1、煤层的钻井完井特点煤层气井钻井完井分类及程序煤层气储层保护技术煤层气固井技术煤层气井绳索取心技术钻井资料及完井报告,第六章 煤层气钻井完井工艺技术,6.1 煤层的钻井完井特点,1、煤层的特性 （1）煤层是双重介质 与常规天然气储层不同，煤即是生气层又是储气层。当钻开煤层后气体从煤层内表面解吸、扩散，通过割理、裂缝流到井内。如果煤层的孔隙和裂隙一旦受到损害，其受损害程度比常规油气层严重的多。,5.1 煤层的钻井完井特点,（2）煤是有很强吸附能力的大分子结构 煤是一种有机质（主要为腐殖型），有机含量大于90%；煤又是双重介质，具有非常大的内表面，因此煤层对煤层气具有较强的吸附能力。当钻井液钻开煤层
2、厚，液体和高分子聚合物也会吸附在煤层上，一方面会诱发煤基质膨胀从而使渗透率受到损害；另一方面聚合物在煤表面的多点吸附而形成胶凝层堵塞煤层的裂缝和割理系统，进而伤害煤层。 （3）煤层的孔隙和割理都很发育 孔隙以吸附并储集气体为主，割理和裂缝主要是甲烷气流的通道。 （4）煤储层普遍压力低，地层破碎，易发生井漏,5.1 煤层的钻井完井特点,大部分地区的煤层压力处于欠压状态，易破碎，因此易发生井漏，造成的煤层损害主要有： （a）当地层压力系数处于低压状态，割理缝宽度大于50m时，会造成有进无出的大漏失。 （b）割理发育的煤层，钻井液的漏失，易产生煤基质膨胀、聚合物多点吸附、固相堵塞、乳化和沉淀等损害形
3、式，导致割理、裂缝和孔隙严重伤害。 （c）由于煤层割理裂隙的存在，使固相和液相侵入太深，返排距离太远，使返排无效。 （5）煤层水的性质 由于煤层开发区煤层埋藏浅、地温低，当煤层压力和温度降低或钻井液与地层水不匹配时，会生成碳酸钙等无机沉淀，对煤层割理、裂缝产生堵塞；,5.1 煤层的钻井完井特点,高矿化度的煤层水可引起进入煤层的钻井液发生盐析； 高pH值的外来液侵入煤层中，与煤中可溶性腐殖酸发生反应，形成沉淀； 甲烷气和低表面张力的外来液发生反应，可促成有机垢的形成，这都会造成煤层伤害。 （6）煤层机械强度低 煤层性脆、易碎、机械强度低，易受压缩，在钻开煤层时，会产生大量煤粉，煤粉会堵塞井筒。
4、（7）压力敏感性对煤层渗透率的影响 孔隙度和渗透率随地层压力的增加而降低，裂隙和割理在高围压下会形成无法恢复的闭合。在过平衡钻井中，钻井液柱压力大于煤层压力，引起渗透率降低，完井后渗透率不能完全恢复。,5.1 煤层的钻井完井特点,2、煤层气钻井完井中常出现的问题 （1）井壁稳定性差，容易发生井下复杂事故 由于煤层气机械强度低，裂缝和割理发育，存在较高剪切应力作用，因而煤层段井壁极不稳定，易发生井壁坍塌、井漏、起下钻遇卡甚至埋掉井眼等复杂事故。 （2）煤层易受污染，保护措施难度大 一方面易受钻井液、完井液和固井水泥浆中固相颗粒的污染，另一方面煤层破碎和高剪切应力造成井眼不稳定。 （3）煤层破碎、
5、含游离气多，取心困难 煤层机械强度低，取心时一般没有完整煤心出筒，而且煤层气井都是选择在含气量较高的地区，割心后，随着取心筒与井口距离的缩短，煤心中气体不断解吸出来，当达到一定程度时将煤心冲出取心筒。,5.1 煤层的钻井完井特点,3、钻井完井过程中对煤储层的潜在伤害 （1）煤强度的影响 由于煤杨氏模量小，泊松比高，天然割理及节理发育，使煤的抗拉、抗压强度比较低。 （2）正压差伤害 在正压差作用下，钻井液中的胶体颗粒和其它细微颗粒被吸附在煤层气的孔隙喉道上，钻井液滤液的侵入又可能发生各种敏感性反应。 （3）固相伤害 钻井液中所含固相颗粒分为粗粒（大于2000 m ）、中粗粒（250-2000 m
6、 ）、细粒（44-250 m ）、微粒（2-44 m ）和胶体颗粒（小于2 m ）。,5.1 煤层的钻井完井特点,钻井液中不同粒径的固体颗粒，特别是其中的微粒和胶体颗粒会沿着煤层的割理和孔隙进入煤层，对煤层气的运移通道产生填充和堵塞。 （4）强亲水伤害 煤层气储层的低孔隙度、低渗透率、强亲水性、大比表面积，造成了高束缚水饱和度。 在储层原始状态下，原始含水饱和度一般低于束缚水饱和度。当使用水基钻井液将煤储层打开时，很强的毛细管作用力使地层强烈吸水，而正压差作用下的渗流则加剧了水侵深度，直到储层吸水达到束缚水饱和度为止。 水量增加形成的水膜将使煤层产生“水锁”，造成永久性伤害。,5.2 煤层气钻
7、井完井分类及程序,1、煤层气钻井分类,采空区钻井：从采空区上方由地面钻井到煤层上方或穿过煤层，也可在采煤之前钻井，采空区顶板因巷道支柱前移而坍塌，产生新的裂缝使瓦斯从井中涌出。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,水平井有两种： 在巷道打的水平轴放瓦斯井； 从地面先打直井再造斜，沿煤层钻水平井（排泄井）。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,垂直井是从地面打直井穿过煤层进行采气，是主要的钻井方式。对直井的分类见表5-1。,表5-1 垂直井分类方法,资料井主要通过钻区域探井取准煤心，进行产能评价；试验井组进行工业性开采评价；监测井用于生产过程的压力监测。,一般井深控制在300-1500m属浅煤层井，
8、埋深大于1500m的为深煤层井。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（一）欠平衡钻井工艺,应用欠平衡钻井，可以减少流体的不匹配性对煤层的损害、避免水锁效应等，是一项有效的储层保护措施。 （1）欠平衡钻井技术适用情况 高渗弱胶结地层； 含有对水基钻井液敏感成分的地层； 可能与滤液极不相容的地层、接近束缚水饱和度的脱水地层。 （2）不适合进行欠平衡钻井的情况 井壁不稳定； 地层孔隙压力不清； 地层压力高、裂隙发育； 同一孔内压力系数差别大的井。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（3）技术优点 减轻地层伤害，提高煤层气产量； 提高钻井效率，降低钻井成本； 及时识别煤层气产层； 可实现边钻边生产；
9、避免井漏，防止或减少压差卡钻； 可进行随钻煤层气评价。 （4）工艺的关键技术 欠平衡钻井设计； 应实时监测作业参数和瓦斯产出量； 欠平衡钻井作业的控制技术； 产出流体的地面处理；,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,测量技术； 根据地层压力确定采用实现欠平衡钻井的方法。 实现欠平衡钻井的主要方法有自然法和人工诱导法。 自然法是当地层压力系数大于1.10时，普通钻井采用降低泥浆比重实现平衡钻进； 人工诱导法是当地层压力系数小于1.10时，常规钻井液无法实现欠平衡钻井施工时，采用可压缩钻井液实现欠平衡钻井。 此外双壁钻杆空气-液体循环钻井和空气潜孔锤钻井工艺都是人工诱导实现的欠平衡钻井技术。 双壁钻
10、杆空气液体循环钻井技术是把压缩空气沿内外钻杆之间的环状间隙压向预定位置，提高其上部钻井液上返速度，降低井内钻井液压力，以实现平衡或欠平衡钻进。它是利用空气对井内钻井液实现气举上返推动作用，降低井内泥浆的压力。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（二）空气潜孔锤钻井工艺,空气潜孔锤钻进技术是一种以压缩空气作为动力介质，驱动潜孔锤工作的欠平衡钻井工艺。压缩空气兼作洗井介质，把岩屑携带出地面。与常规钻井工艺相比，能大大提高钻井效率，该工艺有以下有利因素： 作用在潜孔钻头切削刃具上的载荷为冲击载荷，接触应力瞬时可达极高值，应力集中，促进岩石裂隙发育； 切削刃具磨损减少； 冲击频率高，有利于岩石破碎；
11、井底干净，最大限度地减少了重复破碎。 （1）空气潜孔锤钻井工艺的特点 钻进效率高；钻进基岩平均钻速可达240m/d。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,设备数量少，易于搬迁，非常适合丘陵地区施工； 对储层伤害小； 有利于岩屑录井； 对环境污染小。 （2）空气潜孔锤钻井工艺的适用范围 该技术的推广使用主要受制于钻井井径及地质、水文条件。 钻井半径 空气潜孔锤钻井工艺携带岩粉的能力主要取决于空气上返速度，钻井外环空间过大时岩粉上返困难，因此空气潜孔锤钻井通常广泛用于井径400mm以下的钻井施工。 地质条件 空气潜孔锤钻井工艺最适宜钻进粗粒而不均匀的地层，在6-9级,5.2 煤层气钻井完井分类及程序
12、,岩石中钻进效果尤为突出。钻进裂缝发育的地层时，往往由于空气漏失，风压下降，钻进速度相对降低。 水文条件 空气潜孔锤钻井时，空气快速上返造成井内液柱压力远小于地层压力，形成抽水现象，如水量大于10m3/h，钻速将大大下降。 钻井深度 钻井深度超过1000m时，由于受风压机风压、风量的限制，岩粉返排困难，空气潜孔锤钻井工艺钻进效率低于常规钻井工艺。 （3）潜孔锤钻井参数的合理确定 钻压 潜孔锤钻井过程中是在钻压、高压气流冲击力、旋转力等3种力,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,的作用下破碎井底岩石，其钻压的主要作用是保证钻头齿能与井底地层紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹作用力，以便有效地传递来自
13、潜孔锤冲击器的反冲击力。 钻压过小，难以克服冲击器工作时的反作用力，直接影响冲击功的有效传递； 钻压过大，将会增大旋转阻力、使钻头早期磨损。 对于潜孔锤全面钻井，一般认为单位直径的压力值为0.30.95 kN/cm，在软中硬地层一般单位面积上的钻压为0.180.56 MPa。 转速 钻头转速的高低主要依冲击器的冲击频率、规格大小以及地层的可钻性有关。一般转速选用20 r/min左右为宜，转速过高会造成钻,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,头先期磨损和钻井机械钻速的降低 。 空气压力 潜孔锤冲击器的冲击频率和冲击力都与空气压力有关，空气压力是决定冲击力大小的决定性因素，因而也是影响机械钻速的主要
14、参数，从国内外大量资料及樊庄区块实钻结果说明，机械钻速的提高和空气压力的提高成正比关系。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,空气压力除满足潜孔锤工作压力外，还应克服井内钻具水眼压力降、环空压力降、潜孔锤压力降等损耗，如果所钻地层含水还要克服水柱静压力才能正常工作，空气压力的计算公式如下：,式中：p为空气压力，MPa；Q2不含水每米钻具内压力降(一般为0.0015MPa/m)；L钻杆柱长度，m；pm钻具内水眼压力损失，大约在0.1 0.3MPa；p1潜孔锤压力降，MPa；p2井内水柱压力，MPa。 从上式可以看出在井眼不出水的条件下，钻井井深也相应增加；而在同样条件下随着注气压力的增大，钻井深度
15、也相应增加。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,空气量 空气钻井中空气消耗量是根据气动潜孔冲击器的性能参数(耗气量)和携带井内环空岩屑的最低上返速度而确定。根据文献资料推荐，钻井过程中为保持井底清洁、携带环空岩屑返出井口，全面钻进时空气循环介质上返速度为2025 m/s，为满足以上条件注入空气量计算一般采用下式：,式中：Q钻进时所需空气量，m3/min；k1井深损耗系数，井深100600 m以内取1.01.3；k2当井内涌水时，风量增加系数。其值与涌水量有关，中等涌水量k2值取1.11.5；D环空直径，m；d钻杆外径，m；v环空气流上返速度，m/s。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（三）超
16、短半径水平井技术,超短半径水平( URRS， Ultrashort Radial Radial Sys-tem” )钻井技术是指沿井眼的不同半径方向钻出的多个水平井眼，其曲率半径只有0.3米左右。该半径是指造斜器内的半径，对于实际水平井眼来讲，曲率无穷大，因而该技术也称为径向水平钻井技术。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,径向水平井典型分布示意图,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,超短半径水平钻井系统的根本特征是可以在0.3m半径的立井井段中，完成从垂直转向水平，因而可以避免用常规的大曲率半径、中曲率半径和短曲率半径方法钻水平井所需要的频繁造斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，保证水平井
17、准确地进入目的层，抛弃了传统的靠钻头旋转机械破岩的方法。采用高压水射流破岩形成水平井眼的新技术，不需要钻杆旋转也不需要通过钻杆给钻头施加用以破岩的“钻压”，从而彻底解决了常规钻水平井技术所遇到的施加钻压困难和钻杆旋转带来一系列的问题，减少井下事故的发生并提高钻井速度。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,只有使径向分支井眼与面割理正交，才能最大限度地发挥分支井眼的排水降压效果，考虑到实际施工的需要，至少设计一部分垂直于面割理的分支井眼，其他的分支井眼可斜交于面割理，减少形成平行于面割理的分支井眼。,径向水平井井眼走向与煤层面割理系统,端割理,面割理,水平井眼走向,5.2 煤层气钻井完井分类及程序
18、,在煤层气生产中，超短半径水平井具有如下作用： (1)使煤层的暴露面积增大，提高煤层气产量； (2)使井距加大，减少钻井数量及费用； (3)克服了传统的定向钻进垂直孔不能重复利用的缺点，超小半径水平钻进可以在同一垂直孔内在不同煤层钻一个或多个径向水平孔，提高了地表钻孔的利用效率； (4)在地表不能接近的区域可能用水平孔接近预定目标区域； (5)水射流能够沟通煤层裂隙，提高煤层的透气性。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,超短半径水平井关键技术： （1）斜向器 斜向器是整个URRS系统中的一个关键机构。这种特殊的斜向器能够在很短的一个经过扩孔半径至0.3 m的井段内完成生产管由垂直到水平的转向，
19、并保证在水平钻进过程中对前进的作为钻杆的生产管给予稳定的支撑，安全可靠，回收方便。斜向器由1根铜管开窗而成，内装34块用锁连接的导向件，导向件装有两排带槽的滚轮，其中一部分滚轮形成弯曲半径只有0.3 m的滑道，目的在于：使生产管迅速从垂直方向转向水平方向；确保钻头在地层里钻至合适的位置；减少扩眼直径；使生产管靠导向件出口端的那几对滚轮构成校正滑道，校正生产管，以便水平地伸出斜向器进入地层钻孔。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,它有一种可双向弯曲成90的滑道，滑道可向前或向后伸展。滑道是由几段转筒组成，转筒与转筒之间是以铰链形式进行联接的。在转筒内部由许多滑轮围成一个直径略大于42mm的ERW
20、钻管滑道。滑轮围成的滑道结构可使连续的ERW管通过斜向器的出口处，装有钻杆矫直器。当钻管通过斜向器时，会发生塑性变形，但是由于管内的液压作用，并且管子材料较好，使它不会发生破裂。在斜向器的上部有一个锚爪固定器，其作用是把斜向器固定在套管内壁上，使转筒悬挂，这样在下放侧板时，转筒弯曲90，上提侧板时，转筒可伸直。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（2）水力破岩钻头 对水力破岩钻头的具体要求有：形成一个较大截面积的规则井眼；以较小的射流压力和排量高速破岩；具有足够长的使用寿命。 多喷嘴组合钻头,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,这种水力破岩钻头外形呈半球形，在球面中心和离开中心一定距离的圆环上分
21、布有多个喷嘴，各喷嘴都以适当的角度导引射流冲击到钻头前面某一区域的岩石上，岩石受到冲蚀破碎而形成一个满足钻杆钻进的水平井眼。这种钻头的特点是喷嘴多，单个喷嘴喷口小，但要求排量较大，因此对喷嘴的布置和安装角度要进行精心的设计。 单喷嘴旋转射流钻头 该钻头有一个可以产生旋转射流的喷嘴，它是由普通的锥形喷嘴加上导向件组成。当高压流体进入喷嘴腔体流经导向元件后，在导向元件的导引下，流体沿一定的轨迹旋转前进，然后经过喷嘴内腔收缩并加速后，以极高的速度射出喷嘴出口，同时在压差和离心力的共同作用下，形成旋转的向外扩散的一种空心状,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,射流体。因为在离开喷嘴的任一射流截面上，都存
22、在着射流密度和能量最大的一个圆环面积，而且在一定范围内离开的距离越大，圆环半径也越大，射流破碎的岩石面积也越大，因而只要压力足够，就可以很快形成一个足够大的井眼。这种破岩钻头相对多喷嘴钻头而言，要求排量较小，同时由于射流具有纵向速度和横向速度，使岩石同时受到纵向冲击和横向剪切的作用，可以大幅度提高破岩效率，但对喷嘴设计和制造有较高要求。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,旋转射流成孔过程示意图,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（3）控制机构 在URRS系统中，钻杆及钻头前进动力来源于作用在钻头内腔及钻杆尾端截面上的液体压力，即在液体压力推拉下前进。为了保证钻头前面的岩石得到充分的破碎后钻头和
23、钻杆向前运动，设有速度控制机构。最简单的是使用缆绳控制，即在钻杆(即生产管尾部)接上缆绳，另一端缠绕在缆绳车上，通过缆绳可控制和实时监测生产管的运动速度和钻头位置，缆绳控制机构的缆绳拉力控制速度的同时对钻进方向进行控制。 最新的控制手段为，钻杆前进速度通过尾部液压装置的调节阀门的开度进行，钻头位置或水平进入地层长度可通过测量进入尾部液缸的钻井液体体积计算出来，和在钻头后面的钻杆即生产管上，在上下左右互成90的方向加设4个侧向射流喷嘴，通过控制这4个喷嘴的开闭来控制和调节钻杆的方向。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,超短半径水平井钻井工艺,通井和磨铣套管(3米左右),扩大井眼（直径约065米）
24、,下入斜向器，井下锚定器定位,下入钻杆及水力破岩钻头,斜向器回收,完井作业,随钻轨迹控制,启动压裂车，水力喷射钻进,转向器及锚定装置转向器规格：3 m 110 mm转 向 半 径 ：0.3 m锚定器规格：1.2 m 110 mm,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,2、煤层气完井分类,煤层气完井分为五种类型：裸眼完井、套管完井、混合完井、裸眼洞穴完井及水平排孔衬管完井。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（1）裸眼完井 裸眼完井是钻到煤层上方地层下套管固井，再钻开生产层段的煤层，产生煤层保持裸眼或用砾石充填。 这种完井方式费用最低，但强化作业时，井控条件降低，煤层坍塌会导致事故。这种完井方式一般
25、用于单厚煤层井。 （2）套管完井 套管完井是对产层下套管的一种完井方式。 优点：对地层入口可实施特殊控制，维持井深稳定。 是目前最主要的完井方式。 （3）混合完井 混合完井是裸眼完井与套管完井方式在同一口井中使用。依据地层条件而定，一般用于多煤层。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（5）裸眼洞穴完井 裸眼洞穴完井方法是在裸眼完井的基础上发展起来的一种独特的煤层气完井方式。在较高的生产压差作用下，利用井眼的不稳定性，在井壁煤岩发生破坏后允许煤块塌落到井筒中，进而形成物理洞穴（自然裸眼洞穴完井）。或者人工施加压力（从地面注气），使井壁煤层发生破坏，再清除井底的煤粉，进而形成物理洞穴（动力或人工裸
26、眼洞穴完井）。,（4）水平排孔衬管完井 适用于深层低渗透煤层，一般适用于厚1.5m以上的煤层。 优点：能提供与煤层的最大接触面积，尤其是各向异性煤层。 缺点：钻完井过程中易发生割理系统堵塞、闭合等现象，伤害煤层渗透率。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,目前的人为在煤层造洞穴方式有： （a）水力造穴 水力射流造穴法是利用高压水射流破碎岩石的能力，用钻具把特殊设计的水力射流装置送入造穴井段，开泵循环，使循环钻井液在经过小喷嘴时产生高压水力射流，破坏煤储层而形成洞穴。 （b）机械工具造穴 机械工具造穴是利用机械切削的原理，用钻具把特殊设计的机械装置送入造穴井段，然后通过液压控制方式使造穴工具的刀杆
27、张开，并在钻具的带动下旋转并切削储层，形成满足实际需要的洞穴。 （c）空气造穴 空气造穴技术的原理是利用高压气体对煤层进行冲击，然后突然释放压力，使井筒附近的煤层边缘受到一定程度的破坏，产生坍塌和剥落，逐渐形成大洞穴。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,洞穴完井的特征： 实际洞穴有效直径。实际洞穴的有效直径一般不好通过仪器测量，主要通过洗出到地表的煤、岩屑的堆放的体积来推算，实际洞穴的有效井径一般34m，形状不规则，表面参差不齐，从而达到增大煤层裸露面积，为煤层气的解析运移提供了良好的条件。 在井筒周围形成一定范围的破碎带。由于实际洞穴的效应，使洞穴以外的煤层发生张性和剪切破裂，形成了更大范围
28、的破碎带，从而使煤层内一些处于封闭、半封闭状态的原始微裂缝相互沟通，提高了煤层的渗透率。,图5-4 洞穴完井井身结构示意图,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,保护了煤层原生结构。由于采用空气、空气泡沫钻井，并利用空气加清水通过瞬间释放压力造穴，真正意义上达到了保护煤层原生结构，避免了常规完井工艺钻井（泥浆可能污染煤层）、固井（注入水泥浆污染煤层）、压裂（压裂液中的固体颗粒可能污染煤层）等对煤层的破坏。 洞穴完井工艺条件： 较好的储层条件 要求含气量大于10m3/t，渗透率相对较高。 较好围岩特征 煤层上下顶、底板封闭性好，机械强度高，煤层顶底板不能有断层或漏失层段。 煤层特征 煤层厚度大、块煤
29、、稳定、无夹矸。 井壁稳定，区域地层相对稳定,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,洞穴完井的主要技术措施： 造穴时必须安放防喷器； 对各种高压管线进行地面试压，保证施工安全； 不能将钻具一次性下到井底，避免井内地层大量积水，导致空压机无法开启，钻具下入到底部后，保持长时间循环，保证将井底沉渣循环干净； 关闭封井器，憋压要求大于煤层破碎压力后方可放压，释放压力要求迅速。 洞穴完井地面施工工艺流程： 安装防喷器 为了憋压，需要外加底座把整个钻机底座加高，安放防喷器，并在防喷器上部放置井口方钻杆旋转密封座封器，使洗井放喷可以正常进行。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,连接地面装置 在地面将两个空压机
30、并联并与钻机的注风口连接牢固，对地面各种管线进行试压，保证试压压力不低于20MPa，保证后续作业安全。 排井内积水、岩屑 下钻具，一边下，一边利用高压空气将井内的积水排出，当到钻井的底部后，保持长时间循环，确保将井底沉渣循环干净。 注气、水作业 启动主机空压机、1150空,图5-5 洞穴完井地面连接装置图,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,压机和1070空压机注入压缩空气，根据井口压力攀升趋势及时启动TBW850/60泥浆泵注入洁净的清水，待注气、水压力稳定后,连续注入压缩空气45h，关闭封井器，憋压(大于10MPa)。 放喷作业 加强观察井口压力变化，当井底压力超过煤层破裂压力(根据试井数据
31、)，然后打开液压平板闸阀迅速放喷，返出水、气、煤、岩屑，完成一次放喷过程，高压放喷过程分6个周期，每周期36次。 井眼洗井 每个放喷周期结束后，钻具旋转下放若井筒已被煤、岩屑充填，则进行洗井作业，此过程是将钻具下至煤层位置，使用空压机和增压机同时运行，每0.5h用泥浆泵注水(必要时加入泡沫)1.52m3，返出水、气、煤、岩屑，逐渐至井底，直到井内只返出清水时，洗井过程完成。反复进行注气水、放喷、洗井作业，根据返到地表的煤、岩屑、气体计算洞穴直径，直至达到设计要求的34m，停止造穴作业。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,观测原始数据 在放喷和洗井作业结束后，根据现场情况进行原始数据的检测，首先
32、关闭所有空压机，增压机和泥浆泵，打开放喷平板闸阀，使井内气体自由返出，通过流量表测量煤层气在1h内出气量的变化，并在煤层气排放口放置火把点燃气体。压力恢复：关井后，根据井口压力表观察记录1h内井内压力的变化。 总的来说，洞穴完井不需要压裂等辅助措施，可一定程度上降低完井费用，同时能有效提高煤层渗透率，但井眼稳定性差，作业风险性比套管完井大，且对钻井设备以及地质、煤层储层条件要求都很高。 一般洞穴完井仅适用于封盖条件好、煤储层物性好、含气量大、含气饱和度高的高压、高渗透地区，如美国圣胡安地区。 我国大部分地区煤层渗透率低，目前的应用程度较低。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,3、煤层气钻井完井
33、一般程序 （1）确定井类 在勘探新区为建立地质剖面、掌握煤层及围岩的地质资料、估算资源量布置取心井； 利用试验井了解煤层和围岩的地应力和渗透性，掌握煤层的延伸能力、闭合压力和最小压裂压力，选择压裂方向、进行压裂设计； 打生产井开发煤层甲烷； 利用观测井了解油藏工程参数，掌握煤层气井生产动态。 （2）设计钻井方式 确定钻井方式的主要依据：目的煤层最大埋深、地层压力、地层组合和井壁稳定条件。 可分为浅层煤层气钻井和深层煤层气钻井。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,浅煤层钻井地层压力一般很低（等于或小于正常压力），需要依据储层压力选择清水、泡沫泥浆或空气介质钻井。 深煤层钻井有的压力较高（大于正常
34、压力），煤层段井壁稳定性差，因此使用泥浆液可以实现平衡压力的目的。 （3）设计完井方式 确定完井方式的主要依据：埋深、井壁稳定性、地层水文性质、地层压力、开采方式以及可采气量与总投资对比的经济性。 依据地质条件：单煤层井可以是裸眼稳定砾石充填和泡沫砾石充填完井、裸眼筛管历史充填完井和套管完井。 多煤层井：一般采用套管完井和套管-裸眼完井。 （4）确定固井方式 确定固井方式的主要依据：煤储层压力和开采方式。 从保护储层固井出发可采用三种固井方式：低密度水泥浆固井、分级注水泥和绕煤层固井。,5.2 煤层气钻井完井分类及程序,（5）钻井中期作业 在资料井中应考虑取心作业和在裸眼井段进行注入-压降法试
35、井以及渗透率测试和DST产能测试作业。 （6）确定煤层入口方式 在裸眼完井中，为消除钻井液对产层的影响和增大压裂效果，常使用水力切割。 （7）经济和成本的可行性评价 （8）作钻井和完井设计 同常规油气井在程序和工艺技术上存在许多相似之处，除采用常规钻井和完井设计外，主要考虑其特殊性。 如：煤心取心应避免使用常规取心筒、钻头以短齿为宜、钻井参数在煤层段应暂时不采用优化参数，而采用”四低参数“，即低钻压、低转速、低循环压力和低的冲击力。,图5-6 煤层气甲烷井的钻井与完井一般程序流程框图,5.3 煤层气储层保护技术,1、钻井过程中造成煤层损害的机理 钻井施工中诱发煤层损害的根源是钻井液，主要机理有
36、： （1）钻井液中固相颗粒对煤层的堵塞 钻井液中的固相颗粒主要包括钻屑、煤粉及配置钻井液的材料，钻井液中小于煤层孔隙直径或裂缝宽度的固相颗粒，在钻井液正压差的作用下，进入到煤层的孔隙和裂缝中形成堵塞。 实验得到钻井液中膨润土对气测渗透率值小的煤样影响不大，对裂缝发育的煤层影响很大。 （2）煤与钻井液中的高分子聚合物相互作用产生的堵塞 由于煤是一种有机化合物组成的大分子，具有较强的吸附能力，当钻井液中的聚合物随滤液进入煤层裂缝和孔隙中后，滞留在煤表面或堵塞在裂缝中，引起煤的渗透率下降。实验得到聚合物分子对煤层损害很大，且污染后及时用水清洗，也很难达到原来的渗透率。,5.3 煤层气储层保护技术,（
37、3）煤基质吸附膨胀造成的损害 煤具有很强的吸附各种液体和气体的能力，煤吸附液体后煤基质膨胀，其膨胀程度取决于有机溶剂的化学性质。 实验得到煤基质膨胀导致气测渗透率降低，其降低程度与溶液性质、煤层的不均匀性和微观结构有关。国外研究得到由于煤割理孔隙仅占煤层总孔隙度的1%-2%，所以煤基质即使有轻微的膨胀也可导致割理的渗透率大幅度下降。 （4）压力敏感性对煤层损害的影响 随着围压的增加，气测渗透率下降，由于煤层存在着压力敏感性，钻开煤层后，煤中的微孔隙和裂缝会变得更加细微，增加了克服损害的难度，为此，钻井过程中最好采用平衡钻井技术。,5.3 煤层气储层保护技术,（5）水锁损害 煤层的裂隙是地层中流
38、体流动的基本空间，总的来说这些天然裂隙内径很小，因此可将其看作是无数大小不等，形状各异，彼此曲折的毛细管，当外来流体侵入裂隙通道后，会将通道中原有的气推向储层深部，并在气水界面形成一个凹向水相的弯液面。由于表面张力作用，任何弯液面都存在一附加压力，即毛细管压力。如果储层的能量不足以克服这附加的毛细管压力，气就不能将水段塞驱开而流向井筒，从而形成水锁损害，导致气层渗透率下降。,5.3 煤层气储层保护技术,2、低伤害钻井液 实验得到：在正压差作用下，钻井液中的水、滤液、固相颗粒和高分子聚合物与煤心接触后，均会产生不同程度的损害，因此从钻井液着手减少钻井液对煤层的损害。 （1）低伤害钻井液设计原则
39、（a）尽量减少钻井液中微颗粒固相含量，采用无固相钻井液； （b）采用对煤层伤害轻的聚合物，提高钻井液的动塑比，提高钻井液的洗井能力； （c）合理筛选小分子聚合物，降低失水； （d）使用KCl、NaCl、CaCl2控制钻井液密度、调节矿化度、抑制煤层的吸附膨胀。 （2）低伤害钻井液的研制,5.3 煤层气储层保护技术,减少或防止煤层气储层污染伤害的主要技术途径： （a）降低钻井液密度，实现近平衡钻井，减少钻井液侵入煤层； （b）选择与煤层流体相匹配的钻井液体系，严格控制钻井液失水，防止水化膨胀及水锁伤害的产生，防止发生各种敏感性反应形成不溶性沉淀物； （c）控制钻井液中的固相和高分子化合物含量，防
40、止固相颗粒对煤层裂缝的堵塞吸附； （d）优化钻井工艺，提高煤层段钻井速度，减少煤层段浸泡时间。 （e）对完成井在压力作业前后进行有效的洗井解堵作业，以使煤层气运移通道得以充分连通 实践证明：要利用常规钻井手段，达到上述要求很难，欠平衡和近平衡钻井技术是最有前景的技术。,5.3 煤层气储层保护技术,3、保护煤层的钻井液技术 （1）使用泡沫钻井液钻开煤气层 在目的层浅、煤层压力低、地质年代老、地层比较硬及裂缝发育的地层，可使用泡沫钻井液。 泡沫钻井液是一种由水、气、表面活性剂、泡沫稳定剂组成的具有可压缩性的流体，其泡沫直径约为0.1-1.0mm，具有密度低井内液柱压力小、极低的液相、能形成泡沫群体
41、结构的特点，因而在钻井中具有如下优点： （a）负压钻井，机械钻速快，钻井成本低； （d）失水小，能减少外来液对产层的伤害； （c）粘度高、切力高、携带钻屑和洗井能力强； （d）泡沫结构对微小裂缝具有封堵作用，可用于保护微小裂缝；,5.3 煤层气储层保护技术,（e）能顺利通过低压易漏失地层； （f）上返速度低，减少了流体对井壁的冲蚀作用，井眼较为规则； （g）不污染岩心，有利于地质分析。 因此在低压储层钻进中，采用泡沫钻井液有利于提高钻井液效率、保护储层、增加产量。 （2）使用低固相或无固相钻井液 这种钻井液适用于地层中存在异常压力层或井壁稳定性差的煤层。主要由无机盐、聚合物和暂堵剂配成，是目前
42、国内煤层气钻井广泛采用的钻井液类型。 使用这种钻井液时，为了达到保护储层的目的，现场施工和筛选钻井液应遵循以下几点：,5.3 煤层气储层保护技术,（a）施工前，要进行煤心损害评价，筛选对煤层吸附小的聚合物作为提粘剂和降失水剂； （d）进行钻井液与煤及煤层水相溶实验，以减少煤层水与滤液和煤发生化学反应； （c）提高滤液的抑制能力，减少煤的吸附； （d）降低钻井液失水，减少滤液对煤层的损害； （e）采用适当的保护煤层的钻井工艺措施，如近平衡钻井技术； （f）防止井漏，减少井漏地层的大面积污染； （g）优化钻井水力参数设计，防止煤层井筒周围的剪切应力过大或过小，而引起渗透率的降低； （h）缩短完钻和
43、测试时间，减少钻井液对煤层的浸泡时间。,5.3 煤层气储层保护技术,4、泡沫钻井技术简介 泡沫作业技术是利用泡沫流体作为循环液进行钻井/取心和压裂前后洗井作业的统称，包括以下三部分： （1）泡沫流体 泡沫流体属于液包气乳化液，不含任何固体颗粒。泡沫是气体和泡沫基液经过专门设备处理之后形成的均匀致密气泡结构，理想的泡沫应具有一定的抗温、抗压及抗污染能力。 标准状态下泡沫密度可达到低于0.05g/cm3，因此可以防止泥浆漏失，避免固相颗粒和钻井液对煤层造成侵入性伤害；在负压情况下，降低对井底岩石的 压持效应，大幅度提高钻井速度。 良好的泡沫具有很高的粘度和稳定性，环空上返能保持稳定层流的运动趋势，
44、井底返速达0.2-0.25m/s，既能有效携岩，又能减少对井壁的冲刷，从而减少井下复杂事故。,5.3 煤层气储层保护技术,泡沫流体可分为以下三种类型： （a）稳定泡沫 在水中直接加入发泡剂制成，优点配置工艺简单、成本较低、生泡能力强，不足稳定性较差。 （b）永久性泡沫 在稳定泡沫基液中加入高聚物，提高泡沫基液的粘度，增强了生成泡沫壁的强度 标准状态下泡沫密度可达到低于0.05g/cm3，因此可以防止泥浆漏失，避免固相颗粒和钻井液对煤层造成侵入性伤害；在负压情况下，降低对井底岩石的 压持效应，大幅度提高钻井速度。 良好的泡沫具有很高的粘度和稳定性，环空上返能保持稳定层流的运动趋势，井底返速达0.2-0.25m/s，既能有效携岩，又能减少对井壁的冲刷，从而减少井下复杂事故。,
