山西三交地区煤层气参数井施工及煤层测试分

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  [摘要]通过对三交地区煤层气参数井施工,并对煤层进行试井测试,取得了煤层埋深、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,储层压力与压力梯度,地应力及其梯度,以及煤的坚固性系数、煤层顶底板岩石物理力学性质等参数;并对参数进行分析,为三交地区煤层气商业开发提供了良好的参考数据,并提出自己的结论与建议。
  [关键词]煤层气 参数井 三交地区测试
  [中图分类号] TD82 [文献码] B [文章编号] 1000-405X(2014)-10-344-2
  0前言
  三交地区地处吕梁地区柳林县、方山县和临县境内。区块东边浅部有欲民煤矿、胜和煤矿、新民煤矿、大庄煤矿、麻塔煤矿、聚财塔煤矿、王家沟煤矿、双柳煤矿等,煤炭资源丰富。三交地区山西组含煤层位落实,厚度较大且较稳定,含气量较高,煤层气可采性较好,适于煤层气商业开发。
  1地质概况
  1.1构造简况
  本区位于鄂尔多斯盆地晋西挠摺带中部,东临吕梁隆起。构造简单,整体呈西倾单斜构造,地层倾角一般5°左右。区块北部呈北东走向、倾向北西;中南部走向发生偏转,走向近南北、倾向西。全区未见大型断层,仅在区块南缘发育2条近东西向正断层、落差200余米,区块内断层不发育,区内未见火成岩体出露。
  1.2区域地层
  三交区块各类地层均有出露,第四系广泛遍布于山梁和沟谷中。据钻探揭露,地层由老至新依次有:奥陶系中统马家沟组、峰峰组;石炭系中统本溪组;二叠系下统山西组、太原组、中统下石盒子组、上石盒子组,上统石千峰组;三叠系下统刘家沟组、和尚沟组,中统二马营组;新生界第三系上新统保德组。
  1.3含煤地层
  本区的含煤地层主要为二叠系下统太原组和山西组。
  山西组地层以K3岩屑-长石砂岩为底界,连续沉积于太原组之上,是主要含煤地层之一,发育煤层有1、2、3、4和5煤层,其中1、2、3号煤层局部可采,4、5号煤层大部可采,为主要可采煤层。本组地层厚48.5~88.14m,一般68m左右,含煤系数6.5~13.7%。
  太原组地层以K1含铁质砂岩为底界,连续沉积于本溪组之上。为海陆交互相潮坪沉积环境,是主要含煤地层之一。发育有煤层6、7、8、9及10、11号煤层,其中6、7煤层局部可采,8、9煤层为普遍可采,为主采煤层,全区稳定发育,8、9煤层局部地段出现合并带。含石灰岩一般5层,自下而上分别为L1、L2、L3、L4、L5,旋回结构明显,当石灰岩的岩溶发育时,往往地下水与煤层气共存一体。本组地层厚度 78~107.29m,一般厚度90m,含煤系数8~11%。
  1.4煤层特征
  本区发育煤层主要有1~9号煤层,其中稳定发育且全区或大部可采煤层为3、4、5、8和9号煤层。
  煤层埋深:尽管区内地质构造简单,煤层倾角小,煤层底板起伏小,标高变化不大,但由于地处黄土丘陵山区,沟谷切割剧烈,地形起伏较大,致使区内煤层埋深变化较大,中南部煤层埋深一般为500~600m,向西北部煤层埋深达900m以上。
  厚度:目标煤层主要属中厚~厚煤层。合并后的3/4/5煤层厚度最大者达9.3m,最小0.4m,平均4.4m;9煤层厚度最大达8.0m,平均达3.5m。各煤层发育特征有所差异。
  煤层结构:较简单~较复杂,含夹矸一般0~4层。各煤层间距不等,3、4号煤层间距0~12.5m,平均8m左右,4、5号煤层间距一般0~10m;5、8煤层间距一般41~78m,平均54m左右,8、9煤层间距一般0.7~21.6m,平均8.7m。
  煤质:主要有气煤、肥煤、焦煤及瘦煤等。區内大部煤层气井实测镜煤最大反射率0.91~1.34%。
  2钻井工程
  2.1设备及选型
  钻机:GZ-2600;井架:A-24/70T;钻井平台:2m;泥浆泵:BW-1200;动力机:8V190/540HP,12V135/240HP;防喷器:FZ35-21测斜仪:LHE1000;气测仪:ZQC-200;绳索取心工具一套。
  2.2井身结构
  一开采用Φ311.15mm钻头钻至稳定基岩10m以下(大约120米左右),下入Φ244.48mm*8.94mm 表层套管,水泥浆返至地面;
  二开采用Φ215.9mm钻头钻至9#煤下60m(大约1100米左右),下入Φ177.80mm*8.05mm生产套管,水泥浆返至4#煤层顶部200米以上。
  2.3钻具组合
  一开0.00~120.00m,Φ311.15mm钻头+Φ177.8mm钻铤3根+Φ158.8mm钻铤6根+Φ127钻杆;
  二开120.00~1110.00m,Φ215.9mm钻头+Φ177.8mm钻铤2根+Φ214mm稳定器+Φ158.8mm无磁钻铤1根+Φ158.8mm钻铤9根+Φ127mm钻杆
  绳索取心段:Φ215.9mm取芯钻头+绳索取芯工具总成+Φ127mm 钻杆(钻杆内径大于106mm)
  2.4钻井参数
  一开:0.00~120.00m,钻压20-80KN,转速65RPM,排量35L/S;
  二开:120.00~1110.00m,钻压10-100KN,转速90RPM,排量30L/S;
  绳索取心段:钻压10KN,转速60RPM,排量6~8L/S。
  2.5钻井液参数
  该区块煤层埋藏较深,施工周期长,且为参数井,后续协作项目多,因此,要保持井壁稳定和井底干净,确保安全高效完成施工任务,选用合理的钻井液参数是完成本区参数井的关键。
  一开钻井液:钻井液体系为坂土浆,性能以防垮、防漏为主,密度和粘度不作要求。   二开钻井液:原则上采用普通优质泥浆钻井液,应具备较强携砂能力,防垮、防漏。
  二开至下石盒子组底部:密度1.03-1.15g/cm3,粘度30-45s,API失水10-15ml,泥饼<1mm,PH8-9,总固相含量<5%;
  下石盒子组底部至目的煤层:密度1.03-1.08g/cm3,粘度26-30s,API失水5-10ml,泥饼<1mm,PH8-9,HTHP失水<15ml,摩阻系数<0.08,处切静切力0-3pa,终切静切力1-8pa,塑性粘度8-13mpa.s,动切力4-6pa,N值0.1-0.5,K值0.2-0.4,总固相含量<5%;
  目的煤层至完井:采用清水钻进,避免对煤层的污染,影响煤层气抽采。
  2.6套管及固井
  表层套管:0.00~120.00m,Φ244.48mm*8.94mm 套管串+Φ244.48mm 套管联顶节;
  生产套管:120.00~1110.00m,Φ177.80mm 浮鞋+Φ177.80mm*8.05mm 套管+Φ177.80mm浮箍+Φ177.80mm*8.05mm 套管串+联顶节;
  表层套管固井:水泥浆密度≧1.85g/cm3,水泥浆返至地面;
  生产套管固井:水泥浆密度1.60~1.70 g/cm3,水泥浆返至4#煤层上部200米。
  3煤层数据测试分析
  通过对该区参数井的施工,取得4#煤与9#煤的煤层参数,并对4#煤与9#煤进行试井,对煤样进行测试,取得了科学的煤层参数数据,并对其进行了科学分析。
  3.1煤层气含量测试
  4#煤空气干燥基气含量4.48~9.21cm3/g,平均7.08cm3/g;干燥无灰基气含量7.96~12.70cm3/g,平均9.60cm3/g;空气干燥基甲烷含量4.37~8.99cm3/g,平均为6.87cm3/g;干燥无灰基甲烷含量7.64~12.39cm3/g,平均9.32cm3/g;4#煤吸附时间8.59~14.24天,平均11.70天。
  9#煤空气干燥基气含量1.22~2.58cm3/g,平均1.67cm3/g;干燥无灰基气含量1.44~2.98cm3/g,平均2.01cm3/g;空气干燥基甲烷含量1.18~2.13cm3/g,平均1.46cm3/g;干燥无灰基甲烷含量1.38~2.46cm3/g,平均1.77cm3/g;9#煤吸附时间4.87~18.95天,平均11.63天。
  3.2气体组成成份测试
  4#煤甲烷浓度94.91%~98.76%,平均97.04%;二氧化碳浓度0.80%~2.58%,平均1.70%;氮气浓度0.11 %~2.83%,平均1.26%。
  9#煤甲烷浓度70.45%~97.91%,平均88.97%;二氧化碳浓度1.11%~17.56%,平均7.73%;氮气浓度0.04 %~11.99%,平均3.29%。
  3.3等温吸附试验
  4#煤平衡水分1.29%~3.38%,平均2.34%;平衡水分基Langmuir体积13.23~16.80cm3/g,平均15.00cm3/g;空气干燥基Langmuir体积13.62~16.90cm3/g,平均15.26cm3/g;干燥无灰基Langmuir体积19.58~22.2cm3/g,平均20.87cm3/g;Langmuir压力~5.50MPa,平均4.56MPa。
  9#煤平衡水分3.43%~3.45%,平均3.44%;平衡水分基Langmuir体积13.48~15.88cm3/g,平均14.68cm3/g;空气干燥基Langmuir体积13.85~16.32cm3/g,平均15.09cm3/g;干燥无灰基Langmuir体积17.19~18.96cm3/g,平均18.07cm3/g;Langmuir压力3.22~3.62MPa,平均3.42MPa。
  3.4煤岩力学性质测试
  4#煤顶板砂岩抗压强度49.0~61.0MPa,平均为50.2MPa,抗拉强度8.26~12.10MPa,平均为10.1MPa,弹性模量12.7~16.5GPa,平均为14.5GPa,泊松比0.13~0.16,平均0.14。4#煤底板泥岩抗压强度42.1~62.1MPa,平均为51.3MPa,抗拉强度5.69~8.75MPa,平均为7.79MPa,弹性模量8.58~9.41GPa,平均为8.97GPa;4#煤的坚固性系数为0.24。
  9#煤顶板泥岩抗压强度9.10~9.93MPa,平均为9.55MPa,抗拉强度3.04~4.19MPa,平均为3.45MPa,弹性模量1.57~1.90GPa,平均为1.75GPa。9#煤底板泥岩抗压强度12.2~13.9MPa,平均为13.1MPa,抗拉强度2.55~3.66MPa,平均为3.06MPa,弹性模量3.36~3.83GPa,平均为3.60GPa;9#煤的坚固性系数为0.87。
  4结论与建议
  (1)4#煤层解释渗透率为1.96×10-3μm2,表明煤岩层渗透性好、导流能力较高,流动系数为10.12×10-3μm2.m/mPa.s。通过对关井压降测试数据进行解释,地层中部压力10.69MPa、煤岩层压力系数0.96,从压力系数分析本层属于正常压力系统。通过微破裂测试获得煤层破裂压力18.36MPa、煤层破裂压力梯度0.01657MPa/m;煤层闭合压力17.29MPa、煤层闭合压力梯度0.01554MPa/m,接近煤岩层的平均破裂梯度、闭合梯度数值范围内。
  (2)4#煤层从区域构造和区域煤岩层分布看,二叠系山西组为勘探区主要含煤地层,本层煤层厚度较厚,层间夹层较薄,渗透性较好,通过双对数拟合可以看出,在微破裂实验后,近井地带形成了细小的微裂缝结构,远井地带储层物性有变差趋势,建议进行大型压裂措施进行排采。
  (3)9#煤层解释渗透率为0.556×10-3μm2,表明煤岩层渗透性较好、导流能力较高,流動系数为2.78×10-3μm2.m/mPa.s。通过对关井压降测试数据进行解释,地层中部压力11.25MPa、煤岩层压力系数0.95,从压力系数分析本层属于正常压力系统。通过微破裂测试获得煤层破裂压力18.89MPa、煤层破裂压力梯度0.01602MPa/m;煤层闭合压力17.48MPa、煤层闭合压力梯度0.01483 MPa/m,接近煤岩层的平均破裂梯度、闭合梯度数值范围内。
  (4)9#煤层测试获得探测半径为20.7m,结合区域构造和区域煤岩层分布看,探测范围内储层为均质储层,单一性较强,本井煤层厚度较厚,层间夹层较薄,渗透性较好,为中渗低孔均质储层,分析求得表皮系数为0.21,分析认为可能在该井钻遇过程中,泥浆及压井液造成井筒附近地层出现轻微的污染现象。
  参考文献
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