新疆阜康矿区煤层气水平井钻井工艺探究_王博.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2022-05-18修回日期：2022-05-27作者简介：王博（1983-），男（汉族），四川乐山人，高级工程师，现从事煤田钻探、煤层气钻井工艺技术、煤层气测试技术工作。新疆阜康矿区煤层气水平井钻井工艺探究王博*（新疆维吾尔自治区煤炭煤层气测试研究所，新疆 乌鲁木齐 830000）摘要：通过对新疆阜康矿区煤层气水平井钻井工艺进行研究，形成并掌握适合阜康矿区煤层气的钻井工艺技术，确保钻井施工安全，进一步提高煤层气的产量，为水平井钻井的应用提供参考。关键词：阜康矿区；水平井；煤层气中图分类号：TE242 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0053-03煤层气勘探开发特点要求煤层气在具体开采过程中必须要保持低成本、高效率，从而确保具体开采过程中具有较高的经济效益。对煤层气储层的工作具有特殊性，在水平钻井1、取芯2等工作都有相应的特点，并且与煤层性质有非常大的联系3。因此，煤层气开发需要合理分析水平井钻井技术4。新疆阜康矿区煤层气示范工程是新疆第一个以低阶煤、多厚煤层、大倾角地质条件为开发对象的大规模煤层气开发基地。阜康矿区位于准噶尔盆地东南缘博格达山背斜杂岩之间，地形复杂，煤层发育褶皱和断层，煤层倾角大，储层特征随时间变化较大。新疆阜康矿区煤层气资源量丰富。本文通过新疆阜康矿区煤层气水平钻井工艺及存在的问题进行分析及研究，形成并掌握适合阜康矿区煤层气的钻井工艺技术，进一步提高煤层气的产量。1矿区地质情况阜康矿区位于新疆乌鲁木齐市东北，总体为两山夹一沟的地形。主沟东西走向，V形走向，中间分布沟形带8。矿区内地势北高南低、西高东低，矿区主体在两条平行的断裂带之间，矿区中部西北处是本次的钻井目标。海拔最高处为+2482.30m，最低处为+2271.31m，最大比高约211m，地形复杂程度为三类。气候属内陆干旱气候，冬季寒冷，夏季凉爽，昼夜温差较大，因为在山区、丘陵风谷，风向一般为北风，能量最大风力5 8级。7月中旬至雨季后期，暴雨频发，引发山洪暴发9。根据中国地震动峰值加速度分区图确定该区地震动峰值加速度为0.15g。矿区的地震基本烈度值为度。2煤层气地质情况阜康矿区的信息与其他矿区的地质信息都比较接近，这表明在中国同类型煤炭的变化中存在相同的有机组成10。总有机质含量为65%，总无机质含量为35%11。煤的每一种有机成分都是大量的镜质，其次是惰性和小的半镜质和结壳。每块骨骼平均含有40%的镜质体成分，主要是镜质体和碎屑镜质体。半镜质体：半镜质体成分的平均值为10%，大多数基质半镜质体。惰性组分：惯性组分的平均值为30%，最高的长丝和半球形，以及经典惯性。金属变质级别为级至级。QM可用于清洁低耗煤的精炼和装填，因此可用于清洁城市基础设施中用于高温支持的煤炭。其它煤类主要为N、WY、N、SM。由于煤储层力学强度低、应力敏感性高、微裂缝分布广泛，在钻井过程中容易受到钻井液和钻井压力的影响2。钻井液进入煤岩后，由于煤基质的膨胀，使煤岩裂缝的孔隙度和渗透率降低。钻井液中的固体颗粒会沿着裂缝流动，但也会留在孔隙中，无法去除，对储层造成永久性损害12。钻井压力变化对储层的损害通常是由压力变化引起的13。由于煤层气储层具有高度的应力敏感性和不可逆性，实验表明，当围压增大时，煤岩渗透率降低，围压降低后，渗透率不能完全恢复，极限范围大，而钻井过程中压力的变化是不可避免的，容易导致低渗透油藏14。3煤层气组成特征该矿区各层煤层气体成分主要以甲烷为主，占比在 70%90%左右，其次为二氧化碳，占比在 10%20%，氮气在10%左右。金属成分与煤层深度之间存在开放关系。由于金属流的脆弱性、生物和化学效应的影响，CH4和N2之间的关系较低。整个区域的平均深532023年第2期西部探矿工程度超过300m。CH4的平均比率为73%。4水平井钻井情况为了研究不同方向水平井眼轨迹对煤层气产量的影响，设计了不同方向水平井眼轨迹。沿向上俯冲方向冲击煤层；沿着下降方向向下，击中煤层。水平钻孔位于煤层影响方向，累积产气量最高15；如果垂直于煤层的影响，则煤层向上倾斜方向的累积产气量略有下降，累积产气量最小16，但各方向的累计产气量差异不大。随着水平钻孔与冲击煤层夹角的增大，累积产气量明显减少，垂直冲击煤层的累积产气量最小17。在峰值瓦斯水平，沿煤层上升方向设置水平钻孔，最大的是产气量峰值。随着水平钻孔倾角的增大和煤层走向的影响，煤层瓦斯峰值水平逐渐降低。4.1钻井设备早期煤层气钻井主要采用水源系列钻井设备，具有成本低、强度差、穿透速度慢等特点18。本矿区采用的ZJ20钻机，是600-2800M油井、煤层气井及地热井、水井的新型机械液力驱动钻机，传动平稳、换档方便、体积小、重量轻，本实用新型避免了传动链在运输、安装和钻孔过程中的拆装，保证了传动链的原安装精度和工作可靠性。采用国内外成熟的先进技术和结构，注重满足不同标准的要求，使国产钻机与同类钻机的标准化和先进性达到更高的水平。4.2钻井液一开、二开至煤层顶板均采用低固相钻井液，处理剂类型为CHC-1、PHP、CMC。在钻井过程中，无论采用何种钻井方式，在钻煤系地层时，产生的岩屑无法及时被带出地表，因此容易发生多次破碎，产生大量的细小岩屑，这些岩屑清理起来难度较大，为了确保作业的顺利进行，要对浆液进行及时更换19-20。在正常施工条件下（无复杂条件），钻井液密度应接近结构物的下限21。随着钻井工作的进行，在作业过程中，钻井液逐渐被消耗，要及时做好相应的补充，在具体钻井过程中，每钻井150m，应当进行一次换浆，需要特别注意的是，在钻遇煤层前，为了确保钻井工作的顺利进行，要进行彻底换浆，换浆要彻底，不得有残留。煤层钻井，特别是破碎带煤层钻井，可能遇到严重井漏。在井场应留有一定量的复合堵漏剂，减少钻井液损失、井下复杂情况和储层污染程度。4.3轨迹控制一开用311.1mm钻头钻进，每钻进一个单根快速划眼23遍。坚持小位移、低压力钻井转盘，严禁使用液压冲击。必须用钻井液开钻,不允许使用清水钻井，因此开钻前应配制好足够量的钻井液。下井钻具严格执行钻具组合设计，钻进中严格执行设计规定的钻进参数，送钻要均匀，不许加压启动转盘，如有憋跳，应减压钻进。钻遇漏失层段时，可根据实际漏速的大小，采取相应措施堵漏。二开钻前按设计要求装好井口、井控装备及管汇系统，按地质录井要求安装钻井液高架槽，装好隔砂挡板及录井仪器。钻头进出套管时低速慢起，防碰挂。从第1只钻头开始，井队技术员采用dc指数法监测地层孔隙压力，并对比分析，提高监测精度。启动时工作必须平稳，不得突然制动、跳闸、塌方。损失层段和煤层段的启动速度必须在30m/min内调整。每次检查井底砂的凝固高度，并决定是否应调整钻井液的性能和循环时间。不能立即完成，而是分段进行。每次启动泵前，应注意泵压力的变化，并采取措施以小排量启动泵，以防止地层泄漏。停机时检查起动速度，如有堵塞，不要用力提高，操作平稳,启车、坐吊卡等不能猛提、猛放。全孔二级套管用于钻煤层气钻井。套管下降到井底1.52m的深度。壳体的联接装置应距煤层顶底板2m以上。套管下端与浮鞋连接，间接浮箍距浮鞋23m。长套管应置于煤层段，套管的连接应尽可能不在煤层中。对于套管，穿过煤层后，必须在每个间隔处铺设一根长度约为3.0m的短标记管。从底部开始，第三个套管开始向上使用扶正器。扶正器安装在煤层段上方和下方的三个套管上。应将定心器安装在两个套管的下端，并视情况将定心器安装在上部。套管工作前，应提前使用雨刮器。当钻取煤时，测量地层，地层决策必须准确。如果切割解释深度与钻井决策深度之间的误差超过10%，则视为不合格。钻井时，做好地质切割和钻井时间记录。4.4固井技术固井作业的最终目标是通过水泥浆顶替钻井液进行层间封隔。表层套管固井下套管时严防错扣，上扣要达到规定的扭矩值。发现错扣后必须重上；上扣不到位，不得使用电焊加焊处理，必须更换套管。表层套管尺寸244.5mm，控制套管下放速度，减小井内压力激动，防止井塌。并有专人观察井口钻井液返出情况，发现异常及时采取措施，保持定时向管内灌满钻井液。套管下井后注水泥，将套管和井壁的环形空间封固起来，以封隔油气水层，使套管成为油气通向井中的通542023年第2期西部探矿工程道。按照井内温度、压力条件及水泥和外加剂设计，进行不同套管程序设计的水泥浆室内实验，要求各项性能指标达到要求。注水泥浆之前，现场采样，进行水泥稠化时间，相溶性复合试验，确保注水泥施工安全、顺利。表层套管和生产套管固井都采用G级水泥，表层套管裸眼口袋（套管鞋底部到井底距离）长度不超过1m，表层套管固井水泥浆必须返至地面或经补救返至地面，生产套管固井水泥返高不得小于设计返深；表层套管固井水泥浆密度控制在1.851.90g/cm3,平均密度控制在1.85g/cm3左右；生产套管固井水泥浆密度控制在1.60g/cm3。表层套管水泥塞高度为1015m，不得替空。套管下到设计位置之后，循环钻井液两周以上，钻井液性能达到注水泥浆要求。下套管注水泥之后，在水泥凝固期间就要安装井口。表层套管的顶端要安套管头的壳体。各层套管的顶端都挂在套管头内，陆地上使用的套管头上还有两个侧口，可以进行补挤水泥、监控井况、注平衡液等作业。固井质量的全部指标合格后，进入到下一个作业程序。4.5煤层气水平钻井开钻前由钻井队工程师（或技术员）负责向全队职工进行地质、工程、钻井液和井控措施等方面的技术交底，并提出具体要求。钻井一开用374.6mm钻头，下273.05mm表层套管深度约45m，固井水泥返至地面。二开用241.3mm钻头，钻至645m，下入193.7mm技术套管固井，注水泥返至地面，若水泥未返至地面，要求返至A1煤层顶以上至少300m，井口挤（灌）水泥封固。三开用171.40mm钻头，保持在A5煤层中钻进，钻至设计井深完钻，下入中部带168mm一体式分级箍带封隔器工具139.70mm套管串至设计位置，投球坐封，钻开煤层后，起钻前进行短程起下钻并循环观察后效。控制起下钻速度，起钻时要及时灌满钻井液并校核灌入量；起完钻要及时下钻，检修设备时必须保持井内有一定数量钻具，见图1。峰值产气量35794m3/d，获得了高产。5讨论阜康矿区储量为大倾角厚煤层，水平井走向对矿井产能影响较大。沿煤层走向使用水平井可以提高矿区的煤层气产能。根据生产能力和实际钻探工程的质量，水平钻探技术适合阜康矿区煤层气开采。水平井向上沿煤层布置时，重力和压差影响煤层，便于排水，压降范围和幅度较大22。同时，如果钻孔长度因重力而大于煤层的水平回采方向，沿煤层的水平回采方向放置。也就是说，在重力作用下，冲击井条件下煤层水更容易产生，其累积产气量和峰值产气量优于向上井。在阜康矿区的开采证明，采用水平技术对煤层气的开采具有重要的意义。参考文献：1鲍海山.青海木里煤田煤层气钻井技术思考与设想J.青海国土经略,2015(3):72-74.2王森.西山煤层气钻井技术J.现代商贸工业,2014.26(8):174-175.3杨樱花,程贺,郑微微.中国煤层气钻井技术现状及发展趋势研究J.内蒙古煤炭经济,2020(8):14-15.4张松航,唐书恒,孟尚志,等.煤储层含水性及其对煤层气产出的控制机理J.煤炭学报,2022:1-20.5殷珂,傅雪海,陈峰,等.准南阜康矿区低煤化烟煤高温高压吸附实验及深部吸附气含量预测J.中国科技论文,2022,17(1):72-77.6马婷,梁雅娟,俞浩.新疆阜康、乌鲁木齐河东矿区煤层气开发成本构成及降低成本措施建议J.中国煤层气,2021,18(6):40-42.7史美超,雷国明,梁斌,等.准南阜康地区中二叠统芦草沟组暗色泥岩地球化学特征及意义J.新疆地质,2021,39(3):461-469.8杨亿,吴恒.阜康白杨河示范工程煤层气井防偏磨工艺研究与应用J.中国煤层气,2021,18(5):8-10.9王一兵,王诗棋,线远红,等.阜康西部四工河煤层气管杆腐蚀现状、特征及对策J.石化技术,2021,28(9):141-143.（下转第58页）图1井身结构示意图552023年第2期西部探矿工程（1）本井为页岩气评价井，按二级风险井管理；（2）DA井钻井过程中未发现硫化氢，但不能排除本井水平段钻进过程中出现H2S气体的可能性，因此在本井钻井、录井等各项作业过程中，要做好相应的技术储备、设备与措施准备。3现场施工效果通过应用录井技术，取芯收获率、取芯周期较设计均有较大提高，有效保障了DA取芯井施工高效完成，实际取芯情况、取芯周期如下：（1）本 井 取 芯 13 筒，取 芯 进 尺 130.09m，芯 长126.08m，收获率 99.56%，较设计收获率提升 4.56%。龙马溪组取芯 11 筒，其中常规取芯 6 筒，取芯进尺73.66m，芯长73.23m，收获率99.31%；保压取芯5筒，取芯进尺25.95m，芯长25.77m，收获率99.18%。（2）本井龙马溪组设计取芯80m，取芯井段42824362m，实 际 取 芯 进 尺 98.61m，井 段 4320.004418.61m，取芯进尺比设计多17.61m，取芯起始深度比设计推迟18m。（3）本井龙马溪从11月11日开始取芯，12月1日结束，取芯用时21d，比设计少6d。4结论（1）在川渝区块页岩气取芯井施工中应用地质录井技术后，可以为该区块页岩气井的勘探开发施工提供精确的数据支持，获得详细的地层地质材料，补充完善区块地质资料。（2）地质录井技术在川渝页岩气井施工中的应用，可以有效提升页岩气井储层卡层的准确度，为取准、取全目标地层地质资料提供保障。（3）地质录井技术在川渝页岩气井施工中的应用，可以随钻监控各种钻井施工工程参数，及时有效发出预警，从而预防页岩气井施工中有可能发生的各类井下事故，保障钻完井安全，助力高效施工，提升施工效益。参考文献：1陈俊男,相金元,张以军,段武生,邹向阳.吐哈录井技术系列及其在油气勘探开发中的应用J.录井技术,2004,15(1):58-63.2朱根庆.录井技术在钻井工程中的应用C/录井技术文集,北京:石油工业出版社,1999.3董振国.页岩气水平井储集层追踪和评价关键技术J.录井技术,2019,30(1):43-51.4裴俊萍.现场录井中取芯层位的准确卡取J.录井工程,2006,17(增):62-64.5单晖.常规地质录井方法与技术探讨J.化工设计通讯,2017,43(12):206-206.（上接第55页）10郝慧丽,王海超,田继军,等.阜康矿区煤层气成因探讨J.煤矿安全,2021,52(9):1-9.11陈莹莹,李一泉,魏东涛,等.东天山博格达山前构造变形与地形定量关系:基于三维建模与地貌分析J.地球科学,2022,47(2):418-436.12罗东坤,褚王涛,吴晓东,等.煤层气钻井技术的经济性分析J.石油勘探与开发,2009,36(3):403-407.13琚宜文,乔鹏,卫明明,等.区域构造与演化控制下煤层气富集高产典型模式J.煤田地质与勘探,2022:1-12.14胡小林,翁剑桥,戚明辉,等.贵州西部上二叠统煤层气地质特征及其成藏意义J.天然气地球科学,2022:1-10.15王子威.煤层气合采干扰模拟与地质数学模型D.中国矿业大学,2021.16程鹏,张盛,张磊.煤层气场站运行的安全管理J.化工管理,2021(29):110-111.17覃轩.水文地质条件分析在煤层气开发甜点区预测中的应用以山西省榆社武乡煤层气区块为例J.中国煤炭地质,2021,33(9):24-27.18王辉,乔军好,郑启明,等.鄂尔多斯盆地东缘煤层气中氮气的地球化学研究J.河南工程学院学报:自然科学版,2021,33(3):33-38.19王益山,王合林,刘大伟,等.中国煤层气钻井技术现状及发展趋势J.天然气工业,2014,34(8):87-91.20李国红.晋城矿区穿采空区煤层气钻井技术难点及对策探讨J.河南科技,2019(14):86-88.21赵雪莲,田志伟,陈万旭,等.新疆阜康市矿山地质环境问题及其治理对策分析J.安全与环境工程,2021,28(6):237-246.22彭文利,薛冽,马效杰,等.准噶尔盆地南缘齐古地区煤层气地质特征J.非常规油气,2021,8(1):8-14.58