煤层气井取心卡层控时钻进技术.pdf

第 ４２ 卷第 ２ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ２ ２０１４ 年２ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＦｅｂ. ２０１４ 煤层气井取心卡层控时钻进技术 庞 涛１ꎬ张换果２ꎬ秦 曦３ꎬ辛 欣１ꎬ姜再炳１ꎬ张培河１ １􀆱 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西 西安 ７１００５４ꎻ２􀆱 长庆油田第六采油厂ꎬ陕西 西安 ７１０２００ꎻ ３.西部钻探钻井工程技术研究院ꎬ新疆 鄯善 ８３８２００ 摘 要为了在煤层气勘探井取心过程中节约作业成本、缩短施工周期、降低工程风险ꎬ在黑龙江省鸡 西盆地某井口煤层气井取心卡层过程中尝试采用控时钻进技术ꎬ通过对钻进速度和进尺的严格控制ꎬ 结合精细的岩屑录井方法ꎬ鉴别出以薄煤层组合为特征的标志层ꎬ在此方法的指导下最终成功获取煤 心ꎮ 结果表明该项技术的运用不但减少了无煤心取心钻进工程量ꎬ节省了煤层气井钻井费用ꎬ还缩 短了钻井施工周期ꎬ增加了钻井效益ꎬ是一种有效的煤层气井取心卡层手段ꎮ 关键词控时钻进ꎻ卡层ꎻ取心ꎻ 煤层气井 中图分类号Ｐ６２４􀆱 ４ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０２－００９８－０３ Ｔｉｍｅ－Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｃｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｗｅｌｌ ＰＡＮＧ Ｔａｏ１ꎬＺＨＡＮＧ Ｈｕａｎ￣ｇｕｏ２ꎬＱＩＮ Ｘｉ３ꎬＸＩＮ Ｘｉｎ１ꎬＪＩＡＮＧ Ｚａｉ￣ｂｉｎｇ１ꎬＺＨＡＮＧ Ｐｅｉ￣ｈｅ１ １􀆱 Ｘｉ̓ａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＧｒｏｕｐꎬＸｉ̓ａｎ ７１００５４ꎬＣｈｉｎａꎻ２􀆱 Ｔｈｅ Ｓｉｘｔｈ Ｏｉｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｌａｎｔ ｏｆ Ｃｈａｎｇｑｉｎｇ ＯｉｌｆｉｅｌｄꎬＸｉ̓ａｎ ７１０２００ꎬＣｈｉｎａꎻ３􀆱 Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＳｈａｎｓｈａｎ ８３８２００ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅ ｔｉｍｅ－ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓａｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎬｓｈｏｒｔｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｒｅｄｕｃ￣ ｉｎｇ ｔｈｅ ｒｉｓｋｓ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｌａｙｅｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｗｅｌｌ ｉｎ Ｊｉｘｉ Ｂａｓｉｎ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ. Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｌａｙｅｒ̓ｓ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｎ ｓｅａｍｓꎬｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｏｔａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｅｆｕｌ ｃｕｔ ｌｏｇｇｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄꎬａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｃｏｒｉｎｇ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ.Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｌｏａｄ ｏｆ ｃｏａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｏａｌ ｃｏｒｅꎬｓａｖｅｄ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎬｓｈｏｒｔｅｎｅｄ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎬｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｔｉｃｋｉｎｇ ｂｅｄ ｉｎ ｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｗｅｌｌ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｉｍｅ－ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎻｓｔｉｃｋｉｎｇ ｂｅｄꎻｓｅａｍ ｃｏｒｉｎｇꎻｃｏａｌｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ ｗｅｌｌ 收稿日期２０１３－０９－１９ꎻ责任编辑曾康生 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０２.０２６ 基金项目国家科技重大专项资助项目２０１１ＺＸ０５０４０－００３ 作者简介庞 涛１９８６ꎬ男ꎬ陕西西安人ꎬ硕士研究生ꎮ Ｔｅｌ０２９－８７８６２５０９ꎬＥ－ｍａｉｌｐａｎｇｔａｏ０４０１＠ １６３􀆱 ｃｏｍ 引用格式庞 涛ꎬ张换果ꎬ秦 曦ꎬ等.煤层气井取心卡层控时钻进技术[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２２９８－１００. ＰＡＮＧ ＴａｏꎬＺＨＡＮＧ Ｈｕａｎ￣ｇｕｏꎬＱＩＮ Ｘｉꎬｅｔ ａｌ.Ｔｉｍｅ－Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｃｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌｂｅｄ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｗｅｌｌ[Ｊ]. Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２２９８－１００. ０ 引 言 我国煤层气资源丰富ꎬ２０１１ 年煤层气产量突破 １００ 亿 ｍ３ꎬ已进入煤层气产业高速发展的初期阶 段[１－６]ꎮ 煤层气地面取煤心井能够直接获得煤层的 埋深、厚度、煤岩及煤质特征、割理及裂隙发育程度、 含气量、含气饱和度、兰氏体积、兰氏压力、渗透率、 储层压力以及煤的普氏系数等储层参数ꎬ随着我国 煤层气勘探力度的增加和范围的不断扩展ꎬ对于如 何保证取煤心井的成功率、降低取心井的作业成本 以增加煤层气勘探开发效益值得进一步研究ꎮ 煤系 主要发育有砂岩、泥岩及煤层[７]ꎬ岩性重复程度高ꎬ 薄煤层和煤线多ꎬ钻机钻速快ꎬ井深与迟到井深相差 较大ꎬ加之煤田勘探用的钻机通常泵量较小ꎬ钻井液 携带岩屑、封闭地层能力差ꎬ造成返出岩屑混杂ꎬ地 质人员难以凭借井口岩屑准确判别地层ꎮ 以往煤层 气井施工过程中ꎬ为了能够成功钻取煤心ꎬ通常在预 计煤层顶板深度前 １０ ｍ 提前倒换取心钻具ꎬ也常会 因为设计不够准确或者地质原因造成大段的无煤心 钻进ꎬ增加了钻探成本ꎬ延长了施工周期ꎬ井眼质量 ８９ 庞 涛等煤层气井取心卡层控时钻进技术２０１４ 年第 ２ 期 无法保证ꎬ大段的取心钻进还增加了工程施工的风 险ꎮ 基于此ꎬ笔者在黑龙江鸡西盆地一口煤层气井 取心卡层过程中严格控制钻时ꎬ同时做好岩屑录井 工作ꎬ用返出煤屑的持续时间计算薄煤层厚度ꎬ鉴别 出以薄煤层组合为特征的标志层ꎬ实现了煤层成功 取心ꎬ为提高煤层气井取心卡层准确性提供了一种 可行的新方法ꎮ １ 技术原理及流程 控时钻进技术是指在钻进过程中严格控制单 位时间进尺ꎬ使进尺时间远大于岩屑从井底返至 井口的时间ꎬ同时做好岩屑录井工作ꎮ 这样ꎬ当井 口出现某一层的岩屑时ꎬ钻头钻入该地层深度浅ꎬ 可立即停转循环钻井液ꎬ利用出口岩屑来判断地 层ꎻ钻头在单一岩性地层中钻进时间较长ꎬ出口岩 屑持续时间长ꎬ利于发现薄层ꎻ单一岩屑返出的持 续时间ꎬ即为钻头钻遇该层所花费的时间ꎬ故可利 用井口单一岩屑持续时间、钻时等数据计算出该 薄层厚度ꎮ 控时钻进技术要求严格控制钻进速 度ꎬ并配合有精细化的岩屑录井技术ꎬ技术流程如 下所述ꎮ １精确丈量钻具ꎬ同时在方钻杆标定以 ５ ｃｍ 为 单位的刻度ꎬ以方便司钻人员精确控制钻进速度及 进尺ꎮ ２调整好泥浆性能ꎬ保证泥饼具有较好的护壁 性ꎬ避免造成掉块等影响井口岩屑的清晰程度ꎻ保证 岩屑能够顺利返出ꎬ以确保迟到井深的准确性ꎻ调整 振动筛动态参数ꎬ使得钻井液返排岩屑在振动筛上 能够清晰可辨ꎮ ３做到每钻一个单根实测迟到时间一次ꎬ保证 迟到井深的准确性ꎮ ４为了精确发现并计算薄煤层厚度ꎬ设计钻时 应高于迟到时间的若干倍ꎬ保证振动筛上发现煤屑 时井下钻具恰好钻入煤层的一小部分ꎮ ５地层变软、钻具放空或者振动筛发现煤屑时 立即停转ꎬ循环钻井液至煤屑循环干净为止ꎬ利用单 一煤屑返出的持续时间计算钻头进入煤层的深度ꎮ ６准确记录自煤屑出现至开始混杂有其他岩 性岩屑所持续时间ꎬ用单一岩屑持续时间计算此岩 性的地层厚度ꎬ即单一岩性地层厚度相当于单一岩 屑返出持续时间与控时钻进钻时之比ꎮ ７及时参考周围钻孔资料ꎬ如果发现岩屑具有 标志层特征或者特殊的岩性组合ꎬ应立即起钻倒换 取心钻具继续取心ꎮ ２ 现场试验 ２􀆱 １ 地质概况 试验井位于黑龙江省鸡西盆地梨树矿区ꎬ钻 遇地层特征分述如下[８－１２]①冲积层为厚 ２ ｍ 的 腐植土ꎻ②穆棱组厚 ５９５ ｍꎬ下段为砂岩、凝灰岩及 若干层薄煤ꎻ中段为主要含煤段ꎬ发育主煤层ꎻ上 段为凝灰岩、碎屑岩段ꎬ不含可采煤层ꎻ③城子河 组厚 ７５５ ｍ未穿透ꎬ上部含煤段岩性以灰白色 中粗粒砂岩为主ꎬ有细砂岩、粉砂岩、煤层ꎻ中部含 煤段为主要含煤段ꎬ由灰白色中粗砂岩、薄层泥 岩、煤层、粉砂岩等组成ꎻ下部煤层段以砾岩、灰白 色中细砂岩为主ꎮ 井区以东西向背斜、向斜构造 为主ꎬ发育南北向大倾角的正断层ꎬ小构造发育 图 １ꎮ 该井设计深度 ７５２ ｍꎬ目标层为 １４ 号煤 层ꎬ预计煤层厚度 ３ ｍꎬ预计见煤深度 ６９２ ｍꎮ 井 位周围先前施工有 ３ 个钻孔及相关开拓巷道ꎬ先 前钻孔在 １４ 号煤层之上 ２􀆱 ５ ｍ 左右处均钻遇 ２ 层 分布稳定的薄煤层图 １ꎮ 图 １ 试验井周围钻孔与煤心及巷道位置 分析前期工程揭露情况ꎬ试验井区 １４ 号煤层上 部虽然薄煤层和煤线较多ꎬ但只有目标层上部 ２􀆱 ５ ｍ 处发育的 ２ 层薄煤层ꎬ且间距一定ꎬ分布稳定ꎬ故 这 ２ 层薄煤层组合可以作为本井的卡层标志ꎻ同时ꎬ 该段地层组合由钻孔 ３ 向巷道方向变薄ꎬ故以钻孔 ２、钻孔 ３ 作为参照ꎬ预计了试验井该段地层组合中 不同煤岩层的厚度表 １ꎮ ２􀆱 ２ 控时钻进步骤 该井自 ６８２ ｍ 处开始控时钻进ꎬ根据迟到时间 计算方法[１３]ꎬ经实测排量计算下行时间为 ６ ｍｉｎꎬ实 测循环 １ 周时间为 ２２ ｍｉｎꎬ故而迟到时间确定为 １６ ｍｉｎꎮ 设计控时钻进的钻时为迟到时间的 ４ 倍ꎬ即 ６４ ｍｉｎ/ ｍꎬ也就是当井口发现有煤屑返出时ꎬ井下钻 ９９ ２０１４ 年第 ２ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 具恰好钻入煤层 ０􀆱 ２５ ｍꎬ利用煤屑返出持续时间计 算出钻入煤层深度或者薄煤层厚度ꎮ 表 １ 井区目的层及其附近层位厚度 层位 工程揭露厚度/ ｃｍ 钻孔 １钻孔 ２钻孔 ３巷道 试验井预计 厚度/ ｃｍ Ａ２０２２２５１６２１ Ｂ１５３１６２１６７１４７１５８ Ｃ３２４０４４３０３５ Ｄ２３０２４０２５０２３０２４０ 注各工程钻孔位置如图 １ 所示ꎮ 开始控时钻进后ꎬ要求司钻严格根据钻杆上所 标刻度均匀送钻ꎬ钻速 ｖ 控制为 ６４ ｍｉｎ/ ｍꎬ并且配 备有专人连续观察振动筛上返出岩屑的情况ꎮ 钻至 井深 ６８８􀆱 ２ ｍ 处发现振动筛上有煤屑返出ꎬ立即停 止钻进ꎬ循环钻井液ꎬ记录煤屑持续返出时间 ｔ 为 １５ ｍｉｎ 之后ꎬ开始混杂泥质砂岩岩屑ꎬ故判断已钻穿第 １ 层薄煤层ꎬ计算厚度为 ｔ/ ｖ ＝ ０􀆱 ２３ ｍꎮ 钻至井深 ６９１􀆱 ４７ ｍ 处接单根ꎬ循环实测得到迟到时间为 １７ ｍｉｎꎬ故控制钻速 ｖ１改为 ６８ ｍｉｎ/ ｍꎮ 钻至井深 ６９６􀆱 ８ ｍ 处振动筛上有煤屑返出ꎬ记录煤屑持续时 间 ｔ１为 １３ ｍｉｎ 之后ꎬ开始混有泥质砂岩岩屑ꎬ故判 断已钻穿第 ２ 层薄煤层ꎬ计算厚度为 ｔ１/ ｖ１＝０􀆱 １９ ｍꎮ 至井深 ６９８􀆱 ５ ｍ 处有煤屑返出ꎬ停转循环ꎬ发现煤屑 返出持续时间大于 １７ ｍｉｎ 后煤屑返出量减小ꎬ无其 他岩屑ꎬ说明此煤层厚度大于 ０􀆱 ２５ ｃｍꎬ按照控时要 求继续钻进 １７ ｍｉｎ、进尺 ０􀆱 ２５ ｃｍ 后循环钻井液ꎬ出 口煤屑返出持续 １０ ｍｉｎ 后ꎬ见泥质砂岩与煤屑混合 物返出ꎬ厚度为 ０􀆱 ４０ ｍꎬ判断为第 ３ 层薄煤层ꎮ 各薄煤层判识结果见表 ２ꎬ分析比较发现ꎬ第 ２、 第 ３ 层薄煤层的厚度、间距与周围钻孔及巷道资料 所揭示情况吻合ꎬ均属于 １４ 号煤层上部 ２􀆱 ５０ ｍ 左 右的地层段内ꎬ故倒换取心钻具自井深 ６９８􀆱 ７５ ｍ 处 开始取心钻进ꎮ 表 ２ 试验井钻遇薄煤层判识结果 井深/ ｍ 钻速/ ｍｉｎ􀅱ｍ －１ 迟到时 间/ ｍｉｎ 出口煤屑持 续时间/ ｍｉｎ 煤层厚 度/ ｍ ６８８􀆱 ２６４１６１５０􀆱 ２３ ６９６􀆱 ８６８１７１３０􀆱 １９ ６９８􀆱 ５６８１７２７０􀆱 ４０ ３ 效果分析 取心结果显示ꎬ钻遇顶板泥质砂岩 ２ ｍ 后见到 １４ 号煤层ꎬ见煤深度为 ７００􀆱 ７５ ｍꎻ目标层以上各小 层实钻厚度与测井解释厚度基本吻合ꎬ实际钻井的 Ａ、Ｂ、Ｃ 层位厚度分别为 ０􀆱 １９、１􀆱 ５１、０􀆱 ４０ ｍꎬ测井的 Ａ、Ｂ、Ｃ 层位厚度分别为 ０􀆱 １７、１􀆱 ４６、０􀆱 ３５ ｍꎮ 鸡西地区煤层气井取心成本为 ４ ５００ 元/ ｍꎬ同 一地层相同芯长且施工顺利情况下所需取心时间为 ２３ ｄꎬ减去控时钻进时间约 １ ｄꎬ节约时间 １２ ｄꎮ 试验井通过控时钻进的卡层技术减少取心工程 １６􀆱 ７５ ｍꎬ节省钻探费用 ７５ ３７５ 元ꎬ至少缩短施工周 期 １２ ｄꎬ同时减小了大段取心和井眼质量下降的 工程风险ꎬ效益明显ꎮ ４ 结 语 控时钻进技术能够精确判断薄煤层或者其他 特征明显薄层的岩性和厚度ꎬ从而有效减少煤层 气井作业成本ꎬ降低因大段取心造成的工程风险ꎬ 缩短钻井工程的周期ꎮ 对于标志层不够明显的煤 层气井ꎬ可利用目的层上部具特殊岩性的薄层或 薄层组合作为控时钻进的卡层目标ꎬ具有实用性 和可靠性ꎮ 参考文献 [１] 汤达祯ꎬ秦 勇ꎬ胡爱梅.煤层气地质研究进展与趋势[Ｊ].石油 实验地质ꎬ２００３ꎬ２５６６４４－６４７. 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