西山煤层气钻井技术

王森

摘要：以西山一口煤层气井的施工为例，着重介绍了煤层气井的特点，对煤层气钻井工艺技术进行初步探讨，以期为钻井施工提供有益参考。

关键词：煤层气井；钻井工艺技术；取芯；地质

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2014）08017402

自上世纪50年代以来，国外煤层气的钻井技术有了长足的进步，到1993年度，美国共施工约6500口煤层气井，煤气产量接近天然气产量的5%，已形成煤层气产业化。近几年，我国不但加强了与国外公司的合作，煤层气钻井技术得到了发展，而且目前我国各大油田以及煤炭工业部都开始涉及煤层气领域，使得煤层气各方面的发展特别是煤层气钻井方面取得了长足的进步，初步探索出一套煤层气井的钻井技术。

1煤层气的特点

通常说的煤层气就是煤层中的甲烷气，主要以吸附态存在于煤层中，它的产生机理是降压、解析、扩散、渗透的过程，煤层具有双重孔隙结构，其机械物理性质不同于常规砂岩，它埋藏深度浅、压力低、且疏松易压缩、内生裂隙发育等因素，构成煤层气特有的特点，具体表现为：

（1）煤的机械强度低，杨氏模量小，一般在1135-4602MPa，泊松比一般在0.18-0.42MPa，平均0.33；抗压强度19.5-119MPa，大部分40-60MPa；抗张强度11MPa；孔隙压缩系数0.12-0.96，煤比岩石易压缩，当煤层被破碎后，煤层难以支撑上覆地层的压力，易于塌垮，钻开后的煤层，浸泡时间越长，煤层垮塌更厉害。

（2）煤层孔隙和割理发育，煤的孔隙体积一般占总体积的60%，割理也相当发育，钻开后滤失量大，易吸水垮塌产生漏失，造成孔隙堵塞。

（3）煤层压力系数变化大，规律差，同一口井不同的煤层压力系数不一样，时常出现上高下低。

（4）煤液呈酸性，孔隙发育，要求钻井液的PH值不大于7.5，否则，酸碱中和产生金属盐，堵塞煤层气通道，影响煤层气田的早日发现。

2煤层气钻井技术关键

煤层气的特点，决定了煤层气井的钻井技术关键有以下几点：

（1）选择合理的钻具组合，优选钻井参数，确保井深质量。

（2）使用清水和水气混合钻井液，重点防垮以及井垮造成的复杂情况。

（3）建立合理的井深结构，加快钻井速度，减少煤层浸泡时间。

（4）煤层取芯与油气井常规取芯不同，煤心难以形成芯柱，特别是清水取煤粉，要求取芯完到煤心装罐前后不超过15Min，这就要求采用绳索式取芯工具。

3现场实施情况

3.1施工简况与基本数据

TSF-208井位于古交市邢家庄乡，为西山煤层气地面预抽项目的一口取芯井。设计2#、8#、9#煤层采取煤层瓦斯样，煤层顶板、底板取芯各个不少于2.00m，煤层上、中、下各取一个瓦斯解析样进行煤层瓦斯解析。其目的在于开发、利用2#、8#、9#煤层的煤层气，降低煤层瓦斯含量，获得相应的储层资料。

2013年8月5日一开钻进，钻头规格Φ311.15㎜三牙轮，8月10日下入Φ244.5㎜表层套管，经48小时固井候凝后下入Φ215.90㎜三牙轮钻头进行二开钻进，9月12日达到设计目的后完钻，完钻井深为1065.00米。

3.2地质概况

（1）地层。

本区地表出露地层除第四系以外，也可见二叠系上统上石盒子组地层。

本井揭露的地层，依次为第四系、二叠系上统上石盒子组；二叠系下统下石盒子组、山西组；石炭系上统太原组。

（2）构造。

太原古交煤层气地面抽采区块区域构造位于太原西山向斜。太原西山向斜为一轴向近于南北、两翼不对称（西翼陡、东翼缓），轴部偏西、向南倾覆的梨形向斜。太原西山向斜内发育有次一级褶皱。主要有狮子河——马兰向斜、陈台——水峪贯向斜、东北向斜和石千峰向斜。

（3）简易水文地质情况。本井在钻进过程中，严格按照《钻井作业规程》及有关要求进行施工。全井共观测水位28次，水位变化随地层情况而有所不同。钻井液消耗量共观测556次，全井井段消耗量正常，一般为0.15～0.30m3/h，完钻起钻后井内水位45.00米，后灌注泥浆至井口，消耗量较正常。

3.3煤层、煤质与煤层瓦斯概况

（1）煤层。

本区主要含煤地层为石炭系上统太原组﹙C3t﹚和二叠系下统山西组（P1s）。揭露煤系地层总厚度为157.05m，共见可采煤层6层，分别为2#、4#、6#、7#、8#和9#煤，其中2#煤厚1.88m，8#煤3.36m，9#煤3.39m。

2#煤层，山西组﹙P1S﹚中上部，煤层位置为917.51米至919.39米，煤层呈黑色，金刚光泽，具贝壳状或阶梯状断口，节理裂隙较发育。煤岩组成以亮煤为主、暗煤次之，煤岩类型属半亮煤型煤。

8#煤层，太原组﹙C3t﹚中部，煤层位置为999.58米至1002.94米，煤层呈黑色，金刚光泽，具贝壳状或阶梯状断口，节理裂隙较发育。煤岩组成以亮煤为主、暗煤次之，煤岩类型属半亮煤型煤。

9#煤层，太原组﹙C3t﹚中部，煤层位置为1011.67米至1015.06米，煤层呈黑色，金刚光泽，具贝壳状或阶梯状断口，节理裂隙较发育。煤岩组成以亮煤为主、暗煤次之，煤岩类型属半亮型煤。

（2）煤层瓦斯概况。

本次钻井在钻遇2#、8#、9#煤层的过程中，发现井口有少量冒气冒泡的现象。据已有地质资料：本井及其附近处于瓦斯富集带，邻近生产矿井及其他矿井均为高瓦斯矿井，瓦斯涌出量大、煤层瓦斯压力较大。地质钻探资料及从井内返出煤屑在泥浆循环池沉淀时现有气泡析出，因此，该井应具有瓦斯抽放潜力。本井要想获得较为理想的抽放结果和可观的经济效益，需进行有效的压裂。

取芯情况说明：本井采用的取芯钻具组合为：2159mmPDC钻头+89mm取芯管+127mm钻杆+方钻杆，共取芯26回次，其中2#煤层取芯进尺6.50m，取芯长6.00m，平均采取率92.30%，取瓦斯样2个，于917.50-919.40/1.90m，见煤，装2罐，取煤钻进过程中，发现出水口含大量气泡。取出后，煤质通黑发亮，呈块状，揉后污手。取出地板2.00m后更换钻具正常钻进。其中8#煤层取芯进尺10.50m，取芯长9.80m，平均采取率93.33%，取瓦斯样3个，于999.50-1003.00/3.50m，见煤，装3罐，取煤钻进过程中，发现出水口含大量气泡。取出后，煤质通黑发亮，呈块状，揉后污手。取出地板2.00m后更换钻具正常钻进。其中9#煤层取芯进尺12.50m，取芯长11.90m，平均采取率95.20%，取瓦斯样2个，于1011.60.00-1015.00/3.40m，见煤，装2罐，取煤钻进过程中，发现出水口含大量气泡。取出后，煤质通黑发亮，呈块状，揉后污手。取出地板2.00m后更换钻具正常钻进。全井共取解析样7个，均在现在进行了解析。

3.4钻井参数

（1）钻具组合。

一开钻具组合（0～55.86m）：

Φ311.15mm三牙轮钻头+双母接头+Φ159mm钻挺×7根+转换接头+方保接头+方钻杆。

二开钻具组合（55.86～1065.00m）：

Φ215.9mm三牙轮钻头+双母接头+Φ159mm钻挺×5根+转换接头+Φ127mm钻杆+方保接头+方钻杆。

（2）钻井液。

表1钻进液的参数

钻进井段1深度（m）1密度（g/cm3）1粘度（s）1含砂量1类型一开10.00～55.8611.02～1.03116-1810.2%1彭润土二开155.86～1065.0011.01～1.03116～1810.1%1清水煤层1917.00～1015.0011.0111710.1%1清水根据煤层气钻井的特点和甲方的施工要求，全井使用不含化学试剂的泥浆，一开井段使用水基彭润土，比重在103以下，二开井段使用清水钻进，在见煤前又进行了一次彻底的换浆，保证煤层的清洁钻进，能使煤层气顺利排采。

（3）钻进参数。

表2钻进过程中的参数

钻进井段1深度（m）1钻压（t）1转速（r/min）1泵压（MPa）一开10.00～55.8611.0-2.0142-4511二开155.86～1065.0012.0-8.0145-7212由于本井是取芯井，在钻进中根据不同的钻具采用了相应的钻进参数，在一开段为防斜，采用了小钻压吊打的方法，在钻过煤层的井段，为达到防塌的目的，采用的小泵量、小钻压、低转速的钻进方式，确保了煤层的稳定性。

4技术总结

本井属于煤层气井，设计井深1000.00米，完钻井深1065.00米，完钻层位C3t。完井方法为全套管完井。经测井验证：完钻层位、完钻井深、井身结构、煤层数据、井身质量及固井质量符合或达到设计要求。各项原始资料记录齐全、准确可靠。煤层位置判层与测井解释基本吻合。

本井是煤层气取芯井，严格按照《钻井工程技术规定》及煤田地质勘探操作规程进行施工，规范操作，严格管理，在确保安全的前提下，努力提高生产效率，在甲方技术部及监理的全力支持下，各项指标基本符合设计及规程要求，快速而较圆满的完成了本井的施工任务。

该井采用牙轮钻头，复合片PDC钻头交替使用的技术，采用满眼钻具组合，严格按照施工设计和《合同》的要求施工，达到了预期的目的，取得了良好的效果。据统计，该井二开地层采用PDC钻头，钻进时效明显提高，井身质量完全符合要求。

全井工程质量合格。

5结语

煤层气钻井技术的成功应用对开发新能源，解决煤矿瓦斯治理起到了极大促进作用，同时培养了一批从事煤层气钻井工艺技术人才，取得了一定的钻井工艺技术推广应用的管理经验。

参考文献

[1]于顺明，常淑敏.煤层气井钻井工艺探讨[J].石油钻采工艺，1998，20（1）：1824.

[2]孔楠.煤层气钻井工艺技术研究[J].山东煤炭科技，2010，（5）：7374.

[3]李云峰.沁水盆地煤层气钻井工艺方法[J].中国煤田地质，2005，17（6）：5254.