第六章-煤层气钻井完井工艺技术

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1、煤层的钻井完井特点煤层气井钻井完井分类及程序煤层气储层保护技术煤层气固井技术煤层气井绳索取心技术钻井资料及完井报告,第六章 煤层气钻井完井工艺技术,6.1 煤层的钻井完井特点,1、煤层的特性 （1）煤层是双重介质 与常规天然气储层不同，煤即是生气层又是储气层。当钻开煤层后气体从煤层内表面解吸、扩散，通过割理、裂缝流到井内。如果煤层的孔隙和裂隙一旦受到损害，其受损害程度比常规油气层严重的多。,5.1 煤层的钻井完井特点,（2）煤是有很强吸附能力的大分子结构 煤是一种有机质（主要为腐殖型），有机含量大于90%；煤又是双重介质，具有非常大的内表面，因此煤层对煤层气具有较强的吸附能力。当钻井液钻开煤层

2、厚，液体和高分子聚合物也会吸附在煤层上，一方面会诱发煤基质膨胀从而使渗透率受到损害；另一方面聚合物在煤表面的多点吸附而形成胶凝层堵塞煤层的裂缝和割理系统，进而伤害煤层。 （3）煤层的孔隙和割理都很发育 孔隙以吸附并储集气体为主，割理和裂缝主要是甲烷气流的通道。 （4）煤储层普遍压力低，地层破碎，易发生井漏,5.1 煤层的钻井完井特点,大部分地区的煤层压力处于欠压状态，易破碎，因此易发生井漏，造成的煤层损害主要有： （a）当地层压力系数处于低压状态，割理缝宽度大于50m时，会造成有进无出的大漏失。 （b）割理发育的煤层，钻井液的漏失，易产生煤基质膨胀、聚合物多点吸附、固相堵塞、乳化和沉淀等损害形

3、式，导致割理、裂缝和孔隙严重伤害。 （c）由于煤层割理裂隙的存在，使固相和液相侵入太深，返排距离太远，使返排无效。 （5）煤层水的性质 由于煤层开发区煤层埋藏浅、地温低，当煤层压力和温度降低或钻井液与地层水不匹配时，会生成碳酸钙等无机沉淀，对煤层割理、裂缝产生堵塞；,5.1 煤层的钻井完井特点,高矿化度的煤层水可引起进入煤层的钻井液发生盐析； 高pH值的外来液侵入煤层中，与煤中可溶性腐殖酸发生反应，形成沉淀； 甲烷气和低表面张力的外来液发生反应，可促成有机垢的形成，这都会造成煤层伤害。 （6）煤层机械强度低 煤层性脆、易碎、机械强度低，易受压缩，在钻开煤层时，会产生大量煤粉，煤粉会堵塞井筒。

4、（7）压力敏感性对煤层渗透率的影响 孔隙度和渗透率随地层压力的增加而降低，裂隙和割理在高围压下会形成无法恢复的闭合。在过平衡钻井中，钻井液柱压力大于煤层压力，引起渗透率降低，完井后渗透率不能完全恢复。,5.1 煤层的钻井完井特点,2、煤层气钻井完井中常出现的问题 （1）井壁稳定性差，容易发生井下复杂事故 由于煤层气机械强度低，裂缝和割理发育，存在较高剪切应力作用，因而煤层段井壁极不稳定，易发生井壁坍塌、井漏、起下钻遇卡甚至埋掉井眼等复杂事故。 （2）煤层易受污染，保护措施难度大 一方面易受钻井液、完井液和固井水泥浆中固相颗粒的污染，另一方面煤层破碎和高剪切应力造成井眼不稳定。 （3）煤层破碎、

5、含游离气多，取心困难 煤层机械强度低，取心时一般没有完整煤心出筒，而且煤层气井都是选择在含气量较高的地区，割心后，随着取心筒与井口距离的缩短，煤心中气体不断解吸出来，当达到一定程度时将煤心冲出取心筒。,5.1 煤层的钻井完井特点,3、钻井完井过程中对煤储层的潜在伤害 （1）煤强度的影响 由于煤杨氏模量小，泊松比高，天然割理及节理发育，使煤的抗拉、抗压强度比较低。 （2）正压差伤害 在正压差作用下，钻井液中的胶体颗粒和其它细微颗粒被吸附在煤层气的孔隙喉道上，钻井液滤液的侵入又可能发生各种敏感性反应。 （3）固相伤害 钻井液中所含固相颗粒分为粗粒（大于2000 m ）、中粗粒（250-2000 m

6、 ）、细粒（44-250 m ）、微粒（2-44 m ）和胶体颗粒（小于2 m ）。,5.1 煤层的钻井完井特点,钻井液中不同粒径的固体颗粒，特别是其中的微粒和胶体颗粒会沿着煤层的割理和孔隙进入煤层，对煤层气的运移通道产生填充和堵塞。 （4）强亲水伤害 煤层气储层的低孔隙度、低渗透率、强亲水性、大比表面积，造成了高束缚水饱和度。 在储层原始状态下，原始含水饱和度一般低于束缚水饱和度。当使用水基钻井液将煤储层打开时，很强的毛细管作用力使地层强烈吸水，而正压差作用下的渗流则加剧了水侵深度，直到储层吸水达到束缚水饱和度为止。 水量增加形成的水膜将使煤层产生“水锁”，造成永久性伤害。,5.2 煤层气钻

7、井完井分类及程序,1、煤层气钻井分类,采空区钻井：从采空区上方由地面钻井到煤层上方或穿过煤层，也可在采煤之前钻井，采空区顶板因巷道支柱前移而坍塌，产生新的裂缝使瓦斯从井中涌出。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,水平井有两种： 在巷道打的水平轴放瓦斯井； 从地面先打直井再造斜，沿煤层钻水平井（排泄井）。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,垂直井是从地面打直井穿过煤层进行采气，是主要的钻井方式。对直井的分类见表5-1。,表5-1 垂直井分类方法,资料井主要通过钻区域探井取准煤心，进行产能评价；试验井组进行工业性开采评价；监测井用于生产过程的压力监测。,一般井深控制在300-1500m属浅煤层井，

8、埋深大于1500m的为深煤层井。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（一）欠平衡钻井工艺,应用欠平衡钻井，可以减少流体的不匹配性对煤层的损害、避免水锁效应等，是一项有效的储层保护措施。 （1）欠平衡钻井技术适用情况 高渗弱胶结地层； 含有对水基钻井液敏感成分的地层； 可能与滤液极不相容的地层、接近束缚水饱和度的脱水地层。 （2）不适合进行欠平衡钻井的情况 井壁不稳定； 地层孔隙压力不清； 地层压力高、裂隙发育； 同一孔内压力系数差别大的井。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（3）技术优点 减轻地层伤害，提高煤层气产量； 提高钻井效率，降低钻井成本； 及时识别煤层气产层； 可实现边钻边生产；

9、避免井漏，防止或减少压差卡钻； 可进行随钻煤层气评价。 （4）工艺的关键技术 欠平衡钻井设计； 应实时监测作业参数和瓦斯产出量； 欠平衡钻井作业的控制技术； 产出流体的地面处理；,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,测量技术； 根据地层压力确定采用实现欠平衡钻井的方法。 实现欠平衡钻井的主要方法有自然法和人工诱导法。 自然法是当地层压力系数大于1.10时，普通钻井采用降低泥浆比重实现平衡钻进； 人工诱导法是当地层压力系数小于1.10时，常规钻井液无法实现欠平衡钻井施工时，采用可压缩钻井液实现欠平衡钻井。 此外双壁钻杆空气-液体循环钻井和空气潜孔锤钻井工艺都是人工诱导实现的欠平衡钻井技术。 双壁钻

10、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。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（二）空气潜孔锤钻井工艺,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。与常规钻井工艺相比，能大大提高钻井效率，该工艺有以下有利因素： 作用在潜孔钻头切削刃具上的载荷为冲击载荷，接触应力瞬时可达极高值，应力集中，促进岩石裂隙发育； 切削刃具磨损减少； 冲击频率高，有利于岩石破碎；

11、井底干净，最大限度地减少了重复破碎。 （1）空气潜孔锤钻井工艺的特点 钻进效率高；钻进基岩平均钻速可达240m/d。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,设备数量少，易于搬迁，非常适合丘陵地区施工； 对储层伤害小； 有利于岩屑录井； 对环境污染小。 （2）空气潜孔锤钻井工艺的适用范围 该技术的推广使用主要受制于钻井井径及地质、水文条件。 钻井半径 空气潜孔锤钻井工艺携带岩粉的能力主要取决于空气上返速度，钻井外环空间过大时岩粉上返困难，因此空气潜孔锤钻井通常广泛用于井径400mm以下的钻井施工。 地质条件 空气潜孔锤钻井工艺最适宜钻进粗粒而不均匀的地层，在6-9级,5.2 煤层气钻井完井分类及程序

12、,岩石中钻进效果尤为突出。钻进裂缝发育的地层时，往往由于空气漏失，风压下降，钻进速度相对降低。 水文条件 空气潜孔锤钻井时，空气快速上返造成井内液柱压力远小于地层压力，形成抽水现象，如水量大于10m3/h，钻速将大大下降。 钻井深度 钻井深度超过1000m时，由于受风压机风压、风量的限制，岩粉返排困难，空气潜孔锤钻井工艺钻进效率低于常规钻井工艺。 （3）潜孔锤钻井参数的合理确定 钻压 潜孔锤钻井过程中是在钻压、高压气流冲击力、旋转力等3种力,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,的作用下破碎井底岩石，其钻压的主要作用是保证钻头齿能与井底地层紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹作用力，以便有效地传递来自

13、潜孔锤冲击器的反冲击力。 钻压过小，难以克服冲击器工作时的反作用力，直接影响冲击功的有效传递； 钻压过大，将会增大旋转阻力、使钻头早期磨损。 对于潜孔锤全面钻井，一般认为单位直径的压力值为0.30.95 kN/cm，在软中硬地层一般单位面积上的钻压为0.180.56 MPa。 转速 钻头转速的高低主要依冲击器的冲击频率、规格大小以及地层的可钻性有关。一般转速选用20 r/min左右为宜，转速过高会造成钻,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,头先期磨损和钻井机械钻速的降低 。 空气压力 潜孔锤冲击器的冲击频率和冲击力都与空气压力有关，空气压力是决定冲击力大小的决定性因素，因而也是影响机械钻速的主要

14、参数，从国内外大量资料及樊庄区块实钻结果说明，机械钻速的提高和空气压力的提高成正比关系。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,空气压力除满足潜孔锤工作压力外，还应克服井内钻具水眼压力降、环空压力降、潜孔锤压力降等损耗，如果所钻地层含水还要克服水柱静压力才能正常工作，空气压力的计算公式如下：,式中：p为空气压力，MPa；Q2不含水每米钻具内压力降(一般为0.0015MPa/m)；L钻杆柱长度，m；pm钻具内水眼压力损失，大约在0.1 0.3MPa；p1潜孔锤压力降，MPa；p2井内水柱压力，MPa。 从上式可以看出在井眼不出水的条件下，钻井井深也相应增加；而在同样条件下随着注气压力的增大，钻井深度也相应增加。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,空气量 空气钻井中空气消耗量是根据气动潜孔冲击器的性能参数(耗气量)和携带井内环空岩屑的最低上返速度而确定。根据文献资料推荐，钻井过程中为保持井底清洁、携带环空岩屑返出井口，全面钻进时空气循环介质上返速度为2025 m/s，为满足以上条件注入空气量计算一般采用下式：,