煤層氣井氣體鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

申瑞臣 夏 焱

（中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195）

煤層氣井氣體鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

申瑞臣 夏 焱

（中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195）

煤層氣儲(chǔ)層的特殊性對(duì)煤層氣鉆井時(shí)的儲(chǔ)層保護(hù)提出了更高的要求。用氣體鉆井方式開采煤層氣是一種有效的保護(hù)儲(chǔ)層的手段，被國(guó)外油田廣泛采用。氣體鉆井方式的選擇必須考慮地層的適用性、應(yīng)用模式、后期完井方式以及經(jīng)濟(jì)性。通過對(duì)國(guó)外煤層氣開發(fā)中氣體鉆井的應(yīng)用情況、煤層特點(diǎn)、氣體鉆井應(yīng)用于煤層氣的技術(shù)模式進(jìn)行分析，結(jié)合我國(guó)煤層氣特點(diǎn)及氣體鉆井技術(shù)現(xiàn)狀，探討了在我國(guó)煤層氣開發(fā)中開展氣體鉆井的可行性。

煤層氣；氣體鉆井；儲(chǔ)層保護(hù)

煤層氣作為非常規(guī)天然氣，在國(guó)內(nèi)外掀起了新的勘探開發(fā)熱潮。在國(guó)外，美國(guó)已經(jīng)在第三代煤層氣區(qū)域進(jìn)行了勘探開發(fā)［1］，2009年美國(guó)煤層氣年產(chǎn)量已超過600 億m3，加拿大、澳大利亞等國(guó)家在2000年后也加強(qiáng)了煤層氣開發(fā)技術(shù)的研究，進(jìn)行了商業(yè)化開采，形成了快速發(fā)展的新興能源產(chǎn)業(yè)。國(guó)內(nèi)中石油等企業(yè)先后在沁水盆地、鄂爾多斯東部、阜新等地區(qū)大規(guī)模采用了以地面鉆井開采煤層氣為主的開采模式，形成了年產(chǎn)能25 億m3煤層氣的能力。據(jù)國(guó)家有關(guān)部門規(guī)劃，2020年我國(guó)煤層氣的年生產(chǎn)能力要達(dá)到300 億m3，發(fā)展前景極其廣闊。

煤層具有特殊的巖石性質(zhì)，使得煤層氣開發(fā)與其他常規(guī)油氣田有很大的區(qū)別。首先含有煤層氣的煤巖具有非常強(qiáng)的毛細(xì)管效應(yīng)（亦稱水鎖效應(yīng)）、高壓力敏感性和滲透滯后現(xiàn)象，更易受到污染；同時(shí)煤層氣吸附在煤層中，煤層既是產(chǎn)氣層也是儲(chǔ)氣層，只有臨界解吸壓力小于地層壓力時(shí)，以吸附狀態(tài)賦存在煤巖中的煤層氣才能解吸，因此，對(duì)煤層氣鉆井、完井過程中的儲(chǔ)層保護(hù)提出了更高的要求。氣體鉆井是一種保護(hù)儲(chǔ)層的有效鉆井手段，已經(jīng)在國(guó)外的煤層氣鉆井中得到較為廣泛的應(yīng)用，并形成了針對(duì)不同煤層地質(zhì)特點(diǎn)的氣體鉆井模式。

1 國(guó)外煤層氣井氣體鉆井的煤層特征

近年來，煤層氣井鉆井技術(shù)越來越朝著保護(hù)煤層的方向發(fā)展，因?yàn)楸Ｗo(hù)煤層不受損害對(duì)煤層氣今后的開采和提高采收率具有非常重要的作用。美國(guó)在煤層氣井的氣體鉆井技術(shù)利用方面進(jìn)行了大量的實(shí)踐，并取得了顯著效果。美國(guó)西部的圣胡安盆地和東部的黑勇士盆地的煤層資源條件好，煤巖層構(gòu)造簡(jiǎn)單，幾乎未遭受后期褶皺、斷裂構(gòu)造的破壞，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層的滲透率高。圣胡安盆地煤層高壓、高滲，煤種為次煙煤，煤層埋深一般1000 m，厚度10～30 m，煤層裂縫中的地層流體壓力較大，微裂縫的滲透能力強(qiáng)，煤巖滲透率可達(dá)（3～25）×10-3μm2；而黑勇士盆地則以水飽和煤層為代表，煤種為中煙煤，煤層埋深一般600 m，厚度4～6.7 m，煤層微裂縫中含水量幾乎占滿了煤層裂隙等空間。

據(jù)姜慶俊等人赴美考察報(bào)告顯示［2］，圣胡安和黑勇士盆地均在較大范圍內(nèi)采用了空氣鉆井。無論是下套管壓裂井還是裸眼造洞穴井，大都使用空氣鉆機(jī)利用空氣鉆穿目的煤層。鉆井完成后，利用空氣作為循環(huán)介質(zhì)將井筒清洗干凈。

在黑勇士盆地部分地區(qū)［3］，最初嘗試采用空氣鉆井打開煤層，但是由于這些地區(qū)地層出水段較多，最終放棄了使用空氣鉆井而采用清水鉆井液在煤層中鉆進(jìn)。這種情況同樣在澳大利亞煤層氣鉆井施工中出現(xiàn)［4］。在圣胡安盆地北部地區(qū)［5］，雖然煤巖破碎，其地質(zhì)條件對(duì)空氣鉆井不利，但為了能成功地進(jìn)行裸眼洞穴造穴完井，在煤質(zhì)易破碎地層仍然使用了空氣鉆井。

在煤層中進(jìn)行氣體鉆井，一般應(yīng)具備以下條件：

（1）煤層含水量要小，而在目的煤層上部的裸露地層中也不能有大的含水量。

（2）煤巖壓實(shí)程度高，井壁穩(wěn)定性好。一般來講，次煙煤和中煙煤為主的煤層段是進(jìn)行空氣/氣體鉆井的合適層位。

（3）若煤層段不太長(zhǎng)，破碎性的煤層也能使用氣體鉆井。

（4）在多煤層中，允許最底層煤層破碎率大一些，而其他煤層段需要達(dá)到一定壓實(shí)程度。

（5）如果在水平井中進(jìn)行空氣鉆井，則要求所鉆煤層體系中出水量和煤層壓實(shí)程度都要達(dá)到更高的要求。一般煤層埋藏越深其穩(wěn)定性越好。

2 煤層氣井氣體鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

氣體鉆井已經(jīng)有60多年的應(yīng)用歷史，而把氣體鉆井應(yīng)用于煤層氣開發(fā)將近30年。煤層氣開發(fā)中應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)并不是全新的欠平衡技術(shù)，而是常規(guī)油氣田開發(fā)技術(shù)的一種新的嘗試和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，只是由于煤層的特性所致而顯得獨(dú)特。

在圣胡安盆地，早期所鉆的煤層氣直井嘗試使用洞穴完井方式來提高煤層氣產(chǎn)量。裸眼洞穴完井前，通常采用氣體鉆井打開煤層，這樣做一是為了保護(hù)煤層不受污染，另一方面也是出于作業(yè)程序的需要和經(jīng)濟(jì)性的考慮。該方法在圣胡安盆地北部一些地區(qū)獲得成功，但在盆地西部的大部分地區(qū)仍采用下套管完井后水力壓裂的增產(chǎn)工藝［6］。

黑勇士盆地目的煤層埋藏較淺，由于地質(zhì)年代老、地層完整，所以一般采用常規(guī)的鉆井技術(shù)鉆穿煤層上部的層段，而在煤層段應(yīng)用氣體鉆井。從20世紀(jì)80年代開始，在黑勇士盆地推廣了空氣錘鉆井技術(shù)［7］，主要用來提高鉆速，降低成本。

2.1 煤層氣直井氣體鉆井技術(shù)

2.1.1 全井段氣體鉆井 其施工特點(diǎn)與常規(guī)油氣井的氣體鉆井相同。氣體鉆井的主要優(yōu)點(diǎn)在于鉆井速度快，因此，只要地層出水量在氣體鉆井允許范圍內(nèi)就可以采用全過程氣體鉆井。對(duì)于“允許出水量”的概念可以這樣理解：一是所出的水能被氣體及時(shí)帶出井筒，二是地層水不會(huì)造成井壁的濕潤(rùn)垮塌，三是出水不會(huì)造成鉆屑的濕潤(rùn)而形成鉆頭泥包，四是鉆井過程中鉆具短起下能一次到底。但是在數(shù)百米的全井段往往存在出水層，若在出水量較大的區(qū)域盲目實(shí)施空氣鉆井可能會(huì)發(fā)生井眼垮塌等復(fù)雜情況導(dǎo)致作業(yè)的失敗，而對(duì)于多層煤層還必須要綜合考慮整個(gè)井眼的井壁穩(wěn)定情況，所以全井段氣體鉆井具有一定的局限性。

2.1.2 僅煤層段采用氣體鉆井 在黑勇士盆地部分區(qū)塊的煤層氣開發(fā)實(shí)踐中，上部地層采用清水為主的鉆井液，煤層段采用以空氣或泡沫為循環(huán)流體的欠平衡鉆井作業(yè)。這樣可以使煤層段以上的地層減少井塌、地層出水等因素對(duì)鉆井施工的影響，使目的煤層得到最有效的保護(hù)，即使目的煤層較為破碎也不影響作業(yè)的成功。其缺點(diǎn)是需要在打開煤層前進(jìn)行鉆井介質(zhì)及工藝方法的轉(zhuǎn)換，增加了氣體設(shè)備和一些專用材料的投入。如果存在多個(gè)目的煤層，可以在鉆到最上部煤層前轉(zhuǎn)換成空氣鉆井，以使煤層得到最大的保護(hù)。

2.1.3 防水措施 在實(shí)施氣體鉆井或霧化/泡沫鉆井過程中，每鉆進(jìn)30～50 m打一次“泡沫稠塞”是處理地層出水的一種有效措施。“泡沫稠塞”可以及時(shí)攜帶多余的地層出水和鉆屑，確保井眼通暢、井壁干燥?！芭菽砣庇砂l(fā)泡劑、增黏劑和水配制而成。

2.2 實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層保護(hù)的完井方式

2.2.1 裸眼洞穴完井 適合裸眼洞穴完井的地層條件為：（1）煤層結(jié)構(gòu)完整；（2）煤層厚度大；（3）滲透率高（≥10 ×10-3μm2）；（4）煤層壓力和含氣飽和度高；（5）煤層內(nèi)聚力較?。ā?.4 MPa）。

一般的施工方法是：（1）在造穴開始前，利用擴(kuò)眼機(jī)械對(duì)煤層進(jìn)行擴(kuò)眼；（2）下放工具至造穴層位；（3）泵入鉆井液，旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)行破碎作業(yè)；（4）上提或下放鉆具，直到造穴的高度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如果施工過程中輔以射流、液氮進(jìn)行造穴作業(yè)，一般能夠提高30%左右的造穴速度，且提高裸眼洞穴完井質(zhì)量。

在圣胡安北部部分地區(qū)煤層具有高壓、高滲透、煤質(zhì)易破碎、煤層厚度大等特點(diǎn)，具備實(shí)現(xiàn)裸眼洞穴完井的理想條件。一般的煤層采用該完井方法增產(chǎn)的效果并不明顯，而且工藝過程顯得有些復(fù)雜。

2.2.2 下套管壓裂完井 目前，直井除了適合裸眼洞穴完井的地層，都是采用套管完井。在下套管壓裂增產(chǎn)井中，先用氣體鉆井方式打開煤層，然后采用繞煤層固井技術(shù)［6］。主要做法是在固井作業(yè)前下入特殊的工具管串將煤層與其頂?shù)装逍纬捎行Х飧?，在固井時(shí)水泥漿僅封固煤層以外的其他層段而使煤層免于水泥漿的污染和損害。這是消除常規(guī)固井作業(yè)對(duì)煤層段傷害行之有效的技術(shù)。

2.3 水平井中應(yīng)用氣體鉆井可行性分析

目前還沒有見到煤層中使用空氣鉆井技術(shù)鉆水平井的報(bào)道，而用泡沫鉆井打煤層氣水平井的研究逐漸增多。威德福的研究人員Lee Campbell等人曾利用加拿大的艾伯特地區(qū)煤層進(jìn)行常規(guī)巖心試驗(yàn)［8］評(píng)價(jià)泡沫流體對(duì)煤層保護(hù)的特性研究，同時(shí)對(duì)所選泡沫進(jìn)行了解剖式分析，從井眼清潔、井壁穩(wěn)定、漏失循環(huán)、泡沫黏度、出水量等方面分析了泡沫鉆井的優(yōu)勢(shì)，提出了在煤層氣開發(fā)中采用泡沫流體鉆水平井方式的必要性和可行性。研究人員也從經(jīng)濟(jì)的角度指出了要先進(jìn)行投入產(chǎn)出比較，再?zèng)Q定是否采用欠平衡泡沫鉆井。目前在煤層氣水平井中采用空氣、泡沫等欠平衡方式鉆進(jìn)的模式還沒有得到廣泛的認(rèn)可和推廣。

單就煤層特點(diǎn)來說，如果單純的使用空氣鉆井很多情況下是不可取的，因?yàn)槊簩右话愫?、易破碎，要在煤層中鉆水平井眼勢(shì)必會(huì)引起水平段攜巖困難。但是，如果要最大化地保護(hù)煤層儲(chǔ)層，使用泡沫鉆井應(yīng)該是最優(yōu)方式，其攜巖和處理地層出水的能力比空氣鉆井要強(qiáng)得多。泡沫鉆井的欠平衡鉆井方式是今后煤層氣水平井鉆井發(fā)展的一個(gè)重要方向。

綜上所述，應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)開發(fā)煤層氣，需要具備的條件是地層較硬、出水量小，而且更重要的是配備相關(guān)的鉆井設(shè)備，比如空壓機(jī)、沖擊鉆頭等。一旦掌握了其鉆井工藝，其操作性與普通的空氣錘鉆井沒有太大差異。就國(guó)外特別是美國(guó)煤層氣井氣體鉆井技術(shù)應(yīng)用情況來看，在煤層氣中進(jìn)行氣體鉆井與常規(guī)的氣體鉆井并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，只是由于地層特點(diǎn)的變化而導(dǎo)致在具體實(shí)施中采取不同的措施。

2.4 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

2003年，中聯(lián)公司在遼寧沈北地區(qū)進(jìn)行煤層氣勘探井作業(yè)時(shí)，對(duì)SВ02井進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次空氣鉆進(jìn)打開煤層。該井鉆井、測(cè)井等施工完成后，計(jì)劃進(jìn)行小型動(dòng)力造穴擴(kuò)孔完井，但在第11次擴(kuò)孔中，因卡鉆事故未能達(dá)到預(yù)期排采目標(biāo)導(dǎo)致報(bào)廢。2004年在新疆順利完鉆我國(guó)第一口采用空氣霧化鉆井技術(shù)施工的煤層氣井沙試4井。該井是中國(guó)石油煤層氣經(jīng)理部設(shè)計(jì)的一口煤層氣二開預(yù)探直井，設(shè)計(jì)井深1000 m，空氣鉆井完成，完鉆層位為二疊系阿其克布拉克組。實(shí)鉆一開井深511 m，下入表層套管，二開采用空氣鉆井鉆至790 m完鉆。鉆進(jìn)過程中使用?152 mm Н517G鉆頭，注氣量20～45 m3/min，立管氣壓1.5～2 MPa，鉆壓20～40 kN，機(jī)械鉆速14.37 m/h，僅用2.65 d就完成了279 m的煤層段鉆井，最后以篩管懸掛方式完井。該井鉆井周期為9.04 d，建井周期為11.63 d，平均機(jī)械鉆速19.07 m/h。該井由于后期產(chǎn)氣量沒有達(dá)到預(yù)期而關(guān)井。

3 國(guó)內(nèi)煤層氣井氣體鉆井應(yīng)用推廣方案

我國(guó)中部和西部煤層氣資源豐富，山西的沁水盆地和內(nèi)蒙的鄂爾多斯盆地是我國(guó)煤層氣資源量最大的兩大盆地，超過10 萬億m3，埋深1500 m以淺煤層氣資源占 60%，有利于煤層氣的勘探和開發(fā)。

對(duì)比美國(guó)黑勇士和圣胡安盆地與我國(guó)沁水盆地和鄂爾多斯盆地地質(zhì)情況，總體上我國(guó)的煤層氣儲(chǔ)層具有低壓、低滲的特點(diǎn)，而且煤層大多不含水或弱含水，為開展空氣鉆井或泡沫鉆井提供了很好的地質(zhì)條件。根據(jù)我國(guó)煤層氣的賦存特點(diǎn)，可以考慮以下鉆井方式。

3.1 常規(guī)鉆井+氣體鉆井

主要思路是采用常規(guī)鉆井液鉆井和氣體鉆井相結(jié)合的方式［9-10］，同時(shí)完成洞穴完井。在煤層上部的層段采用常規(guī)鉆井液完成，鉆到煤層段時(shí)轉(zhuǎn)換為氣體鉆井，然后進(jìn)行造穴完井。該方案適合鉆目的層只有1層的煤層，且煤層以上地層有地層水涌出，煤層段易破碎。需要補(bǔ)充的是，不是所有煤層都屬于特破碎，但是都應(yīng)該進(jìn)行煤層段的擴(kuò)眼作業(yè)，提高裸眼段井壁穩(wěn)定。

3.2 全過程氣體鉆井

3.2.1 基于洞穴完井的全過程氣體鉆井 該方案主要針對(duì)地層出水量小，目標(biāo)煤層超過一層的煤層氣開發(fā)。這種模式與常規(guī)氣體鉆井并無顯著的差別，但是在隨后的固井完井過程中，有可能再次傷害煤層。所以，該方案重點(diǎn)是在固井過程，有條件可以采用繞煤層固井技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的保護(hù)煤層。對(duì)于目標(biāo)煤層多且出水量大的井，如果采用全過程氣體鉆井來提速和保護(hù)儲(chǔ)層的話，只有犧牲部分煤層，保護(hù)最大目標(biāo)煤層，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采。

3.2.2 基于注重提速的沖擊回轉(zhuǎn)鉆井 該方案主要針對(duì)所鉆地層較硬、煤層較淺地區(qū)，當(dāng)然還是要滿足氣體鉆井的使用條件為前提。如果所鉆地層較軟，則需要及時(shí)轉(zhuǎn)換為常規(guī)的三牙輪鉆頭鉆進(jìn)?？諝忮N鉆頭在硬脆性地層能獲得最好的應(yīng)用效果，另外空氣錘鉆進(jìn)主要依靠頻繁的“捶擊”破巖，并不需要加多大的鉆壓，因此，在表層或較淺的層段都有良好的使用效果。

總體上看，以上方案都可以最大化地保護(hù)煤層不受傷害，但需要的鉆井周期比一般的氣體鉆井要長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)空氣/氣體鉆井相關(guān)設(shè)備要求較高，比如增壓機(jī)、空壓機(jī)、車載鉆機(jī)等。對(duì)于煤層氣開發(fā)的快速發(fā)展階段，應(yīng)該著重從以上方案的基本思路出發(fā)，完善設(shè)備配套，加快多種鉆井方式的試驗(yàn)完善。

4 結(jié)論與建議

（1）氣體鉆井在煤層氣開發(fā)中具有廣闊前景，尤其是在提高鉆井速度、縮短鉆井周期、降低鉆井成本等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

（2）在煤層中進(jìn)行氣體鉆井的重要條件是煤層與煤層之間、煤儲(chǔ)層本身含水量不能影響到氣體循環(huán)的正常進(jìn)行。國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤層基本上都能滿足這一條件。

（3）若采用氣體鉆井打開煤層而又必須下套管的話，建議采用繞煤層固井，從而實(shí)現(xiàn)鉆井完井全過程的煤層保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)最大的開采價(jià)值。

（4）在地層出水量較大不能使用空氣鉆井時(shí)，可以適時(shí)轉(zhuǎn)化為霧化鉆井或泡沫鉆井。因?yàn)榕菽瓟y巖和處理地層水的能力較強(qiáng)，同時(shí)具有良好的保護(hù)井壁的能力。

（5）對(duì)于我國(guó)煤層氣開發(fā)而言，應(yīng)加強(qiáng)常規(guī)鉆井和氣體鉆井相結(jié)合，同時(shí)考慮基于洞穴完井的全過程氣體鉆井和基于提速的空氣錘鉆井技術(shù)，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)氣體鉆井相關(guān)設(shè)備的配套和開發(fā)。

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（修改稿收到日期 2011-04-13）

〔編輯 朱 偉〕

Developing status and prospects of gas drilling technology in CBM well

SНEN Ruichen, XIA Yan
(Drilling Research Institute, CNPC, Beijing 100195, China)

the particularity of coal bed methane reservoir has made the reservoir protection being put into a higher level during the drilling in CВM well. Gas drilling was considered to be one of effective methods to develop the coal bed methane and was used commonly on aboard. The selection of gas drilling manner must take into account the suitable, applied mode, later completion method and the economic. The application, characteristics of coal bed and technique mode of gas drilling applied to coal bed methane development on aboard were firstly analyzed, and then the characteristics of coal bed methane and gas drilling technology in China were investigated, finally the feasibility of introducing gas drilling into CMВ development in our country was discussed.

coal bed methane; gas drilling technology; reservoir protection

TE242

A

1000-7393（ 2011 ） 03-0074-04

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“煤層氣氣體鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望”子課題“煤層氣欠平衡鉆井配套技術(shù)”（編號(hào)：2008ZX05036-003）部分內(nèi)容。

申瑞臣，1959年生。主要從事煤層氣鉆井工程技術(shù)及地下儲(chǔ)庫(kù)工程技術(shù)研究工作，教授級(jí)高級(jí)工程師。電話：010-52781886。E-mail：srcdri@cnpc.com.cn 。