煤层气钻井工程设计.ppt

煤层气钻井工程设计,张遂安 教授/主任中国石油大学（北京）煤层气研究中心,既要坚持科学态度，积极采用新工艺、新技术、新设备和新材料又要制定合理、简单可靠的技术工艺流程，减少投资，降低成本同时便于生产管理，正确处理技术先进与经济合理的关系,钻井工程设计原则,钻井工程设计类型,A.煤层气钻井工程技术方案（通常由作业者起草）B.煤层气钻井工程施工设计（通常由施工者编制）a.煤层气钻井工程施工设计（参见煤层气钻井工程施工设计格式）b.煤层气地质录井施工设计（参见煤层气地质录井施工设计格式）c.煤层气测井施工设计（参见煤层气测井作业规程）d.煤层气固井施工设计 e.煤层气试井施工设计 f.煤层气分析测试设计,1.前言1.1 井位及基本参数1.2 工程目的1.3 设计依据1.4 地质背景1.5 采用技术标准2.地质设计2.1 完井原则与井深设计2.2 钻遇地层预测与故障提示2.3 地质录井设计2.4 地球物理测井设计2.5 取芯与测试设计2.6 煤层气试井设计3.工程设计3.1 工程设计步骤3.2 井身结构设计3.3 钻井循环介质设计3.4 取心设计3.5 固井工程设计,技术方案设计提纲,1.前言,1.1 井位及基本参数,通常，为了简明地表达其工程特性，在设计的开篇大多先列出设计井的一些基本参数。一般包括以下基本参数：,井 号：井的类型：指明设计井为取芯井、还是生产试验井还是开发井。设计坐标：纵(X)：横(Y)：标 高：地理位置：构造位置：目的煤层：包括用于气含量测定的取芯目的煤层、试井的主要煤层以及将要进行压裂排采的主要煤层。设计井深：完井层位：,A.参数井 取全取准各类煤储层参数：包括煤层厚度、煤层埋藏深度、煤岩煤质、煤层气含量、煤的吸附常数与等温吸附曲线、煤及其顶底板的力学性质、储层压力、煤层渗透率、原地应力等。B.生产试验井(单井)获取储层评价或产能评价必须的实际的生产数据及相关的工程参数。在获得较为理想的煤储层实测参数的基础上，进一步对主要煤层进行水力压裂和排采试验。C.先导性试验井组 获取储层评价或产能评价必须的实际的井组生产数据及相关的工程参数。D.生产井 以施工高质量井和获得高产气井为主要工程目的。,1.前言,1.2 工程目的,本设计是在以往大量的煤田地质勘探成果和煤层气资源评价以及勘探开发基础上进行的，本设计所依据的主要资料有：井田煤田地质详查报告 井田煤田地质精查报告 煤层气参数井和 煤层气生产试验井成果 煤层气勘探开发成果等,1.前言,1.3 设计依据,地层构造煤系煤层等,1.前言,1.4 地质背景,1.前言,1.5 采用技术标准,国家标准GB/T 195592004 煤层气含量测定方法GB/T 195602004 煤的高压等温吸附实验方法（容量法）企业标准煤层气钻井工程质量验收评级标准 煤层气钻井工程作业规程煤层气地质录井作业规程煤层气测井作业规程煤层气井注入/压降试井技术规范煤层气井压裂技术规范煤层气井排采工程技术规范,2.地质设计,2.1 完井原则与井深设计,考虑到排采过程中需要留有一定砂袋，因此煤层气井完井基本原则是钻至最下一个目的煤层底界之下4060m完钻。,2.地质设计,2.2 钻遇地层预测与故障提示,根据本区地层条件，预计钻遇的主要地层如表所示。各井预想柱状图见“井身结构与预想柱状图”。,表 晋城预计钻遇的主要地层及钻井工程故障提示表,地质录井执行煤层气地质录井作业规程。煤层气井钻井过程中的地质录井应包括以下几个方面：1）岩煤屑录井 非煤系地层每24m捞取1包；煤系地层每12m 1包；目的层段（煤层）每0.5m 1包。2）钻时录井 非煤系地层每12m记录1个点；煤系地层每0.51m记录1个点；目的层井段每0.1m记录1个点。3）钻井循环介质录井 准确记录测点井深的钻井循环介质性能资料，如钻井循环介质的类型、密度、粘度、失水量、泥饼、切力、pH值、含砂量、氯离子含量等。,2.地质设计,2.3 地质录井设计,地球物理测井将执行煤层气测井作业规程。煤层气井测井包括：裸眼标准测井 裸眼综合测井 固井质量检查测井等。,2.地质设计,2.4 地球物理测井设计,裸眼标准测井是对全井进行测井（深度比例为1:500），用以划分地层，判别岩性。裸眼标准测井的测井项目有：双侧向（DLL）单位：.m 自然电位（SP）单位：mv 自然伽马（GR）单位：API 双井径（CAL）单位：cm,1）裸眼标准测井,2.地质设计,2.4 地球物理测井设计,2）裸眼综合测井 裸眼综合测井是对煤系地层和认为有必要的其它井段进行更细致的测井，用以进行岩性分析、划分煤层及夹矸、划分和判断含水层等。裸眼综合测井的测井项目为：双测向（DLL）单位：.m微球形聚焦（MSFL）单位：.m自然伽马（GR）单位：API 自然电位（SP）单位：mv双井径（CAL1）（CAL2）单位：cm补偿密度（DEN）单位：g/cm3补偿中子（CNL）单位：P.U.补偿声波（AC）单位：s/m井温（TEMP）（连续曲线）单位：,2.地质设计,2.4 地球物理测井设计,3）固井质量检查测井 固井质量检查测井是在固井后进行的全井段地球物理测井，测井的主要项目为声幅、自然伽马、套管接箍测井、声波变密度测井。,2.地质设计,2.4 地球物理测井设计,地球物理测井将执行煤层气测井作业规程。煤层气井测井包括裸眼标准测井、裸眼综合测井、固井质量检查测井等。1）裸眼标准测井 裸眼标准测井是对全井进行测井（深度比例为1:500），用以划分地层，判别岩性。裸眼标准测井的测井项目有：双侧向（DLL）单位：.m 自然电位（SP）单位：mv 自然伽马（GR）单位：API 双井径（CAL）单位：cm,2.地质设计,2.4 地球物理测井设计,煤层气参数井的工程目的主要是通过取心分析和测试，取全取准煤层厚度、煤层埋藏深度、煤岩煤质、煤层气含量、煤的吸附常数与等温吸附曲线、煤及其顶底板的力学性质、储层压力、煤层渗透率、原地应力等主要煤储层参数，为开发项目提供储层资料。,2.地质设计,2.5 取芯与分析测试样品设计,1）取芯设计与岩煤芯录井 岩、煤芯录井是对取心钻进中钻取的岩、煤芯进行分层、鉴定、描述，达到建立岩性剖面目的。煤芯到达井口后的出筒、丈量、拍照、装罐等时间不大于10 min。,2.地质设计,2.5 取芯与分析测试样品设计,2）测试分析样品设计 根据煤层气参数井的工程目的，主要分析项目包括煤层气含量测定、煤层气气体组分分析、煤样的煤岩煤质分析、煤的元素分析、煤样及其煤层顶底板岩样的岩石力学性质测试等。煤芯样主要测试项目：煤层含气量测定（直接法）及气组分析；工业分析、固定炭、真密度、视密度、元素分析等煤质分析；煤岩显微组分和矿物含量测定、镜质体反射率测定煤岩分析；等温吸附 等温吸附实验；抗压强度、剪切模量、杨氏模量、泊松比等力学性质等。根据测试需要，煤样的采集一般每0.5m采集1个煤层气含量测定样品，每层煤采集13个等温吸附样品和其它测试分析样品。,2.地质设计,2.5 取芯与分析测试样品设计,表 单井样品采集数量及分析项目计划表,2.地质设计,2.5 取芯与分析测试样品设计,1）工程目的了解主要煤层的裂隙发育情况和煤层渗透率了解钻井过程中钻井液对煤层的伤害程度了解主要煤层的地层压力及其边界了解主要煤层的原地应力状况2）测试项目注入/压降试井原地应力测试,2.地质设计,2.6 煤层气试井设计,3）测试应获取的主要参数煤层渗透率储层压力及储层压力梯度原地应力及应力梯度破裂压力、闭合压力表皮系数调查半径储层温度等,2.地质设计,2.6 煤层气试井设计,4）测试方法选择 根据该区的煤层渗透性，采用注入/压降试井方法进行测试是目前最适宜的测试方法。注入/压降试井的主要优点是：a.流体的注入提高了地层压力，保证了在测试过程中为单相流；它适用于负压、正常压力和超压等各种情况的煤层气井；b.不需要井下机械泵送设备，简化了操作步骤，降低了成本；c.可以用标准试井分析方法来分析，结果比较可靠；d.探测半径较大，时间相对较短。,2.地质设计,2.6 煤层气试井设计,当然，注入/压降试井也存在不同程度地伤害煤储层和易造成井筒附近煤层出现微破裂问题。造成储层伤害的主要原因是：其一，由于注入的流体可能与地层的化学环境不相容，发生反应；其二，有可能注入了会堵塞储层孔隙的微粒，因此把取自被测试层位的地层水回注到测试井中是最理想的，至少应当采用与地层和气藏流体相容的淡水。如果注入过程中排量控制不好，容易使井底压力超过测试层的破裂压力，就可能会压开地层，产生裂缝，这种裂缝的产生被认为是自然渗透率或井筒伤害的假象，使测试结果不可靠。因此在注入压降过程中一定要保证井底压力低于地层破裂压力。,2.地质设计,2.6 煤层气试井设计,科学系统地进行钻井工程设计是确保钻成高质量煤层气井的前提，任何煤层气井钻井工程设计必须按照如下步骤进行设计。,煤层气钻井工程设计步骤示意图,3.工程设计,3.1 工程设计步骤,科学系统地进行钻井工程设计是确保钻成高质量煤层气井的前提，任何煤层气井钻井工程设计必须按照如下步骤进行设计。,3.工程设计,3.2 井身结构设计,（1）井身结构设计依据 井身结构设计的主要依据是地质目的、地质设计要求、地层结构及其特征、地层孔隙压力、地层水文条件、地层破裂压力、完井方法、增产措施、生产方式及生产工具等。（2）井身结构设计程序 井身结构设计程序应参照图2-4流程进行，但在实际设计中应根据具体地质条件综合考虑各方面的因素作相应补充和完善。,3.工程设计,3.2 井身结构设计,图 煤层气钻井井身结构设计流程图,3.工程设计,3.2 井身结构设计,（3）井身结构设计原则所设计的井身结构应充分满足钻井、完井生产需要以及获取参数的需要。采用的所有钻井工艺技术应有利于保护煤储层。充分考虑到出现漏、涌、塌、卡等复杂情况的处理作业需要（一般应留有余地），以实现安全、优质、快速、低成本钻井。应尽可能地简化井身结构，以降低成本和避免工程失误。通常情况下，煤层气生产和试验井井身结构宜采用表2-10所示结构（图2-5），根据生产需要可采用更大直径的套管。地层条件复杂情况下，可采用表2-11所示的井身结构设计。,3.工程设计,3.2 井身结构设计,表2-10 煤层气井常规钻井井身结构表,表2-11 复杂地层条件下煤层气钻井井身结构表,3.工程设计,3.2 井身结构设计,煤层气钻井井身结构示意图,3.工程设计,3.2 井身结构设计,通常情况下，煤层气井生产套管宜采用139.7mm套管；确因产水量大、地层复杂或为提高气水产量，可采用更大直径的套管；风险勘探所施工的参数井，可采用小井眼钻井（二开井径小于118mm）。井身结构选择设计参照煤层气钻井优选套管与钻头匹配关系执行。,3.工程设计,3.2 井身结构设计,套管和衬管尺寸 钻头和井径 套管和衬管尺寸钻头和井径套管尺寸钻头和井径套管尺寸钻头和井径套管尺寸,图2-6 煤层气钻井优选套管与钻头匹配关系图（图中单位为mm）,3.工程设计,3.2 井身结构设计,（1）钻井循环介质设计依据 应根据地质设计提供的地层压力，掌握压力系数，在钻井设计时选定压差，并用当量循环密度进行验算，最后确定钻井循环介质类型、密度等技术指标及其允许使用范围。（2）煤层气井钻井循环介质设计应包括以下主要因素（不局限于这些因素）尽量减少对煤储层的伤害，保护煤储层稳定和保护井壁，平衡地层压力，以保障钻进施工安全润滑、冷却钻头,3.工程设计,3.3 钻井循环介质设计,（3）钻井循环介质优选原则 取心、裸眼测试的参数井、试验井及生产井，选用清水、无粘土钻井液或优质钻井液；生产井，选用优质钻井液、无粘土钻井液、清水和气体（空气、氮气、充气）循环介质及泡沫循环介质。根据增产措施和煤储层特点，亦可采用暂堵型优质粘土钻井液。,3.工程设计,3.3 钻井循环介质设计,（4）钻井循环介质性能要求 降低固相含量：在进入煤系地层前采用普通优质钻井液，粘土含量小于6；煤层段根据井型和录取参数的需要，可采用清水、无粘土和少量粘土优质钻井液，配备好固控设备。用清水作钻井液，密度应控制在1.03g/cm3以下（表2-12）。若水源充足时，可开放式循环。,表2-12 煤层气井钻井液匹配参数一览表,3.工程设计,3.3 钻井循环介质设计,降低失水量：失水量是钻井液中一项重要性能指标，为防止因钻井液滤液浸入伤害，必须使用降失水剂来控制中压失水在9ml以下。酸碱值要适当：一般pH值应控制在88.5之间。抑制水化、膨胀：为防止泥页岩及煤储层中粘土颗粒水化分散，膨胀剥落，造成煤储层伤害，可使用钾基系列优质钻井液。降低钻井液密度，实行平衡或近平衡钻井：使用无粘土或少量粘土优质钻井液、清水，再配备使用好固控设备除去有害固相，保持低密度。切力和动塑比：适当的切力和动塑比，有利于携带悬浮钻屑，有效清洗井眼，降低激动压力和对煤储层的伤害。,3.工程设计,3.3 钻井循环介质设计,泡沫钻井循环介质（包括充气、泡沫）作为钻井循环介质钻煤层气井，实现欠平衡或近平衡钻井，减少对煤储层的污染，参照有关标准进行设计。气体钻井循环介质（包括空气、氮气）作为钻井循环介质钻煤层气井，实现欠平衡或近平衡钻井，有利于防止对煤储层的污染，参照有关标准进行设计。,3.工程设计,3.3 钻井循环介质设计,为使煤芯中气体损失量最小，应选用绳索式半合管取心工具取心，亦应保证岩煤芯直径大于60mm。为减少煤芯在起出过程中的气体损失量，提升时间限定为：井深1000m以浅，取心内筒从提心开始至出井口时间小于20min，从出井口到煤芯装罐完时间小于10min。井深1000m以深，取心内筒从提心开始至出井口时间不大0.02min/mH(H为井深,m)。,3.工程设计,3.3 钻井循环介质设计,常规井径取心钻具组合：215mm取心钻头+178mm绳索式半合管取心工具+177.8mm钻铤（内径95mm）6根+127mm钻杆（内径95mm）+133.3mm方钻杆。小井眼取心钻具组合：118mm(或95mm)取心钻头118mm(或95mm)扩大器90mm绳索式半合管取心工具。煤层顶、底板及煤层可采用PDC取心钻头、硬质合金取心钻头或金刚石取心钻头。取心参数应结合现场实钻煤层特征具体制定，推荐参数见下表。,表2-14 煤层气井绳索取心施工工程参数,3.工程设计,3.4 取心设计,1.前言1.1 井位及基本参数1.2 工程目的1.3 设计依据1.4 地质背景1.5 采用技术标准2.地质设计2.1 完井原则与井深设计2.2 钻遇地层预测与故障提示2.3 地质录井设计2.4 地球物理测井设计2.5 取芯与测试设计2.6 煤层气试井设计3.工程设计3.1 工程设计步骤3.2 井身结构设计3.3 钻井循环介质设计3.4 取心设计3.5 固井工程设计,3.工程设计,3.5 固井工程设计,套管串结构设计参照SY/T 5724套管串结构设计标准。套管串结构设计必须满足地质设计要求。套管柱强度参照SY/T 5322标准进行套管柱强度设计。设计时要综合考虑内应力、挤应力、拉应力等三种应力及完井和增产作业的需要。煤层气生产井，生产套管和技术套管应使用API标准套管，表层套管可考虑使用API限用套管。套管柱附件要求：浮鞋、浮箍要满足SY/T 5618规定的要求。扶正器的数量参照SY/T 5334规定的方法进行计算。完井深度在1000m以浅的煤层气直井，生产套管在目标层上下范围内每二根套管至少装一只扶正器。完井深度在1000m以深的煤层气直井、定向井和井径井斜大及方位急骤变化的井段要适当加密。环空水泥返深处要加一只扶正器。,3.工程设计,3.5 固井工程设计,煤层气井固井施工设计格式，参照SY/T 5411标准进行设计。水泥返高计算，可用下列方程式计算煤储层能够承受的最大水泥浆高度：CH（Fd/10-m）hd/(c-m)水泥浆密度计算方法：C=Fd/10-100Po/hw 式中：CH最大环空水泥浆液柱高度，m；Fd煤储层破裂梯度，kPa/m；m固井时井内钻井液密度，g/cm3；hd煤层深度，m；c最大水泥浆平均密度,g/cm3；Po固井时水泥浆流动压力和摩阻压降之和，MPa；设计时一般取45MPa；hw煤层气井垂深,m。,3.工程设计,3.5 固井工程设计,敬请领导专家批评指正！,张遂安,