煤层气完井方式优选技术研究毕业设计论.doc

重庆科技学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目 煤层气完井方式优选技术研究 院 （系） 石油与天然气工程学院 专业班级 石油工程应本 2008 级（钻井工程） 学生姓名 刘力铭 学号 2008540012 指导教师 王宗成/郭晓乐 职称 高级工程师/副教授 评阅教师 职称 2010 年 5 月 27 日 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300 字左右） 、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等） ，文科 类论文正文字数不少于 1.2 万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人 代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家 技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它 学生毕业设计（论文）原创性声明学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导 下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他 （她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结 论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院 或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志 对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日 重庆科技学院本科生毕业设计 摘要 I 摘要 煤层气是煤层伴生的气体，主要成分甲烷一般占 95%98%。我国乃至世界 煤层气的储量丰富，是一种潜在的巨大新兴能源。做好煤层气完井优选工作， 对于有效开发、利用煤层气，弥补我国石油、天然气供应的不足，降低温室气 体排放，减少环境污染以及预防矿难事故频发，具有重要意义。 本文首先通过对煤层这一特殊储层的地质的认识开始，总结分析了煤层特 殊性即双孔隙特低渗储层、抗张强度小、杨氏模量低、体积压缩系数大等特点 及不同的煤层气的完井方式对井底条件的要求（煤层厚度、是否出砂、埋深、 井壁稳定性、水文地质、底层压力、开采方式和投入产出比等） ，综合考虑各种 因素后选择裸眼完井、射孔完井、套管裸眼混合完井及煤层特有的洞穴完井 等完井方式作为最终研究对象进行了详细分析，并提出了煤层气完井方式优选 方法及流程；最后以XS-02井的套管射孔完井方式和山西寿阳区块的洞穴完井为 例进行了实例分析，提出了一些有益于工程实践的结论。 关键词： 煤层气 完井方法 洞穴完井 出砂 优选 重庆科技学院本科生毕业设计 ABSTRACT II ABSTRACT Coal-bed methane is formed in gas coal seam with coal, 95%98% of which is methane. The coal-bed methane reserve is a huge potential new energy which is abundant in home and abroad. The choice of a right CBM drilling and completion method is so important for the exploration and utilization of CBM. It makes up the insufficient supply of the petroleum and natural gas in our country. The utilization of CBM is so rich in significance for reduction of greenhouse gas emission and environmental pollution and coal mine accident rates. Coal-bed methane is formed in gas coal seam with coal, 95%98% of which is methane. The coal-bed methane reserve is a huge potential new energy which is abundant in home and abroad. The choice of a right CBM drilling and completion method is so important for the exploration and utilization of CBM. It makes up the insufficient supply of the petroleum and natural gas in our country. The utilization of CBM is so rich in significance for reduction of greenhouse gas emission and environmental pollution and coal mine accident rates. This paper introduces the special geological reservoir beginning with describing its particularity such as coal seam special double porosity of low permeability reservoir, small tensile strength, low Youngs modulus, big volume compression coefficient. Secondly, it shows different drilling method adopted in different bottom hole environment (such as coal seam thickness, sanding or not, buried depth, wellbore stability, hydrogeology, bottom pressure, mining method and the ratio between output and input). Based on an overall consideration of various factors with different geological conditions, this paper states a completion method which combinded with the open-hole completion, perforation completion, casing openhole completion and coal mixed unique cave completion. Keyword: Coal-bed methane; openholecompletion; casingopenhole completion; prefferd . 重庆科技学院本科生毕业设计 目录 I 目录 摘要I ABSTRACT.II 1 绪论1 1.1 选题的目的和意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 总结4 2 煤层气储集层特征5 2.1 煤层的结构特征5 2.2 煤层气藏区别于常规天然气藏的特征8 2.3 总结9 3 常用完井方法.10 3.1 煤层气完井要求.10 3.2 煤层气完井种类.11 3.3 总结 .25 4 煤层气完井方法优选.26 4.1 煤层气井完井类型分类.26 4.2 煤层气完井考虑因素.26 4.3 煤层气井具体完井方法优选.31 5 完井实例.33 5.1 XS-02 井完井实例 .33 5.2 山西寿阳区块洞穴完井实例.34 5.3 总结.34 6 结论.35 参考文献.36 致谢.37 重庆科技学院本科生毕业设计 1.绪论 1 1 绪论 1.1 选题的目的和意义 煤层气是煤层伴生天然状态的气体，主要以吸附状态储集于煤层中。主要 成分为甲烷，地面开采煤层气中甲烷体积含量一般占 95%98%，又称煤层甲烷， 井下抽放或采空区抽放中俗称瓦斯。煤层气是近一、二十年来崛起的优质洁净 新能源，开发利用程度日益加深。 煤层气是煤层中自生自储的一种非常规天然气，是一种巨大的新兴潜在能 源，据国际能源署的统计数据和新一轮全国煤层气资源评价结果，全球煤层气 资源量可能超过 2601012m，90%的煤层气资源分布在 12 个主要产煤国，其 中俄罗斯、加拿大、中国、美国和澳大利亚的煤层气资源量均超过 101012m。我国煤层气资源极为丰富，依据迄今为止最新的煤炭资源勘探成 果和煤层含气量实测资料，据测算，我国陆上烟煤和无烟煤中，在埋深在 300 到 2000 米范围内的煤层气资源量约为 36.81012m3,与天然气的资源量大致相 当。煤层气又是一种热值高的洁净能源，1 m煤层气燃烧热值相当于 1kg 燃油， 而煤层气燃烧所产生的污染，只有石油的 1/40，煤炭的 1/800。随着其它能源 的迅速消耗，煤层气资源的储量评估与开采成为了新的能源研究课题。 我国是煤炭工业大国，过去绝大部分煤层瓦斯随煤炭开采被排放到大气之 中，根据联合国调查报告，我国煤矿在开采过程中每年向大气排放甲烷总量大 约 194108m3,约占世界采煤排放甲烷总量的 1/3，这样不仅浪费资源而且恶化 人类的生存环境，美国环保局 1987 年关于煤层甲烷的排放对环境影响的研究 表明，煤层气（主要成分 CH4）直接排放到大气中，其温室效应约为 CO2的 21 倍，对臭氧层的破坏能力是 CO2的 17 倍，而且排放到大气中甲烷的同系物 NH3、H2S 和 SO2量相对于煤炭要少得多。煤层气作为一种危险气体，当其空气 浓度达到 5.5%至 16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸和瓦斯突出的根 源。根据国家安全监督管理总局事故信息统计，从 2005 年至 2010 年，6 年间 我国就发生死亡 10 人以上重大瓦斯爆炸事故 147 起，死亡 3315 人，仅 2009 年 就有 676 名煤矿工人发生矿难而死亡，并且近年来煤矿因瓦斯事故造成生命与 财产损失更为严重。因此，将煤层气资源产业化具有保证煤矿安全、保护生态 环境、合理利用资源、缓解能源压力、提高经济效益和社会效益的综合效能。 我国煤层气资源丰富，但部分生产井产量低、衰减快。除我国煤层气储层 构造复杂、储层渗透率低等客观条件外，排采强度不合理是影响煤层气产量的 一个决定性因素。作为低渗敏感储层，排采过程中煤储层同时受到有效应力效 应、基质收缩效应和克林肯伯格效应影响，其渗透率处于动态变化中，与此同 重庆科技学院本科生毕业设计 1.绪论 2 时，排采强度也需作相应的调整和优化。 煤层气作为一种新兴的能源已经在美国成功开发利用，它也将会成为中国 新的接替能源。煤层气的勘探开发对于我国国民经济的发展具有重要的战略意 义，它将改善我国的能源结构、促进我国以煤炭为主的能源系统逐渐向环境无 害的可持续发展模式转变，形成洁净能源新产业。同时，煤层气的开发还可以 从根本上防止煤矿瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件，减少煤层甲烷排放导致 的温室效应，对全球大气环境的保护具有十分积极的作用。 煤层气是以吸附状态赋存在煤层中。煤层既是生气源岩又是储集岩，为特 低孔特低渗的双孔隙储层，具有抗张强度小、杨氏模量低、体积压缩系数大的 特点。它的特殊储层性和岩石物理性质使其与常规油气储层具有显著的差异。 由于煤层的低渗性,欲从煤层气井中生产出工业性气流来,对煤层气井进行 合理的完井和增产措施是极其关键的一个环节,针对不同的地层地质条件,选择 不同的完井和改造措施。煤层气完井采用常规油气井完井的原理和技术，并针 对煤储层的特性加以改进的方法。常用的煤层气井完井方式有裸眼完井、套管 完井、洞穴完井和裸眼套管混合完井。由于煤层地质条件和储层特性各不相同， 煤层气开采方式在每一个煤田都有所不同，可以是直井也可以是水平井。为了 经济有效地获得煤层气井的最大产能，应该选择最优的工程技术方案，而其关 键就是确定地质参数的影响。国内外的现场作业实践和研究报告显示，对钻井 完井工程方案选择起重要作用的煤层参数主要为煤层埋藏深度、煤层厚度、煤 层渗透率、煤层含气量、煤阶、煤层数目及煤层间距、煤层倾角、煤层分布范 围以及煤层压力梯度等。完井方式的选择主要依据目标层的埋深、井壁稳定性、 水文地质、地层压力、开采方式和投入产出比等。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状 我国煤层气勘探开发起步较晚,但勘探开发工作发展迅速,目前对全国 30 个 含煤区钻探煤层气井 200 多口,进行开采试验,初步形成了一套煤层气勘探开发 技术,而且还在鄂尔多斯盆地东缘、晋城矿区、淮北矿区、铁法矿区等获得了工 业气流,在晋城地区探明了 700 108m3的地质储量。与美国相比,中国的煤层 渗透率通常在(0.0011.0)1013的范围,属于特低渗透;煤层孔隙压力 0.871.0MPa/100m,属低压。由于受煤层物性的限制,98%的煤层气井需要进行 大型水力压裂,所以裸眼完井应用较少,套管射孔完井是主要的完井方法。国内 98%的煤层气井采用套管射孔压裂完井,但压裂液选择不当则会造成煤孔隙的堵 塞。对中国的低压煤层气储层用泡沫压裂液就非常合适, 可以达到快速返排的 目的。根据国内沁水盆地南部主力煤层实施的泡沫压裂试验结果, 泡沫压裂效 重庆科技学院本科生毕业设计 1.绪论 3 果比较好,返排快,产气相对较高,但压裂成本高。 远东能源公司借鉴美国的洞穴完井技术在寿阳地区完成了 4 口井的造穴试 验，具体施工方法是造穴前先钻穿煤层，下套管完井，其中 15 号煤层井段下入 玻璃钢套管，完井后下磨鞋把玻璃纤维管磨掉，然后把煤层射穿再进行造穴。 主要设备采用美国 T685WS 型空气钻机；同时安装 2 台空气压缩机，风量为 25.530.3m3/min，压力 2.4MPa，其主要作用是用于往井筒中注入空气进行造 穴以及试压等作业；再安装增压机 1 台，其流量为 1.6m3/min，吸气压力 2.4MPa，额定排气压力 10MPa，其主要作用是在造穴中用于增加气体的压力。 在造穴施工中通过钻机的顶驱向井筒中注入空气，然后进行憋压和放喷作业， 共进行了五次注气、憋压和放喷循环作业，最高注入压力为 6MPa。从试验情况 看，经过洞穴完井工艺施工的 4 口煤层气生产井，在造穴前不产气，造穴后经 过后期排采，产能比先期套管射孔完井时高出 12 倍，取得了较为满意的效果。 1.2.2 国外研究现状 美国已钻煤层气井约 1 万多口, 1998 年底年产量已达 300108m3。其煤层 气钻井完井技术起步早、发展快、水平高。除综合运用了当代油气井钻井、完 井技术外,还根据煤储层特性、产出机理、经济评价等方面与常规天然气储层的 差异,在试验和应用的基础上,研究开发出了一整套适合煤层气开发的低成本快 速钻井和特殊完井技术,为经济有效地开发煤层气起到了积极的推动作用。美国 的煤层气开发者十分重视钻井完井过程中对煤层的保护。其开发井钻井 90%采 用空气泡沫钻井,以最大限度地降低对煤层伤害。美国煤层气地层最常用的钻 井方法是采用欠平衡钻井技术。美国为满足各种不同物性煤层经济有效开发的 需要,试验并应用了多种完井方法。其中效果最佳的是裸眼洞穴完井,这也是煤 层气井特有的完井方法。从圣胡安盆地已钻的 4000 多口煤层气井来看,有三分 之一是采用裸眼洞穴完井,这三分之一洞穴完井的井产气量占整个盆地产量的 76%。 美国运筹学专家 A.L.Saaty 教授于 20 世纪 70 年代提出的一种系统分析方 法层次分析法。这是一种种定性和定量分析相结合的多目标决策方法，一 般据不同的煤层参数，可以将煤层划分为不同的级别。例如根据渗透率，可以 将煤层划分为低渗透率煤层、中渗透率煤层或高渗透率煤层；根据埋深，可将 煤层划分为浅煤层、深煤层、超深煤层；根据煤层数目可将煤层划分为多数目 煤层和单煤层，而多数目煤层则又产生了煤层间距等。明确各种地质参数情况 下的煤层分级，有助于快速有效地对钻完井方式进行判断选择。因此需要建立 基于物性参数和几何参数的煤层评价标准。根据各种参数所占的权重，来选择 重庆科技学院本科生毕业设计 1.绪论 4 适应于各地质条件下的钻完井方式。 斯伦贝谢公司推出了新的煤层气固井系统LiteCRETE CBM 系统,该系 统可以成功地封固煤层气井。LiteCRETE CBM 是一种新的轻型高性能固井系统, 通过使用更有效的防漏失添加剂,避免固井期间固井液向煤层裂缝的漏失,使固 井成功率从 40%提高到 75%。这种固井方法不仅改善了井眼规则性,而且可以节 省两步固井方法的附加费用。LiteCRETE CBM 对煤层施加的压力低,避免了煤层 破裂。因固井水泥含有特殊的纤维,能桥堵裂缝并防止水泥浆漏失,因此还避免 了水泥流入裂缝后和裂隙。 1.2.3 研究内容及方法 由于煤储层因渗透性低所以必须经过强化才有可能实现工业生产能力以及 需要排水降压使气体解吸才能得以开采。因此，满足强化之需要和满足排水降 压之需要就成为了煤层气井完井的主要特点。为此, 我们分析了各种完井方法 的使用条件并结合我国煤层气勘查区具体地质条件通过研究煤层气完井的选择 方法、试验研究了不同入口方式对强化作业的影响, 以及合理有效的完井效果 评价方法，去合理的优选适合此区块的完井方法。 1.3 总结 煤层气作为一个未来将大力发展的新能源，具有广阔的发展前景。煤层气 完井作为煤层气开采的重要组成部分将会越来越被重视，如何选择完井方式使 其利于前期钻井和后期压裂将作为一个长期的重点来研究和实践，由此可见煤 层气完井优选的必要性和重要性。 重庆科技学院本科生毕业设计 2.煤层气储集层特征 5 2 煤层气储集层特征 2.1 煤层的结构特征 煤岩具有明显的物质成分非均质性、物理力学性质的各向异性以及构造的 不连续性。在同一煤层中，在垂直方向上很小的范围内，如几十厘米甚至几厘 米，可能有几种煤岩类型，各种煤岩类型的物质成分不尽相同，即便在同一水 平方向上，也存在这种组成成分的差异，而在不同的煤层这种差异更加明显， 这充分体现了煤岩的非均质性。煤岩在其漫长的生成过程中形成了明显的层状 构造和孔隙结构，这些复杂、众多、变化繁复的结构的存在造成了煤岩物理力 学的各向异性。 煤岩具有双重裂隙系统：裂缝体系和孔隙体系，前者是煤层气重要的渗透 流通通道，后者是煤层气主要的储集场所。 2.1.1 煤岩的裂缝体系 煤岩拥有大小不一、类型多样、数量众多、表面积庞大的裂缝孔隙系统。 煤岩的裂缝体系可以分为两种类型：割理与节理。 2.1.1.1 割理 煤在煤化过程中，生成的水分和挥发性气体逐渐排出，引起煤岩基质收缩， 从而形成一个或一组割理，因此割理又称为内生裂缝。割理包括“面割理”和 “端割理”两种。 这两种割理近于垂直发育，可以相交也可以不相交。 重庆科技学院本科生毕业设计 2.煤层气储集层特征 6 图 2.1 煤岩的割理系统示意图 其中面割理是主要的，其发育沿平行于最大压应力方向，延伸范围远，而 端割理只从一个面割理延伸到另一个面割理。面割理对于煤岩的渗透率非常重 要，是煤岩渗透率的主要贡献部分，与面割理相交的端割理也起到了提高煤岩 渗透率的重要作用。面割理与端割理的存在形式如图 2.1 所示。 2.1.1.2 节理 沿不同方向的构造地质裂缝发生破裂，并构成一定的几何形态，称为节理。 煤岩形成以后，若受到构造应力的作用就会形成新的裂缝，因此，节理又称为 外生裂缝，或构造地质裂缝。节理对煤层气生产同样非常重要，通过以下两个 机理提高煤的渗透率：其自身就是煤层气渗出的通道；连接以前并不连通 的割理系统，使煤岩的裂缝体系形成更大的网络。 割理与节理的存在方式如图 2.2 所示，它们共同构成了煤岩的裂隙体系， 为煤层气提供了重要的运移通道。 图 2.2 煤岩割理与节理示意图 2.1.2 煤岩的孔隙体系 煤岩发育有基质孔隙，吴根据孔隙大小把煤的基质孔隙分为三大类：大孔 50nm，中孔 502nm，微孔2nm，煤的基质孔隙以微孔为主，煤化程度越深 煤阶越高，则微孔隙的含量越多。由于煤岩中存在数量众多的微孔，虽然直径 很小，但内表面积很大，的研究表明，一克煤的孔隙内表面积最高可达 400m3， 煤层气就在这充足的内表面积上以范德华力吸附其上，而这种吸附符合 Langmuir 单分子层吸附理论。甲烷分子堆积十分紧密，拥有庞大内表面积的煤 岩孔隙体系可储存大量的煤层气，所以煤岩的孔隙体系是煤层气重要的储集场 所。 压汞法毛细管压力曲线可以反映样品中不同孔喉直径下所对应的孔隙体积 分布持征。图为煤的典型样品的压汞毛细管分布曲线。Ql、Qg 煤的特点是在 0.1MPa 之前约有 50%80%的孔隙进汞，之后到 20MPa 左右为过渡段，接着又有 重庆科技学院本科生毕业设计 2.煤层气储集层特征 7 第二个高潮，反映了煤的双重孔隙待征。低压(O1.47MPa)进汞反映的是割理 及大孔发育过程，大孔占绝大多数，而中孔(相应 1.4714.7MPa)所占份额很 少。小孔(相应 14.7147MPa)比例有上升趋势，微孔(147MPa 以上)比例又有所 降低。 图 2.3 毛孔压力 2.1.3 煤层的裂隙特征 煤中有两组大致相互垂直的内生裂隙(割理),主内生裂隙(面割理)和次内生 裂隙(端割理)。主内生裂隙延伸较远(可达数 m)；次内生裂隙仅发育在两条相 邻的内生裂隙之间。两组内生裂隙与煤层层面垂直或陡角相交，从而把煤体切 割成一系列的斜方形基质块。面割理与煤岩组分和煤化程度密切相关，一般只 发育在镜煤和亮煤分层中。中变质阶段的煤内生裂隙最发育，每 5cm 达 4060 条,而低变质烟煤和高变质无烟煤阶段逐渐减少。 煤基质对气和水是相对不渗透的，而煤层中的裂隙系统则是流体渗流和产 出的主要通道，煤层的渗透率主要受煤层裂隙控制，割理是煤层中的主要裂隙 系统，是决定煤层渗透率的关键地质因素之一，在有足够气体储量、储层压力 及气体解吸和扩散速度情况下，割理渗透率往往是影响煤层气开发成败的关键 地质因素。因此，研究和认识割理特征对成功地进行煤层气勘探开发是非常重 要的。 2.1.4 煤层的渗透性 我国煤层的渗透率极低，一般小于一个毫达西。煤层渗透率随着储层压力 的变大而变小；随着储层压力的下降，煤层中裂缝变窄，但是随着煤层气的解 重庆科技学院本科生毕业设计 2.煤层气储集层特征 8 吸和采出，煤基质块收缩，相应的裂缝变宽。影响煤层渗透率的因素有煤的变 质程度、煤岩组分和煤的灰分。随着煤的变质程度的增大，煤层的渗透率是降 低的；随着煤中惰质组含量降低、灰分升高，煤层渗透率降低，反之升高。各 向煤层的渗透率差别很大，这是因为煤层渗透率主要是受裂缝孔隙控制。在裂 缝发育较好的方向，煤层通常具有较好的渗透性，因此水平方向的渗透率要比 垂直方向的渗透率高出很多。 图 2.4 煤层割理 2.2 煤层气藏区别于常规天然气藏的特征 煤层气与常规天然气作为两种不同的天然气藏，其储层特征、储集机理、 赋 存状态明显不同。常规天然气藏原始储集层被水饱和，生气层中的气经初次运 移进入储集层中，在浮力及水动力作用下，天然气在储集层中发生二次运移， 遇到圈闭时便聚集形成气藏。可见，常规天然气藏必须具备生气层、储层、圈 闭，储层必须有一定的孔隙度，气体主要以游离态存在于孔隙中，且气体成分 较复杂。 而煤层气则是由煤在煤化作用过程形成的，目前仍然储集在煤层中的天然 气，以三种形式储存于煤层中，即吸附在煤孔隙表面上的吸附状态、分布在煤 孔隙及裂隙内的游离状态和溶解在煤层水中的溶解状态。当煤层生成的气体超 过煤岩表面临界吸附量时，气体中的一小部分可能成为煤层孔隙或裂隙(割理) 中以及薄岩石夹层中的游离气，或溶解在水中的溶解气。通常情况下，90%以上 的气体以吸附气的形式保存在煤的内表面，游离气和溶解气不足 10%。由于煤 层的比表面积极大，甲烷吸附在基质孔隙的内表面,且堆积紧密,因而煤层比常 规砂岩具更大的储集能力。因此，煤层气属于煤层自生自储气藏，无须圈闭， 重庆科技学院本科生毕业设计 2.煤层气储集层特征 9 主要以吸附状态存在于煤层微孔隙中，成分主要为甲烷。同时，煤储层是一种 具有双重孔隙系统的储集层，既发育有天然裂缝系统，也发育有基质孔隙。基 质孔隙直径小，但数量多，具有很大的孔隙内表面积，从而为甲烷分子的吸附 储集提供充足的空间。通常研究的煤层气主要是指以物理方式吸附在煤层基质 表面上的煤层甲烷。 煤层气的吸附属于物理现象，是 100%的可逆过程。而一般天然气储层中的 气主要储集在骨架颗粒间的孔隙空间内，因此传统评价天然气储层含气量的方 法显然不能适合于评估煤层的含气量。 表 2.1 常规天然气与煤层气储集特征比较 特征 气藏类型煤层气常规天然气 岩石中的最终孔隙度 除低煤阶煤储层以外，普遍 5 为不均匀砂； c10 为很不均匀砂 如果地层出砂，对粗砂地层，可用割缝衬管完井；对中、细砂粒的地层， 可用绕丝筛管完井；而对细砂和粉砂地层，可用井下砾石充填完井、预充填砾 石筛管完井及金屚纤维防砂笛管完井、多冲金粉末防砂筛管完井、多层充填 井下滤砂器完井等。 4.2.8 洞穴完井施工影响因素 进行洞穴完井的煤层气井应较好的储层条件。要求含气量较大且具有相对 较高的渗透率渗透率一般要在 1020mD；上下顶板分割性良好，最好是泥岩； 煤层厚一般要求在 6m 以上为块煤且稳定无夹层；且区块具有相对稳定的地层。 重庆科技学院本科生毕业设计 4 煤层气完井方法优选 31 高渗透率成为洞穴工艺的首要条件。其原因如下： 1、高渗代表空气注入的通道宽而远，空气弹性能量的作用范围、力度会充 分的发挥。 2、高渗透率造成在单位长度的距离内压力梯度小，使煤层的剥离、垮塌的 程度变小。 3、煤层渗透性主要受控于煤层本身割理裂隙发育情况，通过造穴可形成煤 层与人工井底的有效联通，煤层中水和气靠煤层自身的渗透性，便能够顺利产 出。 其次由于超压与游离气的存在，可以在注气、激动作业同期完成后， 通过 关井形成游离气的快速压力恢复，然后放压释放从而可以起到注气工艺的作用 力度。另外，煤层本身压力较高，能够有足够的能量使水、气产出。然后足够 的煤厚减少了裂缝产生的边界阻碍因素。煤层厚度大，能够保证在不破坏煤层 顶底板的前提下，通过外力形成一个满足条件的洞穴井底，同时厚度大，也能 够形成更大的渗流面积。当然，要发挥气体的弹性能量，煤层的含气量和含气 饱和度也是非常重要的因素。在同样的注气压力下，高孔隙度可以保证有更大 更远的气体充满度。 如果煤田的煤层顶板为油页岩，其厚度较大，则遇水极易水化垮塌。煤层 顶底板和煤层内凝灰质成份含量较高，会造成岩层抗水化能力极弱。而且洞穴 完井工艺中包括有加水的工序， 非常容易造成顶板和煤层大规模垮塌，最终造 成冲孔非常困难，工程进展受到极大影响。 4.3 煤层气井具体完井方法优选 完井方法的选择其基本思想是：依据地质条件， 首先，确定强化方式(压 裂强化或洞穴强化)。其次，选择入口方式(如裸眼、射孔、或割缝) 进而选择 强化工艺(如清水压裂、凝胶压裂或动力造穴) 和井眼结构(如裸眼、筛管或套 管)。根据不同区块特定的地质条件，建立了具体的完井方法选择流程。该流程 图说明了： 对于一勘查新区为获取各项地质、工程资料和保证工程安全作业。 一般应 选择安全性最大、施工最便利的完井方法套管射孔完井；在有一定数量 (23 口)井之后，收集与分析与完井有关的各项地质、工程资料。选择合理的 强化方式(压裂强化或洞穴强化)；当选择洞穴强化时，可根据产层压力的大小， 进一步确定洞穴强化工艺(动力造穴或自然造穴)；当选择压裂强化时，依据储 层层数和地质条件，进一步确定完井方式(裸眼完井或套管完井)；当选择套管 完井时，可依据最初几口井的压裂作业压力情况，进一步确定入口方式(套管射 孔或套管割缝) 。 重庆科技学院本科生毕业设计 4 煤层气完井方法优选 32 4.4 总结 图 4.5 煤层气完井方法流程图 合理的优选煤层气完井方式至关重要，尤其是满足井底对防砂和渗透性的 需求。 重庆科技学院本科生毕业设计 5 完井实例 33 5 煤层气完井实例 5.1 XS-02 井完井实例 由于煤层的低渗性，想要从煤层气井中生产出工业性气流来，对煤层气井 进行合理的完井和增产措施是非常关键的一个环节。针对不同的地层地质条件， 选择不同的完井和改造措施是合理完井的关键所在。XS-02井是国家“九五”科 技攻关项目“新集浅层煤层气示范开发及配套技术研究”的第一口生产试 验井。该井的3个生产煤层段均采用了套管射孔完井和水力加砂压裂的增产措施。 XS -02井完钻于1998年11月,采用套管完井。本次压裂目标层是: 1#煤、5# +6# 煤和各自的底板砂岩以及8#煤。3个煤层的地层参数及施工参数如下表所示。 表 5.1 目标层地层参数和施工参数 目标 层 射孔井 段 1#煤 5#底砂 岩 5#煤6#底砂岩6#煤6#煤 埋深/m 779.95 784.90 785.80 790.20 683.5 687.80 681.60 682.7 669.80 679.35 668.80 669.80 617.40 620.85 渗透率 /mD 0.057 0.08 62 0.33 8 表皮系 数 4.78 底层压 力/MPa 7.577.367.34 压力梯 /KPam 9.6510.010.0 底层温 度/ 3937.7835.1 闭合压 力/MPa 13.313.113.98 厚度/m 4.954.404.31.19.551.03.45 射孔数 827096181531655 砂量 m3 353018 压裂液 1%KclHPG1%Kcl XS-02 井的 3 个目标层 8#、5#+6#、1#上下层均为砂岩而非泥岩，煤岩稳定 性差, 特别是 6#煤上部为粉煤、在钻井过程中 8#煤曾出现过坍塌现象所以必须 保证稳定性，所以使用套管完井是正确的；1# 煤上部和下部均有 12 m 多的 构造煤,煤层较薄，由于有多层最好采用裸眼完井；8#和 1#煤渗透率分别为 0.28、0.057mD，渗透率低，应用射孔完井。考虑综上分析且是该区块的第一口 重庆科技学院本科生毕业设计 5 完井实例 34 井， 因此 XS-02 井采用了套管射孔完井。这样就有效地封隔和支撑了疏松易 塌的煤层又能提高采收率。 表5.2 XS-02 井压裂设计所用的物性参数 层段孔隙度/%杨氏模量/MPa泊松比最小主应力/MPa 1#煤层顶板 99250.1914.9 1#煤 32000.3616.0 1#煤层底板 1 94310.1918.8 5#+6#顶板 222200.1816.5 5#+6#层段 167500.299.9 5#+6#底板 1 167050.2915.3 8#煤顶板 222200.1815.5 8#煤 32000.369.9 8#煤底板 5 222200.1816.5 5.2 山西寿阳区块完井实例 寿阳地区位于沁水盆地东北缘，主要含煤地层为山西组和太原组，3#、15# 煤层为主要目标层。3#煤厚度 1.23.8m 较薄，15#煤厚度 34m 较厚；煤层一 般埋深较浅在 500600m。造穴煤层为 15#煤，以无烟煤号为主，硬度大、块 状，煤体结构以原生结构为主，15#煤层顶底板以泥岩、砂质泥岩为主，泥质胶 结，致密，封闭性好，且煤层厚度较高，满足洞穴完井的地质要求。根据该区 以往的煤田地质勘探资料，施工区煤层气含量(可燃基)很高，一般在 1020m3/t；实测 15#煤层渗透率在 1mD 以上。远东能源公司借鉴美国的洞穴完 井技术在寿阳地区完成了 4 口井的造穴改造试验， 经过施工的 4 口煤层气生 产井，在造穴前不产气，造穴后经过后期排采，产能比先期套管射孔完井时高 出 12 倍，取得了较为满意的效果。分析其成功的原因，主要是该区煤层厚度 较大，含气量较高，具有较好的渗透率。另外，由于完井深度较浅，设备具有 的注气压力超过了煤层破裂压力，使煤层发生张性和剪切破裂后能够形成更大 范围的破碎带，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，进而提高了采收率。 5.3 总结 由上面 XS-02 井的分析可以得出根据煤层气完井流程图选择完井方式是可 行的；对于含有构造煤的地层应采用套管射孔完井方式；对于构造煤应当重点 考虑顶底板煤层数据以防煤层垮塌影响完井效果。在寿阳区块空气造穴完井实 例中我们发现空气造穴工艺比较复杂，技术要求高，操作难，高风险，且对储 层要求很高，国内的施工工艺有待进一步完善。产生洞穴时候，煤层坍塌会产 生了大量煤粉，为了防止煤层随压裂液进入煤层裂缝应及时洗井，后期排采时， 也应做好相应的处理如修井等。 重庆科技学院本科生毕业设计 6 结论 35 6 结论 煤层气是主要成分为甲烷在煤层中自生自储的一种非常规天然气。我国煤 层气资源极为丰富，与天然气的资源量大致相当。由于煤层气是以吸附状态赋 存在煤层中，煤层既是生气源岩又是储集岩，欲从煤层气井中生产出工业性气 流来, 对煤层气井进行合理的完井和增产措施是极其关键的一个环节。煤层气 井常用完井方式包括：裸眼完井、套管完井；套管裸眼混合完井、及煤层特 有的洞穴完井等。 煤层气完井必须满足以下几点要求： 1、煤层和井筒之间应保持最佳的连通条件，煤层所受的损害最小。 2、煤层和井筒之间应具有尽可能大的渗流面积，煤层气入井的阻力最小。 3、应能有效地封隔气、水层，防止气窜或水窜，防止层间的相互干扰。 4、应能有效地控制油层出砂，防止井壁垮塌，确保油井长期生产。 5、应具备进行分层注水、注气、分层压裂、酸化等分层处理措施，便于人 工举升和井下作业等条件。 6、能达到热采（主要蒸汽吞吐和蒸汽驱）的要求。 7、煤层气井开发后期具备侧钻定向井及水平井的条件。 8、施工工艺尽可能简便，成本尽可能低。 考虑煤层特殊的低渗、低抗张、低杨氏模量后结合后期开采需注意的煤层 在地层压裂、酸化、气顶（底）水控制、