复杂煤体结构煤储层水平井复合管柱完井方法研究

针对煤体结构破坏变形程度差异性与物理特征非均质性强,水平井眼钻遇煤储层的煤体结构复杂,单井完井与增产技术方法单一等问题,为了实现水平井分段完井与适应性增产,提出了复杂煤体结构煤储层水平井复合管柱完井技术,设计了外层套管与筛管复合完井管柱、内层作业油管柱与配套分段完井工具,完善了双管柱受力和相关水力计算模型。在山西省阳泉地区15号煤层开展了复合管柱完井现场试验:将长度为659.5 m的复合管柱下入水平井中至1591 m井深,煤层水平井眼被封隔为4段,采用双管柱结构完成了水力循环解除管柱遇阻、洗井、胀封管外封隔器及煤层分段完井等作业环节的现场测试。基于该试验水平井的工程数据,采用有限差分法计算了双管柱受力,并进行了相关水力计算,结果表明:内层管柱增加了完井管柱下入过程中的侧向力,井下管柱与井壁之间的摩擦阻力增加了5642.75 N。喷头压降与内层管柱水力循环压耗是影响井下双管柱水力循环压耗的主要因素,双管柱下入过程中水力循环排量控制在16~20 L/s,以清除井眼内固相颗粒及维持井壁稳定;洗井作业时排量提升至20~24 L/s,以消除井壁煤层的钻井液伤害。通过研究与现场试验,证明了煤层气水平井复合管柱完井技术具有先进性和可行性,为复杂煤体结构煤储层水平井多样化与适应性增产改造工程提供了可靠的作业基础。

吉X井煤层气绒囊钻井液实践

吉X井二开井段530.00～616.00 m为高压水层,780.00～860.00 m井段有80 m砾石层,目的层山西组地层压力系数0.55～1.00,太原组0.67～1.03,不同压力系数共存同一裸眼。采用膨润土钻井液、聚合物钻井液,钻穿高压水层。但聚合物钻井液在密度1.2～1.5 g/cm^3、滴流状态时,仍无法解决砾石层的井壁失稳和岩屑携带问题。钻至井深925.00 m后,通井距井底70 m无法到底。后改用绒囊钻井液技术,用重晶石加重,密度1.03 g/cm^3,漏斗黏度90 s,12 h清洗70 m沉砂;密度1.07 g/cm^3,漏斗黏度70 s,顺利钻进到1278 m完钻,下套管和固井顺利。绒囊钻井液技术有效地提高了低压目的层承压能力,解决了不同压力系统共存同一裸眼的工程难题。

中国煤层气高效开发井型与钻完井技术进展

较之于美国、澳大利亚、加拿大等国家,中国的煤层气储层具有低地层压力、低渗透率、低含气饱和度及强非均质性等基本特征,增加了储层改造的难度,制约了煤层气单井产量与采收率的提高。为了给中国煤层气水平井工程技术发展提供借鉴与支持,针对我国煤层气高效开发所面临的工程技术难题,综述了国内外煤层气水平井钻完井技术研究及应用进展,介绍了煤层气井型设计与井身结构优化、井眼轨迹控制、井壁稳定、优化完井与储层保护等一系列技术,讨论了水平井双管柱筛管完井与洗井增产、径向水平井筛管完井及磁导向钻井等新技术及其适应性,提出了地下“井工厂”绿色开发模式以及深地煤层气与煤炭一体化绿色开发之道。结论认为:①针对我国煤层地质条件与地表环境,在进一步精细化高煤阶水平井钻井与完井技术的同时,需要兼顾煤系气综合开发;②加强中—低煤阶与碎软煤层水平井钻完井技术创新研究,深入探索复杂煤层气藏高效开发模式;③针对我国深地煤矿、低品位煤矿及薄煤层等非常规煤矿绿色高效开发面临的重大技术难题,有必要积极探索地下“井工厂”与非常规能矿原位转化开发模式,力求实现深部煤层气与煤炭一体化绿色高效开发的目标;④高质量推进我国能源低碳绿色转型,既要保障国家能源安全,又要实现“碳达峰和碳中和”战略目标。

煤层气T型水平井柔性筛管泵送下入技术研究

为了解决煤层气T型水平井常规管柱无法下入的问题,实现T型水平井筛管完井及洗井作业,探讨煤层气T形水平井柔性筛管泵送下入技术可行性,重点研究煤层气T型水平井柔性筛管泵送下入工艺技术机理。基于井下管柱活塞原理及管柱力学模型,提出柔性管柱双层结构设计,形成煤层气T型水平井柔性筛管泵送下入技术。基于煤层气T型水平井管柱力学及井身结构特征优选柔性管柱,结合煤粉控制机理及排采原理对柔性筛管进行参数设计,并采用平板外载荷试验测试柔性筛管抵抗外载荷强度。国际上首次完成煤层气T型水平井柔性管柱下入专用工具及工艺流程设计,形成完整的柔性筛管完井管柱泵送下入技术。研究结果表明:直径112 mm井眼在曲率半径1.8 m的情况下,采用柔性筛管泵送下入技术,可以下入外径63 mm的柔性筛管,双层柔性管柱在下入过程中保持拉伸状态,不发生螺旋弯曲,筛管本体不发生塑性变形,解决煤层气T型水平井筛管下入难题。通过专用泵送下入工具及双层管柱结构可实现筛管下入及洗井作业一体化,消除钻井液对储层的伤害,提高单井产能。

超短半径水平井液压驱动非金属完井筛管下入长度计算

针对超短半径水平井完井筛管下入过程中摩阻限制了完井筛管下入长度的问题,提出了超短半径水平井液压驱动完井管柱下入技术,设计了由内到外依次为导向管、液压驱动管、非金属完井筛管的完井管柱结构,完成了配套工具设计,建立了管柱力学-液压耦合模型。基于某深层煤层气超短半径水平井井身结构数据,应用管柱力学-液压耦合模型进行了数值计算,结果表明相同条件下液压驱动完井管柱下入长度为常规技术完井管柱下入长度的17倍。对数值计算结果进行了多因素正交分析,结果表明完井管柱结构和非金属复合连续筛管与井筒间摩擦系数是对液压驱动完井管柱下入长度影响最大的两个因素。优选了两种适用于不同条件的超短半径水平井液压驱动完井管柱结构,最大下入长度分别为381,655 m。研究结果可为超短半径水平井液压驱动非金属复合连续筛管完井技术提供理论支持。

煤层气水平井玻璃钢筛管完井工艺技术

针对钢筛管完井工艺具有维护井壁稳定、高效防砂、防锈耐腐、安全经济、可实现管柱重入完成通洗井等优点,将玻璃钢筛管完井工艺作为一项新的完井工艺,在煤层气水平井裸眼完井、PE筛管完井技术上进行创新设计。试验结果表明:玻璃钢筛管较低的摩擦因数更利于管柱下入作业,较高的强度有利于保证水平段通道的完整,实现后期水平井段的通洗井作业,非金属的材质有利于煤矿后期的开采作业安全。玻璃钢筛管以冲管为内管可在整个作业过程中建立泥浆循环,可以有效处理下筛管过程中的遇阻现象,并能实现高压水力喷射洗井,更大限度地降低前期作业过程中对储层的损害。该工艺首次在山西煤层气现场施工32口井,累计筛管下入长度40 862 m,成功率100%玻璃钢筛管完井工艺可以促进煤层气开发。

煤层气超短半径水平井筛管完井技术研究

为解决煤层气超短半径水平井煤层坍塌、煤粉产出造成的频繁修井等问题,维持超短半径水平井连续稳产生产,探讨超短半径水平井筛管完井工艺可行性,重点研究不同材料管柱的屈服弯曲半径,采用Wellplan软件进行超短曲率半径条件下管柱可通过性分析,优化设计管柱组合。基于煤粉颗粒分布、运移速度、过流面积等因素进行高密度聚乙烯(HDPE)筛管参数设计,采用有限元分析法进行筛管屈服强度分析。设计高密度聚乙烯(HDPE)筛管专用送入工具及下入工艺研究,进行案例设计分析,探讨工艺可行性。结果表明:直径116 mm尺寸井眼在曲率半径不小于12 m的情况下可下入直径40 mm高密度聚乙烯(HDPE)筛管完井,筛管本体不发生塑性变形,筛孔附近出现部分塑性变形,塑性变形的体积占筛管实体体积的14.58%,为井筒流体通过提供稳定通道。筛孔可阻挡较大的煤粉颗粒进入井筒造成卡泵,T型割缝具备一定清洁功能,减少煤粉颗粒卡塞割缝。研究结果推进煤层气超短半径水平井工艺技术发展。

双管柱筛管完井技术在沁水煤层气区块水平井开发中的应用

煤岩储层完井液伤害与水平井眼易坍塌是限制沁水地区煤层气水平井产量的主要因素,针对煤储层伤害与坍塌导致煤层气水平井低产、减产问题,利用双管柱筛管完井增产一体化技术,解决了煤层气水平井完井液对煤层伤害以及煤层裸眼井壁失稳问题。实现完井洗井作业一趟钻,提高煤层气单井产量,延长煤层气井稳产周期。煤层气水平井双管柱完井结构由外层筛管系统和内层冲管系统组成,外层筛系统可以实现长期支撑井壁,防止井筒坍塌,内部冲管系统可建立完井液循环通道,实现水力喷射、消除污染、冲砂洗井功能,降低筛管下入遇阻风险,提高筛管一次性下入成功率。该工艺发展为沁水煤层气区块水平井开发主要完井方式,已开发外径ϕ73 mm、ϕ89 mm与ϕ110 mm等系列的筛管及配套工具,该技术现已推广应用331口煤层气水平井,相比2014年之前的裸眼水平井,筛管完井水平井稳产周期提高5倍以上,15#煤层水平井单井日产气量超过1000 m^3,从根本上解决了15#煤层气开发的技术难题,形成了适合沁水煤层气区块水平井高效开发新模式。

煤层气水平井筛管密集分段径向射流增透方法

水平井煤层伤害后渗透性差、常规分段水力射流间距长,为提高近井壁煤层渗透性,优化设计了弹簧-液压式封隔器与注液短节,提出了以筛孔为喷嘴的煤层气水平井筛管密集分段径向射流增透方法。建立了单个筛孔径向射流破岩计算模型和近井壁煤岩增透渗流增量比计算模型,优化设计了筛管孔密、筛孔出口流速和射流排量,分析了井壁煤岩固相侵入带与滤液侵入带的渗透率比值Kγ、固相侵入带深度Hs对渗流增量比的影响规律。研究结果表明,弹簧-液压式封隔器采用了无骨架式胶筒、径向滑块和强力弹簧设计,解决了密集分段径向射流工具在筛管内的高频次封隔稳定性难题,实现了煤层气水平井筛管完井与射流增透一趟钻;在Hs=3.5 cm、Kγ=0.01条件下,筛孔径向水力射流间距减小为筛孔间距0.05 m,水平井段煤岩渗流增量比增加5.5%,实现了煤层水平井段密封分段径向射流增透作业。研究结果为解决采用筛管完井的煤层气水平井储层伤害难题提供技术指导,为近井壁煤岩增透作业提供理论支撑。

中国煤层气水平井钻完井技术研究进展

为了适应中国煤层复杂的地质条件与储层物性特征,水平井钻完井技术不断得以深化研究与发展,围绕"井工厂"形成了井型优化、储层保护、导向钻井和水平井适应性完井技术,逐渐成为中国煤层气高效开发的重要措施。为煤层气高效开发提供钻完井工程方面的技术支持,通过概述中国煤层气水平井钻完井技术研究进展,重点介绍了煤层气水平井完井技术3项研究成果:①形成了煤层水平井双管柱完井与增透一体化技术,在沁水盆地南部应用400余口井,并取得技术与产量突破;开展了井壁煤岩径向循环载荷实验,通过CT扫描技术检测了煤岩裂缝形成与扩展;基于煤岩双孔隙结构、非均质性和孔隙多尺度特征,修正了径向循环载荷下煤岩损伤变量计算模型。②提出了径向水平井柔性筛管液压驱动下入方法,优化设计了完井管柱结构与配套工具,建立了管柱-液压耦合计算模型,以深部煤层径向水平井为算例,计算两种完井管柱结构的最大下入长度分别达到381 m、655 m,为径向井筛管完井提供技术指导。③提出了复杂煤体结构煤层水平井分段复合完井增透方法,数值模拟了循环冲击波辅助水力压裂煤层裂缝扩展规律,通过该技术使停产井增产至2000 m3/d。最后,概括了深部煤层气水平井钻完井发展技术要点,以大型"井工厂"为核心的配套技术将成为煤层气开发降本增效的关键技术,多约束条件轨道优化设计和控制技术是深部煤层水平井优快钻井的技术保障,水平井多元化完井增产技术将成为中国深部煤层气高效开发的新模式。