摘要：煤層氣儲(chǔ)層的特殊性對(duì)煤層氣鉆井時(shí)的儲(chǔ)層保護(hù)提出了更高的要求。用氣體鉆井方式開采煤層氣是一種有效的保
??????? 護(hù)儲(chǔ)層的手段，被國(guó)外油田廣泛采用。氣體鉆井方式的選擇必須考慮地層的適用性、應(yīng)用模式、后期完井方式以及經(jīng)濟(jì)性。通
??????? 過對(duì)國(guó)外煤層氣開發(fā)中氣體鉆井的應(yīng)用情況、煤層特點(diǎn)、氣體鉆井應(yīng)用于煤層氣的技術(shù)模式進(jìn)行分析，結(jié)合我國(guó)煤層氣特點(diǎn)及
??????? 氣體鉆井技術(shù)現(xiàn)狀，探討了在我國(guó)煤層氣開發(fā)中開展氣體鉆井的可行性。
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??????? 關(guān)鍵詞：煤層氣；氣體鉆井；儲(chǔ)層保護(hù)
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??????? 煤層氣作為非常規(guī)天然氣，在國(guó)內(nèi)外掀起了新的勘探開發(fā)熱潮。在國(guó)外，美國(guó)已經(jīng)在第三代煤層氣區(qū)域進(jìn)行了勘探開發(fā)(1)，2009 年美國(guó)煤層氣年產(chǎn)量已超過 600 億 m3，加拿大、澳大利亞等國(guó)家在2000 年后也加強(qiáng)了煤層氣開發(fā)技術(shù)的研究，進(jìn)行了商業(yè)化開采，形成了快速發(fā)展的新興能源產(chǎn)業(yè)。國(guó)內(nèi)中石油等企業(yè)先后在沁水盆地、鄂爾多斯東部、阜新等地區(qū)大規(guī)模采用了以地面鉆井開采煤層氣為主的開采模式，形成了年產(chǎn)能 25 億 m3煤層氣的能力。據(jù)國(guó)家有關(guān)部門規(guī)劃，2020 年我國(guó)煤層氣的年生產(chǎn)能力要達(dá)到 300 億 m3，發(fā)展前景極其廣闊。
??????? 煤層具有特殊的巖石性質(zhì)，使得煤層氣開發(fā)與 其他常規(guī)油氣田有很大的區(qū)別。首先含有煤層氣的煤巖具有非常強(qiáng)的毛細(xì)管效應(yīng)（亦稱水鎖效應(yīng)）、高壓力敏感性和滲透滯后現(xiàn)象，更易受到污染；同時(shí)煤層氣吸附在煤層中，煤層既是產(chǎn)氣層也是儲(chǔ)氣層，只有臨界解吸壓力小于地層壓力時(shí)，以吸附狀態(tài)賦存在煤巖中的煤層氣才能解吸，因此，對(duì)煤層氣鉆體鉆井是一種保護(hù)儲(chǔ)層的有效鉆井手段，已經(jīng)在國(guó)外的煤層氣鉆井中得到較為廣泛的應(yīng)用，并形成了針對(duì)不同煤層地質(zhì)特點(diǎn)的氣體鉆井模式。
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??????? 用氣體作為循環(huán)介質(zhì)鉆水平井不是常規(guī)作業(yè)方式,但是用氣體鉆有井自身的一些優(yōu)勢(shì)。氣體鉆井中常用的鉆井介質(zhì)為空氣。自1986年以來國(guó)外許多水平井都使用空氣成功鉆成。用空氣或泡沫鉆水平井能大大地提高機(jī)械鉆速,降低鉆時(shí);能解決低壓儲(chǔ)層的井漏問題;并能有效降低鉆井液侵入造成的地層損害。但是氣體鉆水平井還存在一些問題,主要有:MWD系統(tǒng)不能在多種氣體鉆井條件下連續(xù)工作;氣體鉆水平井的井眼軌跡控制;井斜大于50°后井眼清潔將成為一個(gè)問題;由于鉆柱和井筒間的摩阻增大,水平井段的長(zhǎng)度將減小;巖性和目標(biāo)層類型的選擇范圍變小。本文針對(duì)以上問題,介紹相關(guān)的新技術(shù)新方法,以期為技術(shù)服務(wù)人員提供開闊的思路和探索更有效的工藝措施。
??????? 氣體鉆水平井在國(guó)內(nèi)應(yīng)用不多,很多技術(shù)問題仍有待解決,而最關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)就是水平井段攜巖問題。目前國(guó)際上常用的斜井、水平井氣體鉆井參數(shù)計(jì)算和實(shí)際情況有很大差別,計(jì)算出的攜巖氣體需求量往往偏小,難以保證井下正常攜巖和凈化。在水平井筒內(nèi),水平段和造斜段的攜巖能量最低,巖屑濃度高,不能被帶走的巖屑很難回到井底被鉆頭重復(fù)破碎,容易造成巖屑堆積,形成鉆屑床,從而造成起下鉆遇阻、卡鉆等事故。對(duì)比相同條件下的直井和水平井環(huán)空攜巖,水平井應(yīng)適當(dāng)增大注氣量。目前國(guó)際上采用的通用計(jì)算方法都基于一維穩(wěn)態(tài)流方程,如使用修正后的Angel模型設(shè)計(jì)定向井和水平井鉆井的最優(yōu)注氣量。西南石油大學(xué)孟英峰等進(jìn)行了水平井段的三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬分析,研究發(fā)現(xiàn),鉆柱在井內(nèi)的位置和截面變化對(duì)流場(chǎng)和攜巖影響很大,通過計(jì)算得到以下結(jié)論:①水平井段鉆柱貼近下井壁,造成偏心環(huán)空,在重力作用下,大顆粒巖屑沉降,而細(xì)小粉塵則停留在上部空間。偏心環(huán)空上部空間流速高,而下部空間流速低,從而造成巖屑在下部堆積、成床。②這種偏心環(huán)空的上高下低的流速分布不均現(xiàn)象,井徑越大,越明顯,越不利于攜巖。③加大注氣量對(duì)
??????? 于提高偏心環(huán)空下部流道的攜巖有一定作用,但是效果較差;且井眼尺寸越大,增大氣量的效果越不明顯。④消除水平段偏心環(huán)空攜巖不暢的最有效辦法是抬升鉆桿,減少偏心度,最好能實(shí)現(xiàn)環(huán)空鉆桿居中的同心環(huán)空。
???????? 1　國(guó)外煤層氣井氣體鉆井的煤層特征近年來，煤層氣井鉆井技術(shù)越來越朝著保護(hù)煤層的方向發(fā)展，因?yàn)楸Ｗo(hù)煤層不受損害對(duì)煤層氣今后的開采和提高采收率具有非常重要的作用。美國(guó)在煤層氣井的氣體鉆井技術(shù)利用方面進(jìn)行了大量的實(shí)踐，并取得了顯著效果。美國(guó)西部的圣胡安盆地和東部的黑勇士盆地的煤層資源條件好，煤巖層構(gòu)造簡(jiǎn)單，幾乎未遭受后期褶皺、斷裂構(gòu)造的破壞，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層的滲透率高。圣胡安盆地煤層高壓、高滲，煤種為次煙煤，煤層埋深一般 1000 m，厚度 10~30 m，煤層裂縫中的地層流體壓力較大，微裂縫的滲透能力強(qiáng)，煤巖滲透率可達(dá)（3~25）×10-3μm2；而黑勇士盆地則以水飽和煤層為代表，煤種為中煙煤，煤層埋深一般 600 m，厚度4~6.7 m，煤層微裂縫中含水量幾乎占滿了煤層裂隙等空間。據(jù)姜慶俊等人赴美考察報(bào)告顯示［2］，圣胡安和黑勇士盆地均在較大范圍內(nèi)采用了空氣鉆井。無論是下套管壓裂井還是裸眼造洞穴井，大都使用空氣鉆機(jī)利用空氣鉆穿目的煤層。鉆井完成后，利用空氣作為循環(huán)介質(zhì)將井筒清洗干凈。
??????? 在黑勇士盆地部分地區(qū)［3］，最初嘗試采用空氣鉆井打開煤層，但是由于這些地區(qū)地層出水段較多，最終放棄了使用空氣鉆井而采用清水鉆井液在煤層中鉆進(jìn)。這種情況同樣在澳大利亞煤層氣鉆井施工中出現(xiàn)［4］。在圣胡安盆地北部地區(qū)［5］，雖然煤巖破碎，其地質(zhì)條件對(duì)空氣鉆井不利，但為了能成功地進(jìn)行裸眼洞穴造穴完井，在煤質(zhì)易破碎地層仍然使用了空氣鉆井。在煤層中進(jìn)行氣體鉆井，一般應(yīng)具備以下條件：（1）煤層含水量要小，而在目的煤層上部的裸露地層中也不能有大的含水量。（2）煤巖壓實(shí)程度高，井壁穩(wěn)定性好。一般來講，次煙煤和中煙煤為主的煤層段是進(jìn)行空氣 / 氣體鉆井的合適層位。（3）若煤層段不太長(zhǎng)，破碎性的煤層也能使用氣體鉆井。（4）在多煤層中，允許最底層煤層破碎率大一些，而其他煤層段需要達(dá)到一定壓實(shí)程度。（5）如果在水平井中進(jìn)行空氣鉆井，則要求所鉆煤層體系中出水量和煤層壓實(shí)程度都要達(dá)到更高的要求。一般煤層埋藏越深其穩(wěn)定性越好?????
???????? 2.1　煤層氣直井氣體鉆井技術(shù)
??????? 2.1.1　全井段氣體鉆井　其施工特點(diǎn)與常規(guī)油氣井的氣體鉆井相同。氣體鉆井的主要優(yōu)點(diǎn)在于鉆井速度快，因此，只要地層出水量在氣體鉆井允許范圍內(nèi)就可以采用全過程氣體井。對(duì)于“允許出水量”的概念可以這樣理解：一是所出的水能被氣體及時(shí)帶出井筒，二是地層水不會(huì)造成井壁的濕潤(rùn)垮塌，三是出水不會(huì)造成鉆屑的濕潤(rùn)而形成鉆頭泥包，四是鉆井過程中鉆具短起下能一次到底。但是在數(shù)百米的全井段往往存在出水層，若在出水量較大的區(qū)域盲目實(shí)施空氣鉆井可能會(huì)發(fā)生井眼垮塌等復(fù)雜情況導(dǎo)致作業(yè)的失敗，而對(duì)于多層煤層還必須要綜合考慮整個(gè)井眼的井壁穩(wěn)定情況，所以全井段氣體鉆井具有一定的局限性。