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
量”的概念可以这样理解：一是所出的水能被气体及时带出井筒，二是地层水不会造成井壁的湿润垮塌，三是出水不会造成钻屑的湿润而形成钻头泥包，四是钻井过程中钻具短起下能一次到底。

但是在数百米的全井段往往存在出水层，若在出水量较大的区域盲目实施空气钻井可能会发生井眼垮塌等复杂情况导致作业的失败，而对于多层煤层还必须要综合考虑整个井眼的井壁稳定情况，所以全井段气体钻井具有一定的局限性。

2.1.2仅煤层段采用气体钻井在黑勇士盆地部分区块的煤层气开发实践中，上部地层采用清水为主的钻井液，煤层段采用以空气或泡沫为循环流体的欠平衡钻井作业。

这样可以使煤层段以上的地层减少井塌、地层出水等因素对钻井施工的影响，使目的煤层得到最有效的保护，即使目的煤层较为破碎也不影响作业的成功。

其缺点是需要在打开煤层前进行钻井介质及工艺方法的转换，增加了气体设备和一些专用材料的投入。

如果存在多个目的煤层，可以在钻到最上部煤层前转换成空气钻井，以使煤层得到最大的保护。

3钻井时保护煤储层的主要技术措施煤储层特征显示开采煤层
气产量的影响因素较多,在地面钻井中选用的钻进方法及工艺对勘探煤层气及保护储层较为重要,一般采用欠平衡钻进工艺。

钻井液使用低密度、低粘度、低失水量、中性pH值及低固相含量的钻井液。

固井采用低密度、低上返的固井技术。

这不仅对煤储层具有一定的适应性,也保护了煤储层的渗透性。

双壁钻杆空气-液体循环钻井技术是把压缩空气沿内外钻杆之间的环状间隙压向预定位置,提高其上部钻井液上返速度,降低井内钻井液压力,以实现平衡或欠平衡钻进。

它是利用空气对井内钻井液实现气举上返推动作用,降低井内泥浆的压力,减少对储层的压力侵害,间接的降低了泥浆的比重。

有利于煤储层保护,特别是对水敏性、低压、低渗透等复
杂煤储层的保护。

空气潜孔锤钻进技术是一种以压缩空气作为动力介质,驱动潜孔锤工作的欠平衡钻井工艺,压缩空气兼作洗井介质,把岩屑携带出地面。

在水文地质条件允许的情况下应用空气潜孔锤钻进工艺可以提高生产效率和录井质量,同时能维护或改善煤储层渗透性,减少对环境的污染。

空气潜孔锤钻进工艺参数主要包括轴
向压力(kN)、回转速度(r/min)、冲击功(kg.m)、冲击频率(次/min)。

在不同硬度的岩石中钻进,参数的选择差异较大,钻进硬度小的岩石时,钻进参数应主要满足回转切削碎石的要求;钻进坚硬但胶结不好的岩石时,钻进参数应满足冲击碎石的需要,以形成体积破碎;钻进坚硬致密的岩石时,钻进参数应满足冲击和回转两种碎岩作用。

空气潜孔锤钻进采用空气或空气泡沫作为钻井
液,井内的钻井液压力远远低于储层的地层压力,有效防止或杜绝岩屑颗粒、固相颗粒进入储层,改善和保护了储层渗透性。

在山西沁南煤层气田的地面勘探中使用美国Schumm公司生产的车载顶驱T685WS、TWD130钻机施工50多口井,单井平均建井周期为6.5d。

揭开煤储层后4h完钻,在地层水较大时通过注入泡沫剂,降低了井内液柱压力。

空气潜孔锤钻进工艺因为钻井效率高,储层裸露时间短,有效的保护了储层。

3国内煤层气井气体钻井应用推广方案
我国中部和西部煤层气资源丰富，山西的沁水盆地和内蒙的鄂尔多斯盆地是我国煤层气资源量最大的两大盆地，超过10万亿m3，
埋深1500m以浅煤层气资源占60%，有利于煤层气的勘探和开发。

对比美国黑勇士和圣胡安盆地与我国沁水盆地和鄂尔多斯盆地地质情况，总体上我国的煤层气储层具有低压、低渗的特点，而且煤层大多不含水或弱含水，为开展空气钻井或泡沫钻井提供了很好的地质条件。

根据我国煤层气的赋存特点，可以考虑以下钻井方式。

3.1常规钻井+气体钻井
主要思路是采用常规钻井液钻井和气体钻井相结合的方式，同时完成洞穴完井。

在煤层上部的层段采用常规钻井液完成，钻到煤层段时转换为气体钻井，然后进行造穴完井。

该方案适合钻目的层只有1层的煤层，且煤层以上地层有地层水涌出，煤层段易破碎。

需要补充的是，不是所有煤层都属于特破碎，但是都应该进行煤层段的扩眼作业，提高裸眼段井壁稳定。

3.2全过程气体钻井
3.2.1基于洞穴完井的全过程气体钻井该方案主要针对地层出水量小，目标煤层超过一层的煤层气开发。

这种模式与常规气体钻井并无显著的差别，但是在随后的固井完井过程中，有可能再次伤
害煤层。

所以，该方案重点是在固井过程，有条件可以采用绕煤层固井技术，从而实现真正意义的保护煤层。

对于目标煤层多且出水量大的井，如果采用全过程
气体钻井来提速和保护储层的话，只有牺牲部分煤层，保护最大目标煤层，实现经济开采。

3.2.2基于注重提速的冲击回转钻井该方案主要针对所钻地层较硬、煤层较浅地区，当然还是要满足气体钻井的使用条件为前提。

如果所钻地层较软，则需要及时转换为常规的三牙轮钻头钻进。

空气锤钻头在硬脆性地层能获得最好的应用效果，另外空气锤钻进主要依靠频繁的“捶击”破岩，并不需要加多大的钻压，因此，在表层或较浅的层段都有良好的使用效果。

总体上看，以上方案都可以最大化地保护煤层不受伤害，但需要的钻井周期比一般的气体钻井要长，同时对空气/气体钻井相关设备要求较高，比如增压机、空压机、车载钻机等。

对于煤层气开发的快速发展阶段，应该着重从以上方案的基本思路出发，完善设备配套，加快多种钻井方式的试验完善。

4结论和建议
煤层气产业是继煤炭、石油、天然气之后的战略性“接替资源”,具有很大的开发和利用潜力,煤层气钻井技术要适应煤储层特征,在钻探技术不断成熟的基础上,应大力开发欠平衡钻井技术,应用空气潜孔锤钻井技术、并加强对保护煤储层的钻井液的研究。

(1)气体钻井本身还存在一定局限性。

如能用气体钻井的岩性类型是有限的,较老的、压实的岩石最适合进行气体钻井,而欠压实的岩层不太适合进行气体钻井;目前不能用气体钻含硫化氢地层,缺乏在欠平衡状态下钻含硫地层的工艺和装备;应根据地层含水量多少适时转换钻井介质。

所以在决定是否选用气体钻水平井时,必须进行技术、安全评估和经济评估。

(2)气体钻水平井还存在一些技术瓶颈。

如在井眼轨迹控制方面,由于缺乏适用于气体钻井的测量工具和经济的导向系统,薄油层不能使用气体进行钻井。

因为在较薄地层中钻进时,需要很多次的马达校正,削弱了经济实用性。

以及由于水平井段摩阻的存在,限制了水平井气体钻井的长度;水平井段清洁难,限制了气体水平井钻井的效
率。

所以应加强气体钻水平井配套工具和工艺的研发。

（3）若采用气体钻井打开煤层而又必须下套管的话，建议采用绕煤层固井，从而实现钻井完井全过程的煤层保护，以实现最大的开采价值。

（4）在地层出水量较大不能使用空气钻井时，可以适时转化为雾化钻井或泡沫钻井。

因为泡沫携岩和处理地层水的能力较强，同时具有良好的保护井壁的能力。

（5）对于我国煤层气开发而言，应加强常规钻井和气体钻井相结合，同时考虑基于洞穴完井的全过程气体钻井和基于提速的空气锤钻井技术，还应加强对气体钻井相关设备的配套和开发。

参考文献：
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