第三节-煤层气建井工程的主要研究内容1115.doc

三、煤层气建井工程的主要研究内容（钻井、固井、完井）在石油天然气建井工程基础上发展起来的煤层气建井工程，与之既有相同之处，又有不同点，尽管前者技术已经相当成熟，但其许多技术在煤层气建井过程中的应用还有待进一步验证，正是这种特点，煤层气建井工程有其特殊的研究内容：（1）研究含煤地层的岩性组合、岩石的物理力学性质以及地层可钻性问题含煤地层是一个含可采煤层的岩石地层单位,又称含煤岩系。中国的含煤地层,主要指泥盆纪至第三纪地史阶段中所形成的一些含可采煤层的岩系。除含煤地层外,中泥盆世以前还有含石煤地层;第四纪还有含泥炭地层，含煤地层主要由沉积岩组成。岩石的物理性质有容重、含水量、坚固性、弹性、塑性、韧性、碎涨性、流变性、孔隙度、密度，容重 、渗透性、声波速度（在岩石中的传播速度)等等。岩石力学性质包括非限制压缩强度、点荷载强度、三轴压缩强度、拉伸强度、剪切强度、全应力应变曲线及破坏后强度等。可钻性是指地层、岩石被钻头破碎（钻进）的难易性。地层岩石容易被钻头破碎，钻进时机械钻速就高，我们通常就说地层的可钻性好，反之，我们就说地层的可钻性差。可钻性反映地层岩石在井底抵抗钻头破碎的“能力”。（2）钻井设备、工具优选问题石油钻机用于煤层气钻井显得过于奢华，有“大马拉小车”之嫌，但小型石油钻机用于煤层气钻井，也有其显著优势，比如利于环保等。目前国内用于煤层气开发的钻机主要是进口的车载液压钻机、国产3 000 m 之内的石油钻机、水源钻机和煤田钻机等。通过对近几年煤层气施工的钻机情况调研,从钻深能力看,完全能够覆盖煤层气勘探开发和煤矿瓦斯地面抽采对钻深的要求,但存在的主要问题有:a) 国产的水源钻机和煤田钻机由于钻台面太低无法安装防喷器和固控设备,不能达到安全环保的要求;石油钻机能够满足安装防喷器的要求,但使用成本太高,搬迁安装时间长,对路面和井场要求高,不能满足煤层气勘探开发对低成本高效率的要求。b) 国外液压车载钻机在施工方面能够满足高效、环保的要求,但也存在一次性投资太高,生产成本高,备件等待时间长、费用高等问题。车载液压钻机几乎将能利用的空间全部应用起来,将液压装置、空压机、绞车、泥浆泵、增压泵等设备全都安装在车上,表面看来是搬迁非常方便,但在使用时存在不便于维护保养和在施工的过程中的热量不容易散发,给现场的使用维护带来了很多的问题;另外煤层气施工多在丘陵地带,路面较狭窄和路桥的承载能力较差,而进口车载液压钻机及车的自重较大,这就使进口车载液压钻机快速搬迁安的特点得不到发挥,甚至影响正常的施工进度。目前适用于煤层气钻井的钻机都不同程度地存在一些问题,必然影响我国煤层气勘探开发快速发展。根据对煤层气钻机的调研和查阅大量的煤层气勘探方面的资料,就国产煤层气专用钻机提出如下几点配套建议：a) 实现高效低成本钻井和多种施工工艺的需求。我国煤层气具有“三低”特点,致使地面抽采经济效益较差、投资费用较高、见效周期长。因此,钻机与配套设备应符合低成本、高效率、国产化的要求;为满足煤层气钻井深度浅、快速搬迁安、施工周期短的要求(一般1 000 m 井的钻井周期约一个星期) ,建议煤层气钻机采用车载式,相应的配套设备也应为撬装式或车载式,按照标准形式留有多个接口,根据不同井的施工工艺要求配套相关的辅助设备(钻井液钻井、空气钻井设备,洞穴完井、绳索取芯工具等) ,达到快速配套、快速安装、多种施工工艺能力组合,实现探井、生产井以及丛式井和水平井的钻井需要。b) 钻机钻进深度的要求。根据国内5大区块煤层气勘察的实际情况,煤层的深度一般为:直井完井深度300 1 500 m , 水平井完井深度1 5002 500 m ,为满足钻井深度的需要,煤层气钻机的钻进深度应为2 0003 000 m。从煤层气钻探费用与开采的经济效益考虑,煤层气水平分支井的钻探费用较高,而直井的费用要低得多,考虑勘探开发的经济实用性,因此目前煤层气在勘探开发时一般还是以直井为主,建议煤层气主力钻机以2 000 m钻深为主,以后根据施工要求再生产钻深在3 000 m左右的钻机。c) 钻机系统性能的要求。国外先进的钻机一般采用全液压控制装置,自动化程度高,大大地降低了工人的劳动强度,为了国产煤层气钻机能够满足不同地层和不同施工条件的钻进需要和降低工人劳动强度的要求,建议国产钻机应具备多功能驱动系统和多功能保护组合的要求,包括转盘驱动、顶部驱动、钻头加压、扭矩保护、顶驱锁紧装置等功能。另外煤层气钻机还需要能够满足煤层气钻进时使用冲旋钻井技术(空气冲击器、液压冲击器) 和LWD 工具等特殊设备施工的需要,以适应钻水平井、羽状分支井、U 形井、连通井等特殊施工工艺发展的需要。d) 钻机传动系的要求。为将先进成熟的技术用到煤层气钻机上面,以符合对煤层气钻机多功能多用途和HSE 的需求,采用全液压传动及控制装置或采用变频技术,满足安全、快捷、环保、劳强度低的要求。e) 钻机井控装备安装的要求。为确保钻进过程中安全生产的需要,要求煤层气钻机能够安装简易的井控装备,满足对钻探过程中防止煤层气溢出的要求,同时要求钻台的高度能够实现空气钻井(防喷器、防爆报警装置) 和洞穴完井(防喷器、导流器、防尘设备等) 时安装相关设备的要求。另外，直井是煤层气井的主要开采方式,而直井压裂技术是国内外煤层气井增产的主要手段。由于煤层气井的开采机理与油气井不同,因而决定了其压裂技术及设备的不同。煤层气压裂施工的特点为:在相同区块井位分布密集,不常进行远距离移运;道路状况较油田道路更差,同一区块连续作业几天,井位相距几百米； 施工要求为低压大排量(施工压力2030 MPa 、排量68 m3 / min) ;；采用清水加砂工艺,砂泵及管汇系统易损坏； 使用油田压裂设备进行施工作业,存在设备多、费用高的问题。a) 采用车载压裂机组,混砂车和管汇车采用橇装,使之具有快速移运性能。b) 选用2000 或2500 系列压裂设备和增大柱塞直径,满足大排量、低压力的要求。c) 针对工艺要求设计管汇系统。王军, 解庆, 刘金荣. 煤层气勘探开发设备配套方案建议J. 石油矿场机械, 2010, 39(3): 79-82（3）煤层气井井身结构井身结构是指由直径、深度和作用各不相同，且均注水泥封固环形空间而形成的轴心线重合的一组套管与水泥环的组合。 a）井身结构的组成及作用井身结构主要由导管、表层套管、技术套管、油层套管和各层套管外的水泥环等组成。1.导管：井身结构中下入的第一层套管叫导管。其作用是保持井口附近的地表层。2.表层套管：井身结构中第二层套管叫表层套管，一般为几十至几百米。下入后，用水泥浆固井返至地面。其作用是封隔上部不稳定的松软地层和水层。 3.技术套管：表层套管与油层套管之间的套管叫技术套管。是钻井中途遇到高压油气水层、漏失层和坍塌层等复杂地层时为钻至目的地层而下的套管，其层次由复杂层的多少而定。作用是封隔难以控制的复杂地层，保持钻井工作顺利进行。4.煤层套管：井身结构中最内的一层套管叫煤层套管。煤层套管的下入深度取决于煤层气井的完钻深度和完井方法。一般要求固井水泥返至最上部煤层顶部100150米。其作用封隔油气水层，建立一条供长期开采煤层气的通道。5.水泥返高：是指固井时，水泥浆沿套管与井壁之间和环形空间上返面到转盘平面之间的距离。（4）煤层气井钻进参数钻进参数主要是指是指钻进过程中可控制的参数，主要包括钻压、转速、钻井液性能、泵量、泵压、泵率及其他水力参