注气欠平衡技术在煤层气单分支水平井钻井中的应用

强明宇

摘 要：随着国家能源结构战略的调整，煤层气作为清洁能源的地位也得到了提升，煤层气开发进程逐步加快。随着进入煤层开发后期，储层压力下降，钻井过程中的井漏及储层保护等问题凸显，因此，注气欠平衡技术得到越来越广泛的应用。本文主要以沁水盆地东缘某区块为例，结合该煤层实际条件，详细介绍了注气欠平衡设备、工艺参数、作业流程等各项内容，并分析了注气欠平衡技术在煤层气钻井中的影响，为同类工程提供参考和借鉴。

关键词：注气欠平衡技术；煤层气；单分支水平井；钻井应用

0 引言

煤层气，俗称“瓦斯”，是煤矿事故多发的主要原因之一。通过地面抽采将煤层气加以利用，既实现了矿井作业安全，又促进了能源结构的调整；相比于以往的煤层气直井和U型井而言，单分支水平井具有占地面积少、钻井成本低、利于后期排采、经济效益高等特点，因此在近年来煤层气开发过程中越来越多的被采用，注气欠平衡技术也得到了更广泛的应用。

1 钻遇地层特点

该区块位于沁水盆地东缘，区内构造简单，整体上为一西倾的单斜构造。目标煤层为山西组3#煤层，钻遇地层由上至下依次为新生第四系（Q）；上二叠统上石盒子组（P2s）；下二叠统下石盒子组（P1x）、山西组（P1s）；缺失上二叠统石千峰组（P2sh）、中生界三叠系（T）、新生界第三系（N）。受开发过程中排水降压影响，目前3#煤层储层压力系数为0.2-0.6，煤层厚度在5-8米，含有1层夹矸，埋深300-350米。

2 井身结构

以某井为例，井型为单分支水平井，主要目的是及时获得煤储层物性参数，进而为该区域煤层开发提供相应的参考依据。该井目标层位3#煤层，煤层厚度6米，设计煤层段进尺1500米。

一开采用Φ311毫米钻头，下入Φ244.5×8.94毫米表层套管，固井水泥返至地面。二开采用φ215.9毫米的钻头钻至着陆点，下入φ177.8×8.05毫米技术套管，固井水泥返至地面。三开采用φ152.4毫米钻头钻至完钻井深，最终采用Φ89毫米玻璃钢筛管完井。

3 注气欠平衡技术

3.1 注气设备

与传统U型井注气采用洞穴井油管带封隔器的方式不同[1]，单分支水平井采用气液同注的方式，即钻井液和压缩空气同时从钻机立管进入钻具水眼，经过钻头后进入井眼环空，井口装置需使用旋转防喷器。

进行实际作业时，使用一台空压机、一台增压机和生产注入系统配套设备，另需准备一套空压机与增压机备用。具体如表1所示。

3.2 工艺参数选择

经过分析发现[2]，当环空注气压力一定时， 井底欠压值随钻井液排量的增大呈单调递增变化关系， 且环空注气量越大， 井底欠压值越小； 不同环空注气压力条件下， 在井底形成的欠平衡效果差异较大， 当环空注气量一定时， 环空注气压力越高、越接近煤储集层压力， 注气效果越好， 井底欠压值随钻井液排量变化越稳定。

为取得最好的欠压效果，同时考虑井壁稳定性，控制注气压力3～4MPa，注气量在20～30m3/min时，泥浆泵排量控制在13～15L/s，转速控制在40～60r/min，钻压控制在30～60kN。

3.3 现场应用

该井二开中完井深476米，安装井口后，组合钻具D152.4mm bit+D120mm Motor（1.5°）+Float Valve Sub+EM-MWD Assembly+ D89mmDP，钻水泥塞后循环清理水泥。

进入裸眼后，初始按照钻井液排量12L/s，气体排量14m3/min的参数试钻进，观察返砂、钻速、扭矩、马达等工作情况，无异常，逐步提高注气量至20m3/min，提高钻井液排量至14L/s，钻压40～50kN，转速50r/min，EM-MWD仪器监测环空ECD为0.65，观察振动筛处无明显井壁垮塌现象，说明当前参数选择得当。

若钻进过程中出现轻微的坍塌掉块，需采取控制钻速或提高泵排量方式，循环观察。也可进行划眼观察，划眼时要坚持“进一退二”的原则，防止卡钻；同时适当减少注气量。

接单根之前，循环活动钻具上提下放正常后、停止注气，当不含气的泥浆循环到上部钻具单流阀的底部，停泵、此时打开注气管线上的泄压阀卸掉供气管线的气体。立压为零，关闭节流阀，开始接单根。

接单根操作程序：循环→停止注气（开泄压阀） → 循环→上提钻具→停泵（停泵后立压为零）→关闭井眼环空（关节流阀）→卸扣→接单根→开节流阀→循环（注气）打磨接头→钻进。

接好单根后先开泵观察，建立循环并返出稳定后关住气体管线的泄压阀开始注气循环3min左右达到最佳气液比后恢复钻进。一旦停止钻进，就必须停止注气，之后再关泵。

该井最终完钻井深1950米，水平段进尺1479.2米，煤层钻遇率95.4%；在邻井采用清水钻进水平段期间，受区内断层影响，井下持续发生漏失，漏速约15～25m3/h。但该井水平段施工过程中，由于采用了注气欠平衡技术，未出现漏失情况，也进一步验证了该技术具有降低井底循环当量密度、防止井漏等作用。

4 投产效果

该井已经安装了射流泵及配套地面装置等排采设备，并正式投入到实际抽采作业中。数据显示，投产初期日产气量可达到14000m3，目前均衡产气量在8000m3，具有较强的市场发展潜力。由此可见，注气欠平衡技术能够有益于储层保护，对提高采收率、缩短回报周期有着一定的帮助。

5 结束语

沁水盆地属于高煤阶煤层，煤层质脆，割理发育，是煤层气富集区，储量较大，物性较好，是煤层气开发示范区块。单分支水平井凭借其自身优势，在该区块得到了成功应用，配合注气欠平衡技术，能够有效缓解水平段井下漏失、降低对煤层的污染。在施工前，应对注气工艺进行模拟分析，选取合适的施工参数；在施工过程中，需精细、平稳操作，降低压力激动给井壁稳定带来的影响。