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1、晋城职业技术学院矿业工程系学生毕业论文晋城职业技术学院矿业工程系毕业设计煤层气的钻井系 别 矿业工程系 指导老师 梁逸群 学生姓名 王珂 专业班级 12煤1班 答辩时间 成 绩 摘要煤层气又称煤层甲烷或煤矿瓦斯，是一种以吸附状态赋存于每层中的非常规天然气，甲烷含量大于90%，凭借良好的环保效益、经济效益和社会效益，是天然气最现实的接替能源。因此，煤层气的勘探开发已在国际上引起广泛关注。我国煤层气资源储备十分丰富，但目前我国煤层气的勘探开发尚处于起步阶段。通过多年的攻关研究和实验，我国煤层气开采企业已经形成并掌握了一整套适合煤层气的钻井工艺技术。本文就国内外煤层气勘探与开发的现状，系统地分析了目
2、前我国用于煤层气开发的钻井设备与钻井技术，介绍了部分钻井工艺。关键词：煤层气，钻井，钻井技术，完井技术。目 录晋城职业技术学院毕业论文1.世界煤层气资源分布12.国外煤层气开发利用现状及技术理论12.1国外煤层气开发利用现状12.1.1美国12.1.2加拿大22.1.3澳大利亚22.1.4俄罗斯32.2国外煤层气勘探开发、利用的理论与技术42.2.1勘探开发理论42.2.2煤层气开发技术43.国内煤层气开发利用现状及主要技术分类53.1国内煤层气资源分布情况53.2国内煤层气开发利用现状74.煤层气钻井完井技术浅谈74.1煤层气井钻井完井的特殊性84.2煤层气井钻井技术94.2.1煤层造穴技术
3、94.2.2井眼轨迹控制技术94.2.3水平井与洞穴井连通技术104.2.4多分支水平井技术104.2.5充气欠平衡钻井技术104.2.6煤层绳索取心技术114.2.7煤层气防塌技术114.2.8煤储层保护技术114.3煤层气井完井技术124.3.1煤层气固井储层保护技术124.3.2防腐蚀固井技术13结 论14参考文献15晋城职业技术学院毕业论文1.世界煤层气资源分布我国是世界第一煤炭生产大国，同时我国的煤层气资源也十分丰富。根据国际能源署（IEA）的统计资料和我过煤层气资源评价结果，全球煤层气资源量可能超过260，90%分布在12个主要产煤国，其中俄罗斯，加拿大、中国、美国和澳大利亚的煤层
4、气资源量均超过10。经评价测定，我国在深埋300-2000m范围内煤层气资源量为31.46，与我国陆上天然气资源量相当，位居世界第三位。因此，如何更好地研究煤层气开采钻井应用技术，对于促进我国能源转型，提高我国整体资源运用效率和环保质量均有重要的意义。2.国外煤层气开发利用现状及技术理论2.1国外煤层气开发利用现状美国、加拿大和澳大利亚等国煤层气勘探开发比较活跃，其中美国是世界上煤层气商业化开发最为成功、产量最高的国家。2.1.1美国美国煤层气总资源量21万亿。全美含煤盆地大约有17个,已有13个进行了资源评价。按照地质理论，这13个盆地可分为东部大盆地和西部大盆地两类。西部大盆地拥有美国煤层
5、气资源的70%以上。东部大盆地的煤层气主要分布在上石炭统宾夕法尼亚系的多层薄煤层中，煤层稳定，埋藏较浅，以高挥发分烟煤为主，煤层呈常压或低压状态，煤层气含量和煤层渗透率均较高，以黑劳士盆地为代表；西部大盆地的煤层气主要分布在白垩系早第三系煤层中，煤层厚度较大，但变化大，煤阶较低，埋深几百至三千米以上，煤层气含量较高，煤层渗透率高，煤层压力从低压到超压，以圣胡安盆地为代表。美国煤层气工业起步于20世纪70年代，在80年代初，美国通过采煤前预抽和采空区井抽放回收煤层气，并开始进行地面开采煤层气试验，1997年其产量达320亿立方米，基本形成产业化规模。美国利用地面钻孔水力压裂开采煤层气技术和煤层气
6、回收增强技术。2004年美国煤层气年产量达500亿立方米，成为重要的能源。美国煤层气开发迅速取得成功,主要原因有以下两方面：一是具有良好的煤层气地质资源条件和完善的基础设施；二是煤层气开发初期政府的宏观调控政策特别是卓有成效的财政支持、政策法规鼓励和开放的市场,使美国率先取得煤层气商业开发的成功（司光耀，2009）。2.1.2加拿大加拿大煤层气资源很丰富，加拿大17个盆地和含煤区煤层气资源量为（17.976），其中，阿尔伯达省是加拿大最主要的煤层气资源区。据阿尔伯达地质调查估计,阿尔伯达地下煤层拥有煤层气154000亿，最终可回收量为21000亿。因为加拿大西部地区煤层气开发有巨大潜力，所以加
7、拿大煤层气勘探开发工作主要集中在西部。西部的艾伯特省及大不列颠哥伦比亚省的丘陵地区，煤层厚度大且含气量高。且近几年，由于以下原因，加拿大的煤层气开发得到了长足发展：（1）政府大力支持煤层气的发展；（2）加拿大主要是低变质煤,多分支水平羽状井,连续油管压裂等技术的成功应用降低了煤层气开采成本；（3）北美地区常规天然气储量和产量下降,供应形势日趋紧张,天然气价格日益上升,给煤层气的发展带来了机遇。仅2003年，加拿大新增1000口煤层气生产井，2004年又钻井1500口，现煤层气生产量总计约1012215133亿/a。2.1.3澳大利亚澳大利亚煤炭资源量为1.7t，煤层平均含气量为0.816.8/
8、t，煤层埋深普遍小于1000m，渗透率多在110mD，煤层气资源量为（814），主要分布在东部悉尼、鲍恩、莫尔顿苏拉特和加里里4个含煤盆地：鲍恩盆地该区煤层渗透率低和水平应力高，估算的煤层气资源量为4。悉尼盆地最大煤层气潜在地区，位于悉尼城市边区，煤层气资源量约为4。加里里盆地二叠纪至第三纪盆地,面积14万，盆地内煤层较薄和不连续。根据钻井获得数据，煤层渗透率虽然比鲍恩盆地高，但甲烷含量比鲍恩盆地低。莫尔顿苏拉特盆地侏罗与白垩纪盆地，面积30万，含有厚的和不连续煤层，但具有煤层气潜力。目前澳大利亚煤层气开发和试验工作主要在新南威尔士州和昆士兰州。澳大利亚煤层气的勘探始于1976年。20世纪末，
9、充分吸收美国煤层气资源评价和勘探、测试方面的成功经验，针对本国煤层含气量高、含水饱和度变化大、原地应力高等地质特点，成功开发和应用水平井高压水射流改造技术，使鲍恩盆地煤层气勘探开发取得了重大突破。澳大利亚的一些矿井已广泛应用水平钻孔、斜交钻孔和地面采空区垂直钻孔抽放技术。1998年澳大利亚煤层气产量只有0.56，而到2006年底就达到18，现已进入商业化开发阶段。2.1.4俄罗斯俄罗斯煤层气资源量占世界第一位，为17113。俄煤田正尝试对煤层气进行回收利用以减小由甲烷引起的温室效应。俄专家认为，利用煤层气发电有广阔前景，所产生的电能可用于煤矿生产或向外供应。除了发电，从煤矿抽出的煤层气在去掉煤
10、颗粒和水分并提高浓度之后，还可用于工业生产或居民采暖,也可用作汽车燃料。俄专家认为，对煤层气的利用有助于开拓新的煤业发展方向,增加就业岗位并提高煤业经济潜力。由于煤层气燃烧比煤燃烧产生的二氧化碳少，用其部分替代煤炭进行采暖和发电，不会产生太大的温室效应。因而除了能够改善地区生态环境外，还可减缓全球气候变暖的趋势。据媒体报道在俄已加入京都议定书的条件下，俄各煤矿今后将会更加重视使用煤层气的回收技术，以控制本国温室气体的排放。德国、英国、波兰、印度、等国家也在进行煤层气资源的评价和勘探，但到目前为止，除美国、澳大利亚和加拿大等国之外，其他国家都还没有形成大规模的商业化开发。造成这种局面的原因可能有
11、三点：一是煤层气作为一种非常规天然气，其前期工作需要大量的资金投入，如果没有优惠的税收政策支持，很难吸引资金；二是未能彻底解决各自存在的关键技术问题；三是运作时间长。由于煤层气本身的特殊性，从地质评价到工业开采一般需要相当长的时间，大量投资在短期内难以得到回报。2.2国外煤层气勘探开发、利用的理论与技术2.2.1勘探开发理论20世纪80年代初，美国通过对含煤盆地群煤层气成藏条件研究探索，取得了煤层气“排水降压解吸扩散渗流”产出过程的认识突破。并以此为依据，经过理论研究与勘探开发实践的多轮相互反馈，提出了北美西部落基山造山带高产走廊的煤层气成藏模式，形成了以煤储层双孔隙导流、中煤阶煤生储优势与成
12、藏优势、低渗极限与高煤阶煤产气缺陷、多井干扰、煤储层数值模拟等为核心的煤层气勘探开发理论体系。90年代后，美国又提出“生物型或次生煤层气成藏”理论（Scott，1993），实现了自身煤层气地质理论突破。目前国外煤层气理论研究和勘探取得的认识，主要有以下几个方面：一是利用有机地球化学手段（主要是同位素研究），同一盆地不同部位，有时是一种成因占主导地位，有时是两种成因共存，有时甚至是三种成因混合。二是受岩浆岩影响的煤储层具典型的微孔结构和裂隙，且生气量大，含气量高，甲烷浓度也高达95%。三是褐煤和低煤化烟煤的煤层气勘探开发深度已突破1500m。四是开展了地质构造对煤储层割理、煤层气含量以及煤层气、
13、水产能影响的研究。五是运用核磁共振技术（GMI）研究甲烷气体分子在煤孔隙中的流动。六是储层测试分析和数值模拟技术日趋完善。发明了瞬变流法甲烷扩散系数测试技术，开展了煤储层渗透率与压应力、孔隙压力关系实验，修正了相对渗透率实验，尤其是广泛开展了同相多组分（二氧化碳、甲烷、氮气）定成分膨胀或定体积压缩吸附/解吸实验，讨论了二氧化碳、氮气不同注入速度和不同注入期对甲烷生产的影响，并在煤层气排采试验中进行了大量应用。在数值模拟方面发展了平衡吸附模型和非平衡吸附模型，开发了煤层气产能模拟新的模型和软件。2.2.2煤层气开发技术煤层气开发技术主要包括压裂开采技术、裸眼洞穴完井开采技术、羽状分支水平井开发技
14、术等。压裂技术是煤层气开发过程中的关键技术。其重要性在于对产层进行改造，以提高生产层的产量。目前国外针对不同储层采用的压裂技术主要有交联凝胶压裂、加砂水力压裂、不加砂水力压裂和氮气泡沫压裂，各项技术均已过关。此外，在生产实践中采用了多次压裂。煤层气井裸眼洞穴完井技术起源于美国西部圣胡安盆地煤层气开发，该技术就是在裸眼完井后，人为地在裸眼段煤层部位多次注空气或泡沫憋压放喷使煤层崩落，形成一个稳定的大洞穴，同时消除可能已发生的地层损害，且在井眼周围形成很大面积的含有大量张性裂缝的卸载区，提高井筒周围割理系统的渗透性，使井眼与地层之间实现有效连通而达到增产的目的。该技术仅适用于含水和高渗透率煤层，对
15、含水极少或不含水的煤层实施洞穴完井将堵塞裂隙孔道，降低渗透率，对煤层的伤害污染很大。煤层气定向羽状分支水平井技术是由美国CDX国际公司开发的，它是指在一个主水平井眼的两侧钻出多个分支井眼作为泄气通道。在煤层内钻羽状分支水平井，每个羽状分支井由1口分支水平井，1口洞穴排采直井组成，水平井主水平井眼长1500m以上，主水平井眼两侧钻814个分支，分支井眼长200800m。每个羽状井组由4个多分支水平井组成，总进尺3.2m，一个井组控制4.8（相当于16口直井的开采面积）。该项技术主要适用于中、高煤阶低渗透含煤区，通过增加煤层裸露面积，沟通天然割理、裂隙，提高单井产量和采收率，解决低渗区单井产量低、经济效益差的问题：高含气薄煤层也可采用这一技术。此外，还有沿煤层钻井和一体化抽采技术、注氮气、二氧化碳增产技术、试井技术、排采技术、煤层
