煤层气井气体钻井技术发展现状与展望

申瑞臣 夏 焱

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195）

煤层气井气体钻井技术发展现状与展望

申瑞臣 夏 焱

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195）

煤层气储层的特殊性对煤层气钻井时的储层保护提出了更高的要求。用气体钻井方式开采煤层气是一种有效的保护储层的手段，被国外油田广泛采用。气体钻井方式的选择必须考虑地层的适用性、应用模式、后期完井方式以及经济性。通过对国外煤层气开发中气体钻井的应用情况、煤层特点、气体钻井应用于煤层气的技术模式进行分析，结合我国煤层气特点及气体钻井技术现状，探讨了在我国煤层气开发中开展气体钻井的可行性。

煤层气；气体钻井；储层保护

煤层气作为非常规天然气，在国内外掀起了新的勘探开发热潮。在国外，美国已经在第三代煤层气区域进行了勘探开发［1］，2009年美国煤层气年产量已超过600 亿m3，加拿大、澳大利亚等国家在2000年后也加强了煤层气开发技术的研究，进行了商业化开采，形成了快速发展的新兴能源产业。国内中石油等企业先后在沁水盆地、鄂尔多斯东部、阜新等地区大规模采用了以地面钻井开采煤层气为主的开采模式，形成了年产能25 亿m3煤层气的能力。据国家有关部门规划，2020年我国煤层气的年生产能力要达到300 亿m3，发展前景极其广阔。

煤层具有特殊的岩石性质，使得煤层气开发与其他常规油气田有很大的区别。首先含有煤层气的煤岩具有非常强的毛细管效应（亦称水锁效应）、高压力敏感性和渗透滞后现象，更易受到污染；同时煤层气吸附在煤层中，煤层既是产气层也是储气层，只有临界解吸压力小于地层压力时，以吸附状态赋存在煤岩中的煤层气才能解吸，因此，对煤层气钻井、完井过程中的储层保护提出了更高的要求。气体钻井是一种保护储层的有效钻井手段，已经在国外的煤层气钻井中得到较为广泛的应用，并形成了针对不同煤层地质特点的气体钻井模式。

1 国外煤层气井气体钻井的煤层特征

近年来，煤层气井钻井技术越来越朝着保护煤层的方向发展，因为保护煤层不受损害对煤层气今后的开采和提高采收率具有非常重要的作用。美国在煤层气井的气体钻井技术利用方面进行了大量的实践，并取得了显著效果。美国西部的圣胡安盆地和东部的黑勇士盆地的煤层资源条件好，煤岩层构造简单，几乎未遭受后期褶皱、断裂构造的破坏，内生裂隙发育，煤层的渗透率高。圣胡安盆地煤层高压、高渗，煤种为次烟煤，煤层埋深一般1000 m，厚度10～30 m，煤层裂缝中的地层流体压力较大，微裂缝的渗透能力强，煤岩渗透率可达（3～25）×10-3μm2；而黑勇士盆地则以水饱和煤层为代表，煤种为中烟煤，煤层埋深一般600 m，厚度4～6.7 m，煤层微裂缝中含水量几乎占满了煤层裂隙等空间。

据姜庆俊等人赴美考察报告显示［2］，圣胡安和黑勇士盆地均在较大范围内采用了空气钻井。无论是下套管压裂井还是裸眼造洞穴井，大都使用空气钻机利用空气钻穿目的煤层。钻井完成后，利用空气作为循环介质将井筒清洗干净。

在黑勇士盆地部分地区［3］，最初尝试采用空气钻井打开煤层，但是由于这些地区地层出水段较多，最终放弃了使用空气钻井而采用清水钻井液在煤层中钻进。这种情况同样在澳大利亚煤层气钻井施工中出现［4］。在圣胡安盆地北部地区［5］，虽然煤岩破碎，其地质条件对空气钻井不利，但为了能成功地进行裸眼洞穴造穴完井，在煤质易破碎地层仍然使用了空气钻井。

在煤层中进行气体钻井，一般应具备以下条件：

（1）煤层含水量要小，而在目的煤层上部的裸露地层中也不能有大的含水量。

（2）煤岩压实程度高，井壁稳定性好。一般来讲，次烟煤和中烟煤为主的煤层段是进行空气/气体钻井的合适层位。

（3）若煤层段不太长，破碎性的煤层也能使用气体钻井。

（4）在多煤层中，允许最底层煤层破碎率大一些，而其他煤层段需要达到一定压实程度。

（5）如果在水平井中进行空气钻井，则要求所钻煤层体系中出水量和煤层压实程度都要达到更高的要求。一般煤层埋藏越深其稳定性越好。

2 煤层气井气体钻井技术现状

气体钻井已经有60多年的应用历史，而把气体钻井应用于煤层气开发将近30年。煤层气开发中应用气体钻井技术并不是全新的欠平衡技术，而是常规油气田开发技术的一种新的尝试和应用领域的扩展，只是由于煤层的特性所致而显得独特。

在圣胡安盆地，早期所钻的煤层气直井尝试使用洞穴完井方式来提高煤层气产量。裸眼洞穴完井前，通常采用气体钻井打开煤层，这样做一是为了保护煤层不受污染，另一方面也是出于作业程序的需要和经济性的考虑。该方法在圣胡安盆地北部一些地区获得成功，但在盆地西部的大部分地区仍采用下套管完井后水力压裂的增产工艺［6］。

黑勇士盆地目的煤层埋藏较浅，由于地质年代老、地层完整，所以一般采用常规的钻井技术钻穿煤层上部的层段，而在煤层段应用气体钻井。从20世纪80年代开始，在黑勇士盆地推广了空气锤钻井技术［7］，主要用来提高钻速，降低成本。

2.1 煤层气直井气体钻井技术

2.1.1 全井段气体钻井 其施工特点与常规油气井的气体钻井相同。气体钻井的主要优点在于钻井速度快，因此，只要地层出水量在气体钻井允许范围内就可以采用全过程气体钻井。对于“允许出水量”的概念可以这样理解：一是所出的水能被气体及时带出井筒，二是地层水不会造成井壁的湿润垮塌，三是出水不会造成钻屑的湿润而形成钻头泥包，四是钻井过程中钻具短起下能一次到底。但是在数百米的全井段往往存在出水层，若在出水量较大的区域盲目实施空气钻井可能会发生井眼垮塌等复杂情况导致作业的失败，而对于多层煤层还必须要综合考虑整个井眼的井壁稳定情况，所以全井段气体钻井具有一定的局限性。

2.1.2 仅煤层段采用气体钻井 在黑勇士盆地部分区块的煤层气开发实践中，上部地层采用清水为主的钻井液，煤层段采用以空气或泡沫为循环流体的欠平衡钻井作业。这样可以使煤层段以上的地层减少井塌、地层出水等因素对钻井施工的影响，使目的煤层得到最有效的保护，即使目的煤层较为破碎也不影响作业的成功。其缺点是需要在打开煤层前进行钻井介质及工艺方法的转换，增加了气体设备和一些专用材料的投入。如果存在多个目的煤层，可以在钻到最上部煤层前转换成空气钻井，以使煤层得到最大的保护。

2.1.3 防水措施 在实施气体钻井或雾化/泡沫钻井过程中，每钻进30～50 m打一次“泡沫稠塞”是处理地层出水的一种有效措施。“泡沫稠塞”可以及时携带多余的地层出水和钻屑，确保井眼通畅、井壁干燥。“泡沫稠塞”由发泡剂、增黏剂和水配制而成。

2.2 实现储层保护的完井方式

2.2.1 裸眼洞穴完井 适合裸眼洞穴完井的地层条件为：（1）煤层结构完整；（2）煤层厚度大；（3）渗透率高（≥10 ×10-3μm2）；（4）煤层压力和含气饱和度高；（5）煤层内聚力较小（≤0.4 MPa）。

一般的施工方法是：（1）在造穴开始前，利用扩眼机械对煤层进行扩眼；（2）下放工具至造穴层位；（3）泵入钻井液，旋转工具进行破碎作业；（4）上提或下放钻具，直到造穴的高度达到设计要求。如果施工过程中辅以射流、液氮进行造穴作业，一般能够提高30%左右的造穴速度，且提高裸眼洞穴完井质量。

在圣胡安北部部分地区煤层具有高压、高渗透、煤质易破碎、煤层厚度大等特点，具备实现裸眼洞穴完井的理想条件。一般的煤层采用该完井方法增产的效果并不明显，而且工艺过程显得有些复杂。

2.2.2 下套管压裂完井 目前，直井除了适合裸眼洞穴完井的地层，都是采用套管完井。在下套管压裂增产井中，先用气体钻井方式打开煤层，然后采用绕煤层固井技术［6］。主要做法是在固井作业前下入特殊的工具管串将煤层与其顶底板形成有效封隔，在固井时水泥浆仅封固煤层以外的其他层段而使煤层免于水泥浆的污染和损害。这是消除常规固井作业对煤层段伤害行之有效的技术。

2.3 水平井中应用气体钻井可行性分析

目前还没有见到煤层中使用空气钻井技术钻水平井的报道，而用泡沫钻井打煤层气水平井的研究逐渐增多。威德福的研究人员Lee Campbell等人曾利用加拿大的艾伯特地区煤层进行常规岩心试验［8］评价泡沫流体对煤层保护的特性研究，同时对所选泡沫进行了解剖式分析，从井眼清洁、井壁稳定、漏失循环、泡沫黏度、出水量等方面分析了泡沫钻井的优势，提出了在煤层气开发中采用泡沫流体钻水平井方式的必要性和可行性。研究人员也从经济的角度指出了要先进行投入产出比较，再决定是否采用欠平衡泡沫钻井。目前在煤层气水平井中采用空气、泡沫等欠平衡方式钻进的模式还没有得到广泛的认可和推广。

单就煤层特点来说，如果单纯的使用空气钻井很多情况下是不可取的，因为煤层一般含水、易破碎，要在煤层中钻水平井眼势必会引起水平段携岩困难。但是，如果要最大化地保护煤层储层，使用泡沫钻井应该是最优方式，其携岩和处理地层出水的能力比空气钻井要强得多。泡沫钻井的欠平衡钻井方式是今后煤层气水平井钻井发展的一个重要方向。

综上所述，应用气体钻井技术开发煤层气，需要具备的条件是地层较硬、出水量小，而且更重要的是配备相关的钻井设备，比如空压机、冲击钻头等。一旦掌握了其钻井工艺，其操作性与普通的空气锤钻井没有太大差异。就国外特别是美国煤层气井气体钻井技术应用情况来看，在煤层气中进行气体钻井与常规的气体钻井并没有本质上的区别，只是由于地层特点的变化而导致在具体实施中采取不同的措施。

2.4 国内应用情况

2003年，中联公司在辽宁沈北地区进行煤层气勘探井作业时，对SВ02井进行了国内首次空气钻进打开煤层。该井钻井、测井等施工完成后，计划进行小型动力造穴扩孔完井，但在第11次扩孔中，因卡钻事故未能达到预期排采目标导致报废。2004年在新疆顺利完钻我国第一口采用空气雾化钻井技术施工的煤层气井沙试4井。该井是中国石油煤层气经理部设计的一口煤层气二开预探直井，设计井深1000 m，空气钻井完成，完钻层位为二叠系阿其克布拉克组。实钻一开井深511 m，下入表层套管，二开采用空气钻井钻至790 m完钻。钻进过程中使用Ø152 mm Н517G钻头，注气量20～45 m3/min，立管气压1.5～2 MPa，钻压20～40 kN，机械钻速14.37 m/h，仅用2.65 d就完成了279 m的煤层段钻井，最后以筛管悬挂方式完井。该井钻井周期为9.04 d，建井周期为11.63 d，平均机械钻速19.07 m/h。该井由于后期产气量没有达到预期而关井。

3 国内煤层气井气体钻井应用推广方案

我国中部和西部煤层气资源丰富，山西的沁水盆地和内蒙的鄂尔多斯盆地是我国煤层气资源量最大的两大盆地，超过10 万亿m3，埋深1500 m以浅煤层气资源占 60%，有利于煤层气的勘探和开发。

对比美国黑勇士和圣胡安盆地与我国沁水盆地和鄂尔多斯盆地地质情况，总体上我国的煤层气储层具有低压、低渗的特点，而且煤层大多不含水或弱含水，为开展空气钻井或泡沫钻井提供了很好的地质条件。根据我国煤层气的赋存特点，可以考虑以下钻井方式。

3.1 常规钻井+气体钻井

主要思路是采用常规钻井液钻井和气体钻井相结合的方式［9-10］，同时完成洞穴完井。在煤层上部的层段采用常规钻井液完成，钻到煤层段时转换为气体钻井，然后进行造穴完井。该方案适合钻目的层只有1层的煤层，且煤层以上地层有地层水涌出，煤层段易破碎。需要补充的是，不是所有煤层都属于特破碎，但是都应该进行煤层段的扩眼作业，提高裸眼段井壁稳定。

3.2 全过程气体钻井

3.2.1 基于洞穴完井的全过程气体钻井 该方案主要针对地层出水量小，目标煤层超过一层的煤层气开发。这种模式与常规气体钻井并无显著的差别，但是在随后的固井完井过程中，有可能再次伤害煤层。所以，该方案重点是在固井过程，有条件可以采用绕煤层固井技术，从而实现真正意义的保护煤层。对于目标煤层多且出水量大的井，如果采用全过程气体钻井来提速和保护储层的话，只有牺牲部分煤层，保护最大目标煤层，实现经济开采。

3.2.2 基于注重提速的冲击回转钻井 该方案主要针对所钻地层较硬、煤层较浅地区，当然还是要满足气体钻井的使用条件为前提。如果所钻地层较软，则需要及时转换为常规的三牙轮钻头钻进。空气锤钻头在硬脆性地层能获得最好的应用效果，另外空气锤钻进主要依靠频繁的“捶击”破岩，并不需要加多大的钻压，因此，在表层或较浅的层段都有良好的使用效果。

总体上看，以上方案都可以最大化地保护煤层不受伤害，但需要的钻井周期比一般的气体钻井要长，同时对空气/气体钻井相关设备要求较高，比如增压机、空压机、车载钻机等。对于煤层气开发的快速发展阶段，应该着重从以上方案的基本思路出发，完善设备配套，加快多种钻井方式的试验完善。

4 结论与建议

（1）气体钻井在煤层气开发中具有广阔前景，尤其是在提高钻井速度、缩短钻井周期、降低钻井成本等方面具有独到的优势。

（2）在煤层中进行气体钻井的重要条件是煤层与煤层之间、煤储层本身含水量不能影响到气体循环的正常进行。国内大多数煤层基本上都能满足这一条件。

（3）若采用气体钻井打开煤层而又必须下套管的话，建议采用绕煤层固井，从而实现钻井完井全过程的煤层保护，以实现最大的开采价值。

（4）在地层出水量较大不能使用空气钻井时，可以适时转化为雾化钻井或泡沫钻井。因为泡沫携岩和处理地层水的能力较强，同时具有良好的保护井壁的能力。

（5）对于我国煤层气开发而言，应加强常规钻井和气体钻井相结合，同时考虑基于洞穴完井的全过程气体钻井和基于提速的空气锤钻井技术，还应加强对气体钻井相关设备的配套和开发。

［1］STEPНEN D, SCНWOCНOW. CВM: Coming to a Вasin Near You［J］. Oil and Gas Investor, 2002（12）: 12-16.

［2］郑学涛，赵玉珍.赴美国考察煤层气开发与利用情况介绍［J］. 煤矿设计，1997，28（3）：46-51.

［3］GRAVES S L, NIEDERНOFER J D, Вeavers W M. A combination air and fluid drilling technique for zones of lost circulation in the black warrior basin［R］. SPE 12873, 1986.

［4］REEVES S R, ONEILL P J. Preliminary results from the broadmeadow pilot, project Вowen basin Australia［R］. The University of Alabama/Tuscaloosa, 1989-04.

［5］马永峰.美国西部盆地煤层气钻井和完井技术［J］.石油钻采工艺，2003，25（4）：32-34.

［6］舒秋贵.国内外煤层气的钻采技术［J］. 西部探矿工程，2003，15（8）：104-106.

［7］黄盛初.美国煤层气地面钻井开发技术［J］.中国煤层气，1995，2（2）：25-30.

［8］LEE Campbell, ВRANT Вennion. Underbalanced foam drilling-production optimization and risk mitigation for CВM Projects［J］. InSite CWLS Magazine, 2005, 24（4）: 11-16.

［9］闫永维，高德利，吴志永. 煤层气连通井引导技术研究［J］.石油钻采工艺，2010，32（2）：23-25.

［10］陈艳鹏，杨焦生，王一兵. 煤层气羽状水平井井身结构优化设计［J］.石油钻采工艺，2010，32（4）：81-85.

［11］张进双，钱晓琳，于培志. 气体钻井后井筒预处理井壁稳定技术［J］.石油钻采工艺，2008，30（5）：48-51.

［12］柳贡慧，陶谦，李军.气体循环钻井井筒气量控制技术［J］.石油钻采工艺，2009，31（4）：32-3.

［13］石建刚，陈一健，谢双喜，气体钻井井眼净化程度判断方法探讨［J］.石油钻采工艺，2008，30（4）：5-7.

［14］高如军，何世明，陈佳玉.气体钻井井斜机理与控制初探［J］.石油钻采工艺，2008，30（2）：42-45.

（修改稿收到日期 2011-04-13）

〔编辑 朱 伟〕

Developing status and prospects of gas drilling technology in CBM well

SНEN Ruichen, XIA Yan
(Drilling Research Institute, CNPC, Beijing 100195, China)

the particularity of coal bed methane reservoir has made the reservoir protection being put into a higher level during the drilling in CВM well. Gas drilling was considered to be one of effective methods to develop the coal bed methane and was used commonly on aboard. The selection of gas drilling manner must take into account the suitable, applied mode, later completion method and the economic. The application, characteristics of coal bed and technique mode of gas drilling applied to coal bed methane development on aboard were firstly analyzed, and then the characteristics of coal bed methane and gas drilling technology in China were investigated, finally the feasibility of introducing gas drilling into CMВ development in our country was discussed.

coal bed methane; gas drilling technology; reservoir protection

TE242

A

1000-7393（ 2011 ） 03-0074-04

国家科技重大专项“煤层气气体钻井技术发展现状与展望”子课题“煤层气欠平衡钻井配套技术”（编号：2008ZX05036-003）部分内容。

申瑞臣，1959年生。主要从事煤层气钻井工程技术及地下储库工程技术研究工作，教授级高级工程师。电话：010-52781886。E-mail：srcdri@cnpc.com.cn 。