兩種不同完井方式的比較：裸眼洞穴完井與套管壓裂完井

比較裸眼洞穴和套管水力壓裂完井技術(shù)在新墨西哥州圣胡安盆地的應(yīng)用摘要自從19世紀50年代圣胡安盆地第一口煤層氣井鉆井以來，完井技術(shù)有了大幅度的提升。最初的井都使用裸眼完井，然而除了分隔不同煤層外，井壁穩(wěn)定性是另一個重要問題。套管完井后又進行了射孔和水力壓裂措施。圣胡安地區(qū)大多采用煤層裸眼洞穴完井，但是最近裸眼完井重新在該地區(qū)應(yīng)用起來。之后將裸眼段和未固井的預(yù)射孔套管連通。在圣胡安盆地由Blackwood&Nichol公司管理的布蘭科東北部地區(qū)，套管壓裂完井技術(shù)和裸眼洞穴完井技術(shù)都在使用。這為比較并最終決定采用哪項技提供了難得的機會。簡介圣胡安盆地Fruitland層煤層氣儲量預(yù)計為50萬億立方英尺。開發(fā)這樣的大氣藏的前提條件是定位富集區(qū)的可靠技術(shù)和開采煤層的創(chuàng)新技術(shù)。煤儲層是非均質(zhì)的，即使同一區(qū)域的氣藏地質(zhì)條件也可能不同。儲層參數(shù)如滲透率、壓力、含水飽和度、含氣量，地質(zhì)參數(shù)如煤階、厚度和天然裂縫決定了氣藏的生產(chǎn)潛力。完井和采氣技術(shù)影響氣藏的產(chǎn)能和有效采收率。并列比較不同完井技術(shù)效果時，儲層和地質(zhì)參數(shù)的影響較完井技術(shù)本身要更大。圣胡安盆地產(chǎn)出油氣的歷史已有65年之久，主要層位是Fruitland層以深的多個砂巖層。由于Fruitland淺層超壓煤層可能引發(fā)井噴，造成在這些地區(qū)深部層位鉆井有風險。諷刺的是，現(xiàn)在開發(fā)的大多煤層氣藏正是以往打井時要避開的超壓層。圣胡安盆地Fruitland層最早的煤層氣井于37年前投入開發(fā)，即1952年。自那之后采用了多種多樣的完井技術(shù)，然而還從未確定過某種技術(shù)為“最好的”。1988年Blackwood&Nichol公司開展了一項關(guān)于煤層氣井鉆井的合作研究，具體層位位于新墨西哥州圣胡安盆地布蘭科東北部地區(qū)的Fruitland層，本文報告正是基于上述研究作出的。該研究由能源公司承擔，由天然氣研究所通過西部白堊紀煤層氣藏項目贊助。目前在布蘭科東北部地區(qū)，由Blackwood&Nichol公司負責實施套管壓裂和裸眼洞穴完井，因此提供了一個難得的機會比較這兩項技術(shù)。圣胡安盆地煤層氣發(fā)展歷史50年代早期，在科羅拉多Ignacio背斜地區(qū)試驗鉆探了數(shù)口煤層氣井。早期煤層氣井在Fruitland層使用裸眼完井，產(chǎn)出大量水后方產(chǎn)氣。直到1977年Amoco公司在Cedar山區(qū)打出Cahn1號井后，才標志著煤層氣開發(fā)進入高水準階段。從那以后不同的公司在該地區(qū)打了大約16口氣井。Amoco公司最初的的5口氣井鉆進到Fruitland下部煤層使用裸眼完井。煤層擴孔以解除鉆井造成的儲層傷害，而后用礫石充填保持井壁穩(wěn)定性，然而充填的礫石很快被煤粉堵塞。Amoco公司隨后將其他氣井下入套管、注水泥固井，在Fruitland下部煤層進行射孔、壓裂。1988年該公司在Cedar山區(qū)完成了三口裸眼完井氣井，平均產(chǎn)量為產(chǎn)氣940千立方英尺/天和產(chǎn)氣29桶/天。只有一口井例外，產(chǎn)氣1833千立方英尺/天和產(chǎn)氣28桶/天，這種產(chǎn)量的大小更多是由于地質(zhì)和儲層的差異造成的，而不是歸因于完井技術(shù)。1985年Meridian石油有限公司開始開發(fā)位于圣胡安盆地圣胡安30-6區(qū)塊的的Meridian"400”氣井（如圖1所示），在那之前圣胡安盆地廣泛應(yīng)用的是套管完井后水力壓裂。施工中首先下入7寸套管到Fruitland層，再用清水欠平衡鉆井鉆穿Fruitland超壓煤層后完井，其次在煤層造穴以清除儲層污染，然后將預(yù)射孔尾管置放在裸眼層段。氣井完井后由于井壁不穩(wěn)定常會產(chǎn)出煤粉，通過控制井底回壓可以減少煤粉產(chǎn)出。這項技術(shù)獲得了成功，有些井產(chǎn)氣量超過了10000千立方英/天。Meridian公司14口裸眼洞穴氣井在1988年前九個月的平均產(chǎn)氣量為2770千立方英/天，平均產(chǎn)水量為495桶/天。Meridian公司在該區(qū)域也有一口套管水力壓裂的煤層氣井--Meridian401。該井產(chǎn)量在13個月中從52千立方英/天上升到最高455千立方英/天。1988年前九個月的平均產(chǎn)氣量為342千立方英/天，產(chǎn)水量為127桶/天，相比于鄰近洞穴井的產(chǎn)量明顯較少。那些產(chǎn)水量較大的氣井需要配套充足的水處理技術(shù)工藝，位于恩特拉組和莫里遜組的處理井（9000英尺）可以滿足水處理要求。Blackwood&Nichol公司目前在開發(fā)新墨西哥州RioArriba縣布蘭科東北部地區(qū)T30N-R7W的Fruitland層位的9區(qū)、20區(qū)、21區(qū)，與Meridian"400”區(qū)塊西部和西北部相鄰。共鉆4口井，兩口采用套管固井后水力壓裂，另外兩口采用裸眼洞穴懸掛預(yù)射孔尾管完井。Blackwood&Nichol計劃1989年上半年鉆進并完井6口水力壓裂井，6?8口裸眼洞穴井。由于最終采收率、洗井和修井的頻率、經(jīng)濟壽命、最終收益都無法確定，因此只有在相似儲層和地質(zhì)條件下使用這兩種完井技術(shù)的氣井足夠多時，才能確定哪種技術(shù)更好。地質(zhì)和儲層條件Blackwood&Nichol公司開發(fā)位于布蘭科東北部地區(qū)的Fruitland層，包括砂巖隔層，頁巖和三個不同的煤層段。特別是T30N-R7W的9區(qū)煤層，包含在一個長度為170英尺、深度為3100英尺的的地層間隔中，它的總厚接近54英尺。煤質(zhì)屬于含瀝青質(zhì)高揮發(fā)分煙煤-A，最大鏡質(zhì)組反射率0.8%。含氣量隨深度增加而增加，從Fruitland上部的243SCF/T到下部的375SCF/T。含氣量是未標準化的，其中考慮了灰分或礦物質(zhì)含量，通常會占到10%?80%不等，因此無灰分和礦物質(zhì)含量的含氣量會更高。該地區(qū)煤層屬于超壓地層，壓力梯度為0.55psi/ft，深部的PicturedCliff砂巖層是常壓地層，壓力梯度為0.434psi/ft。煤層超壓很有可能是水動力封閉造成的，局部地區(qū)抬升、流體下侵煤層段導致的地形起伏最終導致超壓，而且煤層橫向不連續(xù)使壓力封閉在煤層中。煤層產(chǎn)出的氣、水組分均與相鄰砂巖有很大區(qū)別，也說明了煤層與其他層是隔離的。該地區(qū)Fruitland層上煤巖段割理的總滲透率為1.5md?8.8md，還存在滲透率更高的天然裂縫，壓力資料也證實了井周圍發(fā)育有高傳導率的裂縫。從PicturedCliff砂巖層地形圖可以看出圣胡安盆地的一些構(gòu)造特征，可能是地質(zhì)構(gòu)造運動使基巖運動取代了上覆煤層，從而產(chǎn)生裂縫改善了滲透率，而要證實這個推測還需要更多的地質(zhì)構(gòu)造資料。肉眼可以將端割理、面割理與天然裂縫區(qū)分開，如圖3所示，天然裂縫的方向和面割理的不同。通常面割理的方向平行于最大水平主應(yīng)力方向，除非在割理形成之后構(gòu)造運動使應(yīng)力場方向改變。如方向玫瑰圖所示，面割理為東北向而最大主應(yīng)力為北北西向。水力壓裂時需要考慮應(yīng)力、割理及裂縫的方向?qū)唷⒕缓屯昃O(shè)計的影響。垂直裂縫應(yīng)平行于水平最大主應(yīng)力方向。在布蘭科東北部地區(qū)，水力壓裂的垂直裂縫應(yīng)近似平行于天然裂縫的北北西方向，橫穿較低滲透率的面割理。壓裂以溝通高滲透率的天然裂縫已經(jīng)得到共識，然而需要發(fā)展更有效的壓裂技術(shù)以溝通較低滲透率的裂縫。裸眼洞穴完井技術(shù)圣胡安盆地最初的煤層氣井使用裸眼完井后擴孔解除鉆井造成的儲層傷害。大多數(shù)裸眼井都有煤粉堵塞的問題，充填的礫石很快會被煤粉堵塞而且很難清除。Meridian公司開發(fā)了一項更有效的裸眼完井技術(shù)。首先在Fruitland層以上下入7寸套管，然后用清水欠平衡鉆穿煤層。欠平衡鉆井可以避免潛在的儲層傷害，主要來自于鉆井液和儲層流體以及和割理或天然裂縫的不滲透帶的相互作用，鉆井后使用空氣和泡沫將鉆井液替出。Fruitland層的裸眼段大多長200英尺。然后造穴以解除可能存在的儲層傷害，也可以提高割理的滲透率。從前期調(diào)研可知煤層造穴后應(yīng)力場會重新分布。洞穴的垂直應(yīng)力分量大小改變，部分轉(zhuǎn)移到洞穴的各個方向，形成由煤層指向洞穴的單一載荷。因此煤層破碎并運移到洞穴，這種效應(yīng)可以擴展到洞穴周圍300英尺的距離。應(yīng)力降低造成割理和天然裂縫張開更大，滲透率也隨之增高。某些井由于特殊的儲層條件如高滲和高壓，大量的煤流動形成了天然的洞穴，因而在某些區(qū)域很有必要激勵煤層流動?？梢栽跉饩P(guān)井恢復壓力時，“激動”該井讓壓力快速釋放來造穴，快速壓降使煤剝落掉入井筒中，可以使用高速循環(huán)的空氣或泡沫祛除井筒中的煤和水，重復“激動”步驟直到已恢復壓力的煤層不再掉落。如果生產(chǎn)中不斷有煤粉產(chǎn)出，表明煤層仍在剝落，井壁穩(wěn)定性也較差。洞穴造好后，將51/2英寸的預(yù)射孔尾管下入到裸眼段，尾管每英尺分布有12個孔，孔洞直經(jīng)為1英寸?？字腥袖X栓，下入尾管后鋁塞被磨碎留下一個直徑5/8英寸的的孔洞。為了保持井壁穩(wěn)定性、防止完井液壓井以此來避免可能的儲層傷害，有時在壓力下下入尾管。通常完井需要十天，但根據(jù)不同的地質(zhì)、儲層和氣井的具體情況會有較大差別。經(jīng)驗表明完井用的時間越長，因頁巖滑落或膨脹造成卡鉆的幾率越高。Blackwood&Nichol公司在新墨西哥州布蘭科東北部地區(qū)T30N-R7W的21區(qū)的#407井（NEBU407）應(yīng)用了此項完井技術(shù)。該井初期產(chǎn)氣為1630千立方英尺/天和產(chǎn)氣213桶/天，和Meridian“400”氣井相似。該井Fruitland層的儲層測試表明有效滲透率為8.8md，表皮系數(shù)為-0.3,表皮系數(shù)很小且為負值說明煤層沒有污染，因此認為這種完井方式有效且無污染。在圣胡安盆地深度1000ft的Fruitland層，打一口使用裸眼洞穴完井的氣井需要花費40萬2000美元，其中包括鉆井、完井和安裝生產(chǎn)設(shè)備的費用，如表1所示。當遇到井壁不穩(wěn)定、煤層滑脫、頁巖膨脹，尾管損壞時費用更高，其中一口井花費了80萬美元，另一口花費了120萬美元，某些情況下需要花費幾周和多次打撈才能完成完井工序。裸眼洞穴完井看似是一個有效的完井方式，但是裸眼的危險系數(shù)較高，后期維護費用不可預(yù)測。氣井生產(chǎn)時煤粉在井筒中聚集阻礙產(chǎn)氣，因此需要清除煤粉。清除工作大概需要5萬5千美元，但是產(chǎn)量增幅非常顯著。清除工作的頻率根據(jù)氣井情況而定，大概平均每年清理一次。裸眼洞穴完井技術(shù)在圣胡安地區(qū)大概已使用兩年，因此還無法確定最終采收率、洗井的頻率、經(jīng)濟壽命、最終收益。水力壓裂技術(shù)由Amoco公司開發(fā)的套管完井技術(shù)可以改善許多裸眼完井的缺陷。套管完井開發(fā)多套煤層時可以有選擇的完井和生產(chǎn)。首先用平衡鉆井鉆穿煤層，下入生產(chǎn)套管并固井。然后在煤層以下鉆個小孔，為掉落的煤粉和桿式泵運動留出空間，提高排水的效率。煤層選擇性地射孔和壓力可以改善流入動態(tài)，避免鉆井和固井對儲層的傷害。水力壓裂完井的預(yù)期效果有四個：1）避免近井儲層傷害；2）增產(chǎn)并加快排水速度；3）改變壓力降落以減少煤粉產(chǎn)出；4）有效溝通井筒和天然裂縫的流動通道。調(diào)研表明作業(yè)壓力高和裂縫幾何形態(tài)復雜是水力壓裂中普遍存在的問題?？赡軙霈F(xiàn)三種情況：1）.淺層煤層出現(xiàn)水平裂縫；2）單個的垂直裂縫貫穿數(shù)個煤層；3）復雜裂縫系統(tǒng)，包括多個平行的垂直裂縫和一個可能貫穿整個厚煤層的水平裂縫。布蘭科東北部地區(qū)的壓裂資料分析表明該地區(qū)普遍出現(xiàn)復雜裂縫。壓裂后壓力降落資料也顯示存在多裂縫的特征。位于研究區(qū)的#403井（NEBU403）使用了套管將Fruitland上下煤層固井后壓裂。鉆井時和固井后壓裂前分別進行了兩次儲層測試，以確定滲透率和表皮系數(shù)。結(jié)果顯示Fruitland下部煤層滲透率為1.5md、表皮系數(shù)為+4.3，正表皮系數(shù)說明儲層受到傷害。表皮系數(shù)從鉆井時的-0.9升高到固井后的+4.3，說明下套管和固井操作降低了近井筒傳導系數(shù)，因此流動效率減少了接近50%。壓裂前該井Fruitland層的平均產(chǎn)氣量為35千立方英尺/d，產(chǎn)水量為零。NEBU403井Fruitland層下部煤層深度為3160英尺，厚度為25英尺。壓裂使用攜砂液74000加侖，成分為30#硼酸交聯(lián)凝膠，總砂量199000磅，泵速55桶/分。上部煤層與下部分開壓裂，使用相同成分攜砂液107000加侖，總砂量293000磅。下部和上部煤層壓裂時都出現(xiàn)了施工壓力高的情況，壓裂梯度分別為1.1psi/ft和1.3psi/ft。如圖4所示的凈壓力與時間雙對數(shù)圖（Nolte-Smith曲線）可以看出，下部煤層破裂后凈壓力平穩(wěn)下降，而上部煤層破裂后凈壓力平穩(wěn)上升。煤層壓裂特點包括異常高的施工壓力和復雜的裂縫形態(tài)，這都為擴展Nolte-Smith技術(shù)的應(yīng)用范圍提供了經(jīng)驗。但是，Nolte-Smith曲線一般用來量化比較不同壓裂結(jié)果。如圖5所示，壓裂后伽馬射線曲線可以看出Fruitland上部煤層的裂縫都在煤層內(nèi)，然而下部煤層的裂縫向上覆砂巖層延伸了30英尺。就長度而言，下部煤層的裂縫長度短，接近下部煤層的厚度。壓裂后該井合采的平均產(chǎn)氣量為986千立方英尺/天，產(chǎn)水量為425桶/天。第一個星期初始產(chǎn)氣量為300~600千立方英尺/天；經(jīng)過十天左右，產(chǎn)量增長到1300?1650千立方英尺/天后遇到井下泵故障；然后氣井無泵生產(chǎn)，產(chǎn)量為800?1000千立方英尺/天。因此裸眼完井和套管完井壓裂的產(chǎn)量非常接近，導致產(chǎn)量差別的原因主要是NEBU407井的有效滲透率較高（裸眼洞穴），完井技術(shù)只占很小的部分。還需對產(chǎn)量進行長期的評估才能對完井技術(shù)的優(yōu)劣作出正確判斷。在圣胡安盆地深度3000ft的Fruitland層，打一口使用套管完井并壓裂的氣