煤层气开采技术：煤层气井钻井技术

煤层气井的钻井设计要因地制宜，既要考虑地层条件，又要考虑储层条件，要求保证井壁稳定性的同时，避免储层伤害。

（1）充气欠平衡钻井技术

适合煤储层的钻井液体系主要有充气钻井液、泡沫流体、地层水和空气4种。充气欠平衡钻井技术是煤层气开发的一种先进技术，在国外已广泛地应用于油气勘探和开发领域，美国90%以上的煤层气井都是采用欠平衡技术，我国欠平衡钻井在煤层气行业的研究和应用起步较晚。目前，我们将这项技术应用在连通水平分支井的施工中，在煤层气钻井中采取向连通的直井内注气的方法，来实现欠平衡钻进。

充气钻井液是将气体注入钻井液内形成以气体为离散相，液体为连续相的充气钻井液体系，由于泥浆中充气，减小了当量密度，从而降低了液柱对井底的压力，在井底形成负压差从而实现了欠平衡钻井。充气钻井适合于地层压力系数为0.7～1.0g／cm3之间的储层，而且不受地层大量出水的影响。煤层气多分支水平井常用的注气方法为洞穴井井筒注气法和油管注气法。洞穴井井筒注气法工艺简单，成本低，适用于浅层煤层气的开发。

欠平衡钻井的技术优点是钻井效率高、施工周期短，一般完井只需3～5d，而水基钻井液一般需要15～20d；钻井工程成本低，可节省20%的费用；对煤层伤害小，大约是泥浆钻井技术的10%。

（2）井眼轨迹控制技术

煤层气多分支水平井定向控制的主要参数包括井斜角、方位角和垂深。为了很好地将井眼轨迹控制在煤层中，采用地质导向技术进行井眼轨迹实时监测与控制。首先利用前期地震的资料建立区块的地质模型，然后利用随钻监测到的储层伽玛、电阻率参数来修正地质模型并调整井眼轨迹。另外，定向工程师可以结合综合录井仪实时监测到的钻时和泥浆返出的岩屑，判断钻头是否穿出煤层。

（3）煤层造穴技术

为了易于实现水平井与洞穴井在煤层中成功对接并且建立气液通道，需要在洞穴井的煤层部位造洞穴，洞穴的直径一般为0.8～1.5m，高为2～5m。目前有水力射流造穴和机械工具造穴两种造穴方式。水力射流造穴是利用高压水射流破碎岩石的能力，施工中用钻具把特殊设计的水力射流装置送入造穴井段，开泵循环，使循环钻井液经过小喷嘴时产生高压水力射流，破坏煤储层，形成洞穴。机械工具造穴是利用机械切削的原理，用钻具把特殊设计的机械装置送入造穴井段，然后通过液压控制方式使造穴工具的刀杆张开，并在钻具的带动下旋转，切削储层，形成满足实际需要的洞穴。

（4）水平井与洞穴井连通技术(www.xing528.com)

两井连通过程中采用的技术为近钻头电磁测距法，国外通常称为Rotating MagnetRangingService（RMRS），RMRS技术的硬件构成包括永磁短节和强磁计或探管，见图3－4。当旋转的永磁短节通过洞穴井附近区域时，探管可以采集永磁短节产生的磁场强度信号，最后通过软件可准确计算两井间的距离和当前钻头位置。近钻头电磁测距这一概念是在1995年提出的，随着两井对接技术服务的市场需求，1999年，该技术得到了进一步发展并逐渐走向成熟。

图3－4　近钻头电磁测距技术

RMRS技术的连通过程是首先在直井中下入探管，探管由扶正器、传感器组件、加重杆3部分组成，其长度约为3m。钻具组合通常为钻头＋永磁短节＋马达＋无磁钻挺＋MWD＋钻杆，永磁短节的长度约为40cm，由横排的多个永磁体组成，用来提供一个恒定的待测磁场，电磁信号的有效传播距离为50m。连通前将两个井井底所测的陀螺数据输入到RivCross配套采集软件中，初始化坐标系。钻头进入到探管的测量范围后，接收仪器就可以不断地收到当前磁场的强度值，定向工程师根据采集的测点数据判断出当前的井眼位置，适时计算当前测点的闭合方位并预测钻头处方位的变化，然后通过调整工具面，及时将井眼方向纠正至洞穴中心的位置。接近洞穴时，根据防碰原理，利用专用的轨迹计算软件进行柱面法扫描，判断水平井与洞穴中心的距离，从3D视图上分析轨迹每接近洞穴一步其变化趋势，以达到连通的目的。

（5）煤层气井防塌技术

在煤层气工业开采初期，采用裸眼法完井，但是这种完井方法受到很多限制，包括完井层数（通常只有一个）和井眼可能出现坍塌；下套管的井对煤层暴露有限，煤层气不能有效采收。针对煤层气施工的特点，结合油气井聚合物防塌体系提出的K－盐聚合物防塌体系，可提高钻井液的抑制性，同时使钻井液具有一定的造壁性、保护井壁和悬浮、携屑能力。这种体系既解决了煤层气井钻进过程中井壁坍塌问题，又满足了井控的要求。

煤层气水平分支井采用小井眼能够防止煤层的坍塌，就是连通分支后，在煤层段上部的技术套管内下入桥塞座封，然后填水泥封固，使每个直井都独立生产，可大大提高采收率。

（6）煤层气井的钻进方式

由于煤储层与常规油气储层地质特点和工程特点的差异（强度低、裂隙发育、滤失量大、对井的寿命要求高等），使煤层气井的钻进也有了突出的要求，即保障井孔安全，防止储层伤害。

煤层气井钻进方式的选择主要取决于煤层埋深、地层组合方式、地层压力、井壁稳定性等，有普通回转钻进和冲击回转钻进两种方式。对于松软冲积层和软岩层可以采用刮刀钻头，中硬和硬岩层更适于牙轮钻头。一般来说，浅煤层钻井的地层压力一般较低（小于或等于地层压力），宜选用冲击回旋钻井，用清水、空气、雾化空气作循环介质。这一方法钻进效率高，使用非泥浆体系欠平衡钻进工艺亦减少了泥浆滤液对储层的伤害。当钻进时遇裂隙发育且产生大量水的地层冲击，以空气和流体混合交替钻进方式往往是最经济、有效的方法且对井孔的损害最小。深煤层钻井，由于地层压力一般较高（大于正常压力），井壁稳定性较差，因此，使用水基泥浆体系普通回旋钻进工艺，以实现平衡压力目的。当使用泥浆钻进时，应特别注意尽量降低对煤层井段的地层伤害，因为煤中裂隙一般都会发育，即使采用平衡钻进也会引起少量滤液进入煤层。某些超压区进行钻进时，为确保井壁稳定性和钻井安全，通常用微超平衡水基钻液。