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，對煤層氣鉆井工藝技術進行初步探討，以期為鉆井施工提供有益參考。

關鍵詞：煤層氣井；鉆井工藝技術；取芯；地質(zhì)

中圖分類號：TB文獻標識碼：A文章編號：16723198（2014）08017402

自上世紀50年代以來，國外煤層氣的鉆井技術有了長足的進步，到1993年度，美國共施工約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，我國不但加強了與國外公司的合作，煤層氣鉆井技術得到了發(fā)展，而且目前我國各大油田以及煤炭工業(yè)部都開始涉及煤層氣領域，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足的進步，初步探索出一套煤層氣井的鉆井技術。

1煤層氣的特點

通常說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)生機理是降壓、解析、擴散、滲透的過程，煤層具有雙重孔隙結構，其機械物理性質(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，構成煤層氣特有的特點，具體表現(xiàn)為：

（1）煤的機械強度低，楊氏模量小，一般在1135-4602MPa，泊松比一般在0.18-0.42MPa，平均0.33；抗壓強度19.5-119MPa，大部分40-60MPa；抗張強度11MPa；孔隙壓縮系數(shù)0.12-0.96，煤比巖石易壓縮，當煤層被破碎后，煤層難以支撐上覆地層的壓力，易于塌垮，鉆開后的煤層，浸泡時間越長，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%，割理也相當發(fā)育，鉆開后濾失量大，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煤層氣鉆井技術關鍵

煤層氣的特點，決定了煤層氣井的鉆井技術關鍵有以下幾點：

（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，重點防垮以及井垮造成的復雜情況。

（3）建立合理的井深結構，加快鉆井速度，減少煤層浸泡時間。

（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15Min，這就要求采用繩索式取芯工具。

3現(xiàn)場實施情況

3.1施工簡況與基本數(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抽項目的一口取芯井。設計2#、8#、9#煤層采取煤層瓦斯樣，煤層頂板、底板取芯各個不少于2.00m，煤層上、中、下各取一個瓦斯解析樣進行煤層瓦斯解析。其目的在于開發(fā)、利用2#、8#、9#煤層的煤層氣，降低煤層瓦斯含量，獲得相應的儲層資料。

2013年8月5日一開鉆進，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小時固井候凝后下入Φ215.90㎜三牙輪鉆頭進行二開鉆進，9月12日達到設計目的后完鉆，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）構造。

太原古交煤層氣地面抽采區(qū)塊區(qū)域構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)育有次一級褶皺。主要有獅子河——馬蘭向斜、陳臺——水峪貫向斜、東北向斜和石千峰向斜。

（3）簡易水文地質(zhì)情況。本井在鉆進過程中，嚴格按照《鉆井作業(yè)規(guī)程》及有關要求進行施工。全井共觀測水位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)池沉淀時現(xiàn)有氣泡析出，因此，該井應具有瓦斯抽放潛力。本井要想獲得較為理想的抽放結果和可觀的經(jīng)濟效益，需進行有效的壓裂。

取芯情況說明：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#煤層取芯進尺6.50m，取芯長6.00m，平均采取率92.30%，取瓦斯樣2個，于917.50-919.40/1.90m，見煤，裝2罐，取煤鉆進過程中，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。其中8#煤層取芯進尺10.50m，取芯長9.80m，平均采取率93.33%，取瓦斯樣3個，于999.50-1003.00/3.50m，見煤，裝3罐，取煤鉆進過程中，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。其中9#煤層取芯進尺12.50m，取芯長11.90m，平均采取率95.20%，取瓦斯樣2個，于1011.60.00-1015.00/3.40m，見煤，裝2罐，取煤鉆進過程中，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。全井共取解析樣7個，均在現(xiàn)在進行了解析。

3.4鉆井參數(shù)

（1）鉆具組合。

一開鉆具組合（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鉆進液的參數(shù)

鉆進井段1深度（m）1密度（g/cm3）1粘度（s）1含砂量1類型一開10.00～55.8611.02～1.03116-1810.2%1彭潤土二開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)煤層氣鉆井的特點和甲方的施工要求，全井使用不含化學試劑的泥漿，一開井段使用水基彭潤土，比重在103以下，二開井段使用清水鉆進，在見煤前又進行了一次徹底的換漿，保證煤層的清潔鉆進，能使煤層氣順利排采。

（3）鉆進參數(shù)。

表2鉆進過程中的參數(shù)

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

4技術總結

本井屬于煤層氣井，設計井深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)測井驗證：完鉆層位、完鉆井深、井身結構、煤層數(shù)據(jù)、井身質(zhì)量及固井質(zhì)量符合或達到設計要求。各項原始資料記錄齊全、準確可靠。煤層位置判層與測井解釋基本吻合。

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

該井采用牙輪鉆頭，復合片PDC鉆頭交替使用的技術，采用滿眼鉆具組合，嚴格按照施工設計和《合同》的要求施工，達到了預期的目的，取得了良好的效果。據(jù)統(tǒng)計，該井二開地層采用PDC鉆頭，鉆進時效明顯提高，井身質(zhì)量完全符合要求。

全井工程質(zhì)量合格。

5結語

煤層氣鉆井技術的成功應用對開發(fā)新能源，解決煤礦瓦斯治理起到了極大促進作用，同時培養(yǎng)了一批從事煤層氣鉆井工藝技術人才，取得了一定的鉆井工藝技術推廣應用的管理經(jīng)驗。

參考文獻

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