煤层气洞穴完井技术
洞穴完井工艺在寿阳地区煤层气钻井中的应用
穴 完 井 一 般 要 求 有 效 井 径 ３ ４ ， 一 定 范 同 的 破 碎 带 。远 东 能 源 公 司 为 开 采 寿 阳 地 区 １ 层 中 的煤 层 气 ， 署 了 Ｎｍ 及 ５煤 部 ４口生 产 井 ， 井 身 设 计 为 开 结 构 。 井 主要 设 备 为 Ｔ ８ Ｗ Ｓ 驱 车 载钻 机及 多 台 不 同 型 号 的空 压机 ， 用 潜 孔 锤 其 钻 ６５ 顶 采
具 或 手 段 使 井 下 煤 层 坍 塌 ， 将 坍 塌 的煤 、 屑 洗 并 岩
出到井 外 后 ， 煤层 段 形 成 一 个 大 于井 径 数 倍 的柱 在 状洞 穴 ，从 而实 现 煤层 与井 眼 最 大 限度 的连 通 ， 在 储层 内形 成 多方 向 自我 支撑 的 诱 导 裂 隙 ， 大 了井 增 眼 的 有 效 半 径 ， 高 了煤 层 的渗 透 率 ． 大 限度 的 提 最
的 费 用 ， 于煤 层 气 井 施 具 有 重 要 的经 济 意 义 。 对
关 键 词 ： 井 ； 层 气 ； 穴 完 井 ； 洗 液 ； 层 气 解 析 ； 孔 锤 ； 阳地分 类 号 ： Ｐ ３ ６４
文 献标 识码 ：Ａ
１ 概 况
煤 层 气 是 在 煤 形 成 过 程 中逐 步 生 成 并 赋 存 于 煤层 及 煤 系地 层 中的一 种 非 常 规天 然 气 ， 层 气 作 煤
般不 好 通 过仪 器 测 量 ， 们 主要 通 过 洗 出到 地表 的 我
成 本 高 等 缺 点 。 本 文 所 论 述 的洞 穴 完 井 Ｔ 艺 从 钻 井、 井、 完 排水 采 气 等工 序 与 其 它完 井 Ｔ 艺 比较 ， 具
有不 需 要 进 行 注 入／ 降试 井 和压 裂 等 辅 助 措 施 就 压
煤层气地面开发技术
煤层气地面开发技术第一节主要内容：一、煤层气井完井方式1、裸眼完井裸眼完井又分为常规裸眼完井和裸眼洞穴完井。
（1）常规裸眼完井通常，煤层气井裸眼完井是在煤层顶部下表层套管后，一直钻进煤层至设计深度终孔，将煤层用砂或砾石填满，然后将套管下到煤层上方并注水泥返至地表，再用空气或水冲洗井眼，使煤层裸露。
（2）裸眼洞穴完井裸眼洞穴完井适用于高压、高渗透性厚煤层。
该方法是在井底造一个大的洞穴，下入割缝衬管后进行排采作业。
2、套管射孔完井套管射孔完井时钻穿煤层直至设计井深，然后下生产套管至煤层底部“口袋”，注水泥固井，最后射孔，射孔弹射穿生产套管、水泥环并穿透煤层某一深度，建立起气流的通道。
3、混合完井混合完井也叫多煤层完井，根据各煤层的特点和上下围岩的性质，使裸眼完井和套管完井在同一口井同时使用。
混合完井的形式包括套管射孔完井、套管射孔+裸眼完井、裸眼洞穴完井等几种类型。
一般情况下，上部煤层采用套管射孔或套管割缝完井，下部煤层采用裸眼完井或裸眼洞穴完井。
4、水平井完井技术水平井完井由地面垂直向下钻至造斜点后，以中、小曲率半径侧斜钻进目的煤层，在煤层中按设计方向延伸几百米至上千米。
水平井的水平段一般采用裸眼1完井或4英寸（11.43cm）割缝衬管完井。
2二、煤层气井固井工艺向煤层气井的钻井井眼中下入套管，并在套管和井壁的环空中注入水泥浆，以加固井壁、封隔煤层的施工程序叫固井。
通常煤层气井从大到小要下两至三层套管。
1、下套管下入井内的套管，根据其作用不同，可分为三种。
第一种为表层套管，其作用是封隔地表不稳定的松软易坍塌地层、水层、漏层；安装井控的井口装置。
第二种是支撑中间套管，下入深度一般是数十米到数百米，水泥返到地面。
第三种为生产套管，它将目的层与非目的层隔开，给煤层气生产形成中途不流失的通道，为实施增产措施创造条件，水泥返到地面。
2、注水泥固井作业所用水泥是一种有特殊要求的硅酸盐水泥，其成分、物理化学性能都有明确而具体的要求。
裸眼洞穴完井方法
煤层气裸眼洞穴完井
煤层气开发中的裸眼洞穴完井，半个世纪以前就诞生了，但直到1977年Amcoco公司利用此法在圣胡安盆地Cahn1井实施后，其潜在优势才被真正认识。
之后，众多公司相继采用此技术在圣胡安盆地北部水果地组煤层进行储层改造，取得了良好的效果。
具体工艺是在较高的生产压差作下，利用井眼的不稳定性，在井壁煤岩发生破坏后允许煤块塌落到井筒中，进而形成物理洞穴（自然裸眼洞穴完井）；或者人工施加压力（从地面注气、水），然后突然释放，使井壁煤层发生破坏，再清除井底的煤粉，形成较大尺寸的物理洞穴。
从现场试验结果看，裸眼洞穴完井的产量远远高于压裂井，一般为3~20倍。
之后一些学者对裸眼洞穴完井的增透机理进行了系统探讨，如图6.5所示，主要包括以下几个方面。
洞穴：洞穴是在煤层重复性坍塌和煤屑的清除过程中形成的，其有效直径一般为3~4 m，且其形状不规则。
洞穴的形成增大了煤层的裸露面积，消除了煤层在钻井过程中形成的伤害，实现了井筒与煤层的最大限度沟通。
破碎带：由于洞穴效应的延续，使洞穴以外的煤层发生张性破裂和剪切破裂，形成一定范围的破碎带。
破碎带的有效半径一般为6~8 m。
破碎带的形成，使煤层内一些处于封闭状态的原始微裂缝相互沟通，同时也形成一些新的裂缝，使得此带的渗透率明显增加。
扰动带：在造洞穴过程中，由于应力释放作用会在剪切破碎带以外产生一定的扰动效果，这种扰动相当于一种压力波的冲击作用，从而在煤层形成一个半径约60 m左右的渗透率升高区，即扰动带，其范围与煤层物性和造洞穴的井底压力有关。
煤层气井裸眼洞穴技术
裸眼洞穴技术起源于美国西部圣胡安盆地的煤层气开采过程中 在该地区的 煤层气开采过程中 为了有效解决渗透率高 煤层易坍塌和高压煤层气层等难题
401
1984 年 通过对煤气层增产措施的研究 提出了裸眼洞穴技术 并在现场通过
使用磨蚀喷射工艺技术对浅层煤层进行冲蚀 实现了裸眼洞穴 多年来的实践使
用 使得裸眼洞穴技术在圣胡安地区得到很大发展 成为该地区的煤层气开采中
水
采
泥
气
塞
井
4) 煤层气井裸眼洞穴造穴施工工艺要简
单 安全
5) 煤层气井裸眼洞穴造穴工艺对煤气层伤
害小 有利于提高煤层气产量
3 煤层气井裸眼洞穴技术工艺
图 1 煤层气井
目前 在国内外煤层气开采中 采用的裸眼洞穴造穴技术主要有三种 负压
造穴 水力射流造穴和机械工具造穴 负压造穴技术 一般采用一部经过特殊改
402
采用机械扩眼方式 通过某种控制方式使造穴工具的刀杆张开 并在钻具的带动
第六章 煤层气钻井完井工艺技术
5.1 煤层的钻井完井特点
钻井液中不同粒径的固体颗粒，特别是其中的微粒和胶体颗粒
会沿着煤层的割理和孔隙进入煤层，对煤层气的运移通道产生填充
和堵塞。
（4）强亲水伤害
煤层气储层的低孔隙度、低渗透率、强亲水性、大比表面积，
造成了高束缚水饱和度。 在储层原始状态下，原始含水饱和度一般低于束缚水饱和度。 当使用水基钻井液将煤储层打开时，很强的毛细管作用力使地层强 烈吸水，而正压差作用下的渗流则加剧了水侵深度，直到储层吸水 达到束缚水饱和度为止。
◆在巷道打的水平轴放瓦斯井；
◆从地面先打直井再造斜，沿煤层钻水平井（排泄井）。
5.2 煤层气钻井完井分类及程序
垂直井是从地面打直井穿过煤层进行采气，是主要的钻井 方式。对直井的分类见表5-1。
钻井类别 埋深
种类 单煤层和多煤层井 资料井、试验井（组）和监测井 浅煤层井和深煤层井
由于煤杨氏模量小，泊松比高，天然割理及节理发育，使煤的抗拉、 抗压强度比较低。
（2）正压差伤害
在正压差作用下，钻井液中的胶体颗粒和其它细微颗粒被吸附在煤 层气的孔隙喉道上，钻井液滤液的侵入又可能发生各种敏感性反应。
（3）固相伤害
钻井液中所含固相颗粒分为粗粒（大于2000 μm ）、中粗粒（2502000 μm ）、细粒（44-250 μm ）、微粒（2-44 μm ）和胶体颗粒（小 于2 μm ）。
5.1 煤层的钻井完井特点
2、煤层气钻井完井中常出现的问题
（1）井壁稳定性差，容易发生井下复杂事故
由于煤层气机械强度低，裂缝和割理发育，存在较高剪切应力作用， 因而煤层段井壁极不稳定，易发生井壁坍塌、井漏、起下钻遇卡甚至埋 掉井眼等复杂事故。
（2）煤层易受污染，保护措施难度大
煤层气钻完井的难题与技术
前言煤层气又称煤层甲烷,是一种优质高效清洁能源。
凭借良好的安全效益、环保效益和经济效益，煤层气的勘探开发已在国际上引起广泛的关注。
我国煤层气资源十分丰富,但是目前我国的天然气勘探开发还处于起步阶段。
中原钻井通过多年的攻关研究和试验，形成并掌握了一整套适合煤层气的钻井完井工艺技术，其内容包括：煤层造穴技术、连通技术、煤层井眼轨迹控制技术、水平分支井技术、充气欠平衡钻井技术、煤层绳索取心技术、煤层气完井技术、煤储层保护技术、煤层气井完井技术等。
一、煤层气井钻井完井的特殊性煤层气钻井完井技术是建立在煤层地质力学性质及开采要求基础之上的。
煤层具有不同于其他储层的特殊地质特性表现在以下几个方面：1、井壁稳定性差，容易发生井下复杂故障。
煤层机械强度低，裂缝和割理发育，均质性差，存在较高剪切应力作用。
因而煤层段井壁极不稳定，在钻井完井过程中极易发生井壁坍塌、井漏、卡钻甚至埋掉井眼等井下复杂。
2、煤层易受污染，实施煤层保护措施难度大。
煤层段孔隙压力低且孔隙和割理发育，极易受钻井液、完井液和固井水泥浆中固相颗粒及滤液的污染；但在钻井完井过程中，为安全钻穿煤层，防止井壁坍塌，又要适当提高钻井液完井液的密度，保持一定的压力平衡。
这就必然会增加其固相含量和滤失量，加重煤层的污染。
因此，存在着防止煤层污染和保证安全钻进的矛盾，从而使实施煤层保护较油气层更为困难。
3、煤层破碎含游离气多，取心困难。
煤层机械强度低，一般煤层取心收获率低，完整性差。
而且煤层气井都是选择在含气量较高的煤区，割心提升时，随着取心筒与井口距离的缩短，煤心中游离气不断逸出，当达到一定值时会将煤心冲出取心筒，造成取心失败。
4、煤层气井产气周期长，对井的寿命要求高。
煤层气主要是吸附在煤层缝、隙表面上的吸附气，它的产出规律与天然气正好逆向，须经过较长时间的排水降压后才慢慢地解吸。
据有关资料介绍，煤层气井少可供开采20年以上，因此对井的寿命要求特别高。
二、煤层气井钻井技术1、煤层造穴技术为了易于实现水平井与洞穴井在煤层中成功对接并且建立气液通道，需要在洞穴井的煤层部位造一洞穴，洞穴的直径一般为0.8～1.5m，高为2～5m。
煤层气钻井工艺及完井技术研究
Mineral Technology384《华东科技》煤层气钻井工艺及完井技术研究陈悦亨（广东煤炭地质二0二勘探队，广东 广州 510800）摘要：对煤层气钻井工艺进行研究，总结影响煤层气钻井正常施工的因素，目的是通过对各项影响因素的分析，构建针对性的钻井工艺，确定完井技术方案，并通过合理工艺技术的选择，保证煤层气钻井的顺利进行，推动产业稳步及高效的发展。
关键词：煤层气；钻井工艺；完井技术随着我国煤矿产业的展，煤层气在能源结构中占据十分重要的位置。
2015年，国家能源局发布了《煤层气勘探开发行动计划》，这一计划中要求加快煤层气的勘探开发，并通过高效技术的运用，提高煤层气的采收率，以推动我国煤层气产业的可续发展。
但是，由于煤层气储存的特殊性，在实际的产业运行中，出现了煤层保护与钻井安全矛盾突出的问题，这些现象若不能及时处理，会影响煤层气钻井工艺的整体效果。
因此，在煤层气产业发展中，为了提高钻井效率，需要细化煤层气钻井工艺，并构建成熟的井技术，提高我国煤层气开发的率，为行业的发展提供技术支持。
1 煤层气钻井技术特点 结合煤层气钻井工艺形式，其技术特点如下：第一，煤层气的目标层为煤层，煤既是生气层又是储气层。
第二，煤层的孔隙和割理都很发育，煤储层普遍压力低，地层破碎，易发生井漏。
第三，煤层气钻井的井壁稳定性差，容易发生井下复杂事故。
第四，改进钻井工艺，减少钻井液的微粒和胶体颗粒对煤层气运移通道的充填和堵塞，可以在一定程度上会增加资源开采量[1]。
2 工程概况 2.1 项目概况 山西地区煤层气钻井工程项目是煤层气地面抽采井钻井工程，煤层气井设计为L 型水平井。
在煤层气的开发过程中，L 型水平井与直井、定向井等开发方式相比，其优越性主要体现在：通过增加煤层段井眼长度，扩大了煤层泄露面积，可有效沟通煤层裂隙和割理，从而增加单井产气量，经济效益显著。
因此，蓝焰煤层气公司决定在郑庄区块推广水平井， ZH-L40-1井布置在郑庄矿3#煤层中，目的是为了解决3#煤层瓦斯突出问题。
煤层气井造洞穴技术特点分析
的钻 井 或完井 作 业 机 穿 透 煤 层 ， 通 过 配 备 的几 台大 功率 空压 机 、 旋 转 头及 地 面复 式管 路 系统 ， 将 大量 空
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４—０ ８—１ ４
基金项 目： 国家科技重大专项 “ 煤层气井完井技术及装备 ” （ ２ ０ １ １ Ｚ Ｘ ０ ５ ０ ３ ７— ０ ０ １ ）
够消 除前 期钻 完 井 过 程 中所 产 生 的 地层 伤 害¨Ｉ ３ ］ 。 选 择造 洞 穴方式 ， 不 仅 与前期Байду номын сангаас洞穴 形状 、 井 壁 的稳 定
以采 用 裸 眼洞穴 技术 对煤 层 实施 造穴 。采 用 裸 眼洞 穴技 术 ， 完井 后 在裸 眼煤 层地 段用 工 具 、 水 力 或者 负
中图分类号 ： Ｔ Ｄ ８ ４ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ６ ７ ３—１ ９ ８ ０ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２— ０ ０ ７ ３— ０ ３
在 煤层 气 井 开 采 过程 中 ， 为 了使 煤 层 与井 眼充
分 连通 ， 解 除近 井地 带污 染 ， 增 大 井 眼有 效 半 径 ， 可
运用 裸 眼化学 造 穴 技 术 时 ， 首 先需 要 选 择 镜 质
在 钻具 的带 动下 旋 转 ， 切 削煤 层 形 成 满 足 实 际需 要
的洞穴 。
（ ４ ） 化学 造 穴 技 术 。选 择 镜 质 组 反 射 率 Ｒ …
小于 ０ ． ６ ％ 的煤储 层 ， 在地 面配 制碱 溶 液 ， 沿钻 井 通
道 泵注 到煤层 段 ， 浸泡 一段 时问后 ， 重复 浸泡 洗井 作 业 并循 环多 次 ， 直 至煤 层 段 坍 塌达 到 设 计要 求 的洞
简述煤层气开发常用钻井完井技术应用
简述煤层气开发常用钻井完井技术应用摘要：煤层气作为一项非常规资源，主要是以依附的状态存在于煤层当中，并且最为主要的成分为甲烷，含量高达90%以上。
在文本中，结合煤层气钻井完井常见问题，对较为常用的水力脉冲钻井、激光钻井、径向水平井钻井等钻井完井技术及其应用进行详细分析，最后也对煤层气钻井技术应用要点及注意事项进行阐述。
也希望本文研究内容能够为相关人士发挥一定参考作用。
关键词：煤层气；钻井完井技术；应用；分析煤层气是一种非常规的油气资源，对其进行有效开发，可以实现天然气良好接续。
然而在实际煤层气开发过程中，由于受到裂缝体系发育较多、应力敏感性较强等问题影响，导致钻井完井技术应用中容易对储层造成不良影响。
为确保煤层气正常开发，加强煤层气钻井完井技术应用研究非常有必要，通过钻井完井技术在煤层气开发中顺利实施，也能够保障和提高煤层气开发效果[1]。
1煤层气钻井完井技术实施情况分析1.1技术实际应用难点在实际使用钻井完井技术进行煤层气开发过程中，受到特殊成岩结构、沉积方式等因素影响，导致技术有效应用比较困难，主要体现在：（1）井壁不够稳定，在开展钻井完井施工过程中，成井壁坍塌事故发生机率比较高，进而引发井下复杂事故，随着现代科学技术不断发展，钻井技术也取得巨大进步，现阶段也可以充分借助水基，又或者是油基钻井液体系，虽然可以充分发挥出保护储层作用，但是因为在地层应用过程中会出现比较大的滤失量，也会导致钻井液粘度降低、携岩性较差问题发生，最终致使井下复杂事故发生；（2）煤层易受污染，在煤层钻进过程中，为了保障钻进速度和钻井安全性，就需要对液体密度和固相含量进行添加，但是这会对储层造成不利影响，具体体现在：得到的储层压力准确性不足、表皮系数偏差相对较大等等；（3）煤层形态分散情况严重，在煤层区域存在很多游离气，从某种程度上来说也会影响到取芯，因为煤层胶结比较松散，使得取芯过程中很难完整进行，而煤层气主要是通过地层气，然后不断富集起来，一旦完成割芯工作以后，就需要将其往上提，这时候取芯筒到井口的长度也会呈现出逐渐缩小趋势，内部芯包含的气体也在不断被解吸，就很容易使煤芯冲出筒外，进而出现取芯失败的情况。
国内煤层气钻井完井技术发展现状
国内煤层气钻井完井技术发展现状随着我国能源需求的快速增长，煤炭作为我国的主要能源资源，在经济社会发展中仍扮演着不可或缺的角色。
然而传统的煤炭开采方式存在很大的环境污染和安全隐患，为了推动煤炭的清洁有效利用，煤层气钻井技术应运而生。
作为一种新兴能源，煤层气是一种天然气，主要成分是甲烷，也含有少量乙烯、乙烷等物质，是一种清洁、环保、低成本的燃料。
目前，煤层气产业在我国仍处于初级阶段，但随着近年来政策的大力支持和技术的不断突破，煤层气钻井完井技术也得到了快速的发展。
一、煤层气钻井完井技术的发展历程煤层气钻井完井技术的发展经历了三个阶段：试验阶段、推广阶段和加快推进阶段。
试验阶段：上世纪80年代，我国在广西、山西等地对煤层气钻井开展了试验，取得了一定的成效。
然而由于技术水平的限制，钻井效率和完井质量较低，难以实现商业化开采。
推广阶段：1996年，我国提出了煤层气产业的发展战略，将煤层气列为国家支持的重点开发项目。
随后，我国对煤层气钻井完井技术进行了大力推广，技术稳步提升，取得了较大的进展。
然而在推广过程中，也暴露出了技术和人员不足等问题。
加快推进阶段：近年来，我国对煤层气开发的重视程度不断加强，各地政府纷纷加大对煤层气开发的支持力度。
同时，我国的煤层气钻井完井技术也得到了快速的发展，目前已初步实现了“可持续、高效、安全”的商业化开采。
二、煤层气钻井完井技术的现状1、钻井技术的突破传统的煤层气钻井方式主要采用钻井机或压缩机等设备压缩空气将煤层气排放至地面，但由于压缩空气含氧量高，易引发事故。
近年来，我国的煤层气钻井技术经过不断的探索和创新，出现了一些新技术，如泡沫钻井技术、柔性制冷技术等，使得钻井作业更加高效安全。
2、完井技术的提升煤层气完井技术是指在钻井之后，进行钻孔衬套、水泥封固等工艺，保障煤层气井的长期稳产。
近年来，我国的煤层气完井技术也得到了大力提升。
例如新型包套完井技术、自膨胀水泥注浆技术等，大大降低了完井成本并提高了完井质量。
煤层气洞穴-筛管完井工艺
煤层气洞穴-筛管完井工艺李宏欣1张学峰2(1.河南省煤层气开发利用有限公司,河南 450016; 2.河南豫中地质勘察工程公司,河南 450053)摘 要:洞穴完井是单一厚煤层重要的煤层气增产完井技术之一。
洞穴完井工艺流程概括为:钻头钻至煤层顶界上3m 时停止钻进,进行裸眼地球物理测井,下技术套管,注水泥固井。
检查固井质量合格后,钻穿煤层至底板下10m 完钻。
在完成该段裸眼测井和固井测井后,下入喷射式造穴器造穴,洞穴直径达到112m 时停止造穴。
最后在裸眼煤层段及以下井段安装悬挂式割缝筛管,并密封衬管和套管之间的环形空间。
煤层气可以流过筛管割缝进入井筒。
关键词:赋存地质条件 煤层气 煤储层 洞穴完井Cavity -Perforated Casing Completing Technology for CBM WellLi Hongxin 1,Zhang Xuefeng 2(1.Henan Province CB M Development &Utilization Ltd 1Co 1,Henan 450016; 2.Henan YuzhongGeological Engineering Co 1,Henan 450053)Abstract:Cavity Completing is one of the important techniques for enhanced completing in a single thick sea m.Cavity completing technique includes roughly the following steps:drill the borehole until the drill bit in -tersects the material 3m above the top boundary of coal seam;make geophysical logging in the open borehole;lower the casings and proceed ce menting.Continue drilling after proving the quality of cementing up to the standard,and stop drilling until the bit penetrating the coal seam and reaching the material 10m belo w the floor of seam.After the loggings are finished in the open borehole section and in the cemented borehole,a jet is lowered to under ream the coal sea m to form a cavity until the diameter of the cavity reaches 112m.Finally,set the slotted casings in the open hole coal sec tion and the section beneath as well.Seal the annular space be -tween the lining and casings.CB M can then enter the well through the slots of perforated casing.Keywords:Geological occurrence c onditions;CB M;coal reservoir;cavity completion 为了改变煤层透气性差设计采用洞穴-筛管完井这一技术,目的在于有效扩大煤储层暴露面积或渗流面积,最大限度降低钻井液和固井水泥浆对煤储层的伤害,保持煤储层和井筒之间最佳的连通条件,煤层气流达到井口的阻力最小。
煤层气的完井技术
煤层气的完井技术第一篇：煤层气的完井技术煤层气的完井技术常用的完井技术目前常用的完井技术有以下几种：1、裸眼完井这是在煤层气开发的最初阶段广泛采用的一种完井方式，可以避免在注水泥过程中造成伤害，且成本较低。
但是使用这种完井方式不能选择在某一煤层进行测试和完井、不能格挡各单个煤层间的气窜，而且由于井筒中煤细粒的聚集不能在煤层之下，煤细粒也常堵塞井筒，使煤层中的气不能有效地流向井眼。
因此这种完井方式逐渐被另一种裸眼扩眼完井方式所取代。
2、裸眼扩眼完井在煤层之上下套管，然后在水，空气或泡沫的负压下钻穿煤层，再使用空气或泡沫排出循环钻井液，并在煤层段扩眼，形成一个大的中腹。
因为负压钻井减少了地层损害，扩眼又进一步提高了井筒附近劈理系统的渗透性，所以可以获得较好的产能。
煤层段的空腔有时是通过井的多次“冲击过程”，即可获得预期的扩眼效果，然后经高速空气或泡沫循环除去井筒中坍塌的煤屑和流入的地层流体，再下入衬管，即可投入生产。
3、下套管射孔压裂完井套管完井解决了裸眼完井遇到的许多问题，可以选择行的对某一煤层进行完井和开发，可以在煤层之下钻一段“鼠袋”，用于储集煤细粒和安装脱水泵，从而获得更高的产气量，压裂处理可以有效地提高产能，在对煤层实施水力压裂时，常采用较高的处理能力，压裂可以在煤层甚至邻层中产生相当复杂的裂缝形态，包括垂直裂缝和水平裂缝。
除上述二种基本完井方式之外，还有两项新技术可以提高气井产量和降低成本。
4、水平井钻水平井是一项极具潜力的天然气裂缝煤层气藏的完井技术，与最大渗透性方向垂直的长水平井眼已被证明是十分有效的。
最大渗透率方向与通常天然裂缝方向一致，或与壁理方向一致，所以在最大渗透率方向容易确定的情况下，可采用钻水平井有效地开发煤层气，但若最大渗透率方向不好确定，最大渗透率方向与劈理方向关系不大，这种情况下水平井就不一定比相当长度的水力压裂裂缝更有效。
5、多层完井多层完井是降低煤层气开发成本的一种重要手段，通过多层完井，可以增大一口井的开采储量，提高井的产量，降低单位开发成本。
煤层气连通井扩孔造穴技术及现场应用
工具主要技术参数和技术特点
胜利水力—机械轮式系列扩孔造穴
工具主要技术参数见表１。
表１ 胜利水力—机械轮式系列造穴
工具主要技术参数
工具型号
连接 螺纹
工具 总本体
外径／ ｍｍ
ＹＫＣＤ１１８
—５００
ＹＫＣＤ１１８ ＮＣ３１ １１５
—６５０
ＮＣ３１ １１５
ＹＫＣＤ１５２ ＮＣ３８ １４２
—５００
ＮＣ３８ １４２
牙轮总成等部分组
成。
图２ 胜利水力—机械轮式扩孔造穴
工具结构图
１—上接头；２—活塞总成；３—壳
体；４—推杆总成； ５—销轴； ６—牙轮
总成
工产生压
力降，在活塞上产生的推力推动活塞下
行，活塞进而推动推杆下移，使牙轮侧
弯。通过钻具的旋转和牙轮的自转运动
ＹＫＣＤ１５２
—６５０
可扩 最大 直径／ ｍｍ
５００ ６５０ ５００ ６５０
长／ ｍｍ
１ ２１３ １ ２１３ １ ２１３ １ ２１３
适于 井眼 直径／ ｍｍ
１１８ １１８ １５２ １５２
主要技术特点： 该工具采用水力活塞式结构，利用 喷嘴产生的压降推动活塞，带动扩眼刀 翼工作，结构简单，操作方便，安全可 靠。牙轮上的切削齿可根据地层的软硬 来选择装配ＰＤＣ复合片或者硬质合金球 齿。在钻具旋转时，牙轮产生公转与自 转，从而达到造穴的目的。牙轮的自转 可以减小钻具扭矩， 避免扭矩过大损坏 钻具。通过更换不同长度的牙轮，可满 足工程上对造穴直径的需要。 可根据现场地层硬度及具体情况选 择加入泵压显示装置，通过地面泵压的 变化判断工具在井下的工作状态。牙轮 切削刃采用合理的结构设计、独特的切 削元件，保证了造穴工具的使用寿命和 切削速度要求。工作完成后或需要紧急 起钻时，可停泵上提。由于水力活塞依 靠外力回收，结构简单，不会因切削刃 不能回收而卡钻。 三、认识与结论 为保护煤层不被污染，井队采用清 水打钻，导致携岩困难，扩孔段形成沙 桥，通井一次后无法电测到底。针对这种 情况，扩孔采用性能优良携岩能力好的泥 浆，通井电测后再用清水替换洗井。 胜利水力—机械轮式裸眼造穴工具 除能用于煤层气井裸眼造穴外，还可用 于短半径水平井造穴和储气层造穴，应 用前景广阔。
煤层气洞穴完井技术
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探矿工程（ 岩土钻掘工程） Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ （ Ｒｏｃｋ ＆ Ｓｏｉｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）
Ｖｏｌ．４４ Ｎｏ．５ Ｍａｙ．２０１７：２７ －３０
煤层气洞穴完井技术
徐云龙， 李亚男， 夏文安， 张晓明
人工动力造穴在快速注入空气和快速泄压过程 中，在井筒周围形成了 ３ 个变动区（ 如图 １ 所示）： 洞穴区、破碎带和挠性区［９ －１０］ 。
１．２ 适用条件 根据上述人工动力造穴完井技术的增产机理及
美国圣胡安盆地成功开发经验，可以得到其适用条 件。
（１）煤层渗透率高，一般要在 １０ ～２０ ｍＤ。 高渗 透率是洞穴完井的首要条件，高渗意味着注入空气 能够顺利进入地层，弹性能量作用范围大，同时能够 使煤层中的自然裂缝系统与人造裂缝系统形成良好 沟通，煤层中的水和气能够顺利产出。
洞穴完井技术既是一种裸眼完井技术，又是一 种增产措施。 在煤层的裸眼井段， 通过人工 压力 “ 激动” 、地层 自然 压力、 水 力或 机 械 扩 孔 等 方 法 使 得煤层向井筒内坍塌，然后将煤粉循环出去，形成一 个应力场重新分布的洞穴，洞穴周围产生了大量的 剪切裂缝，并与地层中原有裂缝沟通，使得近井地带
（１） 洞穴区：半径可达 ２ ～３ ｍ。 增大了煤层的 裸露面积，同时又消除了钻井过程中对煤层的伤害。
（２） 破碎带：半径可达 ５ ～６ ｍ。 该区域是洞穴 效应的延伸，区域内的煤层发生张性破裂和剪切破 裂，形成大量张剪性裂缝，增强了渗流能力。
（３）挠性区：半径可达 ５０ ～６０ ｍ。 由于应力的 释放作用，在破碎带以外产生了对煤层的扰动，形成 一个渗透性增强区。
２ 工艺流程及设备配套 ２．１ 储层选择
在确定实施洞穴完井的储层时，要尽量满足其 适用条件。 在一个含煤盆地中，一定会存在高渗层， 寻找可造穴带成为洞穴完井的关键因素。 具体步骤 如下。
（１） 研究整个盆地的地质演化史，并收集已钻 井的生产资料进行系统性分析，了解地质时期的应 力及目前的应ห้องสมุดไป่ตู้状态；
（２） 部署探井，对选择的区块进行地层评价，记 录钻井过程中的所有参数，通过收集的第一手实钻 资料，对地层进一步评价；
我国从“ 八五” 开始，也对煤层气洞穴完井技术 进行研究，对该技术的增产机理、煤层适用性、井下 造穴技术、设备配套、数值模拟进行研究以及开展了 相关现场试验。 从试验结果来看，有好也有坏，受限 于对煤层特征和增产机理认识不足，该技术在国内 并没有得到推广应用［４ －６］ 。
１ 增产机理及适用条件 １．１ 增产机理
０ 引言 煤层气裸眼洞穴完井技术起源于美国，１９７７ 年
Ａｍｏｃｏ 公司施工的 Ｃａｈｎ１ 井裸眼完井后得到较高的 产量，从此以后才有意识对套管下部裸眼井段进行 扩眼完井。 １９８６ 年 Ｍｅｒｉｄｉａｎ 公司开始在圣胡安盆 地使用该技术，通过压力“ 激动” 使井壁坍塌扩大裸 眼洞穴，才真正发展为裸眼洞穴完井技术。 随后，该 技术在圣胡安盆地得到了推广应用，其产量是水力 压裂产量的 ３ ～２０ 倍，而且施工成本比水力压裂低。 目前在圣胡安盆地有三分之一是采用裸眼洞穴完井 技术，这部分井的产气量占整个盆地产量的 ７６％左 右。 这说明该技术在圣胡安盆地是优于水力压裂技 术的，然而在其它区域进行试验的结果并没有取得 象圣胡安盆地那样的开发效果，因此，这种增产技术 在特定煤层的适用性还需要进一步研究［１ －３］ 。
（３） 进行取心作业，对岩心及流体性质分析解 释，从而确定高渗层储层发育段；
（４） 进行测井、试井作业，并通过岩心数据进行 校正，准确确定高渗储层发育段。 ２．２ 井身结构
采用洞穴完井的煤层气开发井一般采用三开井 身结构，一开 饱３１１畅２ ｍｍ 表层钻进至基岩 ２０ ｍ 后， 下入 饱２７３畅１ ｍｍ 表层套管，二开钻进至煤层顶，下
（３）注入空气。 根据目的层的破裂压力选择合 理的注气压力，下入钻具组合向井内注入高压空气， 达到煤层破裂压裂压力后，观察压力变化。
（４）闭压阶段。 在注气结束之后关闭阀门，形 成封闭体系，观测井内气体压力变化，如果压力下降 过大，重新注气，关闭时间长短取决于储层压力和渗 透率，达到所需压力后及时放喷。
（２） 地 层 压 力 系 数 高， 一 般 地 层 压 力 系 数 ＞ １畅０。 地层压力高，形成煤层到井眼较大的压力差， 使井眼附近煤层所受压力超过其破裂极限而发生破 碎。 注气作业完成后关井有利于游离气压力快速恢 复，快速释压，增强了压力“ 激动” 的效果，同时地层 压力高，有足够的能量保证水和气的产出。
洞穴法完井使得井眼能够有效地连通了面割理 裂缝、端割理裂缝及其它类型的天然裂缝。 造穴过 程增加了井眼与煤层内裂缝的沟通，同时使得洞穴 周围的应力场重新分布，形成了指向洞穴的单项载 荷，煤层因缺乏支撑而向洞穴移动。 煤层移动影响 天然裂缝形态，挠性区可达 ５０ ～６０ ｍ，使得有效渗 透率不断增加。
（胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 ２５７０１７）
摘要：煤层气洞穴完井技术既是一种裸眼完井技术，又是一种增产技术，在适宜的地层该技术能够大大提高近井地 带的渗透率，从而提高煤层气的采收率。 该技术在美国圣胡安盆地的高渗煤层取得了巨大的成功，但是在其它区 域并没有像圣胡安盆地那样效果明显，究其原因对该技术的增产机理及煤层适应性的认识还有一定的差距。 分析 了洞穴完井技术的增产机理及洞穴完井的煤层适用条件，对洞穴完井技术的储层选择、井身结构、工艺流程及设备 配套进行了详细论述，并介绍了国内的现场试验情况及取得的一些有益经验，为该技术以后的推广应用奠定基础。 关键词：煤层气；洞穴完井；增产机理；工艺流程 中图分类号：ＴＤ８４２ 文献标识码：Ａ 文章编号： １６７２ －７４２８（２０１７）０５ －００２７ －０４ ＣＢＭ Ｃａｖｅ Ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ／ＸＵ Ｙｕｎ－ｌｏｎｇ， ＬＩ Ｙａ－ｎａｎ， ＸＩＡ Ｗｅｎ－ａｎ， ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｍｉｎｇ （Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈ－ ｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｄｏｎｇｙｉｎｇ Ｓｈａｎｇｄｏｎｇ ２５７０１７， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： ＣＢＭ ｃａｖｅ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｏｐｅｎ ｈｏｌｅ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ａ ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅａｒ ｗｅｌｌ ｚｏｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ．Ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｏｆ Ｓａｎ Ｊｕａｎ ｂａｓｉｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｕ．Ｓ．ｗｉｔｈ ｇｒｅａｔ ｓｕｃｃｅｓｓ， ｂｕｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｓｕｃｈ ｏｂｖｉｏｕｓ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｏｔｈｅｒ ａｒｅａｓ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｇａｐ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ｓｔｉｍｕｌａ－ ｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｅ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ ｃａｖｅ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａ－ ｌｙｚｅｄ； ｔｈｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ， ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｍａｔｃｈｉｎｇ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔｓ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｕｓｅｆｕｌ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｌａｙ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏａｌ－ｂｅｄ ｍｅｔｈａｎｅ； ｃａｖｅ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ； ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ； ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ
（３） 煤层厚度大，一般要求在 ６ ｍ 以上。 厚度 大的煤层不仅能产生较大的洞穴，而且有利于形成 较长的诱导裂缝。 足够的煤层厚度减少了裂缝产生 的边界阻碍，也能够形成更大的渗流面积。
（４）围岩特征好，不易垮塌。 煤层顶底板封闭 性好，机械强度高，不易垮塌。
图 １ 洞穴完井在井眼周围形成 ３ 个变动区
３ 国内现场试验 洞穴完井技术起源于美国圣胡安盆地，该地区
图 ２ 洞穴完井井身结构
２．３ 工艺流程 三开钻至煤层底板完钻后，开始向煤层内注入
高压空气，采取压力“ 激动” 的方法进行造穴，具体 步骤如下［１１ －１２］ 。
（１）试压。 安装调试防喷器及地面设备，并进 行地面管汇试压。
（２）排除井内积水和岩屑。 一边下钻具，一边 利用高压空气将井内的积水排除，当下到井底后，充 分循环，确保井眼清洁。
探矿工程（ 岩土钻掘工程）
２０１７ 年 ５ 月
的渗透率大大提高，这种能够有效提高煤层气产量 的完井和增产技术即为洞穴完井技术。
目前，常用的形成洞穴的方式有 ３ 种：人工动力 造穴、机械工具扩眼、水射流造穴［７ －８］ 。 人工动力造 穴是通过空压机将大量空气注入井内，经过多次快 速憋压和放喷，造成剧烈的井内压力“ 激动”，最后 使煤层崩落形成洞穴。 机械工具扩眼是通过控制造 穴刀具张开，在钻具的带动下旋转，切削煤层形成洞 穴。 水力射流造穴是运用水射流原理，在钻具下部 安装水力喷射装置，在煤层进行水力切割，形成煤层 洞穴。 从狭义概念的角度，洞穴完井技术特指人工 动力造穴完井技术。