疆沙尔湖地区组织实施的沙试4井钻井周期只有7d ,较过去缩短钻井周期24d ,在巨厚低煤阶煤层实现了煤层气空气钻井技术的首次成功应用。

2006年在山西沁水盆地先导试验开发煤层气井100口,实施运用了常规直井、浅层定向丛式井、多分支水平井等钻井技术,以及水基钻井液和空气钻井的钻井模式。

一、潜孔锤钻井技术特点 2006年首次用TS J 22000型水源钻机尝试了空气钻井技术,完善了煤层气空气钻井设备配套,同时用空气压缩机并车的方式对T685空气钻井参数进行了改进,钻井时效大幅度提高,成本有所降低。

与常规钻井技术相比,该技术主要优点如下:①空气密度低,降低了井底的压力,有利于提高机械钻速;②空气对不稳定低渗煤层气储层有保护作用;③空气在井内循环流速快,能迅速将井底岩屑气举至地面,有利于及时准确判断井底情况;④气体介质容易制备,在井漏、供水困难的煤层气钻探施工区可降低钻井成本;⑤压缩空气除在井内循环作用外,还可以作为动力源实现冲击回转钻进,可大幅度提高钻井速度,降低钻井成本。

潜孔锤钻井是常规空气钻井基础上发展起来的一个分支和延伸,钻进时井底循环压力没有超过气柱和夹带岩屑的重量,最大程度减轻了地层应力的作用,这样使钻头牙齿能够以最高的效率进行冲击破碎,是一种降低钻井成本提高效率最佳的钻井技术。

潜孔锤是以压缩空气为循环动力的一种风动冲击工具(能量转换装置)。

它所产生的冲击功和冲击频率可以直接传给钻头,然后再通过钻井转盘旋转驱动,形成对井底地层的脉动破碎能力,同时利用冲击器排出的压缩空气对钻头进行冷却和将破碎后的钻屑排出环空返出井口,从而实现井底冲击旋转钻井的目的;钻头在钻井过程中在冲击力的作用下,形成体积破碎。

与旋转钻井相比,该工艺是以钻头冲击破碎岩石取代了切削岩石的方式;以动载冲击代替了静载研磨,以岩石的体积破碎代替了研磨剪切・65・钻井工程 天　然　气　工　业 2008年3月破碎。

在潜孔锤钻井的同时,一部分岩屑被具有一定压力及速度的空气吹离井底并排出井口、减少了井底岩石重复破碎的几率。

二、钻井参数 气动潜孔锤钻井参数选择主要涉及其本身的性能参数(冲击功、冲击频率、冲击能量以及压缩空气用量)、钻井参数(风压、钻压、转速)和钻头类型,良好的冲击器应达到2个指标:有较高的破碎岩石效率和较长的钻头寿命,潜孔锤钻井参数的合理确定主要有以下几项: (1)钻压:潜孔锤钻井过程中是在钻压、高压气流冲击力、旋转力等3种力的作用下破碎井底岩石,其钻压的主要作用是保证钻头齿能与井底地层紧密接触,克服冲击器及钻具的反弹作用力,以便有效地传递来自潜孔锤冲击器的反冲击力。

如果钻压过小,难以克服冲击器工作时的反作用力,直接影响冲击功的有效传递,钻压过大,将会增大旋转阻力、使钻头早期磨损。

对于潜孔锤全面钻井,一般认为单位直径的压力值为0.3～0.95kN/cm,在软—中硬地层一般多为6.3～20.1kN,即单位面积上的钻压为0.18～0.56M Pa。

钻压的合理选择应考虑到钻井方式、设备性能、钻具匹配(钻具重量)、井眼尺寸,以及所选用的冲击器的性能(如低风压还是中高压,因工作压力的不同而反作用力不同)进行综合考虑,既要达到最佳的钻井效果,还要最大限度地延长钻具及钻头使用寿命。

(2)转速:钻头转速的高低主要依冲击器的冲击频率、规格大小以及地层的可钻性有关。

一般转速选用20r/min左右为宜,转速过高会造成钻头先期磨损和钻井机械钻速的降低,由于潜孔锤是以冲击破岩的方式钻井,转速大小会改变钻头合金齿的冲击破岩相对接触位置,避免已破碎岩屑重复破碎。

因此,合理的转速应在最优的冲击间隔范围之内。

最优冲击频率的确定,可用两次冲击间隔的转角表示,转速和钻头的冲击频率与最优转角的关系式如下:A=360N/F式中:A为最优转角,(°)/次;N为钻具转速,r/min; F为冲击频率,次/min。

理论与实践认为在中—硬岩性地层中钻井的最优转角为11°/次为宜,因而钻头转速在18～30r/ min为最佳,见图1。

在樊庄开发井施工过程中,通过沁水樊庄区块空气潜孔锤钻井试验应用,转速选择在18～40r/min比较合理。

图1　沁水樊庄溪522井转速与钻速关系图 (3)空气压力:潜孔锤冲击器的冲击频率和冲击力都与空气压力有关,空气压力是决定冲击力大小的决定性因素,因而也是影响机械钻速的主要参数,从国内外大量资料及樊庄区块实钻结果说明,机械钻速的提高和空气压力的提高成正比关系。

例如:空气压力从0.6M Pa提高至1.03M Pa时,钻井速度可提高1倍,见图2。

空气压力除满足潜孔锤工作压力外,还应克服井内钻具水眼压力降、环空压力降、潜孔锤压力降等损耗,如果所钻地层含水还要克服水柱静压力才能正常工作。

图2　溪522井注气压力与转速关系图p=Q2L+p m+p1+p2式中:p为空气压力,M Pa;Q2为不含水每米钻具内压力降(一般为0.0015M Pa/m);L为钻杆柱长度, m;p m为钻具内水眼压力损失(p m=0.1～0.3 M Pa);p1为潜孔锤压力降,M Pa;p2为井内水柱压力,M Pa。

从上式可以看出在井眼不出水的条件下,钻井井深也相应增加;而在同样条件下随着注气压力的增大,钻井深度也相应增加。

(4)空气量:空气钻井中空气消耗量是根据气动潜孔冲击器的性能参数(耗气量)和携带井内环空岩屑的最低上返速度而确定。

根据文献资料推荐,钻井过程中为保持井底清洁、携带环空岩屑返出井口,全面钻进时空气循环介质上返速度为20～25m/s,为满足以上条件注入空气量计算一般采用下式:Q=47.1k1k2(D2-d2)v式中:Q为钻进时所需空气量,m3/min;k1为井深损耗系数,井深100～600m以内取1.0～1.3;k2为当・75・第28卷第3期 天　然　气　工　业 钻井工程井内涌水时,风量增加系数。

其值与涌水量有关,中等涌水量k 2值取1.1～1.5;D 为环空直径,m ;d 为钻杆外径,m ;v 为环空气流上返速度,m/s 。

总之,潜孔锤钻井参数的选择应考虑到岩石的机械特性、冲击器的性能、井深、井内水柱压力、井内温度、井眼尺寸、岩屑浓度、几何尺寸等诸多因素;在获得最佳钻速的同时,还要兼顾更多的动力及成本消耗。

三、工程实例 沁水樊庄开发施工的溪124煤层气井完井井深519m ,使用 215.9mm 的潜孔锤钻头,地层相对比较稳定,根据邻井测井资料测得平均井眼裸眼直径一般在220mm 左右。

根据以上的分析计算在该区TS J 22000型水源钻机设备配套及潜孔锤钻井参数如下: (1)设备配套 原TSJ 22000型水源钻机设备基础上增加一台空压机、钻具内装单流阀、井口简易控制头、井口注气管汇等(要求底座高度1.25m 以上)。

(2)井身结构 钻头程序: 311.1mm ×37.94m + 215.9mm ×519.00m 。

套管程序: 244.5mm ×35.97m + 139.7mm ×516.79m 。

(3)钻具组合 第一次开钻钻具组合: 311.1mm 三牙轮钻头+ 178mm 钻铤1根+ 165mm 钻铤1根+ 114mm 钻杆N 根。

潜孔锤钻井钻具组合: 215.5mm 潜孔锤钻头+ 178mm 钻铤1根+ 165mm 钻铤1根+121mm 钻铤1根+ 114mm 钻杆N 根。

(4)钻井周期及效益指标 从TSJ 22000型水源钻机空气潜孔锤实钻井试验指标和T685WS 车载钻机潜孔锤钻井与常规钻井指标对比可以看出,在同一地区地层条件相同的情况下,潜孔锤钻井平均机械钻速可以提高7倍,当井深为600m 时钻井周期可以缩短4～8d ,钻井成本可以降低30%。

(5)工程质量与效果 相对常规钻井而言潜孔锤结合了冲击回转钻井和空气钻井的2大优势,转速低,扭矩小,钻压小,钻井过程中以冲击振动破碎方式为主,井斜易于控制。

其优点:①潜孔锤方式钻井时井底压力低;②机械钻速高、钻井周期短,有利于煤储层保护。

四、结　论 在樊庄煤层气井开发中,用TSJ 22000型常规水源钻机首次配套尝试潜孔锤钻井技术,与常规钻井方式相比配套后钻速可提高5～11倍,同时有利于井身质量的控制和煤层的保护。

从配套实钻指标来看,可大幅度降低煤层气开发钻井成本,随着煤层气开发钻井工艺技术的不断发展与日趋完善,将会加快煤层气产业化、商业化发展的进程。

参　考　文　献[1]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,2003,4(1):45247.[2]中国石油学会和中国煤炭学会.第二届煤层气学术研讨会论文集[C].北京:地质出版社,2006.[3]孙继明,侯树刚.空气钻井在普光D 21井成功应用[J ].石油钻探技术,2006,34(4).[4]AN GEL R R.Volume requirements for air or gas drilling[J ].Tran.AIM E ,1957(210):3252330.[5]陈武,张云云,周忠平.油田产量的不均衡性分析方法研究[J ].西南石油学院学报,2006,28(5):1052108.[6]李春兰,程林松,孙福街.鱼骨型水平井产能计算公式推导[J ].西南石油学院学报,2005,27(6):36237.(收稿日期　2008201203　编辑　钟水清)・85・钻井工程 天　然　气　工　业 2008年3月　N A TU R A L GA S I N D US T R Y,VOL UM E28,ISSU E3,2008 MARCH25,2008　Add:Chengdu University of Technology,No.1,Erxianqiao Dongsan Rd.,Chenghua District,Chengdu,Sichuan Province 610059,P.R.ChinaT el:+86228284078880 E2m ail:lisd@LOW COST D RI LL ING TECHN OLOG Y FOR COAL BE D METHANEBAO Qing2ying1,C H EN Feng2,J IAN G Wei2dong3,ZHAN G Y i4(1Langfang Branch of PetroChina Ex2 ploration and Develop ment Research Instit ute;2Managing Corporation of CN PC Jilin Pet roleum;3China University of Pet roleum・Beijing;4China University of Pet roleum・East China).N A T U R.GA S I N D. VOL UM E28,ISSU E3,pp.56258,3/25/2008.(ISSN100020976;In Chinese)ABSTRACT:Looking back on the background and the present of domestic exploitation and development of CBM(coalbed meth2 ane),this article,form the analysis of main technologies to lead coalbed methane development to industrialization,commercial2 ization and low2cost according to CBM’s production characters.It also analyzes the reasonable method to determine such drilling parameters as drill pressure,rotation speed,gas injection pressure,gas injection volume in view of the character of air hammer drilling in detail,elaborates the variable relationship among these parameters and drilling rate increase and the key factor influ2 encing drilling rate and drilling circle,introduces the effect and advantage of air hammer during its drilling for CBM.It is proved by practice that air hammer drilling is one of key technologies to cut down the drilling cost for CBM and put forward that air hammer is the appropriate operation for cutting down the drilling cost of CBM exploitation among domestic available facili2 ties for light drill.SUB JECT HEADING S:coalbed methane,drilling,air2hammer drilling,drilling parameters,cost,equipment complement BAO Q ing2ying(senior engineer),born in1965,graduated in drilling engineering form the Southwest Petroleum University in 1989.He is engaged in the research on directional cluster well,coalbed methane drilling and relevant management.Add:Langfang Branch of PetroChina Exploration and Development Research Institute,Mail Box44,Langfang City,Hebei Province065007,P.R.ChinaT el:+86210269213541 E2m ail:bqymcq69@APPL ICATION OF UN DER2BALANCE D RILL ING TECHN OLOG Y T O CBM RESERV OIR PR OTECTION XIAN Bao2an1,J IAN G Wei2dong2,YAN G Cheng2f u3,L I Y ong2jun3,ZHON G Yu2shi3(1Langfang Branch of PetroChina Exploration and Develop ment Research Instit ute;2China University of Pet roleum・Beijing; 3Sout hwest Pet roleum University).N A T U R.GA S I N D.VOL UM E28,ISSU E3,pp.59260,3/25/ 2008.(ISSN100020976;In Chinese)ABSTRACT:CBM reservoir is not only characterized by low permeability and low pressure but also by harmf ul sensitivity, which decides that systematical protective measures for coalbed reservoir should be taken in the process of drilling and comple2 ting of CBM(coalbed methane)and its exploitation.The technology injecting gas into the annular of another horizontal well through tubing of straight well to realize under2balance drilling is applied in the well FP121successf ully,which can not only re2 alize stable gas injection in time to protect coal seams but also maintain steady borehole face.A f urther study on well structure of a single horizontal well gives a new orientation to popularize under2balance drilling for CBM exploitation.SUB JECT HEADING S:coalbed methane,reservoir,drilling fluid,under2balance drilling,annulus gas injection,horizontal well,applicationXIAN B ao2an(senior engineer),born in1966,holds a Ph.D degree,being engaged in the research on drilling and completion for coalbed methane and field experiment.Add:Langfang Branch of PetroChina Exploration and Development Research Institute,Mail Box44,Langfang City,Hebei Province065007,P.R.ChinaT el:+86210269213107 E2m ail:xbalffy69@ 8 /e/abstracts.asp。