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