贵州煤层气井中上部地层钻井防漏堵漏技术_赵永哲.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY Secondly, drilling with DTH hammer and temporary sealing of surface casing can effectively solve the problem of surface leakage; the of leakage plugging under pressure solves effectively the central ma- lignant leakage problem. This technology improves drilling efficiency, achieves optimal drilling effect, and pro- vides a new way for CBM well drilling in Guizhou to prevent and plug leakage, which has significant application and promotion value. Keywords optimal and fast drilling; CBM wells; preventing and plugging lost circulation; leakage plugging under pres- sure 贵州省煤层气资源丰富，储量居全国第 2 位， 是我国南方最大的煤层气富集区，其中上二叠统可 采煤层的煤层气预测资源量约 3.061012 m3， 可采约 1.381012 m3，占总地质资源量的 45.13[1]。截至目 前贵州已累计施工煤层气井 232 口，仍处于煤层气 勘探开发探索阶段。 贵州煤层气井钻井施工过程中，存在十井九漏 的现象，主要由于上部地层碳酸岩分布广泛，占全 省面积的 73[2]，经长期丰富的雨水和地下水的溶 蚀作用，形成了连通性好的孔隙型、裂隙型和溶洞 型岩溶地层。同时，由于强烈的地质运动，中部地 层褶皱、断层发育，形成了纵横交错的漏失通道， 给煤层气钻井施工带来了极大困难，也制约着贵州 煤层气的开发利用。 前人对钻井防漏堵漏技术做了大量的研究， 主要 集中在两个方面， 一方面是防漏研究， 主要使用空气 钻，重点研究了空气钻井环空流动模型、循环介质、 井眼清洁、井眼稳定、井斜控制等方面[3-6]。另一方 面是堵漏研究，重点研究了各种堵漏材料、堵漏方 法工艺等方面[7-9]，且集中在石油钻井方面，堵漏成 本较高，不能直接应用于低成本煤层气钻井，本文 从贵州煤层气钻井低成本施工的特点出发，重点研 究漏失规避、漏失预防、低成本高效堵漏方法工艺， 并与实践相结合。 ChaoXing 114 煤田地质与勘探 第 47 卷 1 上部岩溶地层防漏堵漏方法 上部岩溶地层漏失通道多为洞、缝，形态尺寸 变化大，连通性好，水平、垂向分布广泛，在灰岩 地层中可能存在多套漏失层。由于良好的漏失通道， 各种堵漏材料难以在漏层中有效架桥， 同时水泥浆也 易受地下水的干扰， 不能在近井壁周围凝固， 导致上 部岩溶漏失处理起来十分困难，堵漏成功率低[10]。 因此，针对岩溶地层应以防漏为主，堵漏为辅。 1.1 井位布置 贵州煤层气井在布置井位时，应兼顾井场地形 地貌、区域水文地质和溶洞露头情况，岩溶漏失地 层的形成和发育程度与地表雨水及地下水长期作用 密不可分，山沟、古河道和低洼地带多为岩溶漏失 密集区，尽量避免在此区域布置井位。 1.2 一开钻深及表层套管下入 考虑到煤层气开发钻井成本问题，贵州煤层气 井一般采用二开井身结构。针对岩溶漏失地层，一 开表层钻深及套管下入深度将至关重要，直接影响 二开施工周期及堵漏成本，甚至影响到能否完井。 若一开表层套管设计过浅，当遇到串珠状岩溶漏失 地层时，将增加二开钻进难度；若一开表层套管设 计下入过深，又增加了煤层气井开发成本。 利用电法近地表岩溶探测技术，可勘测岩溶分 布及发育深度情况，同时测量井口与区域内地势最 低处落差距离，为一开表层设计深度提供依据。 利用空气钻将表层钻进至设计井深时， 若无法确 定已全部钻穿岩溶漏失地层， 或上部地层有岩溶水无 法继续施工时，可运用表层套管暂封溶洞技术[11]。 实施过程中，用海带、麻绳等暂封 Ф244.5 mm 表层 套管的最下部一根外环空，下至钻进井深，采用 Ф215.9 mm PDC 钻头并配合 Ф172 mm 螺杆钻具复 合钻进探测下部井段地层情况。若无裂隙或溶洞， 起出暂封套管。表层套管下入时，在最下部一根套 管底部加工软木塞，同时套管本体靠近软木塞位置 上部开孔，第一软木塞坐封于 Ф311.5 mm 井眼变 Ф215.9 mm 井眼处，防止固井过程中水泥浆进入下 部 Ф215.9mm 井眼；第二套管开孔作为新水泥浆的 上返通道。若钻遇裂隙或溶洞，采用空气钻继续加 深一开实钻深度。表层套管暂封溶洞现场实物图如 图 1 所示。 1.3 岩溶漏失地层空气钻进 针对贵州岩溶漏失地层，采用空气潜孔锤钻进 是最有效的防漏方法。Ф311.5 mm 潜孔锤配合两台 空压机工作压力 2.5 MPa，工作流量 35 m3/min可 满足约 200 m 深度表层的施工，采用高强度钻具、 图 1 表层套管暂封溶洞现场实物图 Fig.1 Photo of surface casing for temporarily sealing karst cave 轻压慢转的钻进工艺可有效控制空气钻进时的井 斜[12]。如若钻遇溶洞，注意溶洞底部的井眼开孔， 防止井眼轨迹错位。 岩溶漏失地层空气钻进过程中， 极易遇到地层出 水。 当地层出水量过大， 空气携带水和岩粉能正常返 出，井壁冲刷干净；若地层出水量较小，岩粉与水粘 糊成块，附着在井壁和钻具上易形成泥环造成缩径， 或附着在溶洞腔体上下， 造成井眼处岩屑堆积， 上返 风速逐渐降低， 也易形成泥环造成缩径， 由于潜孔锤 本身不具备倒划眼功能， 极易造成卡钻事故。 针对此 类情况，可使用图 2 所示的潜孔锤倒划器装置[13]。 钻具采用“单 2 结构”， 空气钻进过程中倒划器可对井 壁进行修复， 破坏附着在井壁的泥饼环。 起钻过程倒 划器起到倒划眼作用，以消除卡钻事故。 图 2 潜孔锤倒划器装置实物图 Fig.2 Picture of back reaming device for DTH hammer 2 中部恶性漏失地层承压堵漏方法 中部恶性漏失地层多为薄层灰岩或砂泥岩，受 构造运动和地下水双重作用，多发育洞、缝、裂隙 等，漏失通道在水平和垂向上形态尺寸变化较大、 延伸广、连通性好[14]。常规堵漏方法材料消耗大， ChaoXing 增刊 1 赵永哲等 贵州煤层气井上中部地层钻井防漏堵漏技术 115 耗时长，堵漏成功率低。 2.1 投入式复合堵漏塞 针对恶性漏失地层，钻井现场利用混浆漏斗配 置的高浓度堵漏浆，极易被地层水稀释或流入漏层 深处，不能起到有效的架桥堵漏效果。 为提高复合堵漏塞的浓度，可将土粉、随钻堵 漏剂、锯末、纯棉籽壳、复合堵漏剂和综合堵漏剂 按 1∶1∶3∶3∶2∶2 的体积比在地面干拌混合比 例可依据裂隙大小进行调整[15]。 为加大复合堵漏塞 的胶凝程度，可加入聚丙烯酰胺、高黏羧甲基纤维 素钠和高黏堵漏剂，利用泥浆泵小流量冲刷携带， 从井口灌入式漏斗均匀投入井内，当其体积分数达 到 60以上，下一柱钻具关封井器，采用间歇挤压 法将复合堵漏塞挤入漏层，实现在裂隙中堆积、桥 接，阻挡和隔离裂隙水的目的，为后续注水泥浆做 前期准备。 2.2 聚丙烯纤维水泥浆固化 根据投入式复合堵漏塞挤入漏层压力分析数据 确定漏失通道大小，从而确定聚丙烯纤维的尺寸和 比例。选取配置比为 1.8 的聚丙烯纤维水泥浆，下 光钻杆至漏层位置。加入聚丙烯纤维可在漏层内架 桥结网，让水泥颗粒充填网孔，水泥水化胶凝后与 裂缝固结，起到堵漏承压作用。注浆完成后及时替 浆，起钻至设计位置按照注入水泥浆在井筒内上升 高度计算，关井挤压 2/3 水泥浆，等候凝结 48 h 再 正常钻进。 2.3 承压堵漏 承压堵漏工艺流程首先利用封井器将复合堵 漏材料投入井内，而后关井将堵漏材料整体挤入漏 层，形成有效的架桥，起到隔离、阻挡作用；然后 再将聚丙烯纤维水泥浆憋压挤入漏层，形成耐压、 抗冲刷的水泥堵漏墙，达到堵漏目的。 承压堵漏需精确测量和计算以下主要相关参 数漏失后井内泥浆液面高度、复合堵漏材料投入 体积、冲刷携带所需的泥浆量、挤入漏层量、挤入 压力、聚丙烯纤维水泥浆的配制量、关井挤压前水 泥浆进入漏层量、钻具内容积中剩余水泥量、光钻 杆起至水泥塞面以上的高度等，并应考虑起出钻具 的体积，防止混浆，从而做到精准关井挤压，最大 限度地提高堵漏效果。 对于存在多套漏层的钻井，无法判断是新地层 漏失还是上部堵漏后的漏层反复漏失时，可采用投 入式复合堵漏塞进行判断。当复合堵漏材料投入井 内后，会形成一段高浓度隔离塞，继续灌入泥浆时， 在重力和上部液体压力的共同作用下，高浓度隔离 塞会逐渐向漏失通道靠近。当到达漏层后，高浓度 隔离塞将阻止上部液体进入漏层，致使井筒内液面 上涨至井口，通过计算高浓度隔离塞体积和灌入泥 浆体积，可计算出漏层的具体深度。 3 现场应用效果 截至 2018 年 5 月， 针对贵州地区岩溶地层已累 计施工煤层气井 36 口， 采用潜孔锤钻进和表层套管 暂封溶洞技术有效解决和规避了表层漏失问题，同 时通过地层承压堵漏方法有效解决了中部地层恶性 漏失问题，从而提高了钻进效率，达到优快钻井的 效果。研究区典型的防漏堵漏成功案例如下。 a. 财 1 井 一开采用 Φ311.5 mm 潜孔锤配合 3 台空压机工作压力 2.5 MPa，工作流量 35 m3/min， 在井深 109 m 地层中出水量达 10 m3/h 的情况下， 实现表层钻深 452.75 m。 b. 钟 1-4-1 井台 一开空气钻进至 42 m、67 m 遇串珠状含水溶洞，强钻至 190 m，在水压的作用 下潜孔锤无法正常工作。灰岩深度 320 m 左右，为 了探明下部地层是否存在裂隙、岩溶，采用表层套 管暂封溶洞技术下套管 80 m 封隔上部含水溶洞， 利 用 Ф215.9 mm PDC 钻头配合 Ф172 mm 螺杆复合钻 进探明了下部井段情况，起出暂封套管，一开下套 管至 190 m，表层固井完钻，有效预防了下部地层 存在岩溶的风险。 c. 钟 1-8-6 井台 针对深度 42 m、 80 m 处地层 出水量少，导致岩粉与水粘糊成块并附着在井壁和 钻具上，形成泥环造成缩径，导致起钻困难和卡钻 问题。使用潜孔锤倒划器装置，有效预防了卡钻， 缩短了施工周期。 d. 牛 1-6-1 井台 在垂深 220 m、350380 m 处存在地下水活动的区域性裂隙漏失带，采用清水 强钻–桥塞堵漏–水泥堵漏–可控胶凝堵漏–复合堵漏 收效甚微，存在反复漏失。使用承压堵漏后，堵漏 成功率达到 100， 有效解决了此类恶性漏失地层的 漏失问题。 4 结 论 a. 通过上部岩溶地层防漏堵漏方法和中部恶 性漏失地层承压堵漏方法的研究， 在贵州 36 口煤层 气井钻井防漏堵漏实践，有效提高了煤层气井钻井 效率，降低了堵漏成本，为其他地区钻井防漏堵漏 提供参考依据，具有重要应用意义和推广价值。 b. 岩溶地层防漏堵漏方法重点在预防和规避 漏失，井位选择和一开套管下入深度尤为重要，采 ChaoXing 116 煤田地质与勘探 第 47 卷 用空气钻能有效规避漏失问题。但当岩溶漏层中含 有动态水，且与水库或饮用水源连通时，空气钻也 无法正常施工，亟待研究更好的解决方法。 c. 承压堵漏工艺技术虽然能有效解决桥塞堵 漏、水泥浆堵漏等常规堵漏方法的弊端，堵漏过程 中，各种数据计算正确，精准施工，是保证堵漏成 功率的关键。 d. 随着石油钻井防漏堵漏技术的不断发展，堵 漏材料、堵漏工具将逐步大众化，可将其低成本化 后引用至煤层气井防漏堵漏中来。 参考文献 [1] 贾彤， 桑树勋， 韩思杰. 松河井田储层高压形成机制及对煤层 气开发的影响[J]. 煤炭科学技术，2016，44250–54． JIA Tong，SANG Shuxun，HAN Sijie．High pressure ation mechanism of reservoir in Songhe mine field and its impact to coalbed methane development[J]. 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