新疆烏魯木齊頭屯河礦區煤層氣井鉆探施工技術探討

趙濤+蔡順山

摘要：新疆烏魯木齊頭屯河地區地層較為破碎、地層裂隙發育比較嚴重，而且煤層氣井煤儲層埋藏淺、煤層壓力低和煤層保護難度大，這些對煤層氣井的鉆探提出了更高的技術要求。針對目前頭屯河地區鉆探施工存在的問題和難點，通過井壁穩定的力學分析方法提出井身結構應選擇直井。依據空氣欠平衡鉆井技術與常規鉆井技術對煤層的污染和破壞程度，提出采用空氣欠平衡鉆井技術，采用低固相或無固相鉆井液。根據水泥漿頂替流態的計算方式，計算出水泥漿頂替應當采用塞流頂替。依據煤儲層的保護要求提出一種新的煤儲層保護方案，即使用繞煤層固井工具。

關鍵詞：煤層氣井；鉆探；直井；塞流頂替；繞煤層固井

Discussion on drilling technology of coal-bed methane well in Toutunhe mining area of Urumqi City， Xinjiang Province

ZHAO TaoCAI Shunshan

The 216 group， China National Nuclear Corporation， Urumqi CityXinjiang Province830011

Abstract： The stratum is cracked and the formation cracks are serious in Toutunhe area of Urumqi City， Xinjiang Province. But the coal-bed methane wells are buried in shallow stratum. Because of low coal seam pressure and the big difficulty in coal seam protection， it requires higher technology on the drilling of coal-bed methane wells. Aiming at these problems and difficulties in drilling construction in Toutunhe area， it is proposed that the wellbore structure should be the vertical well through the mechanics analysis of borehole stability. Based on the pollution and damage degree caused by the air under-balanced drilling technique and the conventional drilling technique， the air under- balanced drilling technique is proposed and low solid or solid free drilling fluid should be used. According to the calculation method of cement slurry displacement fluid flow， the cement slurry displacement should be the plug flow displacement. According to the protection requirement of coal reservoir， there is a new coal reservoir protection scheme， which is accomplished by around the coal seam cementing tool.

Keywords： coal-bed methane well； drilling； vertical well； plug flow displacement； bypass coal-bed cementing

引言

煤層氣俗稱“瓦斯”，是一種非常規天然氣，以吸附或儲集的方式存在于煤層孔隙中[1]。我國煤氣資源儲量豐富，約36.8萬億m3，居世界第三位。新疆煤層氣資源豐富，其中頭屯河地區鉆孔控制的0.3m以上的煤層22層，單層厚度在0.030m～22.22m，平均純煤總厚53.31m。然而，由于頭屯河地區地層較為破碎、地層裂隙發育比較嚴重，而且煤層氣井煤儲層埋藏淺、煤層壓力低和煤層保護難度大的特點對于煤層氣井的鉆探提出了更高的技術要求，對于煤層氣的勘探和開發提出了較大的考驗。由于我國煤層氣的利用和開發起步較晚，且我國煤層氣儲層特性較國外煤層氣有較大區別[2-4]，因此在煤層氣井固井過程中存在著很多的問題和難點[5]，對于新疆頭屯河地區的煤層氣開發來說也面臨著諸多問題。

目前，頭屯河地區煤層氣資源正處于調查評價階段，由于煤層具有特殊物性，煤層氣的開采一般都采用大型水力壓裂，因此煤層氣井的鉆探施工工藝將大大影響后期煤層氣的產量。所以，本文將針對目前頭屯河地區鉆探施工存在的問題和難點，提出井身結構應選擇直井，采用空氣欠平衡鉆進技術，采用低固相或無固相鉆井液，水泥漿頂替應當采用塞流頂替并提出一種新的煤儲層保護方案。本文希望通過對新疆頭屯河地區煤層氣井鉆探施工方案的探討，討論并優化煤層氣井鉆探方案，希望能夠提高頭屯河地區煤層氣井施工質量，為解決頭屯河地區煤層氣井鉆探施工時存在的技術難題提供有效途徑。

1.區域地質概況

勘查區位于東南溝向斜的北翼，總體為一向西南傾斜的單斜構造，傾角多在10°-85°之間，沿走向和傾向變化較大，沿走向自西向東由10°變化到85°左右。，沿傾向由淺至深由20°變化到50°左右。勘查區構造復雜程度屬中等類型，即“二類”。勘查區內出露的地層由老至新有中石炭統奇爾古斯套群（C2qr）、侏羅系下統三工河組、侏羅系中統西山窯組（J2x）、侏羅系中統頭屯河組（J2t）、和第四系（Q4）。

頭屯河勘察區內煤層露頭均已火燒，形成大面積的古火區和活火區，古火區主要分布在勘查區東北部沿煤層露頭呈條帶狀分布，面積約26.05Km2。活火區分布在勘查區西北部，面積約2.00Km2。煤層特征一覽表如表1所示。

宏觀煤巖物性特征主要表現為：黑色，塊狀，碎塊狀及粉末狀，性脆，易破碎，蠟狀-瀝青光澤，參差狀、平坦狀斷口，條帶狀結構，水平層狀結構，節理及內生裂隙發育。以暗煤為主，亮煤次之，絲炭少量，鏡煤微量，宏觀煤巖類型為暗淡型煤。TC-3井所采取的煤層實物如圖1所示。

2.鉆探施工技術

2.1井身結構選擇

不論是直井還是水平井，煤體結構都是影響煤層氣開發的重要因素，都可能由于煤體結構而影響井壁的穩定。井壁穩定問題是一種力學問題，而煤層性質則是煤層井壁穩定的內在原因，煤巖的本身力學性質、裂隙結構是影響煤體易失穩的主要地質因素。研究結果表明，構造煤的抗拉、抗壓強度遠遠小于原生結構煤，單軸抗壓強度僅為原生結構煤的1/3。直井鉆進過程中鉆井液循環侵入，產生抽汲及激動壓力促使較完整煤巖體強度進一步弱化，煤塊破碎，產生掉塊乃至坍塌，而在水平井中這一現象更為突出，在水平井鉆進過程中，對于煤層的力學破壞更為嚴重。

煤體結構指的就是煤體的強度，為了表達煤體的強度，可以使用媒體的堅固性系數表示煤體的強度[6]。不同媒體結構之間的堅固系數存在重疊的部分，而水平井對強度的要求存在一個閾值，如果在開發過程中如果采用水平井會在層位優選時舍棄部分煤層，更容易導致煤層污染和井壁坍塌。

頭屯河地區煤層煤體結構主要為碎塊狀、塊狀及粉末狀，性脆，易破碎。由表1可以看出頭屯河地區主要煤層多為碎裂煤和塊狀煤，因此不適合水平井開發，應當使用直井進行開發，以減少井壁不穩定帶來的鉆井事故和對鉆井液煤層的污染。

2.2鉆井技術選擇

針對頭屯河地區地層較為破碎、水文地質條件復雜的特殊情況，使用常規的鉆進方式會導致固相顆粒，尤其是微粒和膠體顆粒會沿著煤層的割理和孔隙侵入煤層。而且由于頭屯河地區主要的煤層以塊狀、碎塊狀和粉末狀為主，煤層中裂縫和割理發育，裂縫有可能會在高圍壓下閉合，然而這種閉合即使是在水利壓力下也是不可能完全恢復的，這種裂縫的閉合會對煤層氣的運移通道產生填充和堵塞，因此在保護煤儲層為前提的條件下選用空氣或空氣泡沫欠平衡鉆井技術。

與常規鉆井技術相比，空氣欠平衡鉆井技術是一種能夠保護低滲透煤層氣、提高鉆進速度、井底巖屑排采順利的高效鉆井技術。空氣鉆井技術能夠有效減少對煤層的污染，在井身質量方面也能達到要求的設計質量。空氣鉆進的機械效率是常規鉆進機械效率的3倍，空氣鉆進周期較短，而且空氣鉆進不會對煤層氣的流通通道造成堵塞，可以避免不必要的減產，能夠大大地提高綜合經濟效益[7]。

對于頭屯河地區這種地層較為破碎、地層裂隙發育比較嚴重、煤巖物性比較特殊、地層壓力特殊的地層，建議使用空氣或空氣泡沫欠平衡鉆進技術。

2.3鉆井液選擇

為了避免在正常鉆進時鉆井液影響煤層和護壁，應選用不同的鉆井液針對不同地層。施工前，通過調研，盡可能篩選對煤層吸附小的聚合物作提粘劑和降失水劑，降低鉆井液的失水，減少濾液對煤層的損害，在中侏羅系西山窯組以上地層選用低固相聚合物鉆井液，以增加鉆井液的護壁和攜砂能力。在西山窯組以下尤其是鉆遇煤層時選用無固相鉆井液，以防煤層污染，最好是選用清水鉆進。不同地層鉆井液設計表如表2所示。

2.4水泥漿頂替流態選擇

以往固井施工過程中，主要采用紊流頂替從而達到較好的頂替效率和提高后期膠結強度[8]。但由于煤層氣井井淺，替漿量少，頂替時很難達到紊流頂替的排量。因此需要進行水泥漿頂替流態的選擇以確定哪種頂替流態可以很好地達到頂替要求且避免煤層坍塌和煤層污染。

通過環空塞流臨界流速公式和環空紊流臨界流速公式計算不同井徑環境下塞流或紊流的臨界流速，公式如下：

式中：Dw為井徑；De為套管外徑；ηp為塑性粘度；τ0為動切力。

根據目前頭屯河地區TC-3井的測井資料，掌握其不同井深的井徑情況如圖2所示。

根據公式（1）和公式（2）對該井不同井深的塞流和紊流臨界流速進行計算得出塞流和紊流臨界流速剖面如圖3所示。

由圖3可以發現，井徑大的井段，塞流的臨界流速小，而大的井徑，臨界流速大，為滿足全井的塞流設計要求需要選擇小的流速。同理，大井徑的井段，紊流臨界流速大，對于小井徑段，紊流速小，為了滿足全井的紊流要求，必須選擇大井徑段的臨界流速。得出保證全井塞流頂替的臨界流速為0.81m/s，臨界流量為保證全井紊流頂替的臨界流速為1.81m/s。由公式（3）計算臨界流量。

得出保證全井塞流頂替的臨界流量為2.593m3/min，臨界流量為保證全井紊流頂替的臨界流量為5.65m3/min。

通過公式可以分別計算出最終的頂替泵壓，如表3所示。

由表可以看出，在紊流頂替時為了使臨界流速達到1.81m/s，臨界流量達到5.65m3/min，導致循環壓力增大，容易導致井壁坍塌、煤層坍塌和污染。而采用塞流頂替，它可以在兩相界面上形成聚集物質，在井眼不規則段及擴大段，類似活塞一樣的頂替同樣可以取得良好的頂替效果，并且塞流頂替時接觸時間長，頂替效率高，施工易于組織，使用設備也少，因此該井建議使用塞流頂替的方式。

2.5固井技術選擇

煤層儲層是一種低壓力地層，水泥漿的失水性能不好，濾液侵入地層會造成煤層的污染，從而導致滲透率降低，影響煤層氣的壓裂和產量。因此煤儲層的保護是對于煤層氣井的固井提出了更高的要求[9]。

目前，常用的煤層氣完井方法主要有裸眼洞穴完井、套管射孔壓裂完井，但是裸眼完井后期管理具有不確定性，存在巨大的潛在風險。因此目前選用較多的都是套管射孔壓裂完井。頭屯河地區根據其地層特性和考慮后期開采大多采用套管射孔壓裂完井的方式，但是該方式在固井過程中不可避免的會導致煤層污染。因此目前使用較多的繞煤層固井技術[10]非常適頭屯河地區的煤層氣井固井。

如圖4所示，該裝置主要由兩層套管內層管和外層管、膨脹式膠筒、進液孔、出液孔、閥系及閥系接頭、單向閥、剪切銷釘、常規固井的承托環及浮箍、套管接箍等組成。

使用該套工具前需要對地層資料進行詳細的計算和設計，以確定煤層厚度和工具的下入深度。將繞煤層固井工具連接到套管串上以后按照設計的固井施工步驟將套管串下入井內。然后向套管內泵入鉆井液或者固井前置液，由于單向閥的存在，在一定壓力一下上下膠筒會脹開，繼續加壓，單向閥上的剪切銷釘會斷裂，單向閥脫落。然后就可以按照計算和設計好的水泥漿注入套管內，正常固井。

該裝置能夠有效的保護煤層不被污染，對于頭屯河地區地層較為破碎、地層裂隙發育比較嚴重、煤層厚、主要以塊狀煤和碎裂煤為主的煤層氣井的固井提供有利幫助。

3.結論

（1）根據頭屯河地區的煤體結構以及煤層特點，應當使用直井進行開發，可以減少井壁不穩定帶來的鉆井事故和鉆井液對煤層的污染。

（2）針對頭屯河地區水文地質條件和地層特點，選用空氣或空氣泡沫欠平衡鉆井技術，可以有效減少對煤層的污染，提高施工效率。并且針對不同的地層采用不同的低固相或無固相鉆井液，可以避免在正常鉆進時鉆井液影響煤層和護壁。

（3）根據計算得出水泥漿頂替應采用塞流頂替，并且對于頭屯河地區的地層特點，提供一種有效的煤層氣井固井方法，即繞煤層固井技術。

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