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        河南省煤層氣鉆井技術(shù)發(fā)展歷程及展望

        2022-10-08 05:58:36張曉昂劉國衛(wèi)齊治虎張留彬胡向志王立峰
        鉆探工程 2022年5期
        關(guān)鍵詞:工藝施工

        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。

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