王森

摘要：以西山一口煤層氣井的施工為例，著重介紹了煤層氣井的特點(diǎn)，對(duì)煤層氣鉆井工藝技術(shù)進(jìn)行初步探討，以期為鉆井施工提供有益參考。

關(guān)鍵詞：煤層氣井；鉆井工藝技術(shù)；取芯；地質(zhì)

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16723198（2014）08017402

自上世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)外煤層氣的鉆井技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，到1993年度，美國(guó)共施工約6500口煤層氣井，煤氣產(chǎn)量接近天然氣產(chǎn)量的5%，已形成煤層氣產(chǎn)業(yè)化。近幾年，我國(guó)不但加強(qiáng)了與國(guó)外公司的合作，煤層氣鉆井技術(shù)得到了發(fā)展，而且目前我國(guó)各大油田以及煤炭工業(yè)部都開(kāi)始涉及煤層氣領(lǐng)域，使得煤層氣各方面的發(fā)展特別是煤層氣鉆井方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，初步探索出一套煤層氣井的鉆井技術(shù)。

1煤層氣的特點(diǎn)

通常說(shuō)的煤層氣就是煤層中的甲烷氣，主要以吸附態(tài)存在于煤層中，它的產(chǎn)生機(jī)理是降壓、解析、擴(kuò)散、滲透的過(guò)程，煤層具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)，其機(jī)械物理性質(zhì)不同于常規(guī)砂巖，它埋藏深度淺、壓力低、且疏松易壓縮、內(nèi)生裂隙發(fā)育等因素，構(gòu)成煤層氣特有的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：

（1）煤的機(jī)械強(qiáng)度低，楊氏模量小，一般在1135-4602MPa，泊松比一般在0.18-0.42MPa，平均0.33；抗壓強(qiáng)度19.5-119MPa，大部分40-60MPa；抗張強(qiáng)度11MPa；孔隙壓縮系數(shù)0.12-0.96，煤比巖石易壓縮，當(dāng)煤層被破碎后，煤層難以支撐上覆地層的壓力，易于塌垮，鉆開(kāi)后的煤層，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，煤層垮塌更厲害。

（2）煤層孔隙和割理發(fā)育，煤的孔隙體積一般占總體積的60%，割理也相當(dāng)發(fā)育，鉆開(kāi)后濾失量大，易吸水垮塌產(chǎn)生漏失，造成孔隙堵塞。

（3）煤層壓力系數(shù)變化大，規(guī)律差，同一口井不同的煤層壓力系數(shù)不一樣，時(shí)常出現(xiàn)上高下低。

（4）煤液呈酸性，孔隙發(fā)育，要求鉆井液的PH值不大于7.5，否則，酸堿中和產(chǎn)生金屬鹽，堵塞煤層氣通道，影響煤層氣田的早日發(fā)現(xiàn)。

2煤層氣鉆井技術(shù)關(guān)鍵

煤層氣的特點(diǎn)，決定了煤層氣井的鉆井技術(shù)關(guān)鍵有以下幾點(diǎn)：

（1）選擇合理的鉆具組合，優(yōu)選鉆井參數(shù)，確保井深質(zhì)量。

（2）使用清水和水氣混合鉆井液，重點(diǎn)防垮以及井垮造成的復(fù)雜情況。

（3）建立合理的井深結(jié)構(gòu)，加快鉆井速度，減少煤層浸泡時(shí)間。

（4）煤層取芯與油氣井常規(guī)取芯不同，煤心難以形成芯柱，特別是清水取煤粉，要求取芯完到煤心裝罐前后不超過(guò)15Min，這就要求采用繩索式取芯工具。

3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

3.1施工簡(jiǎn)況與基本數(shù)據(jù)

TSF-208井位于古交市邢家莊鄉(xiāng)，為西山煤層氣地面預(yù)抽項(xiàng)目的一口取芯井。設(shè)計(jì)2#、8#、9#煤層采取煤層瓦斯樣，煤層頂板、底板取芯各個(gè)不少于2.00m，煤層上、中、下各取一個(gè)瓦斯解析樣進(jìn)行煤層瓦斯解析。其目的在于開(kāi)發(fā)、利用2#、8#、9#煤層的煤層氣，降低煤層瓦斯含量，獲得相應(yīng)的儲(chǔ)層資料。

2013年8月5日一開(kāi)鉆進(jìn)，鉆頭規(guī)格Φ311.15㎜三牙輪，8月10日下入Φ244.5㎜表層套管，經(jīng)48小時(shí)固井候凝后下入Φ215.90㎜三牙輪鉆頭進(jìn)行二開(kāi)鉆進(jìn)，9月12日達(dá)到設(shè)計(jì)目的后完鉆，完鉆井深為1065.00米。

3.2地質(zhì)概況

（1）地層。

本區(qū)地表出露地層除第四系以外，也可見(jiàn)二疊系上統(tǒng)上石盒子組地層。

本井揭露的地層，依次為第四系、二疊系上統(tǒng)上石盒子組；二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組；石炭系上統(tǒng)太原組。

（2）構(gòu)造。

太原古交煤層氣地面抽采區(qū)塊區(qū)域構(gòu)造位于太原西山向斜。太原西山向斜為一軸向近于南北、兩翼不對(duì)稱（西翼陡、東翼緩），軸部偏西、向南傾覆的梨形向斜。太原西山向斜內(nèi)發(fā)育有次一級(jí)褶皺。主要有獅子河——馬蘭向斜、陳臺(tái)——水峪貫向斜、東北向斜和石千峰向斜。

（3）簡(jiǎn)易水文地質(zhì)情況。本井在鉆進(jìn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照《鉆井作業(yè)規(guī)程》及有關(guān)要求進(jìn)行施工。全井共觀測(cè)水位28次，水位變化隨地層情況而有所不同。鉆井液消耗量共觀測(cè)556次，全井井段消耗量正常，一般為0.15～0.30m3/h，完鉆起鉆后井內(nèi)水位45.00米，后灌注泥漿至井口，消耗量較正常。

3.3煤層、煤質(zhì)與煤層瓦斯概況

（1）煤層。

本區(qū)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組﹙C3t﹚和二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）。揭露煤系地層總厚度為157.05m，共見(jiàn)可采煤層6層，分別為2#、4#、6#、7#、8#和9#煤，其中2#煤厚1.88m，8#煤3.36m，9#煤3.39m。

2#煤層，山西組﹙P1S﹚中上部，煤層位置為917.51米至919.39米，煤層呈黑色，金剛光澤，具貝殼狀或階梯狀斷口，節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤巖組成以亮煤為主、暗煤次之，煤巖類型屬半亮煤型煤。

8#煤層，太原組﹙C3t﹚中部，煤層位置為999.58米至1002.94米，煤層呈黑色，金剛光澤，具貝殼狀或階梯狀斷口，節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤巖組成以亮煤為主、暗煤次之，煤巖類型屬半亮煤型煤。

9#煤層，太原組﹙C3t﹚中部，煤層位置為1011.67米至1015.06米，煤層呈黑色，金剛光澤，具貝殼狀或階梯狀斷口，節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤巖組成以亮煤為主、暗煤次之，煤巖類型屬半亮型煤。

（2）煤層瓦斯概況。

本次鉆井在鉆遇2#、8#、9#煤層的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)井口有少量冒氣冒泡的現(xiàn)象。據(jù)已有地質(zhì)資料：本井及其附近處于瓦斯富集帶，鄰近生產(chǎn)礦井及其他礦井均為高瓦斯礦井，瓦斯涌出量大、煤層瓦斯壓力較大。地質(zhì)鉆探資料及從井內(nèi)返出煤屑在泥漿循環(huán)池沉淀時(shí)現(xiàn)有氣泡析出，因此，該井應(yīng)具有瓦斯抽放潛力。本井要想獲得較為理想的抽放結(jié)果和可觀的經(jīng)濟(jì)效益，需進(jìn)行有效的壓裂。

取芯情況說(shuō)明：本井采用的取芯鉆具組合為：2159mmPDC鉆頭+89mm取芯管+127mm鉆桿+方鉆桿，共取芯26回次，其中2#煤層取芯進(jìn)尺6.50m，取芯長(zhǎng)6.00m，平均采取率92.30%，取瓦斯樣2個(gè)，于917.50-919.40/1.90m，見(jiàn)煤，裝2罐，取煤鉆進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)出水口含大量氣泡。取出后，煤質(zhì)通黑發(fā)亮，呈塊狀，揉后污手。取出地板2.00m后更換鉆具正常鉆進(jìn)。其中8#煤層取芯進(jìn)尺10.50m，取芯長(zhǎng)9.80m，平均采取率93.33%，取瓦斯樣3個(gè)，于999.50-1003.00/3.50m，見(jiàn)煤，裝3罐，取煤鉆進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)出水口含大量氣泡。取出后，煤質(zhì)通黑發(fā)亮，呈塊狀，揉后污手。取出地板2.00m后更換鉆具正常鉆進(jìn)。其中9#煤層取芯進(jìn)尺12.50m，取芯長(zhǎng)11.90m，平均采取率95.20%，取瓦斯樣2個(gè)，于1011.60.00-1015.00/3.40m，見(jiàn)煤，裝2罐，取煤鉆進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)出水口含大量氣泡。取出后，煤質(zhì)通黑發(fā)亮，呈塊狀，揉后污手。取出地板2.00m后更換鉆具正常鉆進(jìn)。全井共取解析樣7個(gè)，均在現(xiàn)在進(jìn)行了解析。

3.4鉆井參數(shù)

（1）鉆具組合。

一開(kāi)鉆具組合（0～55.86m）：

Φ311.15mm三牙輪鉆頭+雙母接頭+Φ159mm鉆挺×7根+轉(zhuǎn)換接頭+方保接頭+方鉆桿。

二開(kāi)鉆具組合（55.86～1065.00m）：

Φ215.9mm三牙輪鉆頭+雙母接頭+Φ159mm鉆挺×5根+轉(zhuǎn)換接頭+Φ127mm鉆桿+方保接頭+方鉆桿。

（2）鉆井液。

表1鉆進(jìn)液的參數(shù)

鉆進(jìn)井段1深度（m）1密度（g/cm3）1粘度（s）1含砂量1類型一開(kāi)10.00～55.8611.02～1.03116-1810.2%1彭潤(rùn)土二開(kāi)155.86～1065.0011.01～1.03116～1810.1%1清水煤層1917.00～1015.0011.0111710.1%1清水根據(jù)煤層氣鉆井的特點(diǎn)和甲方的施工要求，全井使用不含化學(xué)試劑的泥漿，一開(kāi)井段使用水基彭潤(rùn)土，比重在103以下，二開(kāi)井段使用清水鉆進(jìn)，在見(jiàn)煤前又進(jìn)行了一次徹底的換漿，保證煤層的清潔鉆進(jìn)，能使煤層氣順利排采。

（3）鉆進(jìn)參數(shù)。

表2鉆進(jìn)過(guò)程中的參數(shù)

鉆進(jìn)井段1深度（m）1鉆壓（t）1轉(zhuǎn)速（r/min）1泵壓（MPa）一開(kāi)10.00～55.8611.0-2.0142-4511二開(kāi)155.86～1065.0012.0-8.0145-7212由于本井是取芯井，在鉆進(jìn)中根據(jù)不同的鉆具采用了相應(yīng)的鉆進(jìn)參數(shù)，在一開(kāi)段為防斜，采用了小鉆壓吊打的方法，在鉆過(guò)煤層的井段，為達(dá)到防塌的目的，采用的小泵量、小鉆壓、低轉(zhuǎn)速的鉆進(jìn)方式，確保了煤層的穩(wěn)定性。

4技術(shù)總結(jié)

本井屬于煤層氣井，設(shè)計(jì)井深1000.00米，完鉆井深1065.00米，完鉆層位C3t。完井方法為全套管完井。經(jīng)測(cè)井驗(yàn)證：完鉆層位、完鉆井深、井身結(jié)構(gòu)、煤層數(shù)據(jù)、井身質(zhì)量及固井質(zhì)量符合或達(dá)到設(shè)計(jì)要求。各項(xiàng)原始資料記錄齊全、準(zhǔn)確可靠。煤層位置判層與測(cè)井解釋基本吻合。

本井是煤層氣取芯井，嚴(yán)格按照《鉆井工程技術(shù)規(guī)定》及煤田地質(zhì)勘探操作規(guī)程進(jìn)行施工，規(guī)范操作，嚴(yán)格管理，在確保安全的前提下，努力提高生產(chǎn)效率，在甲方技術(shù)部及監(jiān)理的全力支持下，各項(xiàng)指標(biāo)基本符合設(shè)計(jì)及規(guī)程要求，快速而較圓滿的完成了本井的施工任務(wù)。

該井采用牙輪鉆頭，復(fù)合片PDC鉆頭交替使用的技術(shù)，采用滿眼鉆具組合，嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)和《合同》的要求施工，達(dá)到了預(yù)期的目的，取得了良好的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該井二開(kāi)地層采用PDC鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)效明顯提高，井身質(zhì)量完全符合要求。

全井工程質(zhì)量合格。

5結(jié)語(yǔ)

煤層氣鉆井技術(shù)的成功應(yīng)用對(duì)開(kāi)發(fā)新能源，解決煤礦瓦斯治理起到了極大促進(jìn)作用，同時(shí)培養(yǎng)了一批從事煤層氣鉆井工藝技術(shù)人才，取得了一定的鉆井工藝技術(shù)推廣應(yīng)用的管理經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]于順明，常淑敏.煤層氣井鉆井工藝探討[J].石油鉆采工藝，1998，20（1）：1824.

[2]孔楠.煤層氣鉆井工藝技術(shù)研究[J].山東煤炭科技，2010，（5）：7374.

[3]李云峰.沁水盆地煤層氣鉆井工藝方法[J].中國(guó)煤田地質(zhì)，2005，17（6）：5254.