煤層頂板水平井煤層氣開發(fā)技術(shù)研究

張浩亮

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 山西 晉城 048000

引言

煤炭和煤層氣資源豐富，發(fā)展煤層氣對優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，降低煤礦瓦斯突出風(fēng)險具有重要的現(xiàn)實意義。然而，復(fù)雜的煤炭結(jié)構(gòu)對煤層氣的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力，煤層頂板被反復(fù)擠壓，導(dǎo)致煤破碎并且不出現(xiàn)裂縫[1]。煤層中的甲烷不容易在煤層中解吸和產(chǎn)生，對于煤層氣開采增加了一定的難度。本文采用煤層頂板定向水平井施工的方法，解決了破碎煤層易成孔的難題，為煤層氣的開發(fā)提供指導(dǎo)和建議。

1 目的煤層

某礦的主要煤層為13-1＃煤層。煤的東部較厚，西部較薄，底部較厚，頂部較薄。煤層的平均厚度為4.20m。由于煤層中黏土礦物的多邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的連接較弱，煤層頂部和底部的巖性和力學(xué)性能相差較大，因此煤層易于層間滑動，導(dǎo)致13-1＃煤層產(chǎn)生片狀破壞和剪切破壞。煤層的頂板以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，舊砂巖直接覆蓋。底板主要是泥巖和砂質(zhì)泥巖。

2 井身設(shè)計

根據(jù)煤層氣行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)井眼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，結(jié)合某礦區(qū)的地質(zhì)條件以及巷道分布，并參照相鄰井的巖性柱狀圖，得出13-1＃煤層的頂板主要是砂質(zhì)泥巖和泥巖。對于裂縫性煤層設(shè)計了三口水平井結(jié)構(gòu)[2]。與煤儲層相比，目標(biāo)煤層頂板的水平部分更容易形成孔。后期僅需要對水平段進行射孔和壓裂，即可形成有效的壓裂通道，不僅節(jié)省了射孔的費用，更有利于表層煤層氣的開發(fā)。

首先，使用一個φ444.5mm的鉆頭鉆穿表層土壤，進入穩(wěn)定的基巖后入φ346mm的表層套管；其次，使用φ311.1mm的鉆頭在13-1＃煤頂上方0～5m處進行鉆孔，插入φ244.5mm技術(shù)套管，造斜段設(shè)計全角度變化率不超過7°/30m；三開水平段用φ215.9mm鉆頭鉆，水平截面長857m，入φ139.7mm的生產(chǎn)套管。

3 鉆具組合設(shè)計依據(jù)

根據(jù)天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定向井下鉆具組合設(shè)計要求，結(jié)合定向水平井施工要求和相鄰井?dāng)?shù)據(jù)，了解地層的巖性特征，采用以下定向井水平井。

3.1 施工鉆進

在垂直剖面上，巖性主要是黏土和砂巖。在鉆進施工期間，必須嚴(yán)格控制鉆進時間和位移。為了防止地層塌陷，采用低固體土鉆井液嚴(yán)格控制泥漿密度，黏度等參數(shù)。確保鉆孔順暢[3]。將該井鉆至234m的深度，并在開口完成后立即進行表層套管固井，使水泥返回地面。二開著陸是三開水平鉆井的起點和基礎(chǔ)。如果著陸不平穩(wěn)，將導(dǎo)致一系列后續(xù)的轉(zhuǎn)向和鉆孔問題。為了確保順利著陸，該井通過前導(dǎo)眼確定目標(biāo)煤層深度，頂板巖性，煤層厚度和其他信息。同時，它節(jié)省了鉆井成本。鉆進深698m處下鉆，更換φ215.9mm鉆頭定向鉆進，定孔深度為967m。根據(jù)測井，目標(biāo)煤層13-1＃煤垂直和地質(zhì)測井?dāng)?shù)據(jù)。深度為782m，厚度為4m，屋頂巖性以砂質(zhì)泥巖為主。水泥回填導(dǎo)眼至675m。在678m處開始側(cè)移。施工期間要嚴(yán)格控制鉆井壓力和鉆井時間。鉆進過程中要特別注意回砂。在進行水泥固井后將水泥返至地面[4]。在三開口水平段的鉆井過程中，實時監(jiān)測井下軌跡數(shù)據(jù)，鉆井時間，含氣量等數(shù)據(jù)，結(jié)合測井獲得的巖性以及控制井軌跡與目標(biāo)煤層之間的距離。在鉆井過程中應(yīng)根據(jù)井下條件，在確定一定距離后進行短暫的上升，以修整井壁形成穩(wěn)定的井眼。鉆井后，調(diào)整鉆井液的性能，使井眼完全流通，從井中清除碎屑準(zhǔn)備固井。

3.2 固井措施

在二，三開鉆的后期，摩擦阻力達到了140～180kN?？紤]到套管運行的困難，采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)靴，以保證套管的平穩(wěn)運行。

4 結(jié)束語

通過煤層頂板定向水平井施工方法，解決了煤礦瓦斯突出的難題，避免了因鉆孔，壓裂工程對煤層造成的污染傷害。該井的順利實施，為試驗開煤層氣的技術(shù)打下良好的基礎(chǔ)。