煤层气井钻井技术

洞 穴 井 的 井 身 结 构 一 般 为 ： φ ２４４．５ｍｍ表 层 套 管 × Ｈ１＋ φ １３９．７ｍｍ技术套管×Ｈ２（煤层顶）＋裸眼段（包括口袋）。
另外，煤层气多分支井井身结构的优化设计还需考虑以下因素： ①由于煤层承压强度低，技术套管一定不能下到煤层中，防止固井时 将煤层压裂，导致后续钻进过程中的井壁坍塌。②从抽排采气的角度 考虑，套管必须将煤层上部大量出水的层位封住。③为了在洞穴井全 煤层段造洞穴，井底必须留有合适的口袋。口袋留深以不揭开下部含 水层为基本原则，应优先考虑增大口袋留深。④如果多分支水平井为 多羽状，则水平井的技术套管不能下到造斜段中，应下到造斜点以上 部分，以便于后续的裸眼侧钻。 ２．２ 井眼轨迹控制技术
参考文献 ［１］ 郑毅，黄洪春．中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展方向 ［Ｊ］．石油学报，２００２，２３（３）：８１－８５ ［２］ 赵庆波，等．煤层气地质与勘探技术［Ｍ］．石油工业出版社，１９９９： ５０－６２ ［３］ 王剑，等．煤层气多分支水平井施工工艺 ［Ｊ］．煤炭工程，２０１０， １３（２）：３０－３１ ［４］ 乔磊，申瑞臣，等．煤层气多分支水平井钻井工艺研究［Ｊ］．石油学 报，２００７，２８（３）：１１－１５

技术创新
２０１１年第８期 116
２．３ 充气欠平衡钻井技术 目前适合煤储层的钻井液体系主要有四种，即充气钻井液、泡沫
流体、地层水和空气。充气钻井液是将气体注入钻井液内形成以气体 为离散相，液体为连续相的充气钻井液体系。主要适合于地层压力系 数为０．７～１．０ｇ／ｃｍ３ 之间的储层，且不受地层大量出水的影响。充气钻 井液保护储层的机理是通过泥浆中充气以减少其当量密度，从而降低 液柱对井底的压力，最后达到在井底形成负压差以实现欠平衡钻井。
（２）多分支水平井井眼剖面优化设计。因煤层一般较浅，所以 煤层气多分支水平井主水平井眼采用消耗较少垂深而得到较大位移的 理念进行井身剖面设计，从而达到更大的水垂比。其井身剖面设计主 要考虑的因素有钻机和顶驱设备的能力、井眼的摩阻／扭矩大小、钻 柱的强度、现场施工的难易程度等因素，主要有以下几项设计原则： ①主井眼入煤层方位的确定。考虑煤层的产能优化和井壁稳定，尽量 让进入煤层的井眼方位垂直于煤层最小主应力方向。②满足现场施工 工况的要求。由于煤层气多分支水平井垂直井段短，通常在５００ｍ以 内，而水平段一般在１０００ｍ以上，钻柱能提供的钻压是有限的，所以 在多分支水平井井身剖面设计中，要使所设计的井眼轨迹满足滑动钻 进时的工况要求。③应当满足各种设计条件下的最短轨迹。根据煤田 地质确定的目标点，应尽可能选择轨迹长度短的轨道，减少无效进 尺，既可以提高钻井的经济效益，也可以降低施工风险。同时应尽量
目前，采用中原自行研制的煤层气绳索取心工具“ＳＱ－ＤＣ１”， 整个取心时间在２０￣３０分钟内，可以满足煤层气勘探对取心的要求。 应 用 于 山 西 不 同 区 块 ＢＤ－９、 ＢＤ－１０、ＢＤ－１１、 ＳＦ－２、 寿 阳 ０５Ｈ等 １０多口煤层气井，煤层取心收获率均能达到９０％以上，在煤层之间的 泥岩和砂岩地层中取心时，岩心柱较完整，收获率一般都能达到 ９５％以上，取心效率和收获率大大提高。 ２．５ 煤储层保护技术
缩小可钻性较差的地层进尺，例如尽量避开研磨性的地层。④钻柱摩 阻和扭矩最小。煤层气多分支井的显著特点是水平位移大，分支较 多，从而导致钻柱和套管柱在井眼内摩阻和扭矩很大，以及钻压难以 加上等问题，摩阻和扭矩是多分支水平井的水平位移大小的主要限制 因素，所以应尽可能选择摩阻扭矩小的轨迹。⑤考虑到煤层的井壁稳 定性差，主井眼和分支井眼要处于煤层的中上部位，以利于安全钻 进。⑥分支井眼长度、方位和距离的优化设计需要结合煤层气藏、钻 柱力学和经济评价等多方面的因素进行综合考虑。
煤储层保护是整个钻井施工中必须重点考虑的问题。钻井液完井 液对煤储层污染程度如何，直接影响到目的煤层物化参数的正确评价 及产能的精确评估。而在水平分支井中有效的避免了这一难题。
在煤层气井钻井施工过程中，针对该地区的岩性特点采用了低固 相钻井液和清水两套体系。煤层段以上和连通段采用低固相钻井液，
以安全钻井为主；煤层水平段延伸以清水钻井为主。由于采用了两套 钻井液体系，较好地预防了上部地层复杂情况的发生，同时对下部煤 层段也做到了有效的保护。
（１）充气欠平衡钻井的优点：①钻井效率高、施工周期短，一 般完井只需３￣５ｄ，而水基钻井液钻井技术一般需要１５￣２０ｄ。②钻井工 程成本低，可节省２０％的费用。③对煤层伤害小，大约是泥浆钻井技 术的１０％。
（２）充气欠平衡的安全钻进的具体作业原则是：①当注气压力 低于安全注气压力时立即停止注气，安全注气压力由注气量、井身结 构、泥浆密度等因素决定。②环空有大量气体返出时严禁接单根，必 须停止注气，然后等到空气全部返出时才可以接单根。③进行起下钻 作业时，上提下放速度应平稳，尤其在煤层段应缓慢上提，防止引起 井眼坍塌。④由于煤层中的钻速较高，环空中的煤屑量较多，每钻进 ３０～６０ｍ应充分循环钻井液。 ２．４ 煤层绳索取心技术
（３）煤层破碎含游离气多，取心困难。煤层机械强度低，胶结 性差，空隙大，一般煤层取心收获率低。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，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。
在煤层气固井过程中，由于煤层气机械强度低，易破碎，裂缝发 育，常规固井水泥浆密度高，压差大，易造成储层漏失，滤液和固相 颗粒堵塞孔道等伤害，影响煤层气的开发。为此，低密度水泥浆固井 成为煤层气固井的关键技术，可有效降低液柱对煤层的伤害。
低密度水泥浆种类多，有空心微珠低密度、泡沫低密度、火山灰 低密度和其他类型低密度水泥浆等。
煤层具有层系多、易破碎的特点，选择合适的取心方式和工具成 为提高效率和收获率的关键。为了对煤储层进行评价研究，需要采取 煤心确定煤岩的结构、煤阶、渗透率、裂缝（割理）展布及大小等煤层 参数。同时还要做解析、吸附试验等，并据此来计算开采区煤层气储 量，预测产气量。为井网布置、射孔、压裂设计等提供依据。因此与 常规油气井取心相比，煤层气井取心有其特殊性。具体要求：煤心直 径尽量大；采取率高；出心速度快，气体散失少；煤心质量和原始状 态保持好；取心成本低。
（３）建立煤储层保护和污染评价方法，优选充气钻井液、泡沫 流体、地层水等无污染或低污染钻井液体系。
（４）研究多羽状水平井钻完井工艺，在单羽状水平井的基础上 试验２～４羽状多分支水平井，进一步提高煤层气的开采效益。
（５）研发配套的煤层气多分支水平井设计软件与井下工具，包 括煤层造洞穴工具、高效减阻接头和电磁测距装置等。
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技术创新
煤层气井钻井技术
蒋作焰① 王安广② 刘晓勇③
（①中原油田钻井一公司 ②中原油田钻井工程技术研究院 ③中原油田测井公司）
摘 要 煤层气作为一种高效清洁能源，在国外已被开采多年，我国煤层气开发利用起步较晚，目前，国家正在加大煤层气开发 力度。但是，开采煤层气的关键手段—煤层气井钻井与常规油气井差别较大，本文从煤层段造穴、煤层水平分支井剖面设计、轨迹控 制、水平井联通、煤层气保护等方面介绍了煤层气井钻井技术，为更多队伍进入煤层气施工提供技术支撑。
煤层气多分支水平井定向控制的主要参数包括：井斜角、方位 角、垂深。为了很好地将井眼轨迹控制在煤层中，采用地质导向技术 进行井眼轨迹实时控制与监测。首先利用前期地震的资料建立区块地 质模型，然后利用从ＬＷＤ随钻监测到的储层伽玛、电阻率参数来修 正地质模型并调整井眼轨迹。同时，定向工程师可以结合综合录井仪 实时监测到的钻时和泥浆返出的岩屑，判断钻头是否穿出煤层。
空心微珠是煤燃烧后经水和电除尘处理的产品，与煤的亲合力较 好，密度低、抗破能力可达１４０Ｍｐａ，能满足煤层气固井和生产作业 的需要。中原固井研制的高强度、低密度水泥浆，其密度可降至１．２０ ｇ／ｃｍ３，水泥石抗压强度可达１５Ｍｐａ以上，在油层固井中应用较多，在 煤层气固井中也进行了成功应用，效果好。
（３）多分支水平井井身结构优化设计。井身结构优化设计是保 证全井安全、快速钻达目的层并达到开发目的层的重要前提，煤层气 多分支井井身结构设计与常规油气井的设计略有区别，需考虑洞穴井 与水平井的连通、后期的排水采气和煤层井壁稳定等因素。
水平分支井通常采用的井身结构为：φ２４４．５ｍｍ表层套管×Ｈ１＋ φ１３９．７ｍｍ技术套管×Ｈ２（下至造斜段结束处）＋φ１２１ｍｍ主水平井 眼（裸眼完井）＋φ１２１ｍｍ分支水平井眼。
２ 煤层气井钻井技术
２．１ 多分支水平井技术 多分支水平井是指在主水平井眼的两侧不同位置分别侧钻出多个
水平分支井眼，也可以在分支上继续钻二级分支，因其形状像羽毛， 国外也将其称为羽状水平井［３］。
（１）多分支水平井的特点。多分支水平井技术是集钻井、完井 和增产于一体，是开发低压、低渗煤层的主要手段。其主要特点：① 解决了高产高效的问题，相对于常规水力压裂直井，产能提高约１０￣ １００倍。②实现了在煤层中定向开采，单井眼水平定向延伸能力可达 １０００ｍ以上。③实现了欠平衡储层保护。④使煤矿全程瓦斯抽放成为 现实。
泡沫低密度水泥浆由于其强度低，不能满足射孔和酸化压力的需 要，一般只能作为填充水泥浆使用。火山灰和其他类型低密度水泥浆 的密度相对较高，对储层保护不利。
３ 认识与建议
（１）建立完善的煤层气井风险评估体系，包括煤层井壁稳定力 学评价，断层、煤阶和地层倾角等储层特性的影响评估方法。
（２）完善和优化煤层气水平井工艺，包括欠平衡工艺优化设 计、井眼轨迹和井身结构优化设计、煤层造洞穴等工艺。
（１）各井段钻具组合。主井眼造斜段一般用“动力钻具 ＋ＭＷＤ”钻具组合，施工过程中确保工具的造斜率能够达到设计要 求，使井眼轨迹在煤层中顺利着陆。水平及分支段一般采用“单弯螺 杆＋ＬＷＤ＋减阻器”的地质导向钻具组合钻进。通过连续滑动钻进的 方式实现增斜、降斜；通过复合钻进的方式稳斜。