煤层气水平井地质导向技术研究与应用

煤层气水平井地质导向技术研究与应用

程志

新疆煤田地质局一六一煤田地质勘探队 新疆乌鲁木齐市  830000

摘要：近年来，随着我国对煤炭资源的大量开发利用，煤矿瓦斯爆炸，瓦斯突出事故频发，造成大量的人员伤亡，财产损失，煤层气(瓦斯）作为一种重要的石化能源，没有被合理开发利用，国家能源局发布{关于组织开展煤矿瓦斯高效抽采利用和煤层气勘探开发示范工作的通知}，提出采煤先采气，坚持应抽尽抽，抽采利用并重的资源开采利用办法，新疆维吾尔自治区成立新疆亚心煤层气开发总公司，统筹规划新疆的煤层气开发利用工作，先期布局准东煤田300口煤层气生产井。随着煤气层试验井、生产井的不断增加。水平钻井、定向钻井作为高效开发煤层气的先进且复杂的钻井技术，在煤层气开发中扮演中重要“角色”。基于煤层气钻井预抽技术现状，对煤层气地面定向钻井预抽技术进行系统分析和总结，可以得出：煤层气定向钻井预抽技术可分为常规和特殊定向钻井预抽两大类，它们的技术原理及特点、施工工艺流程、技术难易程度及适应性等各不相同。本文首先对煤层气简述，其次探讨现场地质导向技术应用，也为破解我国煤层气开发的技术难题提供了思路。

关键词：煤层气；录井导向；轨迹控制

引言

钻井工程作为煤层气开发关键环节和必要基础工程，受多地质要素及其耦合作用影响，致使煤层气赋存条件复杂，单一钻井类型难以满足地下煤层气高效开发。基于煤层气开发区块地形地貌特征、煤层气地质条件、煤储层物性、各钻井类型的技术特点以及其适用性，优选煤层气钻井类型是提高煤层气开发成效的关键内容。煤层气地面定向钻井是煤层气勘探开发领域技术先进且复杂的钻井技术之一，其利用测斜、导向工具（轨迹导向、地质导向）及特殊井下工具等对钻井轨迹进行实时精准控制，让钻头沿着原定设计的轨迹钻进施工的钻井工艺。按煤层气定向钻井技术特点，可将其划分为煤层气常规定向钻井技术和煤层气特殊定向钻井技术两大类。本文以期为地面煤层气钻井类型优选及钻井工程设计等提供参考。

1煤层气简述

煤层气俗称“瓦斯”，是一种非常规天然气，与煤炭伴生并以吸附态形势在煤层内储存，成分以甲烷（CH4)为主,具有标准煤的2—5倍的热值。1m3煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，燃烧洁净，废气产生率低，是较好的工业和居民生活能源。另外，开发利用煤层气的优点众多：一是煤层气温室效应约为CO2的21倍，开发利用可降低对生态环境的污染；二是开采煤层气可有效降低煤矿瓦斯爆炸率等。因此煤层气勘探开发具有巨大的经济和社会效益。中国煤层气资源禀赋，总储量位居世界第三。据统计每年随开采原煤的伴生气排放达130×108m3以上，合理抽放的量应可达到35×108m3左右，除去现已利用部分，每年仍有30×108m3左右的剩余量，加上地面钻井开采的煤层气50×108m3，可利用的总量达80×108m3，约折合标煤1000×104t。如用于发电，每年可发电近300×108kWh，勘探开发潜力巨大。

2现场地质导向技术应用

2.1 U型井煤层气预抽技术

U型井由排采井和工程井构成，利用定向水平井的水平段末端与垂直井相连。通过技术革新和发展，形成了裸眼完井、筛管完井、下套管固井完井及下套管不固井完井等四种煤层气预抽U型井完井技术体系。U型井的工程井具有三段式井眼轨（直（垂直井段）-增（增斜井段）-稳型（稳斜井段）），多采用三开井身结构，也有极少采用二开井身结构。U型井具有井控面积大、抽采范围广、适用性强（多煤阶、多煤体结构类型、高含水地层）、抽采效率、可动储量及采收效率高等特点，但施工技术较复杂、难度较大、作业成本相对较高。U型井裸眼完井的水平段为裸露井眼，多在技术形成初期应用，在煤体破坏轻、力学强度高、煤层孔渗性好的煤层中进行煤层气抽采具有一定适应性，由于煤岩性脆及极强应力敏感性，生产过程中水平裸眼段会出现井眼失稳坍塌和煤粉大量产出，导致频发修井和不能连续稳定排采，影响产气量。U型井筛管完井技术可以有效解决上述问题，通过在水平井段下入筛管支撑井壁，增强井眼稳定性，同时控制煤粉产出，利于煤层气高效排采。我国煤层普遍为低渗、超低渗特性，为实现U型井的井眼稳定性、气井高效排采和提高气井产气量，多数U型井在水平段下入套管固井后采用定向射孔，再进行压裂改造，但也有极少部分U型井仅在水平段下入套管不固井，然后通过水力喷射方式对煤层进行压裂改造。上述完井方式中，U型井下套管固井完井最为常见且应用广泛，在我国沁水、枣庄、山西保德及霍林河、甘肃武威、安徽淮南、山西西山、贵州织金等煤田煤层气开发中均有应用，其中沁水煤田应用效果最为显著，单井产气量平均在1万m3以上。同时，通过技术创新下套管固井完井的U型井被应用于碎软煤层中抽采煤层气，钻井水平段沿煤层顶板钻进下套管固井、定向射孔压裂后抽采煤层气，在淮北芦岭、沁水盆地赵庄煤矿碎软煤层中煤层气抽采取得良好效果，初步形成了一套适合该区碎软低渗煤层煤层气分段压裂水平井高效开发技术。

2.2 L型水平井精细排采控制技术

基于煤储层特征和非固井水平井的开发特点，为了更好地控制排采速度、保护煤储层，提出适应于煤层气水平井的“三段六步法”精细排采管理制度，按照气/水产出阶段不同将排水采气制度划分为单相水产出、气水两相混合产出和单相气产出3个阶段，同时根据每个阶段的排采特点与管理要求，依据井底流压、产水速度、产气速度和煤粉产出等变化情况，将排采制度分为6个步骤进行管理，即：试抽阶段、排水降压阶段、临界产气阶段、气量快速增加阶段、稳定产气阶段和气量衰减阶段，根据每个阶段的排采特征和伤害机理，制定相应的排采控制措施，实现对煤层气水平井科学化、精细化排采管理；现场试验实现了“连续、稳定、缓慢、高效”的排水采气目标，检泵周期和稳产效果大幅提升，取得很好的排采效果。

2.3 悬挂系统优化

后期排采过程中，在煤层气单支水平井内下同心射流泵，但是大孔径筛管中很容易进入细小煤屑和煤灰，为保证悬挂器内通径不受影响，必须在排采期间展开通井和洗井。而常规尾管悬挂器很难满足这方面的要求，为配合单支水平井技术的顺利应用，提出新型煤层气井专用筛管悬挂丢手系统。该系统主要采用金属密封套，可省去钻除环节；系统丢手后球座与相关工具一同从井口提出，不会滞留于套管中，同时起到防止煤屑和煤灰进入筛管、堵塞筛管的作用，保证排采通道畅通。

2.4 多分支水平井煤层气预抽技术

多分支水平井，是集煤层气钻完井、增产、排采等于一体的集成新技术。与其他井型相比，可最大限度沟通煤层割理裂隙系统，增强流体渗流能力，增大井控和排水泄压面积，大幅度提高单井产量，减少钻井数量和占地面积，但其钻井、排采过程中井眼稳定性差、易变形垮塌，后期维护难度大等劣势，对气井高效生产带来不利影响。前人基于煤层气开发区块地质工程、煤储层物性及特征和钻井工程等因素对多分支水平井进行优化设计，形成了单煤层对接井单主分支多分支、单煤层对接井多主分支多分支、多煤层对接井合采多分支及单一煤层对接井多井共采多分支水平井等四种多分支水平井类型。上述4种井型的水平对接井均采用三开井身结构设计，裸眼完井方式。垂直对接井为二开井身结构，生产套管完井方式。随着钻井、排采技术的不断发展，适宜煤储层物性特点的钻井液及煤层气排采技术体系相继涌现，多分支水平井井壁坍塌失稳、储层保护及排采难题得到了有效解决，进而形成了单井多分支水平井，较多分支水平井开发成本得到有效降低。

结束语

结合深部地层特性参数、水平井钻进参数及气测参数，提出了深部煤层气水平定向钻进地质导向技术，在水平段钻进过程中，利用电信号、钻时、气测、伽马等参数数据系统实时辨识分析，精准控制轨迹沿层钻进，并随着目的层的起伏倾角的变化，提前预判轨迹走势，实现水平井精准着陆，为后期的三开水平段钻进提供技术保障。

参考文献

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