中国煤层气钻井技术现状及发展趋势

洞妖

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      中国煤层气资源量为30~35万亿m3,其中埋深为300~1500m范围内煤层气总资源量约为25万亿m3。自20世纪八九十年代开始,经过几十年攻关探索,我国在煤层气地质理论、资源预测与区块评价、钻井完井及压裂技术等方面取得了较大进展,特别是近年高阶煤煤层气富集理论与煤层气多分支水平井、U型井等复杂结构井技术钻采煤层气资源取得了较好的效果。然而,不可否认我国煤层气产量依然较低,煤层气钻井过程中仍有较多难题需要解决,钻井安全与煤层保护矛盾依然突出。继续加大煤层气钻井新技术研究,保障钻井安全,提高煤层气勘探开发效益,已刻不容缓。为此综述了目前我国煤层气复杂结构井钻井过程中遇到的难题,就国内煤层钻井技术现状进行了详细介绍,并给出了具体建议。

1 煤层钻井技术难题

煤岩具有特殊的物理力学性质,钻井方式、工艺、钻井液、完井方式与常规油气钻采明显不同,传统经验及钻采方式无法满足复杂结构井钻进煤层需要。在探索新技术、新工艺过程中,井壁失稳、煤层损害、完井效果差等难题一直困扰着煤层气的高效勘探开发。

1)煤岩割理发育,胶结差,强度低,井壁易失稳。为最大限度保护煤层气资源,现场复杂结构井多采用清水作为钻井液钻井煤层。但清水黏度低、滤失量大、携岩效果差,力学化学耦合作用进一步了弱化了井壁煤岩强度。因此,井下事故复杂时有发生。统计显示,2011年沁水盆地郑庄区块已钻成的6口多分支水平井共发生井塌及卡钻事故5次,事故复杂率较高,造成了较大经济损失。

2)煤层地质基础差,易受损害。煤层低孔隙、低渗透、低压力,发育方解石、菱铁矿、斜长石、黄铁矿等敏感矿物,此外还发育高岭石、绿泥石等黏土矿物。常规钻井完井液侵入煤层,引起煤层流体敏感和固相侵入损害,妨碍煤层甲烷解吸。此外,由于储层压力低,侵入的工作液难以返排,煤层气渗流通道极易受阻。

3)完井效果差,煤层气产量低。清水钻井最大的弊端除了不利于多分支水平井等复杂结构井井壁稳定外,还不利于完井,不利于煤层气长期开采。清水钻进复杂结构井时,井径不规则、井壁掉块严重,钻成的井眼重入性差,多采用裸眼完井。由于无套管或筛管支撑井壁,煤层气开采几年后井壁便会坍塌,大大缩短了煤层气井采气寿命。而据国外经验煤层气井平均可开采20~30年,有些井可达40年。没有套管或筛管的煤层气水平井以及U型井将无法进行增产作业,降低了煤层气的勘探开发效益。据统计,2011年我国地面煤层气产量仅23亿m3,远低于国家于2010年地面煤层气产量提升至50亿m3的规划。

煤层气是一种非常规天然气资源,其独特地质特征及钻采技术难题,要求我们必须解放思想,创新思维,加大投入,不断完善煤层钻井技术及配套。

2 多分支水平井技术

煤层气多分支水平井与常规油气井有本质的不同,它由多分支水平井和洞穴井组成水平井组,它创新了分支水平井技术、远距离连通技术、地质导向技术、欠平衡钻井技术等,是一项具有独特技术、施工难度高的系统工程。

目前,我国初步掌握了水平井眼侧钻技术、钻具组合优化设计技术、井眼轨迹导向控制技术、主水平井眼与裸 眼 洞 穴 连 通 工 艺 技 术、抽 排 井 造 洞 穴 工 艺 技术。打破了国外公司对煤层气多分支水平井技术服务的垄断,短短几年时间,山西沁水盆地已钻多分支水平井60多口。此外,还形成了双底多分支水平井钻井技术。通过多年的研究工作,多分支水平井配套技术更为完善,刷新了多项技术指标:①煤层钻遇率由86%提高到98%;②总进尺由2900m提高到5200m;③纯煤进尺由2300m提高到4800m;④工程指标的钻井周期和建井周期大幅度缩短,钻速大大提高,多口井无事故复杂。

我国多分支水平井技术已经取得了重大进展,但清水钻进过程中的煤层坍塌埋钻具等风险尚未得到根本解决,严重地制约了多分支水平井技术的发展和煤层气资源的高效勘探开发。

3 U型井技术

U型井技术即U型水平连通井技术,该技术集成了水平井技术、水平井与洞穴井的连通以及欠平衡钻井和地质导向等技术