煤层气开发的工艺技术

第十一章煤层气的勘探开发技术

煤层气开发的成败，关键在于采取一整套与煤储层物性相适应的钻井、完井、压裂、排采等技术措施。

第一节钻采工艺技术

开采煤层气常用的有三种布井方式，即针对煤层的垂直钻井、水平钻井和针对采空区的钻井。

垂直井是从地面打钻穿过煤层进行采气，是目前主要的钻井方式（图11-1）。这种开采方式产气量大、资源回收率高、机动性强，可形成规模效益。但它要求有利的地形条件、厚度较大、渗透性较好的煤层或煤层群。

水平井有两种：一种是从巷道打的水平抽放瓦斯井；另一种是从地面先打直井再造斜，沿煤层钻水平井（排泄井或称丛式井）（图11-2），在煤层内打若干水平分枝时，又称为分枝水平井或羽状水平井（图11-3）。水平钻井的方向与面割理方向垂直，适于厚度大于1.5m的厚煤层，成本较高。

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（图11-2）采空区。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。如果采空区顶部还有煤层并成为采空区的一部分，瓦斯涌出量更大。产出气体中混有空气，热值降低。由于产出气中含氧高，不宜管道输送，产量下降较快的井宜就地利用。

图11-1 煤层甲烷井类型图图11-2 排泄孔钻井工艺图

一、钻井类型分类

按煤层层数分类：根据一口井开采的煤层层数分为单煤层井

和多煤层井。单煤层井井筒只与一个煤层连通，多煤层井井筒与

多个煤层连通。

根据埋深分类：浅层气井井深大于300m，一般200~300m以

上属甲烷风化带，不利于煤层气保存；深层气井井深大于1500m，

1500m以下煤层埋深大，成本高。

目前煤层气最深的井有2438m。

一般井深为300~1500m。

按井网的位置分类：有边缘井和内部井两种。

图11-3 我国第一口水平井实钻井眼轨迹三维图根据钻井类别分类：有资料井（取心井）、试验井（组）、生产井和检测井四种。资料井主要通过钻区探井取准煤心作含气量等参数测试、试气，并用单项注入法求取煤层渗透率。试验井（组）是通过井（组）降压试采，评价

工业性开采价值。开发过程中以采气为目的的井称生产井。监测井主要用于生产过程中压力监测。

二、钻井工艺

煤层气井类型和钻井工艺的选择取决于煤储层的埋深、厚度、力学强度、压力及地层组合类型、井壁稳定性等地质条件。

1、钻机类型

浅煤层钻井一般采用旋转或冲击钻钻井，用空气、水雾、泡沫液做循环介质，也可以使用轻便自行式液压钻机、顶部驱动钻机和小型车载钻机或普通钻机，宜采用非泥浆体系循环介质。浅煤层区地层压力低，不必采用泥浆控制压力，采用空气钻井，钻速高，基本费用低，在欠平衡和极欠平衡方式下钻进，对地层伤害小，采用空气钻进和泥浆钻进相结合的方法，即先利用空气钻井液直至泥浆贮备池装满采出水，再改用采出的水做钻井液到贮备池排空，如此交替直到完钻。

深煤层区一般采用常规旋转钻机。由于地层压力高，不能采用空气钻井技术。如美国西部含煤盆地的某些层段压力超高，具井喷危险，所以在大多数情况下，采用泥浆系列，利用泥浆密度控制可能发生的水涌和气涌。还可在预测煤层深度范围内，放慢钻速，发现钻井异常立即停钻，上提钻具，用小排量循环；进行煤层取心时，采用低钻、低转速和低泵压。钻厚煤层时，采取每钻进0.3~0.6m上提一次钻具，进行多次循环等措施，及时防止和解决钻井过程中常遇到的煤层坍塌、严重扩径、卡钻和出水。

2、欠平衡钻井技术

在钻井过程中，利用自然条件和人工方法在可控条件下使钻井流体的压力低于要钻地层的压力，在井筒内形成负压。这一钻井过程和工艺叫做欠平衡钻井。欠平衡钻井是继水平井之后又一钻井新技术革命，欠平衡钻井在提高勘探开发水平，降低钻井成本，保护储层等多方面都有其自身的优势，其主要特点如下：

1）减少地层伤害

欠平衡钻井过程中，驱使钻井液中的固相和液相进入产层的正压差消除了，因此，减少了固相和液相侵入产层近井地带造成的地层伤害，从而提高了裸眼测井解释的准确性。欠平衡钻井可以采用气基流体（必要时还可以对气体进行脱水、干燥），使工作液极少失水或不失水而无伤害或低伤害地打开储层。

2）提高钻速

欠平衡钻井井筒液柱压力的降低，使得井底正在被钻的岩石更容易破碎，也有助于减少“压持作用”，使钻头继续切削新岩石而不是碾压已破碎的岩屑，从而提高了机械钻速。

3）延长钻头寿命

欠平衡钻井时，消除了过平衡钻井时的井底压力效应，降低了井底岩石的强度，并有利于井底清洗，理所当然地提高了钻井效率，在钻头达到临界磨损之前，钻井进尺更多。

4）避免井漏

井漏可能大大增加钻井工程的成本，若钻井液漏进储层裂缝就增加了额外的钻井液成本，同时堵漏费工、费钱，且漏失的钻井液会造成严重的地层伤害。欠平衡钻井可以减小或避免井漏问题，对于复杂地质条件下的储层，漏、喷、塌、卡均可能同时发生，欠平衡钻井技术是对付这类储层的有效技术。

5）减少压差卡钻

常规钻井中，在过平衡压差的驱动下，在井壁上，滤液进入高渗地层，而固相颗粒则形成了滤饼。若钻柱嵌入泥饼，井筒与泥饼内液体的压差作用，使钻柱要运动的轴向力可能超过其抗拉强度，造成压差卡钻。而欠平衡钻井时，井壁上没有泥饼和压差力“粘住”钻柱。

6）改善地层评价

欠平衡钻井可以改善对产层的评价，甚至可以发现产层而常规钻井时可能被错过。欠平衡钻井时，地层流体从裸眼井段的地层进入井筒，只要所钻地层具有一定的驱动力和渗透性，钻井液中的气含量会增大并随钻井液到达地面。在钻井时，用适当的测井工具和钻井记录，就能指示产层的潜在能力。

煤层气钻井的另一个重要特点是要求在每口井的最低开采层段以下打一个大的“井底口袋”，“井底口袋”直

径约为20cm，深度一般在30~60m之间，用于安置人工举升设备，加速排水，降低井底压力至煤层吸附气解析产出的临界点。此处便于聚集回流到井筒中的煤粉等碎屑物质。

三、完井

煤层气井完井有三种基本方式，即裸眼完井、套

管完井、混合完井（或称裸眼/套管完井，图11-4）。

此外，还有针对深部低渗煤层的水平排孔衬管完井。

图11-4 煤层甲烷井完井类型图

1、裸眼完井

裸眼完井是钻到煤层上方地层，下套管固井，再钻开生产层段的煤层，产气煤层保持裸眼（图11-4），这种完井方式是煤层气井中费用最低的一种。但增产作业时，井控条件降低，煤层坍塌会导致事故。此种完井方式一般用于单煤层井。

裸眼完井早期煤层段直接采用裸眼或砾石充填或筛管，现发展为裸眼洞穴完井，即人为地在裸眼段煤层部分造成一个大洞穴。此种方式适用于高压高渗地层，缺点是井眼稳定性差，风险性比套管完井大。其优点是：1）消除了钻井污染和水泥对煤层的侵入；2）造成的大洞穴使洞穴直径5倍左右的地应力降低，扩大了煤层的暴露面积，提高了自然裂隙的渗透率；4）节约部分下套管和固井费用，免去了射孔或割缝作业。其缺点是：1）易出现地层坍塌，井筒极度充填；2）隔离地层控制困难；3）不易解决生产井段地层出水问题；4）风险性大，后期井筒维护及修井作业费用难以预测。

2、套管完井

套管完井是对煤层上方地层和产气煤层均下套管，然后在产气煤层处射孔或割缝（图11-4）的一种完井方式。其优点是1）保持井筒稳定性，减少了修井作业和管理费用；2）利于隔离煤层，允许对多煤层进行选择性完井；3）确保强化生产时对气井的控制；4）解决了生产井段的出水问题，降低了煤粉的产量。其缺点是：1）注水泥作业时，由煤压裂引起水泥侵入会造成煤层污染；2）由于强化期间煤粉的磨蚀或由于生产过程中套管外围煤粉的运动，造成地层进入点（射孔或割缝）的堵塞；3）增加了套管和固井费用；4）需要射孔或割缝作业。目前正在使用一种特殊的工艺，即在注水泥时，当水泥达到生产层时，封隔器将水泥挤入井内，然后，在非生产层处又将水泥挤到套管以外。这种方法使水泥不和煤层接触，避免水泥渗人煤层。套管尺寸须适应生产井气、水产量的需要，根据预测气、水产出量，选用抽水设备，再决定套管尺寸。

3、混合完井

混合完井即裸眼完井与套管完井方式在同一口井中使用。依地层条件而定，一般用于多煤层，最深部煤层采用裸眼完井，上部煤层均采用套管完井。该方法综合了裸眼完井与套管完井的特点，保证有一煤层不受水泥污染，且减少部分套管、水泥和射孔或割缝费用。

4、水平排孔衬管完井

水平排孔衬管完井适用于深层低渗厚煤层，一般适用于厚1.52m以上的煤层。其优点是能够提供与煤层的最大接触面积，尤其是各向异性煤层，有利于提高产量，促进煤层气解吸采出，提高总脱附气量和采收率。缺点是在钻井完井过程中易发生裂隙系统堵塞、闭合等现象，伤害煤层渗透率。

第二节煤层气的开采技术

一、地面排水降压开发煤层气

1、洗井

洗井是在完井之后或在压裂前进行。目的是清洗完井后留在井筒的各种碎屑物，如煤粉、泥岩和页岩等岩屑、残留水泥等，以避免这些碎屑物对地层造成的伤害。

洗井方法包括清水洗井和高速气流洗井。清水洗井分正洗与反洗。高速气流洗井通常用空气或氮气，也有正洗与反洗之分。

2、排水采气工艺技术

煤层气排水采气要求：①排液速度快，不怕井间干扰；②降低井底流压，排水设备的吸液口一般都要求下到煤层以下；③要求有可靠的防煤屑、煤粉危害的措施。

目前开采煤层气排水的方法有：游梁式有杆泵、电潜泵、螺杆泵、气举、水力喷射泵、泡沫法、优选管柱法等。

1）有杆泵

有杆泵在各种深度和排量下都能有效工作，适应性强，操作简单，几乎不需保养。它需要天然气发动机或电动机作动力，来带动抽油机驱动的活塞泵抽水，水由油管排出，气靠自身能量由油套环形空间排出井筒。如果气压很低，进不了集输流程，就要考虑用真空泵和压缩机来抽吸和增压输送。

2）电潜泵排水采气

它需要有高压电源供电至井下电动机，由井下电动机带动井下离心泵，将煤层水抽入油管而排至地面。甲烷气也是靠自身能量由油套环形空间排出井筒。

3）气举排水采气

可分为气举凡尔法和柱塞法。气举凡尔法是用高压气源向井内注气，以气混水将井内的水及甲烷排出井筒至地面。气举管柱有单管（开式、半闭式、封闭式）、双管并列式、双管同心式三种结构。柱塞气举需要靠气井自身能量，亦可靠注入气补充能量来推举油管内的柱塞，将柱塞以上的液体排到地面。

4）螺杆泵排水采气

按驱动方法分为地面驱动和井下驱动。地面驱动螺杆泵需要电动机来转动抽液杆，从而使螺杆泵工作，将井内液体排到地面，而甲烷气由油套环形空间排出井筒。

5）水力喷射泵排水采气

它需要有高压大排量泵向井内注入清水循环，经过喷嘴产生抽汲作用，将地层流体混入清水而带至地面。

6）优选管柱排水采气

根据气井产气能力，利用储层自身能量，优选合适的排水采气油管直径，使气流速度达到带水的要求。

3、煤层气开发地面设备

煤层气井一般是在较低的井底压力条件下采气。在完成人工举升排水之后，还需要一整套地面设备，包括气、水分离设备和集气增压设施等。

从井中采出的气体到达地面后，压力一般不足1.5大气压，需要采取低压采集、脱水、高压输送方式才能将气体送到用户。

低压采集系统一般包括一个脱水分离器，一个压力控制器，一个水蒸气分离器，一个装有标准压力补偿器的涡轮流量计，一个泄压安全阀（图11-5）。该系统将低压气体输送到中央增压压缩站，将压力增至2.0~3.4MPa（图11-6）。被压缩的气体经过脱水器后，气体中的蒸气含量降低，

获得的干燥气体通过输气管线供给用户。

美国煤层气田使用的压缩机主要有两种：一种是

旋转式压缩机，另一种是三级往复式压缩机。旋转式

压缩机利用螺旋叶片在管线中旋转、压缩和推进气体。

其优点是体积小，操作保养简单，压缩气量大；缺点

是压缩压力较低，压力脉动范围较窄。往复式压缩机

由一个活塞和一个气缸组成，优点是压缩压力高，压力脉动范围大，能适应压能波动。黑勇士盆地采用这

种压缩机应用效果良好。图11-5 低压采气系统图在美国的黑勇士和圣胡安盆地一般以20口井为一组，配备一

套地面加压设备和相应的管路，用以供气。

随着美国煤层气开发活动的不断扩大，煤层吸附气产量不断

提高，煤层气开采配套技术更加迅速得到发展和完善，煤层气井

开始实现遥控和连片自动化操作运行。

1987年以来，美国Burlington资源公司的子公司——Meridian

石油公司一直致力于圣胡安盆地的煤层吸附气开采自动化，并取

得了重大成果。

这套生产自动化系统由遥控器、中继线系统、计算机监控三

大部分组成。遥控器具有遥控、数据采集、综合、计算、报警和

通迅等功能。中继线系统起通讯作用，

可为多个用户提供作用。通过中继线系统，可提供生产井和地面

气水处理装置的大量信息和需要实时修正的作业参数。计算机监

控包括一台主操作计算机，一套应用软件和个人计算机兼容工作11-6 气体压缩站图

站。主操作计算机是现场自动化系统的数据采集与处理中心，提供报告，观察各个井场，利用键盘向各个遥控操作器发出指令等等。煤层气井实现生产自动化的优点很多，特别是在高台深谷、气候恶劣的圣胡安盆地更显示出优越性，能大大节省人力、物力、财力，改善井的管理条件和质量等等。然而最令人感兴趣的是，它可以对天然气生产系统的任何故障作出判断，并迅速作出反应，如：一旦集输系统压力增大，遥控器通过接收压力传感器检测到这一情况后，立即自动从控制该井流量变换到控制集输系统的压力，这对于煤层气井正常生产极为重要，可保护集输系统免于突然燃烧。据测算，由于处理不及时引发的突然燃烧的天然气量每小时可高达1万美元，而实施了这种自动化系统消除了气体的突然燃烧。

4、排水采气方法的优化选择

为了使煤层气开采获得较高的经济效益，应根据区域水文地质条件，预测产水量，然后优化选择排水采气方法及其设备。选择要求：①气井的产水量变化大，早期会产出大量的水，往后产水量相对减少，甚至很小，所选用的排水采气方法应兼顾前后期变化，适用范围较大；②必须满足在最小井底压力下采出最大水量的要求，以保证在尽可能短的时间里，将储层压力降到解吸压力以下，使气井尽早产气；③提高采收率，降低煤层气生产成本。

5、无水产气方法

无水气井一般井口压力较低，属无水低压气井。一般表现为甲烷气产量下降的生产阶

段，可以用无水气藏消耗式开采方法来开采。

井口压力大于0.5MPa时，可用常规气藏开采法；井口压力小于0.5MPa时，用负压采气工艺技术。负压采气工艺技术要求的技术界限见表11-1。

负压采气工艺要求主要设备有罗茨鼓风机、水环式真空泵、压力封式储气罐、压缩机等，且要求有简易井口装置。

负压采气工艺流程有单井流程（图11-7）、抽放站流程（图11-8）。

表11-1 负压采气工艺技术界限表

6、采出水处理与环境保护

从环境保护角度出发，为减少大气污染和农田受害，煤层气生产过程中，必须考虑采出水的处理问题。鉴于地区不同，地下水化学成分各异，产出水的含盐量或其他固相成分各不相同，产水量变化也很大，故采取的处理方法

亦各不相同。目前比较普遍采用的处理方法有三种：地面排放、地面蒸发和回注地下。

1）地面排放

美国亚拉巴马州环境管理部门规定，产出水中的总矿化度低于2000mg/L 可采取这种方法。将产出水排入大坑渗入地下，或排入附近的河流、用于粮田灌溉和畜牧业生产。但是排放期间必须进行连续监测，保证所含污物低于环保部门规定的标准。一旦发现超过了排放标准，立即关井和采取其他处理方法，以保证河水、良田或牲畜不受伤害。

图11-7负压采气单井流程流程图 图11-8负压采气抽放站工艺流程图

2）地面蒸发

利用蒸发池处理产出水，蒸发池尺寸设计要适应各个季节蒸发量的变化。一般的蒸发池面积为4000~8000m 2，常年保持每天16~160m 3水的蒸发能力。采用蒸发方法很可能对周围环境产生一定的破坏，如硫化氢污染、渗漏等，但可通过防渗材料、生物处理和进行监测等方式加以解决。若水中溶解的固体物质总量超过5000mg ／L ，或蒸发池底与最近的地下水源之间的非渗透层厚度小于15.24m 时，造蒸发池要征得当地环保和土地管理部门的允许。

3）回注地下

该方法是在地面排放和蒸发两种方法均行不通或老井可利用率较高时采取的一种选择。用注水井将产出水重新回注地下，回注地层一般以砂岩为好，因为它具有良好的适于回注的特点。为节省费用，一般每20~30口井排出的水用同一口注水井回注地下。用聚氯乙烯管线做输水管，连接各个煤层气井，将产出水集中回注。

水是一种非常宝贵的资源，随着煤层吸附气气田的开发，采出水的处理也是一个很重要的经济技术问题，日益引起人们的重视。美国除采取以上三种处理方法外，还在研究开发新的水净化和过滤技术，旨在经济开采煤层吸附气的同时，利用好采出水这一宝贵资源，同时对环境又不造成任何伤害，一举数得。

二、ECBM 技术

ECBM 技术主要有两种方法：即1）注入增加CO 2提高煤层气产能的技术，称之为CO 2-ECBM ；2）注入N 2降低CH 4分压。CO 2-ECBM 不仅可以提高煤层气的采收率，而且还可以封存温室气体CO 2。

由于从废气中分离CO 2的成本较高，且注入CO 2在后期采煤过程中会造成二次污染。因此，纯CO 2-ECBM 的商业化较为困难。但是在薄煤层地区或名胜古迹、风景旅游区，即煤炭资源限制开采地区有一定的应用前景。

作为N 2和CO 2为主要成分的烟道气可作为注入气来降低成本。N 2不象那样CO 2强吸附于煤的内表面，可穿透煤层而随CH 4一起从生产井中采出。但增加了后期的处理费用，相对于纯N 2而言，烟道气中N 2穿透煤层的速度相对较慢，而且CO 2与一起可较大幅度提高煤层气的产能。

实行烟道气注入提高煤层气的产能应要要满足：1）丰富的煤层气资源，这是实施技术的首要条件；2）廉价且充足的CO 2供应能力，是保证该技术实施的基础；3）煤层气的市场潜力；4）政府对温室气体排放的态度；5）项目的经济性。

三、煤储层压裂技术

煤储层压裂技术是目前煤层气开发普遍采用的增产措施。这是因为人工压裂形成的诱导裂缝降低或消除了煤层的近井眼伤害，强化了煤层中的天然裂隙网络，扩大了有效“井眼半径”和煤层气解吸渗流面积，加强了井眼稳定性，在井眼周围形成了有效的煤层气渗流通道，有效地提高了煤层气井的产能。

压裂措施最关键的技术就是破裂压力和瞬时关井压力的设计。破裂压力，又称为裂缝延伸压力，即延伸一条已经存在的裂隙所需的压力，一般高于闭合压力（开启一条裂缝所需的流体压力，该压力与垂直裂缝壁面的应力大小相等，方向相反。这一应力对应于原位应力中的最小主应力）。瞬时关井压力指水力压裂停泵时刻压力。对于低渗煤储层来说，瞬时关井压力接近于闭合压力。

煤的力学性质决定了其在压裂时易形成短而宽的复杂裂缝。常见的压裂裂缝有：1）水平裂缝，在煤储层埋藏较浅，最小主应力为垂向应力时形成的；2）“T”裂缝，对于单一煤储层，压裂裂缝将局限于煤层内，可形成顶部为水平裂缝，中下部为垂直裂缝的复杂裂缝系统，对于多层薄煤层，可开成一组垂直的压裂裂缝；3）延入围岩的裂缝，在对厚煤层压裂时，压裂后期，垂直裂缝将向围岩延伸。因此，在进行压裂设计时要考虑钻井、测井、完井、原地地应力、压裂液、支撑剂等方面的资料，以求作出最佳设计。

第三节煤层气（瓦斯）抽放方法

一、本煤层抽放

利用钻孔抽放本层煤层气方法在中国煤矿中得到普遍应用。对于单一煤层，可以在工作面顺槽布置钻场，向煤层打平行孔或扇形孔（图11-9）。这种方法钻孔速度快，费用低。但煤层气抽出率一般只能达到20％左右。一般来说，采用大直径平行长孔可提高抽出率，即将钻孔直径加大到300mm，钻孔长度达到工作面长度的70%～90％。

对于倾斜特厚煤层或近距离煤层群，可采用穿层钻孔预抽煤层气（图11-10），钻场可设在底板岩巷内，可抽放时间较长。由于钻孔穿透各煤层，煤层气可沿层及裂缝流向钻孔，抽出率一般高于沿层钻孔。

中国评价本层抽放难易程度采用两个指标，即百米钻孔自然涌出量和煤层透气性系数（表11-2）。

表11-2 本煤层抽放难易程度评价

<0.10

图11-9 淮南谢二矿顺层钻孔布置图11-10 抚顺煤矿穿层钻孔布置

二、邻近层煤层气抽放

煤层开采后，其上部或下部煤层和岩层会产生变形或断裂并出现卸压（图11-11）。在其影响范围内的煤层、岩层中的煤层气将会通过这些裂隙泄出。为了防止这部分煤层气涌入开采煤层的工作面，就需要随着工作面回采抽放邻近层煤层气。

三、采空区煤层气抽放

采空区煤层气涌出量一般占矿井煤层气总涌出量的25%~30％，少数矿井高达40%~50％。为了减少采空区煤层气涌入矿井通风巷道和利用能源，许多矿井进行了采空区抽放。抚顺矿区从20世纪50年代开始采空区抽放，40

年来共抽出采空区煤层气约6亿m 3，占抽放总量的18.5％。

采空区煤层气一般聚集在冒落空洞的上方。因此，最好从回风巷向冒落拱上方打钻孔（图11-12），抽出的煤层气浓度可高达60~80％，抽出量可达3~4m 3／min 。

图 11-11 煤层开采时对上覆岩层的影响图

图11-12 阳泉四矿邻近层抽放钻孔布置 1—冒落带；2—裂隙带；3—弯曲下沉带

1—运输巷；2—回风巷；3—回风副巷；4—钻孔

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