新疆乌鲁木齐头屯河矿区煤层气井钻探施工技术探讨

赵涛+蔡顺山

摘要：新疆乌鲁木齐头屯河地区地层较为破碎、地层裂隙发育比较严重，而且煤层气井煤储层埋藏浅、煤层压力低和煤层保护难度大，这些对煤层气井的钻探提出了更高的技术要求。针对目前头屯河地区钻探施工存在的问题和难点，通过井壁稳定的力学分析方法提出井身结构应选择直井。依据空气欠平衡钻井技术与常规钻井技术对煤层的污染和破坏程度，提出采用空气欠平衡钻井技术，采用低固相或无固相钻井液。根据水泥浆顶替流态的计算方式，计算出水泥浆顶替应当采用塞流顶替。依据煤储层的保护要求提出一种新的煤储层保护方案，即使用绕煤层固井工具。

关键词：煤层气井；钻探；直井；塞流顶替；绕煤层固井

Discussion on drilling technology of coal-bed methane well in Toutunhe mining area of Urumqi City， Xinjiang Province

ZHAO TaoCAI Shunshan

The 216 group， China National Nuclear Corporation， Urumqi CityXinjiang Province830011

Abstract： The stratum is cracked and the formation cracks are serious in Toutunhe area of Urumqi City， Xinjiang Province. But the coal-bed methane wells are buried in shallow stratum. Because of low coal seam pressure and the big difficulty in coal seam protection， it requires higher technology on the drilling of coal-bed methane wells. Aiming at these problems and difficulties in drilling construction in Toutunhe area， it is proposed that the wellbore structure should be the vertical well through the mechanics analysis of borehole stability. Based on the pollution and damage degree caused by the air under-balanced drilling technique and the conventional drilling technique， the air under- balanced drilling technique is proposed and low solid or solid free drilling fluid should be used. According to the calculation method of cement slurry displacement fluid flow， the cement slurry displacement should be the plug flow displacement. According to the protection requirement of coal reservoir， there is a new coal reservoir protection scheme， which is accomplished by around the coal seam cementing tool.

Keywords： coal-bed methane well； drilling； vertical well； plug flow displacement； bypass coal-bed cementing

引言

煤層气俗称“瓦斯”，是一种非常规天然气，以吸附或储集的方式存在于煤层孔隙中[1]。我国煤气资源储量丰富，约36.8万亿m3，居世界第三位。新疆煤层气资源丰富，其中头屯河地区钻孔控制的0.3m以上的煤层22层，单层厚度在0.030m～22.22m，平均纯煤总厚53.31m。然而，由于头屯河地区地层较为破碎、地层裂隙发育比较严重，而且煤层气井煤储层埋藏浅、煤层压力低和煤层保护难度大的特点对于煤层气井的钻探提出了更高的技术要求，对于煤层气的勘探和开发提出了较大的考验。由于我国煤层气的利用和开发起步较晚，且我国煤层气储层特性较国外煤层气有较大区别[2-4]，因此在煤层气井固井过程中存在着很多的问题和难点[5]，对于新疆头屯河地区的煤层气开发来说也面临着诸多问题。

目前，头屯河地区煤层气资源正处于调查评价阶段，由于煤层具有特殊物性，煤层气的开采一般都采用大型水力压裂，因此煤层气井的钻探施工工艺将大大影响后期煤层气的产量。所以，本文将针对目前头屯河地区钻探施工存在的问题和难点，提出井身结构应选择直井，采用空气欠平衡钻进技术，采用低固相或无固相钻井液，水泥浆顶替应当采用塞流顶替并提出一种新的煤储层保护方案。本文希望通过对新疆头屯河地区煤层气井钻探施工方案的探讨，讨论并优化煤层气井钻探方案，希望能够提高头屯河地区煤层气井施工质量，为解决头屯河地区煤层气井钻探施工时存在的技术难题提供有效途径。

1.区域地质概况

勘查区位于东南沟向斜的北翼，总体为一向西南倾斜的单斜构造，倾角多在10°-85°之间，沿走向和倾向变化较大，沿走向自西向东由10°变化到85°左右。，沿倾向由浅至深由20°变化到50°左右。勘查区构造复杂程度属中等类型，即“二类”。勘查区内出露的地层由老至新有中石炭统奇尔古斯套群（C2qr）、侏罗系下统三工河组、侏罗系中统西山窑组（J2x）、侏罗系中统头屯河组（J2t）、和第四系（Q4）。

头屯河勘察区内煤层露头均已火烧，形成大面积的古火区和活火区，古火区主要分布在勘查区东北部沿煤层露头呈条带状分布，面积约26.05Km2。活火区分布在勘查区西北部，面积约2.00Km2。煤层特征一览表如表1所示。

宏观煤岩物性特征主要表现为：黑色，块状，碎块状及粉末状，性脆，易破碎，蜡状-沥青光泽，参差状、平坦状断口，条带状结构，水平层状结构，节理及内生裂隙发育。以暗煤为主，亮煤次之，丝炭少量，镜煤微量，宏观煤岩类型为暗淡型煤。TC-3井所采取的煤层实物如图1所示。

2.钻探施工技术

2.1井身结构选择

不论是直井还是水平井，煤体结构都是影响煤层气开发的重要因素，都可能由于煤体结构而影响井壁的稳定。井壁稳定问题是一种力学问题，而煤层性质则是煤层井壁稳定的内在原因，煤岩的本身力学性质、裂隙结构是影响煤体易失稳的主要地质因素。研究结果表明，构造煤的抗拉、抗压强度远远小于原生结构煤，单轴抗压强度仅为原生结构煤的1/3。直井钻进过程中钻井液循环侵入，产生抽汲及激动压力促使较完整煤岩体强度进一步弱化，煤块破碎，产生掉块乃至坍塌，而在水平井中这一现象更为突出，在水平井钻进过程中，对于煤层的力学破坏更为严重。

煤体结构指的就是煤体的强度，为了表达煤体的强度，可以使用媒体的坚固性系数表示煤体的强度[6]。不同媒体结构之间的坚固系数存在重叠的部分，而水平井对强度的要求存在一个阈值，如果在开发过程中如果采用水平井会在层位优选时舍弃部分煤层，更容易导致煤层污染和井壁坍塌。

头屯河地区煤层煤体结构主要为碎块状、块状及粉末状，性脆，易破碎。由表1可以看出头屯河地区主要煤层多为碎裂煤和块状煤，因此不适合水平井开发，应当使用直井进行开发，以减少井壁不稳定带来的钻井事故和对钻井液煤层的污染。

2.2钻井技术选择

针对头屯河地区地层较为破碎、水文地质条件复杂的特殊情况，使用常规的钻进方式会导致固相颗粒，尤其是微粒和胶体颗粒会沿着煤层的割理和孔隙侵入煤层。而且由于头屯河地区主要的煤层以块状、碎块状和粉末状为主，煤层中裂缝和割理发育，裂缝有可能会在高围压下闭合，然而这种闭合即使是在水利压力下也是不可能完全恢复的，这种裂缝的闭合会对煤层气的运移通道产生填充和堵塞，因此在保护煤储层为前提的条件下选用空气或空气泡沫欠平衡钻井技术。

与常规钻井技术相比，空气欠平衡钻井技术是一种能够保护低渗透煤层气、提高钻进速度、井底岩屑排采顺利的高效钻井技术。空气钻井技术能够有效减少对煤层的污染，在井身质量方面也能达到要求的设计质量。空气钻进的机械效率是常规钻进机械效率的3倍，空气钻进周期较短，而且空气钻进不会对煤层气的流通通道造成堵塞，可以避免不必要的减产，能够大大地提高综合经济效益[7]。

对于头屯河地区这种地层较为破碎、地层裂隙发育比较严重、煤岩物性比较特殊、地层压力特殊的地层，建议使用空气或空气泡沫欠平衡钻进技术。

2.3钻井液选择

为了避免在正常钻进时钻井液影响煤层和护壁，应选用不同的钻井液针对不同地层。施工前，通过调研，尽可能筛选对煤层吸附小的聚合物作提粘剂和降失水剂，降低钻井液的失水，减少滤液对煤层的损害，在中侏罗系西山窑组以上地层选用低固相聚合物钻井液，以增加钻井液的护壁和携砂能力。在西山窑组以下尤其是钻遇煤层时选用无固相钻井液，以防煤层污染，最好是选用清水钻进。不同地层钻井液设计表如表2所示。

2.4水泥浆顶替流态选择

以往固井施工过程中，主要采用紊流顶替从而达到较好的顶替效率和提高后期胶结强度[8]。但由于煤层气井井浅，替浆量少，顶替时很难达到紊流顶替的排量。因此需要进行水泥浆顶替流态的选择以确定哪种顶替流态可以很好地达到顶替要求且避免煤层坍塌和煤层污染。

通过环空塞流临界流速公式和环空紊流临界流速公式计算不同井径环境下塞流或紊流的临界流速，公式如下：

式中：Dw為井径；De为套管外径；ηp为塑性粘度；τ0为动切力。

根据目前头屯河地区TC-3井的测井资料，掌握其不同井深的井径情况如图2所示。

根据公式（1）和公式（2）对该井不同井深的塞流和紊流临界流速进行计算得出塞流和紊流临界流速剖面如图3所示。

由图3可以发现，井径大的井段，塞流的临界流速小，而大的井径，临界流速大，为满足全井的塞流设计要求需要选择小的流速。同理，大井径的井段，紊流临界流速大，对于小井径段，紊流速小，为了满足全井的紊流要求，必须选择大井径段的临界流速。得出保证全井塞流顶替的临界流速为0.81m/s，临界流量为保证全井紊流顶替的临界流速为1.81m/s。由公式（3）计算临界流量。

得出保证全井塞流顶替的临界流量为2.593m3/min，临界流量为保证全井紊流顶替的临界流量为5.65m3/min。

通过公式可以分别计算出最终的顶替泵压，如表3所示。

由表可以看出，在紊流顶替时为了使临界流速达到1.81m/s，临界流量达到5.65m3/min，导致循环压力增大，容易导致井壁坍塌、煤层坍塌和污染。而采用塞流顶替，它可以在两相界面上形成聚集物质，在井眼不规则段及扩大段，类似活塞一样的顶替同样可以取得良好的顶替效果，并且塞流顶替时接触时间长，顶替效率高，施工易于组织，使用设备也少，因此该井建议使用塞流顶替的方式。

2.5固井技术选择

煤层储层是一种低压力地层，水泥浆的失水性能不好，滤液侵入地层会造成煤层的污染，从而导致渗透率降低，影响煤层气的压裂和产量。因此煤储层的保护是对于煤层气井的固井提出了更高的要求[9]。

目前，常用的煤层气完井方法主要有裸眼洞穴完井、套管射孔压裂完井，但是裸眼完井后期管理具有不确定性，存在巨大的潜在风险。因此目前选用较多的都是套管射孔压裂完井。头屯河地区根据其地层特性和考虑后期开采大多采用套管射孔压裂完井的方式，但是该方式在固井过程中不可避免的会导致煤层污染。因此目前使用较多的绕煤层固井技术[10]非常适头屯河地区的煤层气井固井。

如图4所示，该装置主要由两层套管内层管和外层管、膨胀式胶筒、进液孔、出液孔、阀系及阀系接头、单向阀、剪切销钉、常规固井的承托环及浮箍、套管接箍等组成。

使用该套工具前需要对地层资料进行详细的计算和设计，以确定煤层厚度和工具的下入深度。将绕煤层固井工具连接到套管串上以后按照设计的固井施工步骤将套管串下入井内。然后向套管内泵入钻井液或者固井前置液，由于单向阀的存在，在一定压力一下上下胶筒会胀开，继续加压，单向阀上的剪切销钉会断裂，单向阀脱落。然后就可以按照计算和设计好的水泥浆注入套管内，正常固井。

该装置能够有效的保护煤层不被污染，对于头屯河地区地层较为破碎、地层裂隙发育比较严重、煤层厚、主要以块状煤和碎裂煤为主的煤层气井的固井提供有利帮助。

3.结论

（1）根据头屯河地区的煤体结构以及煤层特点，应当使用直井进行开发，可以减少井壁不稳定带来的钻井事故和钻井液对煤层的污染。

（2）针对头屯河地区水文地质条件和地层特点，选用空气或空气泡沫欠平衡钻井技术，可以有效减少对煤层的污染，提高施工效率。并且针对不同的地层采用不同的低固相或无固相钻井液，可以避免在正常钻进时钻井液影响煤层和护壁。

（3）根据计算得出水泥浆顶替应采用塞流顶替，并且对于头屯河地区的地层特点，提供一种有效的煤层气井固井方法，即绕煤层固井技术。

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