煤气层井气体钻井技术及钻井中煤储层的保护措施(新版)

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煤气层井气体钻井技术及钻井

中煤储层的保护措施(新版) Safety is inseparable from production and efficiency. Only when safety is good can we ensure better production. Pay attention to safety at all times.

煤气层井气体钻井技术及钻井中煤储层的

保护措施(新版)

摘要：煤层气储层的特殊性对煤层气钻井时的储层保护提出了更高的要求。用气体钻井方式开采煤层气是一种有效的保护储层的手段，被国外油田广泛采用。气体钻井方式的选择必须考虑地层的适用性、应用模式、后期完井方式以及经济性。通过对国外煤层气开发中气体钻井的应用情况、煤层特点、气体钻井应用于煤层气的技术模式进行分析，结合我国煤层气特点及气体钻井技术现状，探讨了在我国煤层气开发中开展气体钻井的可行性。

关键词：煤层气；气体钻井；储层保护

煤层气作为非常规天然气，在国内外掀起了新的勘探开发热潮。在国外，美国已经在第三代煤层气区域进行了勘探开发(1)，2009年

美国煤层气年产量已超过600亿m3，加拿大、澳大利亚等国家在2000年后也加强了煤层气开发技术的研究，进行了商业化开采，形成了快速发展的新兴能源产业。国内中石油等企业先后在沁水盆地、鄂尔多斯东部、阜新等地区大规模采用了以地面钻井开采煤层气为主的开采模式，形成了年产能25亿m3煤层气的能力。据国家有关部门规划，2020年我国煤层气的年生产能力要达到300亿m3，发展前景极其广阔。

煤层具有特殊的岩石性质，使得煤层气开发与其他常规油气田有很大的区别。首先含有煤层气的煤岩具有非常强的毛细管效应（亦称水锁效应）、高压力敏感性和渗透滞后现象，更易受到污染；同时煤层气吸附在煤层中，煤层既是产气层也是储气层，只有临界解吸压力小于地层压力时，以吸附状态赋存在煤岩中的煤层气才能解吸，因此，对煤层气钻体钻井是一种保护储层的有效钻井手段，已经在国外的煤层气钻井中得到较为广泛的应用，并形成了针对不同煤层地质特点的气体钻井模式。

用气体作为循环介质钻水平井不是常规作业方式,但是用气体

钻有井自身的一些优势。气体钻井中常用的钻井介质为空气。自1986年以来国外许多水平井都使用空气成功钻成。用空气或泡沫钻水平井能大大地提高机械钻速,降低钻时;能解决低压储层的井漏问题;并能有效降低钻井液侵入造成的地层损害。但是气体钻水平井还存在一些问题,主要有:MWD系统不能在多种气体钻井条件下连续工作;气体钻水平井的井眼轨迹控制;井斜大于50°后井眼清洁将成为一个问题;由于钻柱和井筒间的摩阻增大,水平井段的长度将减小;岩性和目标层类型的选择范围变小。本文针对以上问题,介绍相关的新技术新方法,以期为技术服务人员提供开阔的思路和探索更有效的工艺措施。

气体钻水平井在国内应用不多,很多技术问题仍有待解决,而最关键的技术难点就是水平井段携岩问题。目前国际上常用的斜井、水平井气体钻井参数计算和实际情况有很大差别,计算出的携岩气体需求量往往偏小,难以保证井下正常携岩和净化。在水平井筒内,水平段和造斜段的携岩能量最低,岩屑浓度高,不能被带走的岩屑很难回到井底被钻头重复破碎,容易造成岩屑堆积,形成钻屑床,从而

造成起下钻遇阻、卡钻等事故。对比相同条件下的直井和水平井环空携岩,水平井应适当增大注气量。目前国际上采用的通用计算方法都基于一维稳态流方程,如使用修正后的Angel模型设计定向井和水平井钻井的最优注气量。西南石油大学孟英峰等进行了水平井段的三维稳态流动的计算流体动力学(CFD)数值模拟分析,研究发现,钻柱在井内的位置和截面变化对流场和携岩影响很大,通过计算得到以下结论:①水平井段钻柱贴近下井壁,造成偏心环空,在重力作用下,大颗粒岩屑沉降,而细小粉尘则停留在上部空间。偏心环空上部空间流速高,而下部空间流速低,从而造成岩屑在下部堆积、成床。

②这种偏心环空的上高下低的流速分布不均现象,井径越大,越明显,越不利于携岩。③加大注气量对

于提高偏心环空下部流道的携岩有一定作用,但是效果较差;且井眼尺寸越大,增大气量的效果越不明显。④消除水平段偏心环空携岩不畅的最有效办法是抬升钻杆,减少偏心度,最好能实现环空钻杆居中的同心环空。

1国外煤层气井气体钻井的煤层特征近年来，煤层气井钻井技术

越来越朝着保护煤层的方向发展，因为保护煤层不受损害对煤层气今后的开采和提高采收率具有非常重要的作用。美国在煤层气井的气体钻井技术利用方面进行了大量的实践，并取得了显著效果。美国西部的圣胡安盆地和东部的黑勇士盆地的煤层资源条件好，煤岩层构造简单，几乎未遭受后期褶皱、断裂构造的破坏，内生裂隙发育，煤层的渗透率高。圣胡安盆地煤层高压、高渗，煤种为次烟煤，煤层埋深一般1000m，厚度10~30m，煤层裂缝中的地层流体压力较大，微裂缝的渗透能力强，煤岩渗透率可达（3~25）×10-3μm2；而黑勇士盆地则以水饱和煤层为代表，煤种为中烟煤，煤层埋深一般600m，厚度4~6.7m，煤层微裂缝中含水量几乎占满了煤层裂隙等空间。据姜庆俊等人赴美考察报告显示［2］，圣胡安和黑勇士盆地均在较大范围内采用了空气钻井。无论是下套管压裂井还是裸眼造洞穴井，大都使用空气钻机利用空气钻穿目的煤层。钻井完成后，利用空气作为循环介质将井筒清洗干净。

在黑勇士盆地部分地区［3］，最初尝试采用空气钻井打开煤层，但是由于这些地区地层出水段较多，最终放弃了使用空气钻井而采

用清水钻井液在煤层中钻进。这种情况同样在澳大利亚煤层气钻井施工中出现［4］。在圣胡安盆地北部地区［5］，虽然煤岩破碎，其地质条件对空气钻井不利，但为了能成功地进行裸眼洞穴造穴完井，在煤质易破碎地层仍然使用了空气钻井。在煤层中进行气体钻井，一般应具备以下条件：（1）煤层含水量要小，而在目的煤层上部的裸露地层中也不能有大的含水量。（2）煤岩压实程度高，井壁稳定性好。一般来讲，次烟煤和中烟煤为主的煤层段是进行空气/气体钻井的合适层位。（3）若煤层段不太长，破碎性的煤层也能使用气体钻井。（4）在多煤层中，允许最底层煤层破碎率大一些，而其他煤层段需要达到一定压实程度。（5）如果在水平井中进行空气钻井，则要求所钻煤层体系中出水量和煤层压实程度都要达到更高的要求。一般煤层埋藏越深其稳定性越好

2.1煤层气直井气体钻井技术

2.1.1全井段气体钻井其施工特点与常规油气井的气体钻井相同。气体钻井的主要优点在于钻井速度快，因此，只要地层出水量在气体钻井允许范围内就可以采用全过程气体井。对于“允许出水