中國(guó)煤層氣技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)煤層氣資源量為30~35萬(wàn)億m3,其中埋深為300~1500m范圍內(nèi)煤層氣總資源量約為25萬(wàn)億m3。自20世紀(jì)八九十年代開(kāi)始,經(jīng)過(guò)幾十年攻關(guān)探索,我國(guó)在煤層氣地質(zhì)理論、資源預(yù)測(cè)與區(qū)塊評(píng)價(jià)、鉆井完井及壓裂技術(shù)等方面取得了較大進(jìn)展,特別是近年高階煤煤層氣富集理論與煤層氣多分支水平井、U型井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)鉆采煤層氣資源取得了較好的效果。然而,不可否認(rèn)我國(guó)煤層氣產(chǎn)量依然較低,煤層氣鉆井過(guò)程中仍有較多難題需要解決,鉆井安全與煤層保護(hù)矛盾依然突出。繼續(xù)加大煤層氣鉆井新技術(shù)研究,保障鉆井安全,提高煤層氣勘探開(kāi)發(fā)效益,已刻不容緩。為此綜述了目前我國(guó)煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井過(guò)程中遇到的難題,就國(guó)內(nèi)煤層鉆井技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并給出了具體建議。

1 煤層鉆井技術(shù)難題

煤巖具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì),鉆井方式、工藝、鉆井液、完井方式與常規(guī)油氣鉆采明顯不同,傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)及鉆采方式無(wú)法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆進(jìn)煤層需要。在探索新技術(shù)、新工藝過(guò)程中,井壁失穩(wěn)、煤層損害、完井效果差等難題一直困擾著煤層氣的高效勘探開(kāi)發(fā)。

1)煤巖割理發(fā)育,膠結(jié)差,強(qiáng)度低,井壁易失穩(wěn)。為最大限度保護(hù)煤層氣資源,現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井多采用清水作為鉆井液鉆井煤層。但清水黏度低、濾失量大、攜巖效果差,力學(xué)化學(xué)耦合作用進(jìn)一步了弱化了井壁煤巖強(qiáng)度。因此,井下事故復(fù)雜時(shí)有發(fā)生。統(tǒng)計(jì)顯示,2011年沁水盆地鄭莊區(qū)塊已鉆成的6口多分支水平井共發(fā)生井塌及卡鉆事故5次,事故復(fù)雜率較高,造成了較大經(jīng)濟(jì)損失。

2)煤層地質(zhì)基礎(chǔ)差,易受損害。煤層低孔隙、低滲透、低壓力,發(fā)育方解石、菱鐵礦、斜長(zhǎng)石、黃鐵礦等敏感礦物,此外還發(fā)育高嶺石、綠泥石等黏土礦物。常規(guī)鉆井完井液侵入煤層,引起煤層流體敏感和固相侵入損害,妨礙煤層甲烷解吸。此外,由于儲(chǔ)層壓力低,侵入的工作液難以返排,煤層氣滲流通道極易受阻。

3)完井效果差,煤層氣產(chǎn)量低。清水鉆井最大的弊端除了不利于多分支水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井井壁穩(wěn)定外,還不利于完井,不利于煤層氣長(zhǎng)期開(kāi)采。清水鉆進(jìn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井時(shí),井徑不規(guī)則、井壁掉塊嚴(yán)重,鉆成的井眼重入性差,多采用裸眼完井。由于無(wú)套管或篩管支撐井壁,煤層氣開(kāi)采幾年后井壁便會(huì)坍塌,大大縮短了煤層氣井采氣壽命。而據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)煤層氣井平均可開(kāi)采20~30年,有些井可達(dá)40年。沒(méi)有套管或篩管的煤層氣水平井以及U型井將無(wú)法進(jìn)行增產(chǎn)作業(yè),降低了煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì),2011年我國(guó)地面煤層氣產(chǎn)量?jī)H23億m3,遠(yuǎn)低于國(guó)家于2010年地面煤層氣產(chǎn)量提升至50億m3的規(guī)劃。

煤層氣是一種非常規(guī)天然氣資源,其獨(dú)特地質(zhì)特征及鉆采技術(shù)難題,要求我們必須解放思想,創(chuàng)新思維,加大投入,不斷完善煤層鉆井技術(shù)及配套。

2 多分支水平井技術(shù)

煤層氣多分支水平井與常規(guī)油氣井有本質(zhì)的不同,它由多分支水平井和洞穴井組成水平井組,它創(chuàng)新了分支水平井技術(shù)、遠(yuǎn)距離連通技術(shù)、地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)等,是一項(xiàng)具有獨(dú)特技術(shù)、施工難度高的系統(tǒng)工程。

目前,我國(guó)初步掌握了水平井眼側(cè)鉆技術(shù)、鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、井眼軌跡導(dǎo)向控制技術(shù)、主水平井眼與裸眼 洞 穴連 通 工 藝 技術(shù)、抽 排 井 造 洞 穴 工 藝 技術(shù)。打破了國(guó)外公司對(duì)煤層氣多分支水平井技術(shù)服務(wù)的壟斷,短短幾年時(shí)間,山西沁水盆地已鉆多分支水平井60多口。此外,還形成了雙底多分支水平井鉆井技術(shù)。通過(guò)多年的研究工作,多分支水平井配套技術(shù)更為完善,刷新了多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo):①煤層鉆遇率由86%提高到98%;②總進(jìn)尺由2900m提高到5200m;③純煤進(jìn)尺由2300m提高到4800m;④工程指標(biāo)的鉆井周期和建井周期大幅度縮短,鉆速大大提高,多口井無(wú)事故復(fù)雜。

我國(guó)多分支水平井技術(shù)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展,但清水鉆進(jìn)過(guò)程中的煤層坍塌埋鉆具等風(fēng)險(xiǎn)尚未得到根本解決,嚴(yán)重地制約了多分支水平井技術(shù)的發(fā)展和煤層氣資源的高效勘探開(kāi)發(fā)。

3U型井技術(shù)

U型井技術(shù)即U型水平連通井技術(shù),該技術(shù)集成了水平井技術(shù)、水平井與洞穴井的連通以及欠平衡鉆井和地質(zhì)導(dǎo)向等技術(shù),煤層氣U型井組由1口直井和1口或多口水平井組成(圖1)。U型井可采用套管完井方案,在排采后期遇到煤粉堵塞通道可下鉆修井,重新打開(kāi)裂隙通道恢復(fù)開(kāi)采,延長(zhǎng)煤層氣井的壽命。

國(guó)外對(duì)我國(guó)煤層氣鉆采技術(shù)實(shí)行嚴(yán)格封鎖和保密。因此包括U型井在內(nèi)的高端技術(shù)核心成果,國(guó)內(nèi)均無(wú)法獲得,鉆井完井技術(shù)指標(biāo)等難以對(duì)國(guó)內(nèi)有借鑒作用。國(guó)內(nèi)公司多為通過(guò)相關(guān)理念結(jié)合自身多年經(jīng)驗(yàn)做些探索性工作,取得了初步成功。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院,針對(duì)不同煤階煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的問(wèn)題,結(jié)合U型井自身技術(shù)優(yōu)勢(shì),開(kāi)展了沿煤層鉆井篩管完井、沿煤層充氣欠平衡鉆井、分段壓裂等U型井鉆完井新技術(shù)研究。有些井組完成后,有些水平井采用了篩管完井,該完井方法存在篩管與地層間的鉆井液濾餅無(wú)法清除的問(wèn)題。

目前我國(guó)煤層氣U型井鉆完井及壓裂技術(shù)研究剛處于起步階段,鉆井過(guò)程中沒(méi)有形成成熟的煤層專用鉆井完井液,煤層損害仍然比較嚴(yán)重。完井多為裸眼或篩管完井,煤粉堵塞問(wèn)題較為嚴(yán)重,鉆井損害難以解除。

4 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)配套

遠(yuǎn)距離連通技術(shù)是煤層多分支水平井、U型井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)控制鉆進(jìn)軌跡,提供鉆頭的實(shí)時(shí)位置,為定向提供距離和方位參數(shù),即時(shí)調(diào)整工具面,指導(dǎo)鉆頭向洞穴井鉆進(jìn),實(shí)現(xiàn)主井眼與洞穴井較好連通(圖2)。

中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院和中國(guó)石油渤海鉆探工程公司均研發(fā)了相關(guān)工具并形成了現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)能力,且取得了較好的成績(jī)。專有井眼連通技術(shù),可以實(shí)時(shí)檢測(cè)控制鉆進(jìn)軌跡,提供鉆頭的實(shí)時(shí)位置,為定向提供距離和方位參數(shù),即時(shí)調(diào)整工具面,指導(dǎo)鉆頭向洞穴井鉆進(jìn),實(shí)現(xiàn)主井眼與洞穴井較好連通。中國(guó)石油渤海鉆探工程公司從2010年至今30余井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中測(cè) 試 距 離60 m,中 靶 直 徑0.6m,連 通 成 功 率100%,特別是2011年和2012年,遠(yuǎn)端連通和不造洞穴連通技術(shù)獲得成功。

裸眼洞穴可降低連通難度,同時(shí)為后期煤層氣抽采提供便利。國(guó)內(nèi)已經(jīng)研究形成滿足抽排井造洞穴要求的 先 進(jìn) 合 理 的 造 洞 穴工 藝 方 式,研 制 了 適 應(yīng) 于152.4mm和 215.9mm井眼造穴要求的系列機(jī)械式裸眼造穴工具(圖3)和系列射流式裸眼造穴工具。

新近研制的頂板泥巖造穴工具優(yōu)化了切削面布置并采用單刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),增強(qiáng)了抗扭能力,提高了工具耐磨性,工具事故逐步避免,工具消耗逐步減少,工具磨損得到緩解,頂板造穴施工總體時(shí)間不斷縮短,由最初的造穴施工30d,縮短到4.5d。

此外,為緩解煤層垮塌卡鉆風(fēng)險(xiǎn),降低單井鉆井成本,還研發(fā)了打撈工具,初步形成了MWD打撈技術(shù),設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了平接箍鉆具(圖4),無(wú)磁金屬管,改進(jìn)了懸空側(cè)鉆技術(shù)。但是,打撈工具只能滿足目前短水平段打撈的需要,抽油桿與鉆具摩擦起磁,在一定程度上阻止打撈工具的下入,長(zhǎng)水平段儀器的打撈技術(shù)有待進(jìn)一步的研究。

5 井壁穩(wěn)定及煤層保護(hù)技術(shù)

為更好地保護(hù)煤層氣資源,目前國(guó)內(nèi)普遍采用清水充氣欠平衡方式鉆多分支水平井,但因工藝及地質(zhì)因素影響,井塌、埋鉆具等事故復(fù)雜時(shí)有發(fā)生,經(jīng)濟(jì)損失巨大。傳統(tǒng)鉆井液技術(shù)雖較好地解決了井壁失穩(wěn)問(wèn)題,但其損害煤層嚴(yán)重,煤層保護(hù)與井壁穩(wěn)定已經(jīng)成為多分支水平井安全鉆井技術(shù)的主要矛盾,井塌埋儀器事故時(shí)有發(fā)生,導(dǎo)致鉆井周期延長(zhǎng)。井壁失穩(wěn)是制約國(guó)內(nèi)煤層氣鉆采技術(shù)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。

研究認(rèn)為,滲流損害和解吸損害是煤層損害兩大類型。地質(zhì)情況復(fù)雜,煤巖強(qiáng)度低,清水充氣不均,鉆進(jìn)液性能不穩(wěn)、密度不合理是清水充氣欠平衡鉆進(jìn)多分支水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井煤層損害、井壁失穩(wěn)和井下事故復(fù)雜的主要原因。因此,研制煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井專用鉆井液、控制鉆井液濾失量,增強(qiáng)濾液與煤層配伍性,提高煤層能量,完善煤層損害解除方法,將是促進(jìn)井壁穩(wěn)定和保護(hù)煤層的有效手段。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種煤層專用鉆井液,但受到國(guó)外誤導(dǎo)以及國(guó)內(nèi)相關(guān)評(píng)判指標(biāo)的缺乏,這些煤層專用鉆井完井液均未獲得規(guī)?；瘧?yīng)用。渤海鉆探工程公司針對(duì)煤層割理發(fā)育、膠結(jié)差、強(qiáng)度低、低孔隙、低滲透、低壓力,煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井清水鉆井井下事故復(fù)雜多,傳統(tǒng)鉆井液煤層損害嚴(yán)重等鉆采難題,室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了適用于煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井裸眼完井的可降解鉆井完井液,該鉆井完井液具弱凝膠性質(zhì),濾失量較小,殘?jiān)实?解吸率(大于95%)和滲透率恢復(fù)率(大于80%)高的特點(diǎn)。北京力會(huì)瀾博公司研制的絨囊鉆井液,煤樣切片滲透率恢復(fù)率大于96%,顯示了較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果,多口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,該鉆井液穩(wěn)定煤層井壁效果顯著。

6 結(jié)論和建議

直井已經(jīng)不能滿足我國(guó)煤層氣高效勘探開(kāi)發(fā)需求,而煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井則面臨鉆井事故復(fù)雜多,煤層損害嚴(yán)重、煤層氣產(chǎn)量仍然偏低的難題,嚴(yán)重遲滯了煤層氣勘探開(kāi)發(fā)步伐,影響了相關(guān)企業(yè)勘探開(kāi)發(fā)煤層氣積極性,必須針對(duì)以上問(wèn)題,解放思想、沖破國(guó)外理論及思想束縛,努力創(chuàng)新、大膽實(shí)踐,不斷探索煤層鉆采新思路。

目前,煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井事故復(fù)雜。主要基于鉆井安全與煤層保護(hù)的矛盾。為了保護(hù)煤層氣資源,國(guó)內(nèi)普遍采用清水作為鉆井液鉆進(jìn)煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井,因而,井塌、埋鉆具等事故復(fù)雜時(shí)有發(fā)生,經(jīng)濟(jì)損失巨大。傳統(tǒng)鉆井液技術(shù)雖能較好地解決井壁失穩(wěn)問(wèn)題,但其損害煤層嚴(yán)重,煤層產(chǎn)氣極低甚至不產(chǎn)氣?？梢?jiàn),煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井液是影響煤層氣高效鉆采的主要因素。因此,建議加強(qiáng)對(duì)煤層專用鉆井液、煤層損害解除方法的研究,盡快制定煤層氣鉆井相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法和礦場(chǎng)評(píng)價(jià)方法的行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

煤層氣復(fù)雜地質(zhì)條件決定了其產(chǎn)量偏低的先天不足,礦權(quán)制度限制了煤層氣開(kāi)采企業(yè)積極性,低成本開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略則使煤層氣鉆采新技術(shù)研發(fā)舉步維艱。因此,探索礦權(quán)制度改革,開(kāi)展煤層氣與常規(guī)氣及致密氣合采關(guān)鍵技術(shù)研究,將有助于提高企業(yè)煤層氣開(kāi)采積極性,帶動(dòng)煤層氣鉆采新局面。加大資金投入,不斷深化煤層鉆井新技術(shù)研究,積極開(kāi)展煤層氣多層鉆完井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井增產(chǎn)措施配套技術(shù)研究,將是提高煤層氣勘探開(kāi)發(fā)效益的有效途徑。

（來(lái)源：石油和化工園區(qū)作者：中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司 廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院 王益山王合林劉大偉袁孟雷蔣海濤）

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