摘要：煤層氣儲層的特殊性對煤層氣鉆井時的儲層保護提出了更高的要求。用氣體鉆井方式開采煤層氣是一種有效的保
??????? 護儲層的手段，被國外油田廣泛采用。氣體鉆井方式的選擇必須考慮地層的適用性、應(yīng)用模式、后期完井方式以及經(jīng)濟性。通
??????? 過對國外煤層氣開發(fā)中氣體鉆井的應(yīng)用情況、煤層特點、氣體鉆井應(yīng)用于煤層氣的技術(shù)模式進行分析，結(jié)合我國煤層氣特點及
??????? 氣體鉆井技術(shù)現(xiàn)狀，探討了在我國煤層氣開發(fā)中開展氣體鉆井的可行性。
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??????? 關(guān)鍵詞：煤層氣；氣體鉆井；儲層保護
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??????? 煤層氣作為非常規(guī)天然氣，在國內(nèi)外掀起了新的勘探開發(fā)熱潮。在國外，美國已經(jīng)在第三代煤層氣區(qū)域進行了勘探開發(fā)(1)，2009 年美國煤層氣年產(chǎn)量已超過 600 億 m3，加拿大、澳大利亞等國家在2000 年后也加強了煤層氣開發(fā)技術(shù)的研究，進行了商業(yè)化開采，形成了快速發(fā)展的新興能源產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)中石油等企業(yè)先后在沁水盆地、鄂爾多斯東部、阜新等地區(qū)大規(guī)模采用了以地面鉆井開采煤層氣為主的開采模式，形成了年產(chǎn)能 25 億 m3煤層氣的能力。據(jù)國家有關(guān)部門規(guī)劃，2020 年我國煤層氣的年生產(chǎn)能力要達到 300 億 m3，發(fā)展前景極其廣闊。
??????? 煤層具有特殊的巖石性質(zhì)，使得煤層氣開發(fā)與 其他常規(guī)油氣田有很大的區(qū)別。首先含有煤層氣的煤巖具有非常強的毛細(xì)管效應(yīng)（亦稱水鎖效應(yīng)）、高壓力敏感性和滲透滯后現(xiàn)象，更易受到污染；同時煤層氣吸附在煤層中，煤層既是產(chǎn)氣層也是儲氣層，只有臨界解吸壓力小于地層壓力時，以吸附狀態(tài)賦存在煤巖中的煤層氣才能解吸，因此，對煤層氣鉆體鉆井是一種保護儲層的有效鉆井手段，已經(jīng)在國外的煤層氣鉆井中得到較為廣泛的應(yīng)用，并形成了針對不同煤層地質(zhì)特點的氣體鉆井模式。
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??????? 用氣體作為循環(huán)介質(zhì)鉆水平井不是常規(guī)作業(yè)方式,但是用氣體鉆有井自身的一些優(yōu)勢。氣體鉆井中常用的鉆井介質(zhì)為空氣。自1986年以來國外許多水平井都使用空氣成功鉆成。用空氣或泡沫鉆水平井能大大地提高機械鉆速,降低鉆時;能解決低壓儲層的井漏問題;并能有效降低鉆井液侵入造成的地層損害。但是氣體鉆水平井還存在一些問題,主要有:MWD系統(tǒng)不能在多種氣體鉆井條件下連續(xù)工作;氣體鉆水平井的井眼軌跡控制;井斜大于50°后井眼清潔將成為一個問題;由于鉆柱和井筒間的摩阻增大,水平井段的長度將減小;巖性和目標(biāo)層類型的選擇范圍變小。本文針對以上問題,介紹相關(guān)的新技術(shù)新方法,以期為技術(shù)服務(wù)人員提供開闊的思路和探索更有效的工藝措施。
??????? 氣體鉆水平井在國內(nèi)應(yīng)用不多,很多技術(shù)問題仍有待解決,而最關(guān)鍵的技術(shù)難點就是水平井段攜巖問題。目前國際上常用的斜井、水平井氣體鉆井參數(shù)計算和實際情況有很大差別,計算出的攜巖氣體需求量往往偏小,難以保證井下正常攜巖和凈化。在水平井筒內(nèi),水平段和造斜段的攜巖能量最低,巖屑濃度高,不能被帶走的巖屑很難回到井底被鉆頭重復(fù)破碎,容易造成巖屑堆積,形成鉆屑床,從而造成起下鉆遇阻、卡鉆等事故。對比相同條件下的直井和水平井環(huán)空攜巖,水平井應(yīng)適當(dāng)增大注氣量。目前國際上采用的通用計算方法都基于一維穩(wěn)態(tài)流方程,如使用修正后的Angel模型設(shè)計定向井和水平井鉆井的最優(yōu)注氣量。西南石油大學(xué)孟英峰等進行了水平井段的三維穩(wěn)態(tài)流動的計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬分析,研究發(fā)現(xiàn),鉆柱在井內(nèi)的位置和截面變化對流場和攜巖影響很大,通過計算得到以下結(jié)論:①水平井段鉆柱貼近下井壁,造成偏心環(huán)空,在重力作用下,大顆粒巖屑沉降,而細(xì)小粉塵則停留在上部空間。偏心環(huán)空上部空間流速高,而下部空間流速低,從而造成巖屑在下部堆積、成床。②這種偏心環(huán)空的上高下低的流速分布不均現(xiàn)象,井徑越大,越明顯,越不利于攜巖。③加大注氣量對
??????? 于提高偏心環(huán)空下部流道的攜巖有一定作用,但是效果較差;且井眼尺寸越大,增大氣量的效果越不明顯。④消除水平段偏心環(huán)空攜巖不暢的最有效辦法是抬升鉆桿,減少偏心度,最好能實現(xiàn)環(huán)空鉆桿居中的同心環(huán)空。
???????? 1　國外煤層氣井氣體鉆井的煤層特征近年來，煤層氣井鉆井技術(shù)越來越朝著保護煤層的方向發(fā)展，因為保護煤層不受損害對煤層氣今后的開采和提高采收率具有非常重要的作用。美國在煤層氣井的氣體鉆井技術(shù)利用方面進行了大量的實踐，并取得了顯著效果。美國西部的圣胡安盆地和東部的黑勇士盆地的煤層資源條件好，煤巖層構(gòu)造簡單，幾乎未遭受后期褶皺、斷裂構(gòu)造的破壞，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層的滲透率高。圣胡安盆地煤層高壓、高滲，煤種為次煙煤，煤層埋深一般 1000 m，厚度 10~30 m，煤層裂縫中的地層流體壓力較大，微裂縫的滲透能力強，煤巖滲透率可達（3~25）×10-3μm2；而黑勇士盆地則以水飽和煤層為代表，煤種為中煙煤，煤層埋深一般 600 m，厚度4~6.7 m，煤層微裂縫中含水量幾乎占滿了煤層裂隙等空間。據(jù)姜慶俊等人赴美考察報告顯示［2］，圣胡安和黑勇士盆地均在較大范圍內(nèi)采用了空氣鉆井。無論是下套管壓裂井還是裸眼造洞穴井，大都使用空氣鉆機利用空氣鉆穿目的煤層。鉆井完成后，利用空氣作為循環(huán)介質(zhì)將井筒清洗干凈。
??????? 在黑勇士盆地部分地區(qū)［3］，最初嘗試采用空氣鉆井打開煤層，但是由于這些地區(qū)地層出水段較多，最終放棄了使用空氣鉆井而采用清水鉆井液在煤層中鉆進。這種情況同樣在澳大利亞煤層氣鉆井施工中出現(xiàn)［4］。在圣胡安盆地北部地區(qū)［5］，雖然煤巖破碎，其地質(zhì)條件對空氣鉆井不利，但為了能成功地進行裸眼洞穴造穴完井，在煤質(zhì)易破碎地層仍然使用了空氣鉆井。在煤層中進行氣體鉆井，一般應(yīng)具備以下條件：（1）煤層含水量要小，而在目的煤層上部的裸露地層中也不能有大的含水量。（2）煤巖壓實程度高，井壁穩(wěn)定性好。一般來講，次煙煤和中煙煤為主的煤層段是進行空氣 / 氣體鉆井的合適層位。（3）若煤層段不太長，破碎性的煤層也能使用氣體鉆井。（4）在多煤層中，允許最底層煤層破碎率大一些，而其他煤層段需要達到一定壓實程度。（5）如果在水平井中進行空氣鉆井，則要求所鉆煤層體系中出水量和煤層壓實程度都要達到更高的要求。一般煤層埋藏越深其穩(wěn)定性越好?????
???????? 2.1　煤層氣直井氣體鉆井技術(shù)
??????? 2.1.1　全井段氣體鉆井　其施工特點與常規(guī)油氣井的氣體鉆井相同。氣體鉆井的主要優(yōu)點在于鉆井速度快，因此，只要地層出水量在氣體鉆井允許范圍內(nèi)就可以采用全過程氣體井。對于“允許出水量”的概念可以這樣理解：一是所出的水能被氣體及時帶出井筒，二是地層水不會造成井壁的濕潤垮塌，三是出水不會造成鉆屑的濕潤而形成鉆頭泥包，四是鉆井過程中鉆具短起下能一次到底。但是在數(shù)百米的全井段往往存在出水層，若在出水量較大的區(qū)域盲目實施空氣鉆井可能會發(fā)生井眼垮塌等復(fù)雜情況導(dǎo)致作業(yè)的失敗，而對于多層煤層還必須要綜合考慮整個井眼的井壁穩(wěn)定情況，所以全井段氣體鉆井具有一定的局限性。