阜新煤层气钻井设计方案分析与实践

煤层气俗称瓦斯，主要成分为甲烷(占90%以上)，它是在煤形成过程中逐步生成并赋存于煤层及煤系地层中的一种非常规天然气。我国是煤层气资源大国，根据最近一轮煤层气资源总量评价结果，埋深2000m 以浅的中国煤层气资源总量为

36.81×1012m 3，相当于520×108t 标准煤[1]。

煤层气主要以吸附状态储存在煤层及其孔隙裂隙中。煤在多阶段演化和多热源叠加变质作用下，形成的煤层气藏在构造、储层物性、含气状态、开采方式等方面与石油天然气相比有其明显的特殊性。而辽河油田是以开发石油天然气生产为主的资源型企业，主要钻探目的层不是煤层，对煤层的研究甚少，有些技术还需要在实践中进行探索和创新，逐步形成一套针对煤层气开发的钻井技术体系。煤层气开发方案设计与施工技术是一项系统工程，它涉及地质(录井)、钻井、钻井液等专业技术，需要从全局的利益出发，紧密地衔接配合，联合协作，共同攻关。

2地质概况

刘家区(井区)位于辽宁省西部阜新盆地中段东侧丘陵地带，地形相对高差在170～190m ，W47勘探线以东区域为海州露天煤矿近期由人工剥离的砂石，以及排矸堆积的矸石所覆盖而形成的煤矸石

山，高出地面20～100m 。结构疏松，孔隙大，有极强的渗透性。构造形态处于王营向斜的东延与海州背斜的西延倾覆的相间部位。由于区内地层经受了多次的南北对扭挤压，不但于侏罗纪形成了向斜和背斜构造，相继也产生了北西向和于白垩纪末产生的北东向两组剪切应力断裂，切割了先期形成的向斜和背斜构造。该井区于1993年进行了煤矿勘查，

2003年完成了修改地质报告，区内地层、构造、煤层、煤质瓦斯含量、水文地质等基本查清，为煤层气进一步勘探开发奠定了基础。含煤面积为4.3km 2，上报煤炭地质储量1.7104×108t ，吨煤含气量按

10m 3/t 计算，则煤层气储量17.104×108m 3。3施工要求及难点分析

由于受地质构造、煤层特性等因素影响，在煤层气井设计及施工技术方面的参考资料非常匮乏，特别是有效提升煤层气采收率的技术，是国内外开发的难点。由于对客观情况认识不清或主观意识决策失误，往往产生许多复杂情况甚至造成严重的事故。有些技术只能依靠借鉴和探索来完成，存在着较大的施工风险和难度。

阜新煤层气钻井设计方案分析与实践

杜锋

(中国石油长城钻探工程公司技术研究院，辽宁盘锦124010)

摘要

阜新盆地刘家井区含煤面积为4.3km 2，煤炭地质储量为1.7104×108t ，吨煤含气量按10m 3/t 计算，则其煤层气储量为

17.104×108m 3，该区地质构造简单，煤层气资源丰度高，压力梯度基本正常，可采性较好，具有面积小、煤层层数多、厚度大、含气量较高、小而肥的特点。但该区结构疏松，煤级较低，孔隙度大，渗透性强，钻井施工难度大。根据该区煤层气井FLM2的地质特点，提出了以井下压力控制为中心，优选全井各类参数，及时发现和保护气层，减少污染，保证井眼稳定，提高钻井速度，降低钻井成本的开发设计思路。针对钻井施工中出现的钻井液漏失、井壁垮塌、起下钻遇阻等情况，制定了相应的处理对策。建议在确保钻井安全的前提下，将目前的三层井身结构简化为二层；同时，应开展欠平衡钻井技术在煤层气开发中的应用研究工作。

关键词

煤层气阜新井身结构井漏钻井设计煤层保护

作者简介：杜锋，工程师，1991年毕业于辽河油田职工大学钻井工程专业，目前主要从事油气井钻井技术研究和设计工作。

E-mail ：du-fenga@163.com

2009年第14卷

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SINO-GLOBAL ENERGY

井段斜深/m 垂深/m

水平投

影长/m 造斜率/

[(°)·(30m)-1

]

井斜角/(°)

方位角/(°)

直井段

45045000039.05增斜段551.51551.177.18 2.48.1239.05稳斜段823.06

820

45.5408.1239.05稳斜段1015.461010.47

72.72

8.12

39.05

表1FLM2井身轨迹设计表

①根据在煤层施工的特殊性，施工前根据设计，尽可能多地了解和掌握邻井资料，充分利用和发挥现有工具、设备及人员素质，做到“知己知彼”，为全面提高煤层气的开发效果奠定基础。

②受采煤工作面的影响，井位只能部署在岩墙附近或煤柱上，可能存在未发现的小断层、小岩墙，有可能在孙家湾断层煤层发生应力变化而造成气井套管变形或错断，给钻井施工带来风险。

③近期由人工堆积而形成的煤矸石山层，结构疏松，孔隙大，有极强的渗透性，堆积物大小不一。煤矸石山下主要以第四系河滩石为主，表层钻进中极易出现严重井漏、垮塌，导致成井困难，井壁难以维护，套管难以下入。

④刘家区煤层气含气量大，且施工中要实行衡钻进。应制定防火措施，配备一定的防火安全设施，防患于未然。

⑤要求全井使用无固相钻井液。施工中如遇特殊情况立即停钻，采取有效措施，防止事故发生。进入目的层后，在钻进过程中，要注意观察井口、钻井液槽面或池面，注意槽面气泡和气测异常。

4煤层气开发井设计

煤层气开发钻井设计的指导思想是：以井下压力控制为中心，优选全井各类参数，及时发现和保护气层，减少污染，保证井眼稳定，提高钻井速度，降低钻井成本。

4.1部署原则

依据刘家区构造地质条件、采气生产情况和改扩建工程及地面施工条件，提出如下煤层气开发钻井部署原则：

①严格按照刘家区煤层开采规划及地面的地貌情况，按照高瓦斯煤矿开采遵循的“先抽后采”的原则，先期部署地面钻井抽排煤层气。

②井位部署采取整体部署、分批实施、兼探深层、及时调整的原则。

③开发部署必须适应煤层气地质特征，布井适当远离断层、靠近岩墙。井位部署要与煤层的开采规划紧密结合，尽量部署在采煤工作面外，以延长气井生产寿命。

④部署在煤层厚度25m 以上，单井控制煤层气可采储量在1000×104

m 3

以上。

⑤在满足采气速度、一定稳产年限的前提下，

争取获得较高的采收率，使煤层气开发获得较好的经济效益。

4.2部署依据

根据本井区煤层气实际地质条件，综合考虑上述煤层厚度、含气量、目的层埋深、构造发育程度等指标，结合火成岩裂隙发育、煤储层易改造、压裂后效果好的特征，认为本区煤层气储层具有“较好”的可采性。该井区属于“小而肥”的煤层气目标区，虽然煤储层的煤级、孔隙性和渗透性相对较低，但地质构造简单，煤层气资源丰度高，煤储层厚度大，含气量高，压力梯度基本正常，可采性较好，具备良好的煤层气开发地质条件，其开发前景已经得到煤层气井排采试验结果的初步证实。

4.3井身轨迹

为实现钻探至煤储层目标区，尽量减少钻具组合，减小钻柱摩阻、扭矩，确保完井管柱能顺利下入。FLM2井身轨迹设计见表1。

4.4井身结构

井身结构设计的实质是确定套管层次和相邻层次套管的下入深度。它主要取决于裸眼井段的长度。根据地质条件、钻井技术水平、增产措施和采气的技术要求，能有效地保护煤层，降低钻井液对不同压力梯度煤层的伤害，避免漏、喷、塌、卡等复杂情况发生，为安全钻进创造条件。下套管过程中，不会因为钻井液液柱压力和地层压力之差产生压差卡钻。FLM2井设计与实际井身结构数据见表2。

表2FLM2设计与实际井身结构数据表

程序钻头尺寸/mm

井深/

m 套管尺寸/mm

套管鞋下深/m

阻流环深度/m

一开设计444.5120355118实际444.5125339.7123.97123.97

二开设计311.1120~302244.5300实际311.1125~302244.5300.03291.96三开

设计215.9302~10151271010

实际

215.9

302~1054

127

1048.871041.68

FLM2井是辽河油田在阜新、刘家区(井区)矸石山上施工的第一口开发控制定向井。钻探目的是，开采中生界阜新组和兼探沙海组煤层气。取得该井区煤层气的相关资料，落实储层含气面积和储量，为规模化开发阜新煤层气提供依据。

5.1一开(矸石山)钻进

由于矸石山结构疏松，孔隙大，有极强的渗透性。从冲鼠洞开始到钻穿矸石山，钻井液采用密度1.00～1.05g/cm3、漏斗黏度40～60S的普通水基钻井液体系。由于只进不出，漏失严重，两个水灌车拉水，平均一天拉水150～180m3，取水往返一次需2h，生产水不能及时供应，给生产施工造成困难。刚开始用3个凡尔开泵钻进，因漏失严重不返，改成2个凡尔，最后一个凡尔钻进到井深125m，钻井液共漏失425m3，并有掉块、卡钻现象。

5.2二开钻进

在二开钻进过程中井下一直都在渗漏，采取边钻进边堵漏的办法，二开钻井液渗漏96m3，钻进主要以防斜钻直为施工重点，为三开定向施工创造有利条件。由于井壁不规则，产生下套管遇阻情况，通过处理后起出套管又重新下入。

5.3三开钻进

在三开钻进过程中井下同二开一样一直都在渗漏，采取边钻进边堵漏的办法，但是在定向井钻进中漏失地层加入堵漏剂很容易造成螺杆不转，全角变化率、井身轨迹难以控制。从450m定向到垂深822m，共用准165mm单弯螺杆二根。三开钻井液渗漏340m3，在完井电测后通井期间，开单泵循环正常，后开双泵循环发现井漏，决定确保下套管的固井质量，采用打胶质水泥的办法解决井漏问题，打胶质水泥的比例是1∶1，打胶质水泥分三段注入，分别在井底注入10m3，900m处注入14m3，686m处注入20m3。水泥、钻井液、混浆的相对密度分别是1.80～1.85g/cm3、1.08g/cm3和1.45g/cm3。候凝后再下钻通井循环正常(不漏)，再进行下套管、固井施工，井口返出和碰压正常。该井从一开到三开完钻共用钻头6只，钻井进尺1054m，平均机械钻速5.5m/h。6技术对策

根据煤层的岩石力学特性、煤层气的生-储特点及产出规律而发展起来的煤层气钻井技术，与石油、常规天然气钻井既有相同之处[2]，又有不同点。在煤层气井施工技术方面存在着一些亟待解决的技术问题。通过FLM2井的施工实践，在分析和总结了煤层气井设计与施工中具有一定代表性的问题，并相应采取技术措施，为煤层气开发技术的发展提供参考。

根据煤层的特性，在钻井施工中应主要采取以下技术措施：

①井漏的产生必须具备3个条件：其一是对地层存在着正压差，井筒钻井液的压力大于地层空隙、裂缝或溶洞中流体的压力；其二是地层中存在着漏失通道及较大的足够容纳流体的空间；其三是地层的孔喉开口尺寸大于钻井液中固体的粒径。钻穿矸石山堆积层后，可适当增加土粉含量，钻完一开井深，起钻前可以采取在地表流沙层井段打入稠钻井液封闭。其中，生产水及时供应尤显重要。

②在煤层以上的井段中，可采用常规石油钻井的技术措施[3]。但钻开煤层前应做好技术、材料、设备、井眼等准备工作。

③进入煤层尽量选用短镶齿钻头(HA517)，提升对煤岩的破碎程度，以减小鳖跳钻、垮塌、环空等井下复杂情况。

④在被动采取边堵漏边继续钻进的情况下，要采取“三低一高”的钻井参数，即低密度、低钻压、低排量、高黏度。由于严重井漏很容易引起上部井壁掉块、坍塌，造成卡钻。在不能保证上部井壁稳定及钻井液量的情况下，不得盲目钻进。

⑤起下钻应控制速度，当遇阻划眼时钻压不要过大、防止划出新眼，处理遇卡，不要硬提钻具，防止钻具提死，起钻时注意灌满钻井液。

⑥加强坐岗观察钻井液罐中液面变化、井口钻井液返出情况及立管压力变化，若发现有明显变化，立即起出钻具，决定下一步措施。漏失严重时，可采用静止堵漏以及加入可酸化的堵漏材料进行堵漏。保持PSP、SMP、HA树脂等处理剂的含量，改善钻井液的抑制能力，加大煤层防塌剂、高温降失水剂的用量。定向井钻进中漏失地层加入堵漏剂很容易造成螺杆不转，应根据井下实际情况合理选择堵漏剂类型。在漏失不严重的情况下，能够坚持使用两筛一除，搞好钻井液净化，清除钻井液中的有害颗粒，维护好钻井液性能。

2009年第14卷

·56·SINO-GLOBAL ENERGY

Design Scheme and Practice of the Coal-bed Gas Drilling in Fuxin

Du Feng

(Engineering and Technique Research Institute of Great Wall Drilling Company ，CNPC ，Panjin Liaoning 124010)

[Abstract]Coal-bearing area is 4.3km 2，and coal in place is 1.7104×108t in Liujia wellblock ，Fuxin Basin.If

gas concentration per ton of the coal is 10m 3/t ，the reserves of the coal-bed gas is 17.104×108m 3.The coal-bed gas in this area is recoverable for its simple geological structure ，rich abundance of resources and basi -cally normal pressure gradient.Its advantage is small size ，multiple beds ，thickness ，high gas concentration ，and its disadvantage is loose structure ，low coal rank ，big porosity and strong permeability.It has difficulty on drilling operation.According to the geologic features of FLM2coal -bed gas well ，measures should be taken such as controlling downhole pressure mainly and optimizing every parameter of the whole well.Then gas -bearing formations can be found and protected and pollution may be less.And it will make wellbore stable ，and make drilling speed faster and drilling cost less.Countermeasures should be taken for the issues of the drilling operation (leakage of drilling fluid ，borehole wall sloughing and drilling hard trip).It suggests that run -ning a technical casing and hanging a liner should be simplified to running surface and production casings based on drilling safety.The application of the underbalanced drilling technique in the development of the coal-bed gas should be researched at the same time.

[Keywords]coal-bed gas ；Fuxin ；bore frame ；well leakage ；drilling design ；coal bed protection

7结论与建议

①刘家井区煤层气资源条件比较好，具有面积小、煤层层数多、厚度大、含气量较高、小而肥的特点，是煤层气开发的重要前提，但诸多影响煤层气勘探与开发的地质因素也是至关重要的。

②钻煤层气井最应注意的是地层污染、高渗透率/井漏、高压气/水浸和井眼稳定/井塌。煤层气开发井的设计和施工方案应该把钻井、完井和储层工程有机地结合起来，既保护好目的层、又要保持良好的井控能力。保证煤层气钻探施工成功率，降低开发成本，形成工业性开发的要求。

③由于刘家区煤层气储层性质独特，传统的钻井工艺技术越来越不能满足无储层伤害，提高钻探成功率，降低开发成本，形成工业性开发的要求。针对这种情况，应迅速研究欠平衡钻井技术在煤层气开发中的必要性与可行性。

④建议在确保钻井安全生产的前提下，将目前的三层井身结构简化为二层，即准311.1mm/

准244.5mm+准215.9mm/准139.7mm ，有利于提升该井

区的钻井速度，降低钻井成本。

⑤煤层气井施工工艺的合理与否，在很大程度上决定了煤层气井产气量的大小及其寿命的长短。换句话说，煤层气资源开发的成败与工程施工技术方法有着相当重要的关系。参考文献：

[1]孙茂远，刘贻军.中国煤层气产业崛起的新阶段[J].中外能

源，2008，13(6)：20-24.

[2]吴佩芳，谭仲平，司淑平.煤层气开发的理论与实践[M].北京：

地质出版社，2000.

[3]杨振荣，王延恒，李玉群，等.三交地区煤层气井钻井技术介

绍[J].石油钻采工艺，2000，22(3)：38-39.

(编辑陈珏)