張曉昂，劉國衛(wèi)，齊治虎，張留彬*，胡向志，王立峰

（1.河南省地質(zhì)研究院，河南 鄭州 450016；2.河南豫中地質(zhì)勘查工程有限公司，河南 鄭州 450016；3.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450016；4.河南省資源環(huán)境調(diào)查二院，河南 洛陽 471023）

0 引言

河南是煤炭資源大省，也是煤層氣資源大省，據(jù)2012年“河南省煤炭資源潛力評價”報告，截至2009年河南全省煤層氣預測資源量10501.19×108m3［1］，河南煤田局作為以煤田勘探為主的地勘單位，總共在河南境內(nèi)發(fā)現(xiàn)了焦作、平頂山、安陽、鶴壁、義馬、鄭州、永夏等18個煤田和5個含煤區(qū)，先后組織完成了299個井田的資源勘查工作，并最早于20世紀60年代開始對煤層氣勘探評價技術(shù)進行研究［2］。近些年來對煤層氣勘探開發(fā)工藝進行了探索和實踐［3］，經(jīng)過不斷的技術(shù)創(chuàng)新研究、裝備更新?lián)Q代，促進了煤層氣鉆井業(yè)務的蓬勃發(fā)展。

1 煤層氣鉆井設備

中國煤層氣開發(fā)最早在沁水盆地獲得工業(yè)氣流，并在國家發(fā)改委出臺相關(guān)優(yōu)惠政策后，于2005年開始得到了快速發(fā)展。經(jīng)過多年實踐，國內(nèi)勘探開發(fā)深度從2000 m以淺逐漸拓展到2800 m，開發(fā)井型從直井拓展到定向井、L形井、U形對接水平井、多分支水平井等［4-9］。煤層氣鉆井裝備也從水源鉆機、工程鉆機發(fā)展到車載鉆機、石油鉆機、模塊化鉆機等類型，以及相配套的空壓機、泥漿脈沖和電磁波式無線隨鉆儀器等，滿足不同煤層氣鉆井工藝需求［10-16］。使用的主要煤層氣鉆井設備及性能特點見表1。

表1 煤層氣鉆井設備性能參數(shù)Table 1 Performance parameters table of coalbed methane drilling equipment

2 煤層氣鉆井技術(shù)發(fā)展回顧

2.1 煤層氣參數(shù)井及繩索取心工藝［9］

煤層氣參數(shù)井的目的是獲取目的煤儲層參數(shù)，同時也用作煤層氣開發(fā)試驗井，因此對煤層氣參數(shù)井提出了特殊的要求：

（1）終孔一般要下入?139.7 mm生產(chǎn)套管，終孔孔徑215.9 mm；

（2）巖（煤）心直徑≮60 mm；

（3）為減少煤心期初過程中的氣體損失量，要求從割心到提出井口時間＜2 min/100 m。

鑒于以上要求，再加上煤巖脆、易碎、遇水膨脹等特性，常規(guī)的巖心鉆探、石油鉆探均不能滿足取心要求。為此，河南煤田局研制了煤層氣參數(shù)井專用的WH-B型半合管繩索取心鉆具，直接配套?127 mm鉆桿使用，2005年在山西第一口煤層氣參數(shù)井馬壁MB-001井試驗成功，煤層巖心直徑達到68 mm，平均巖心采取率達95%，提升速度＜2 min/100 m，完全滿足煤層氣參數(shù)井要求，效果良好。在全國煤層氣參數(shù)井施工中廣泛推廣應用。

新疆地區(qū)煤層厚度和埋深大，煤層氣參數(shù)井需要對煤層上部、中部、下部分段取心，為實現(xiàn)分段取心且減少提大鉆次數(shù)，研制了取心全面鉆進可變組合式鉆頭［17］，在不提大鉆、不換鉆具的情況下，實現(xiàn)繩索取心和全面鉆進快速切換，縮短了輔助時間，提高了施工效率。2009年在新疆吐哈煤層氣區(qū)塊服務取心井11口，平均巖心采取率90.9%（見表2），由于部分井煤與泥巖互層造成了巖心采取率較低。

表2 新疆吐哈煤層氣井取心情況Table 2 The coring situation of Tuha CBM well in Xinjiang

2.2 煤層氣洞穴井及掏穴工藝

煤層氣洞穴井一種是作為欠平衡水平井或U形連通井的配套井［18］，另外一種是煤層氣生產(chǎn)井的完井方式［19］。針對2種不同用途井型的要求，彭桂湘等研制了噴射式擴孔掏穴器［20］（見圖1），研究制定了掏穴工藝技術(shù)措施，煤層掏穴直徑達到500～800 mm，在煤層氣欠平衡水平井和U形連通井組施工中廣泛應用。研究應用了煤層氣井的反循環(huán)空氣動力造穴方法及設備［21］，采用反循環(huán)工藝對煤儲層裂隙進行擴張及清洗，并優(yōu)化放噴煤層氣井段周圍形成洞穴，為碎裂煤、碎粒煤等煤儲層改造提供了較好的方法。

圖1 噴射式擴孔掏穴器Fig.1 Shot-type hole-expander

2.3 煤層氣水平井鉆井工藝

我國煤層氣水平井鉆完井技術(shù)經(jīng)歷了多分支水平井、U形對接井技術(shù)，到現(xiàn)在經(jīng)濟適用的L形單支水平井技術(shù)［4］，河南煤田局在不同時期對多種煤層氣水平井鉆完井技術(shù)進行了探索和實踐。2009年，研究了寄生管法煤層氣欠平衡水平鉆井工藝［12，22］，由2根注氣管隨技術(shù)套管下至著陸點，通過注氣管注氣實現(xiàn)井底欠平衡（工藝原理及井身結(jié)構(gòu)見圖2）。

圖2 寄生管欠平衡鉆井工藝原理及井身結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Underbalanced drilling technology principle of parasitic pipe and structure diagram of cleaning body

該技術(shù)在陜西韓城象山煤礦XBSS-01井成功應用（見圖3），完成了2個水平分支（長度分別為378.52、273.89 m），是國內(nèi)首次將單井寄生管注氣法應用到煤層氣欠平衡水平井鉆井施工，與常規(guī)通過連通井注氣欠平衡鉆井工藝相比可省去1口掏穴井，節(jié)約工程成本。

圖3 2009年寄生管法欠平衡水平井施工現(xiàn)場Fig.3 Construction site of underbalanced horizontal well by parasitic pipe method in 2009

2012年，在山西陽泉首次實踐完成了YQ318“U”形井組［23］，全面掌握了煤層氣U形套管完井施工工藝流程（直井洞穴井完井、水平井鉆進連通、直井掏穴段填砂封井、水平井下套管、固井、水平井壓裂、直井和水平井二次連通）和定向、連通、水平井固井等施工工藝。2014年，完成了一口“L”形動采區(qū)煤層氣試驗井SH14-L-01井，將高抽巷瓦斯技術(shù)與煤層氣地面抽采技術(shù)相結(jié)合，解決出采和回采期間的瓦斯問題，實現(xiàn)煤炭開采前、開采中、開采后煤層氣地面開采利用［13］，取得了日產(chǎn)氣量28000 m3，在沁水地區(qū)進行了推廣應用（見表2）。

表2 部分煤層氣水平井施工工藝及效果Table 2 Construction technology and effect of coalbed methane horizontal well

2016年，利用MZJ-90Y型斜井全液壓動力頭鉆機在山西寺河煤礦完成了SHH05-2（9）煤層氣L形井（見圖4），該井目的層垂深291 m，開孔井斜19°，水平段鉆進2個分支，井深分別為1193.7、1107 m，水平段長分別為787.7、696.0 m，為淺埋煤層氣水平井施工提供了借鑒。

圖4 MZJ-90Y型斜井全液壓動力頭鉆機在SHH05-2（9）井施工現(xiàn)場Fig.4 MZJ-90Y full hydraulic power head drilling rig in Well SHH05-2(9)construction site

2018年，完成了3組地面多分支水平井與礦井下瓦斯抽排鉆孔對接井組，實現(xiàn)地面多分支井增大控制面積、井下集中抽采的目的［24］。該井組由1口井下瓦斯抽采鉆孔和1口地面多分支水平井組成。施工工序為：先在煤礦巷道施工上揚一定角度的井下瓦斯孔，孔口使用鋼制套管固孔，井口連接漿液分離器等井口裝置，用于地面多分支水平井與井下鉆孔對接；然后在地面進行多分支水平井施工，先鉆進分支，最后鉆進主支，主支與井下瓦斯孔對接完成之后下入玻璃鋼篩管，形成穩(wěn)定的供氣通道，通過井下瓦斯井進行瓦斯抽采。該井型不適用于煤層結(jié)構(gòu)復雜地層，容易造成分支井眼坍塌，進而影響抽采效果。表3和圖5分別為其中1口SQN-0501-5井井眼實鉆情況和實鉆軌跡圖。

表3 SQN-0501-5井井眼情況實鉆情況Table 3 Statistical table of actual drilling situation of well SQN-0501-5

圖5 SQN-0501-5井實鉆井眼水平投影Fig.5 Horizontal projection map of well SQN-0501-5

2.4 煤層氣穿采空區(qū)鉆井工藝

沁水盆地隨著3號煤層的開采，逐漸形成了大面積采空區(qū)，對下部煤層的煤層氣開采造成了重要影響，2014年，對如何穿采空區(qū)鉆井施工進行了技術(shù)攻關(guān)，并在晉城陽城縣潤城鎮(zhèn)成功完成了該地區(qū)第一口煤層氣穿采空區(qū)井——SHCK-01井，后經(jīng)過不斷的實踐和完善形成了氣動潛孔錘穿越采空區(qū)鉆井工藝［25-26］，有效解決了該類型煤層氣井施工技術(shù)難題，并在該區(qū)域廣泛推廣應用，至2019年共完成煤層氣穿采空區(qū)井90余口。

2020年，針對沁水盆地地層特點開展了沁水盆地穿采空區(qū)煤層氣水平井施工技術(shù)研究和實踐，采用空氣螺桿+EMWD（電磁波無線隨鉆儀）定向穿越采空區(qū)煤層氣水平井鉆井技術(shù)成功在晉城寺河煤礦完成一口試驗井。對該類型井施工提供了有益的參考和借鑒［27］。該井采用四開井身結(jié)構(gòu)（見表4），二開鉆進選用了?244 mm、彎度1.5°、扶正器直徑338 mm的空氣螺桿，根據(jù)實際鉆進情況，基本能實現(xiàn)定向穿采空區(qū)鉆進，空氣螺桿鉆進效率約為8.5 m/h（見表5），高于常規(guī)液動螺桿鉆進效率。但也出現(xiàn)一些問題，主要是：空氣螺桿造斜能力不強（見表6）；鉆壓高、扭矩大會影響螺桿工作；空氣鉆進振動大，易出現(xiàn)電磁波無線隨鉆儀震脫、無信號，也易對隨鉆儀器造成損壞。后采用此工藝又在此區(qū)域完成了2口試驗井，施工情況基本與第1口井相似。

表4 井身結(jié)構(gòu)Table 4 Well structure

表5 空氣螺桿實鉆記錄Table 5 Record table of air screw drilling

表6 空氣螺桿實鉆數(shù)據(jù)表Table 6 Air screw drilling data table

3 煤層氣鉆井技術(shù)展望

我國煤層氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，處于上升發(fā)展期，但還存在勘探程度低、產(chǎn)氣量爬坡期長、構(gòu)造煤無適用性開發(fā)技術(shù)、沁水盆地等有利區(qū)塊采空壓覆區(qū)逐漸增大等問題。針對煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，秦勇等［28］提出煤系氣開發(fā)概念，論證了建設煤系氣大產(chǎn)業(yè)的可行性，并提出研究發(fā)展適用技術(shù)和出臺國家政策2方面的戰(zhàn)略建議；孫欽平等［29］認為高產(chǎn)老區(qū)穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)、低產(chǎn)低效老區(qū)改造、低煤階與構(gòu)造復雜區(qū)效益開發(fā)、深部及煤系天然氣綜合開發(fā)是未來中國煤層氣產(chǎn)量持續(xù)增長的方向；針對構(gòu)造煤，桑樹勛等［30］提出水平井造洞穴應力釋放構(gòu)造煤原位煤層氣開發(fā)技術(shù)。未來，煤層氣鉆井技術(shù)研究應用要緊緊圍繞煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，一方面針對高產(chǎn)老區(qū)及深部研究適用性煤層氣鉆井技術(shù)及裝備，不斷提高施工效率、降低生產(chǎn)成本，另一方面針對構(gòu)造煤、采空區(qū)及采空壓覆區(qū)創(chuàng)新研究鉆井工藝及機具，解決“卡脖子”問題，促進煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.1 煤層氣鉆井技術(shù)方面

3.1.1 精準導向的“一趟鉆”水平井鉆進技術(shù)

單支L形水平井是已成為最適用的煤層氣開發(fā)井型，但由于煤層薄、斷層多、起伏大、易坍塌等特點，在施工中易發(fā)生水平段鉆進時偏離目的煤層、起下鉆及劃眼時鉆出新井眼、水平段鉆進時坍塌卡埋鉆、水平段套管下入難度大等問題，不僅影響鉆進效率，而且影響成井質(zhì)量。因此要研究并推廣應用精準導向的“一趟鉆”技術(shù)，一方面加強隨鉆測控技術(shù)、近鉆頭磁短接工具、高精度方位伽馬等的研究應用，提高導向的精準度，另一方面研究合適的鉆井液體系、井下動力工具、高效鉆頭等，提高煤層氣水平井鉆井效率和質(zhì)量。

3.1.2 以氣體為循環(huán)介質(zhì)的定向鉆井技術(shù)

無論煤層氣采空井、采動井及穿采空區(qū)井，面臨的一個問題是采空區(qū)及其上部擾動區(qū)都存在不同程度的漏失，無法采用常規(guī)泥漿循環(huán)鉆進，而以空氣為介質(zhì)容易產(chǎn)生自燃，目前以氮氣為介質(zhì)的直井井型已在沁水盆地推廣應用，但成本較高，單井經(jīng)濟效益較差。為提高投入產(chǎn)出比，實現(xiàn)該區(qū)域類型煤層氣開發(fā)，水平井是必然的選擇，但目前氣動定向鉆井技術(shù)還不成熟。今后要進一步加強氣動定向鉆井技術(shù)研究應用，包括空氣螺桿、自回轉(zhuǎn)氣動潛孔錘等專用井底動力鉆具，防震、防脫的電磁波無線隨鉆儀器，經(jīng)濟合理的惰性氣體，以及配套的施工參數(shù)等。目前正在開展氣動定向穿越采空區(qū)煤層氣水平井鉆井工藝研究，并完成了3口試驗井，取得了良好效果。

3.1.3 針對構(gòu)造煤的水平井造洞穴技術(shù)

構(gòu)造煤原位煤層氣地面開發(fā)目前還沒有適用技術(shù)，研究針對構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)關(guān)鍵鉆井技術(shù)也是未來發(fā)展的方向。如桑樹勛等［30］借鑒煤礦采動區(qū)應力釋放煤層氣地面瓦斯抽采技術(shù)和直井裸眼洞穴完井技術(shù)提出了水平井造洞穴應力釋放構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)技術(shù)，并開展了開發(fā)理論和關(guān)鍵技術(shù)裝備的研究，取得了實質(zhì)性進展，為構(gòu)造煤原位煤層氣開發(fā)提供了思路和方向。如何將構(gòu)造煤儲層大直徑水平井成井、誘導控制造穴技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)化為工程實踐也是需要研究和關(guān)注的方向。

3.2 煤層氣鉆井設備方面

目前煤層氣鉆井施工主要設備有車載鉆機、模塊化鉆機和石油ZJ20、ZJ30、ZJ40型等鉆機。與石油鉆機相比，車載鉆機、模塊化鉆機的優(yōu)點是機動性好、占用場地面積小、自帶動力頭利于處理復雜工況，但起下鉆必須單根拆卸，造成輔助時間長，比較適用于采空井、采動井、垂深800 m以淺的煤層氣水平井以及場地受局限的井的施工；對垂深超過800 m煤層氣井，建議用石油系列鉆機，可以縮短起下鉆輔助時間。隨著煤層氣開發(fā)逐漸進入更深地層，為進一步提高工作效率，下一步還要加強帶頂驅(qū)的石油系列鉆機的配備。另外，建議鉆井設備生產(chǎn)研發(fā)廠家進一步向自動化、智能化、遠程操控等方向發(fā)展，降低一線工人的勞動強度，改變工作模式，優(yōu)化工作環(huán)境，促進鉆井產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。

4 結(jié)語

河南地勘隊伍是最早參與煤層氣勘探開發(fā)的隊伍之一，隨著2003年以來煤層氣產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化發(fā)展及需求，研制了繩索取心鉆具、噴射式擴孔掏穴器等專用機具，研究實踐了煤層氣參數(shù)井、洞穴井、水平井、采動井、穿采空井等多種鉆井工藝，獲得了多項技術(shù)成果和豐富的實踐經(jīng)驗，形成了覆蓋全面煤層氣開發(fā)井型的鉆井技術(shù)體系，有力促進了煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。展望未來，河南地勘隊伍將持續(xù)關(guān)注煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，積極引導促進河南地區(qū)煤層氣開發(fā)利用，在煤層氣水平井高效施工技術(shù)、精準導向技術(shù)、穿采空區(qū)定向鉆井技術(shù)、構(gòu)造煤開發(fā)適用關(guān)鍵鉆井技術(shù)以及相關(guān)鉆井設備等方面持續(xù)開展科技攻關(guān)和生產(chǎn)實踐，助推我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。