河南省煤層氣鉆井技術發(fā)展歷程及展望

張曉昂，劉國衛(wèi)，齊治虎，張留彬*，胡向志，王立峰

（1.河南省地質研究院，河南 鄭州 450016；2.河南豫中地質勘查工程有限公司，河南 鄭州 450016；3.河南省能源鉆井工程技術研究中心，河南 鄭州 450016；4.河南省資源環(huán)境調查二院，河南 洛陽 471023）

0 引言

河南是煤炭資源大省，也是煤層氣資源大省，據(jù)2012年“河南省煤炭資源潛力評價”報告，截至2009年河南全省煤層氣預測資源量10501.19×108m3［1］，河南煤田局作為以煤田勘探為主的地勘單位，總共在河南境內發(fā)現(xiàn)了焦作、平頂山、安陽、鶴壁、義馬、鄭州、永夏等18個煤田和5個含煤區(qū)，先后組織完成了299個井田的資源勘查工作，并最早于20世紀60年代開始對煤層氣勘探評價技術進行研究［2］。近些年來對煤層氣勘探開發(fā)工藝進行了探索和實踐［3］，經(jīng)過不斷的技術創(chuàng)新研究、裝備更新?lián)Q代，促進了煤層氣鉆井業(yè)務的蓬勃發(fā)展。

1 煤層氣鉆井設備

中國煤層氣開發(fā)最早在沁水盆地獲得工業(yè)氣流，并在國家發(fā)改委出臺相關優(yōu)惠政策后，于2005年開始得到了快速發(fā)展。經(jīng)過多年實踐，國內勘探開發(fā)深度從2000 m以淺逐漸拓展到2800 m，開發(fā)井型從直井拓展到定向井、L形井、U形對接水平井、多分支水平井等［4-9］。煤層氣鉆井裝備也從水源鉆機、工程鉆機發(fā)展到車載鉆機、石油鉆機、模塊化鉆機等類型，以及相配套的空壓機、泥漿脈沖和電磁波式無線隨鉆儀器等，滿足不同煤層氣鉆井工藝需求［10-16］。使用的主要煤層氣鉆井設備及性能特點見表1。

表1 煤層氣鉆井設備性能參數(shù)Table 1 Performance parameters table of coalbed methane drilling equipment

2 煤層氣鉆井技術發(fā)展回顧

2.1 煤層氣參數(shù)井及繩索取心工藝［9］

煤層氣參數(shù)井的目的是獲取目的煤儲層參數(shù)，同時也用作煤層氣開發(fā)試驗井，因此對煤層氣參數(shù)井提出了特殊的要求：

（1）終孔一般要下入?139.7 mm生產(chǎn)套管，終孔孔徑215.9 mm；

（2）巖（煤）心直徑≮60 mm；

（3）為減少煤心期初過程中的氣體損失量，要求從割心到提出井口時間＜2 min/100 m。

鑒于以上要求，再加上煤巖脆、易碎、遇水膨脹等特性，常規(guī)的巖心鉆探、石油鉆探均不能滿足取心要求。為此，河南煤田局研制了煤層氣參數(shù)井專用的WH-B型半合管繩索取心鉆具，直接配套?127 mm鉆桿使用，2005年在山西第一口煤層氣參數(shù)井馬壁MB-001井試驗成功，煤層巖心直徑達到68 mm，平均巖心采取率達95%，提升速度＜2 min/100 m，完全滿足煤層氣參數(shù)井要求，效果良好。在全國煤層氣參數(shù)井施工中廣泛推廣應用。

新疆地區(qū)煤層厚度和埋深大，煤層氣參數(shù)井需要對煤層上部、中部、下部分段取心，為實現(xiàn)分段取心且減少提大鉆次數(shù)，研制了取心全面鉆進可變組合式鉆頭［17］，在不提大鉆、不換鉆具的情況下，實現(xiàn)繩索取心和全面鉆進快速切換，縮短了輔助時間，提高了施工效率。2009年在新疆吐哈煤層氣區(qū)塊服務取心井11口，平均巖心采取率90.9%（見表2），由于部分井煤與泥巖互層造成了巖心采取率較低。

表2 新疆吐哈煤層氣井取心情況Table 2 The coring situation of Tuha CBM well in Xinjiang

2.2 煤層氣洞穴井及掏穴工藝

煤層氣洞穴井一種是作為欠平衡水平井或U形連通井的配套井［18］，另外一種是煤層氣生產(chǎn)井的完井方式［19］。針對2種不同用途井型的要求，彭桂湘等研制了噴射式擴孔掏穴器［20］（見圖1），研究制定了掏穴工藝技術措施，煤層掏穴直徑達到500～800 mm，在煤層氣欠平衡水平井和U形連通井組施工中廣泛應用。研究應用了煤層氣井的反循環(huán)空氣動力造穴方法及設備［21］，采用反循環(huán)工藝對煤儲層裂隙進行擴張及清洗，并優(yōu)化放噴煤層氣井段周圍形成洞穴，為碎裂煤、碎粒煤等煤儲層改造提供了較好的方法。

圖1 噴射式擴孔掏穴器Fig.1 Shot-type hole-expander

2.3 煤層氣水平井鉆井工藝

我國煤層氣水平井鉆完井技術經(jīng)歷了多分支水平井、U形對接井技術，到現(xiàn)在經(jīng)濟適用的L形單支水平井技術［4］，河南煤田局在不同時期對多種煤層氣水平井鉆完井技術進行了探索和實踐。2009年，研究了寄生管法煤層氣欠平衡水平鉆井工藝［12，22］，由2根注氣管隨技術套管下至著陸點，通過注氣管注氣實現(xiàn)井底欠平衡（工藝原理及井身結構見圖2）。

圖2 寄生管欠平衡鉆井工藝原理及井身結構示意Fig.2 Underbalanced drilling technology principle of parasitic pipe and structure diagram of cleaning body

該技術在陜西韓城象山煤礦XBSS-01井成功應用（見圖3），完成了2個水平分支（長度分別為378.52、273.89 m），是國內首次將單井寄生管注氣法應用到煤層氣欠平衡水平井鉆井施工，與常規(guī)通過連通井注氣欠平衡鉆井工藝相比可省去1口掏穴井，節(jié)約工程成本。

圖3 2009年寄生管法欠平衡水平井施工現(xiàn)場Fig.3 Construction site of underbalanced horizontal well by parasitic pipe method in 2009

2012年，在山西陽泉首次實踐完成了YQ318“U”形井組［23］，全面掌握了煤層氣U形套管完井施工工藝流程（直井洞穴井完井、水平井鉆進連通、直井掏穴段填砂封井、水平井下套管、固井、水平井壓裂、直井和水平井二次連通）和定向、連通、水平井固井等施工工藝。2014年，完成了一口“L”形動采區(qū)煤層氣試驗井SH14-L-01井，將高抽巷瓦斯技術與煤層氣地面抽采技術相結合，解決出采和回采期間的瓦斯問題，實現(xiàn)煤炭開采前、開采中、開采后煤層氣地面開采利用［13］，取得了日產(chǎn)氣量28000 m3，在沁水地區(qū)進行了推廣應用（見表2）。

表2 部分煤層氣水平井施工工藝及效果Table 2 Construction technology and effect of coalbed methane horizontal well

2016年，利用MZJ-90Y型斜井全液壓動力頭鉆機在山西寺河煤礦完成了SHH05-2（9）煤層氣L形井（見圖4），該井目的層垂深291 m，開孔井斜19°，水平段鉆進2個分支，井深分別為1193.7、1107 m，水平段長分別為787.7、696.0 m，為淺埋煤層氣水平井施工提供了借鑒。

圖4 MZJ-90Y型斜井全液壓動力頭鉆機在SHH05-2（9）井施工現(xiàn)場Fig.4 MZJ-90Y full hydraulic power head drilling rig in Well SHH05-2(9)construction site

2018年，完成了3組地面多分支水平井與礦井下瓦斯抽排鉆孔對接井組，實現(xiàn)地面多分支井增大控制面積、井下集中抽采的目的［24］。該井組由1口井下瓦斯抽采鉆孔和1口地面多分支水平井組成。施工工序為：先在煤礦巷道施工上揚一定角度的井下瓦斯孔，孔口使用鋼制套管固孔，井口連接漿液分離器等井口裝置，用于地面多分支水平井與井下鉆孔對接；然后在地面進行多分支水平井施工，先鉆進分支，最后鉆進主支，主支與井下瓦斯孔對接完成之后下入玻璃鋼篩管，形成穩(wěn)定的供氣通道，通過井下瓦斯井進行瓦斯抽采。該井型不適用于煤層結構復雜地層，容易造成分支井眼坍塌，進而影響抽采效果。表3和圖5分別為其中1口SQN-0501-5井井眼實鉆情況和實鉆軌跡圖。

表3 SQN-0501-5井井眼情況實鉆情況Table 3 Statistical table of actual drilling situation of well SQN-0501-5

圖5 SQN-0501-5井實鉆井眼水平投影Fig.5 Horizontal projection map of well SQN-0501-5

2.4 煤層氣穿采空區(qū)鉆井工藝

沁水盆地隨著3號煤層的開采，逐漸形成了大面積采空區(qū)，對下部煤層的煤層氣開采造成了重要影響，2014年，對如何穿采空區(qū)鉆井施工進行了技術攻關，并在晉城陽城縣潤城鎮(zhèn)成功完成了該地區(qū)第一口煤層氣穿采空區(qū)井——SHCK-01井，后經(jīng)過不斷的實踐和完善形成了氣動潛孔錘穿越采空區(qū)鉆井工藝［25-26］，有效解決了該類型煤層氣井施工技術難題，并在該區(qū)域廣泛推廣應用，至2019年共完成煤層氣穿采空區(qū)井90余口。

2020年，針對沁水盆地地層特點開展了沁水盆地穿采空區(qū)煤層氣水平井施工技術研究和實踐，采用空氣螺桿+EMWD（電磁波無線隨鉆儀）定向穿越采空區(qū)煤層氣水平井鉆井技術成功在晉城寺河煤礦完成一口試驗井。對該類型井施工提供了有益的參考和借鑒［27］。該井采用四開井身結構（見表4），二開鉆進選用了?244 mm、彎度1.5°、扶正器直徑338 mm的空氣螺桿，根據(jù)實際鉆進情況，基本能實現(xiàn)定向穿采空區(qū)鉆進，空氣螺桿鉆進效率約為8.5 m/h（見表5），高于常規(guī)液動螺桿鉆進效率。但也出現(xiàn)一些問題，主要是：空氣螺桿造斜能力不強（見表6）；鉆壓高、扭矩大會影響螺桿工作；空氣鉆進振動大，易出現(xiàn)電磁波無線隨鉆儀震脫、無信號，也易對隨鉆儀器造成損壞。后采用此工藝又在此區(qū)域完成了2口試驗井，施工情況基本與第1口井相似。

表4 井身結構Table 4 Well structure

表5 空氣螺桿實鉆記錄Table 5 Record table of air screw drilling

表6 空氣螺桿實鉆數(shù)據(jù)表Table 6 Air screw drilling data table

3 煤層氣鉆井技術展望

我國煤層氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，處于上升發(fā)展期，但還存在勘探程度低、產(chǎn)氣量爬坡期長、構造煤無適用性開發(fā)技術、沁水盆地等有利區(qū)塊采空壓覆區(qū)逐漸增大等問題。針對煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，秦勇等［28］提出煤系氣開發(fā)概念，論證了建設煤系氣大產(chǎn)業(yè)的可行性，并提出研究發(fā)展適用技術和出臺國家政策2方面的戰(zhàn)略建議；孫欽平等［29］認為高產(chǎn)老區(qū)穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)、低產(chǎn)低效老區(qū)改造、低煤階與構造復雜區(qū)效益開發(fā)、深部及煤系天然氣綜合開發(fā)是未來中國煤層氣產(chǎn)量持續(xù)增長的方向；針對構造煤，桑樹勛等［30］提出水平井造洞穴應力釋放構造煤原位煤層氣開發(fā)技術。未來，煤層氣鉆井技術研究應用要緊緊圍繞煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，一方面針對高產(chǎn)老區(qū)及深部研究適用性煤層氣鉆井技術及裝備，不斷提高施工效率、降低生產(chǎn)成本，另一方面針對構造煤、采空區(qū)及采空壓覆區(qū)創(chuàng)新研究鉆井工藝及機具，解決“卡脖子”問題，促進煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.1 煤層氣鉆井技術方面

3.1.1 精準導向的“一趟鉆”水平井鉆進技術

單支L形水平井是已成為最適用的煤層氣開發(fā)井型，但由于煤層薄、斷層多、起伏大、易坍塌等特點，在施工中易發(fā)生水平段鉆進時偏離目的煤層、起下鉆及劃眼時鉆出新井眼、水平段鉆進時坍塌卡埋鉆、水平段套管下入難度大等問題，不僅影響鉆進效率，而且影響成井質量。因此要研究并推廣應用精準導向的“一趟鉆”技術，一方面加強隨鉆測控技術、近鉆頭磁短接工具、高精度方位伽馬等的研究應用，提高導向的精準度，另一方面研究合適的鉆井液體系、井下動力工具、高效鉆頭等，提高煤層氣水平井鉆井效率和質量。

3.1.2 以氣體為循環(huán)介質的定向鉆井技術

無論煤層氣采空井、采動井及穿采空區(qū)井，面臨的一個問題是采空區(qū)及其上部擾動區(qū)都存在不同程度的漏失，無法采用常規(guī)泥漿循環(huán)鉆進，而以空氣為介質容易產(chǎn)生自燃，目前以氮氣為介質的直井井型已在沁水盆地推廣應用，但成本較高，單井經(jīng)濟效益較差。為提高投入產(chǎn)出比，實現(xiàn)該區(qū)域類型煤層氣開發(fā)，水平井是必然的選擇，但目前氣動定向鉆井技術還不成熟。今后要進一步加強氣動定向鉆井技術研究應用，包括空氣螺桿、自回轉氣動潛孔錘等專用井底動力鉆具，防震、防脫的電磁波無線隨鉆儀器，經(jīng)濟合理的惰性氣體，以及配套的施工參數(shù)等。目前正在開展氣動定向穿越采空區(qū)煤層氣水平井鉆井工藝研究，并完成了3口試驗井，取得了良好效果。

3.1.3 針對構造煤的水平井造洞穴技術

構造煤原位煤層氣地面開發(fā)目前還沒有適用技術，研究針對構造煤煤層氣開發(fā)關鍵鉆井技術也是未來發(fā)展的方向。如桑樹勛等［30］借鑒煤礦采動區(qū)應力釋放煤層氣地面瓦斯抽采技術和直井裸眼洞穴完井技術提出了水平井造洞穴應力釋放構造煤煤層氣開發(fā)技術，并開展了開發(fā)理論和關鍵技術裝備的研究，取得了實質性進展，為構造煤原位煤層氣開發(fā)提供了思路和方向。如何將構造煤儲層大直徑水平井成井、誘導控制造穴技術等關鍵技術轉化為工程實踐也是需要研究和關注的方向。

3.2 煤層氣鉆井設備方面

目前煤層氣鉆井施工主要設備有車載鉆機、模塊化鉆機和石油ZJ20、ZJ30、ZJ40型等鉆機。與石油鉆機相比，車載鉆機、模塊化鉆機的優(yōu)點是機動性好、占用場地面積小、自帶動力頭利于處理復雜工況，但起下鉆必須單根拆卸，造成輔助時間長，比較適用于采空井、采動井、垂深800 m以淺的煤層氣水平井以及場地受局限的井的施工；對垂深超過800 m煤層氣井，建議用石油系列鉆機，可以縮短起下鉆輔助時間。隨著煤層氣開發(fā)逐漸進入更深地層，為進一步提高工作效率，下一步還要加強帶頂驅的石油系列鉆機的配備。另外，建議鉆井設備生產(chǎn)研發(fā)廠家進一步向自動化、智能化、遠程操控等方向發(fā)展，降低一線工人的勞動強度，改變工作模式，優(yōu)化工作環(huán)境，促進鉆井產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。

4 結語

河南地勘隊伍是最早參與煤層氣勘探開發(fā)的隊伍之一，隨著2003年以來煤層氣產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化發(fā)展及需求，研制了繩索取心鉆具、噴射式擴孔掏穴器等專用機具，研究實踐了煤層氣參數(shù)井、洞穴井、水平井、采動井、穿采空井等多種鉆井工藝，獲得了多項技術成果和豐富的實踐經(jīng)驗，形成了覆蓋全面煤層氣開發(fā)井型的鉆井技術體系，有力促進了煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。展望未來，河南地勘隊伍將持續(xù)關注煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，積極引導促進河南地區(qū)煤層氣開發(fā)利用，在煤層氣水平井高效施工技術、精準導向技術、穿采空區(qū)定向鉆井技術、構造煤開發(fā)適用關鍵鉆井技術以及相關鉆井設備等方面持續(xù)開展科技攻關和生產(chǎn)實踐，助推我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。