沁水盆地某煤层气井射孔完井技术适应性探讨 安徽宿州芦岭矿区煤层气生产条件分析
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Technical Studies of the CBM Pilot in Luling Coal Mine Area, Suzhou, China
HUANG Xiaoming1 F. Andrew2 MO Rihe1 WANG Hongzhou2 LIN Liang1
(1. China United Coalbed Methane Co. Ltd., Beijing 100011, China2. Canelite Energy, Suzhou 235200, China)
Abstract: This paper is a technical approach documenting geology and reservoir property studies of Luling coal - mine CBM pilots. The pilot wells were drilled to (1) assess gas productivity, (2) determine if the reser- voir can be dewatered, (3) evaluate and improve completion techniques, and (4) assess full-field development issues, and it has showed a high CBM potential for the well developed coal seams with a good cleated coals, and the medium gas contents with a comparatively high saturated coals of these wells. The pilot wells at 40-acre well spacing were put on production in April 2010, and this paper focus primarily on the productivity of the CLG09V- 01 well.
Keywords: CBM-pilot; coal seams; adsorption isotherms; CBM productivity
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1 \u5730\u8d28\u7279\u5f81
(1)\u6784\u9020
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(2)\u5730\u5c42
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(3)\u6c34\u6587\u5730\u8d28
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2 \u50a8\u5c42\u7279\u5f81
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\u4e0b\u4e8c\u53e0\u7edf\u5c71\u897f\u7ec4\u768410\u53f7\u7164\u548c\u4e0b\u77f3\u76d2\u5b50\u7ec4\u76848\u53f7\u548c7\u53f7\u7164\u662f\u672c\u533a\u7164\u5c42\u6c14\u7684\u4e3b\u8981\u6c14\u6e90\u5ca9\u548c\u50a8\u96c6\u5c42\u3002\u539f\u7164\u955c\u8d28\u7ec4\u542b\u91cf\u9ad8,\u4e2d\u7b49\u53d8\u8d28\u7a0b\u5ea6,\u7164\u5438\u9644\u80fd\u529b\u548c\u7164\u5c42\u539a\u5ea6\u9002\u4e2d,\u9876\u5e95\u677f\u6761\u4ef6\u597d,\u6709\u5229\u4e8e\u7164\u5c42\u6c14\u7684\u751f\u6210\u548c\u5bcc\u96c6\u3002\u7164\u50a8\u5c42\u6e29\u5ea6\u9ad8\u3001\u6e17\u900f\u7387\u76f8\u5bf9\u8f83\u5927,\u5185\u751f\u88c2\u9699\u5341\u5206\u53d1\u80b2,\u7164\u5c42\u6c14\u542b\u6c14\u9971\u548c\u5ea6\u9ad8,\u4e34/\u50a8\u538b\u529b\u6bd4\u5927,\u6709\u5229\u4e8e\u7164\u5c42\u6c14\u7684\u4ea7\u51fa\u3002
10\u53f7\u7164\u5c42\u7684\u50a8\u5c42\u538b\u529b\u5927,\u542b\u6c14\u9971\u548c\u5ea6\u9ad8,\u7164\u89e3\u5438\u901f\u7387\u9ad8,\u5bf9\u7164\u5c42\u6c14\u521d\u671f\u4ea7\u91cf\u8d21\u732e\u5927\u30028\u53f7\u7164\u5c42\u539a\u5ea6\u5de8\u5927,\u7164\u5c42\u6c14\u8d44\u6e90\u4e30\u5bcc,\u662f\u7164\u5c42\u6c14\u9ad8\u4ea7\u7a33\u4ea7\u7684\u57fa\u7840,\u4f46\u7164\u5c42\u53d7\u6784\u9020\u5f71\u54cd\u800c\u7834\u788e,\u5728\u4e00\u5b9a\u7a0b\u5ea6\u4e0a\u5f71\u54cd\u4e86\u5176\u521d\u671f\u4ea7\u91cf\u30027\u53f7\u7164\u542b\u6c14\u91cf\u4f4e,\u4f46\u9971\u548c\u5ea6\u8f83\u9ad8,\u9876\u5e95\u677f\u5c01\u95ed\u6027\u5f3a,\u4f7f\u5176\u4fdd\u6301\u4e86\u8f83\u9ad8\u7684\u539f\u59cb\u5730\u5c42\u80fd\u91cf\u3002\u4e09\u5c42\u7164\u5408\u91c7\u53ef\u5b9e\u73b0\u4f18\u52bf\u4e92\u8865,\u5408\u7406\u7684\u63a7\u5236\u751f\u4ea7\u8282\u594f,\u5c31\u53ef\u501f\u52a97\u53f7\u7164\u548c10\u53f7\u7164\u5148\u671f\u91ca\u653e\u7684\u6e38\u79bb\u6c14\u5bf98\u53f7\u7164\u5c42\u7684\u6e17\u6d41\u6761\u4ef6\u8fdb\u884c\u6709\u6548\u7684\u6539\u9020,\u4ece\u800c\u52a0\u5feb\u539a\u7164\u5c42\u4e2d\u7164\u5c42\u6c14\u7684\u6301\u7eed\u6790\u51fa,\u6211\u4eec\u79f0\u4e4b\u4e3a\u7164\u50a8\u5c42\u81ea\u6539\u9020\u673a\u7406(\u9ec4\u6653\u660e\u7b49,2010)\u3002
\u53c2\u8003\u6587\u732e
\u9ec4\u6653\u660e\u7b49,2010.\u7164\u5c42\u6c14\u5730\u8d28\u52d8\u63a2\u5b9e\u4f8b\u5206\u6790[M].\u82cf\u5dde:\u77f3\u6cb9\u5de5\u4e1a\u51fa\u7248\u793e
\u5434\u6631,2010.\u897f\u5c71\u77ff\u533a\u7164\u5c42\u6c14\u8d44\u6e90\u53ef\u91c7\u6027\u8bc4\u4ef7[J].\u4e2d\u56fd\u7164\u5c42\u6c14,(4)
\u4e2d\u56fd\u4e3b\u8981\u7164\u77ff\u8d44\u6e90\u56fe\u96c6\u7b2c\u4e09\u5377.\u5317\u4eac:\u4e2d\u56fd\u7164\u7530\u5730\u8d28\u603b\u5c40,1996
\u4e2d\u56fd\u7164\u7530\u5730\u8d28\u603b\u5c40,2001.\u4e2d\u56fd\u805a\u7164\u4f5c\u7528\u7cfb\u7edf\u5206\u6790[M].\u5f90\u5dde:\u4e2d\u56fd\u77ff\u4e1a\u5927\u5b66\u51fa\u7248\u793e
William W. Vail and J.Matthew Conrad . 2006Resource Assessment of the Huaibei CBM Concession, Anhui, Chi-na Marshall Miller & Associates
杨庆龙 吴财芳
( 中国矿业大学资源与地球科学学院 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 徐州 221008)
摘 要: 本文从剖析射孔完井的优缺点出发，结合山西省沁水盆地寺河矿区某井所采取的完井工艺技术，对沁水盆地煤层气气井的射孔完井技术进行适应性探讨。研究发现: 各个地区的地层属性都有其独特性，有必要根据本地区地层的区域性的具体特点，对煤层气井的钻井工艺做出相应的改善; 必须高度重视煤层气钻井完井过程中压力对煤层的伤害问题; 研究更低密度、低固相、高强度的水泥浆体系，以及其他低伤害高效压裂液是煤层气钻井完井技术的重要保障。
关键词: 沁水盆地 煤层气 射孔 钻井 完井
Study of Qinshui Basin CBM Technical Adaptation of Perforated Completion
YANG Qinglong WU Caifang
( 1. The School of Resources and Earth Science，China University of Mining and technology， Ministry of Education Key Laboratory of CBM resources and accumulation process， Xuzhou，221008，China)
Abstract: Base on the technology of well completion in Sihe mine of Qinshui Basin，This paper analyzes the advantages of Perforated completion，and Discuss the adaptation about it in Qinshui Basin CBM wells. The results indicate that: the formation of each region has its unique properties，it is necessary to make corresponding im- provement process about the drilling technique of CBM wells according to the regional stratigraphy of the region's specific characteristics; we must attach great importance to pressure harm to coal seam during CBM drilling and completion; it is an important guarantee to research more low density，low solids，high strength cement slurry and other low damage，Efficient fracturing fluid for CBM drilling and completion technology.
Keywords: Qinshui Basin; CBM; Perforation; Drilling; Completion
项目资助: 国家 “973”煤层气项目 ( 2009CB219605) 、国家科技重大专项项目 ( 2011ZX05034) 、国家自然科学基金重点项目 ( 40730422) 及青年科学基金项目 ( 40802032) 资助。
作业简介: 杨庆龙，男，1987 年 7 月出生，中国矿业大学资源与地球科学学院，在读硕士，专业方向: 煤层气勘探与开发，Tel: 13852485883，E mail: yangqinglong325@126. com。
自20世纪90年代以来，随着地面煤层气开采技术的引进，山西地面煤层气开发利用发展迅速。截至2009年底，中外十余家企业在沁水煤层气田已建成各类煤层气井2621余口，地面煤层气年抽采能力达到22亿立方米。由于直井钻井成本低、工艺技术简单、技术最成熟。煤层气开发方式以地面垂直井为主。多分支水平井、丛式井试验成功标志着我国煤层气开发技术取得重大突破，但由于该技术属于试验阶段，大规模展开尚需时日。目前完井方式主要有裸眼洞穴完井和套管射孔完井。由于套管射孔完井技术具有对地层适用范围广、层间封隔好，允许进行选择性完井、有利于水力压裂和采气作业、井筒稳定，寿命长，便于修井等优点［1］。所以本地区主要最优的完井工艺依然是套管射孔完井，裸眼洞穴完井的适用性还有待研究。
1 钻井的目的
本井为煤层气开发井，本井完钻层位位于石炭系上统太原组3号煤层底板以下41.54m。本井揭露煤系地层厚度82.36m，共见主要可采煤层1层。3号煤层，位于山西组底部，似金属光泽，镜煤、暗煤次之。其钻探深度为443.85～450.45m，厚度为6.6m。测井为444.02～450.62m，厚度为6.6m，结构简单。钻井目的为开发利用3号煤层的煤层气，降低煤层瓦斯含量。
2 本井的工艺技术
本井井身结构符合设计要求，井身质量合格(图1)。
图1 煤层气井井身结构示意图
2.1 井身结构
(1)一开井身井径φ311.15mm，井深41.06m(钻入基岩26.05m)，下入φ244.50mm的表层套管，为了使水泥浆较为便利的注入井内，表层套管长度为40.23m。固井水泥上返地面。
(2)二开井径φ215.90mm，钻至井深492.16m完钻。下入φ139.70mm的生产套管，套管长490.49m，高出地面0.28m。固井水泥返高为187.50m。
(3)阻位深487.66m，人工井底深度为487.00m。
2.2 井身质量评述
终孔489.00m处井斜为1.1°，该井的最大井斜在井深375.00m处，斜度为1.3°。全井在400m处全角变化率最大，为1.7°/25m。
全井平均井径224.20mm，平均井径扩大率为4.82%，井眼规则。非煤系地层平均井径225.92m，平均扩大率为4.46%。煤系地层平均井径223.56mm，平均扩大率3.54%，全井井径最大处为450～475m深度附近3号煤层底板山西组泥岩坍塌带，最大井径为301.57mm，最大扩大率为39.68%。
井底水平位移5.10m，全井方位均在272°～285°之间变化，闭合方位角为279°。未见井身扭曲现象。
2.3 钻具及钻井液设计
钻具组合如表1所示。
表1 钻具组合
钻井液要求:尽可能采用与煤层水理化性质相近的活性水钻进;如井下情况异常需要用钻井液钻进时，钻井液要严格按照保护煤层的要求控制好固相含量(特别是微颗粒和胶体颗粒的含量)和虑失量［2］。
本井采用清水钻进，钻井非煤系地层泥浆比重保持在1.05g/m3以下，钻进煤系地层泥浆比重保持在1.02g/m3以下，完全符合甲方钻井要求。
2.4 固井质量
对水泥浆的要求:严格控制水泥浆的失水量，一般不得超过200mL，水泥石的高压强度要达到14MPa以上;水泥至少要反至煤层顶部200m以上才为固井质量合格。
对生产套管的要求:套管串中要有短管，便于用磁定位测井校正射孔深度。短套管的下入深度在煤层顶界5～10m的范围内;套管接箍、扶正器及套管其他附件应尽量避开煤层。
该井的套管及水泥浆的使用情况如表2所示。
3 号煤顶板至水泥返高面的距离为252.52m，在完井试压测试中，在15MPa的压力下，经过30分钟的检测，压降为0。固井质量合格。测井曲线解释为煤系地层固井优良率为100%，非煤系地层固井合格率为100%。
2.5 完井设计
井筒与煤层的连通技术要求:井筒与煤层的连接方法采用射孔枪射孔方法。射孔孔径10～15mm;孔眼几何形状短轴与长轴之比小于0.8;孔径轨迹须沿套管表面螺旋分布，在任一横截面只能最多有一个孔眼;孔眼密度为15～25孔/m。孔眼除有效穿透套管和水泥环外，还要尽可能穿透煤层伤害区，进入无伤区。
表2 套管及水泥浆
该井3号煤层使用套管射孔完井，使用牙轮钻头钻完全部孔深，下套管、固井并将煤层用水泥封住后，用射孔器射穿套管、水泥环和部分煤层。射孔参数如表3所示。
表3 射孔参数
2.6 压裂设计
该井采用水基压裂液压裂，液体准备数量及配方:活性水650m3，钻井液用HT01润滑防塌剂325.0kg，钻井液用HT2(腐殖酸钾)防塌剂325.0kg，配方为清水+0.05%HT01+0.05%HT2。支撑剂选择石英砂，数量为:粒径0.15～0.3mm，准备量10.0m3，粒径0.45～0.9mm，准备量26.0m3。压裂车及辅助设备车辆名称及数量如表4所示。
表4 压裂车及辅助设备车辆名称及数量
本井3号煤层设计注入液体566.1m3，石英砂36m3(0.15～0.3mm石英砂10.0m3，粒径0.45～0.9mm石英砂26.0m3);实际注入液体569.6m3，加入石英砂36.0m3(0.15～0.3mm石英砂10.0m3，粒径0.45～0.9mm石英砂26.0m3)，加砂率100%，施工达到了设计要求。
3 排采效果及工艺技术分析
3.1 排采效果
该井从2009年6月17日开始进行排采作业。至2010年4月9日该井煤层气产能随时间的变化关系如图2所示。
由图可知，该井在排采6个月左右达到产气高峰1000m3/d，随着排采过程的继续，排采效果稳定在1000m3/d，之后没有明显的提升。而经过测井计算所得该煤层的天然渗透率为(0.1～1)×10－3μm2，含气量高达22.5m3/t，具有较好的储层参数，与其煤层气井的产能明显不符。
图2 煤层气井前期产能变化曲线
3.2 工艺技术分析
分析该井的排采效果，综合工程的工艺技术特点，除了地质条件影响外，在工程上主要是目前所使用的射孔完井工艺技术存在一定的不足［3］。形成了较大的表皮系数，从而降低煤储层的有效渗透率，对煤储层造成较大伤害。采用射孔完井方式时，对煤层气储层的损害包括钻井过程中钻井液、固井过程中水泥浆以及射孔压裂等三个方面。
本井的钻井方式采用常规的清水钻进，但常规的煤层气钻井方式在本区有一定的局限性。这是由于本区主要含煤地层二叠系下统山西组岩性由灰、深灰色泥岩、砂质泥岩和浅灰色砂岩及煤层组成，钻井液从井底上返至地面的过程中，依次经过泥岩—煤层—灰岩—第四系土层。由于泥岩是水敏性地层，在接触到活性水钻井液之后势必会引起体积膨胀，作用于煤储层之上的应力增大，造成煤储层渗透率降低，在近井筒地段尤为明显，严重影响煤层气向井筒内的渗流。同时，泥岩具有较强的造浆能力(由测井资料可知在井深为450.00～475.00m范围内的井径达到301.57mm，井径扩大率达到39.68%。则从另一方面证明了泥岩的造浆能力)，虽然本井采用清水钻进，在地面控制钻井液体系的固相含量，保持比重在1.02g/m3以下等一系列降低固相含量的措施，但钻井液在经过泥岩层时，经过泥岩的造浆作用，又形成了普通的泥浆体系，这种浆液直接接触煤岩层，则会对煤层造成更大的伤害。
钻井液性能包括钻井液密度、粘度、失水、含砂、pH值等，其中最重要是钻井液密度。本井的固井方式采用密度为1.85g/cm3的水泥浆液，水泥浆固井过程由于较大的水泥浆密度在井筒中存在较高的围压，煤层应力敏感性也同样会造成储层损害问题。压力敏感性是指施加在煤层上有效压力的变化对煤储层微观结构的影响，在宏观上表现为煤层的孔隙度、渗透率随着围压的增加而降低的现象。煤层裂缝和割理发育，由于煤层是一种弹塑体，裂缝在高围压下闭合，这种闭合是不可完全恢复的。郑毅［4］等人研究认为密度为1.85g/cm3的水泥浆所产生的液柱压力对煤储层的伤害也是不可低估的。若钻井完井过程中液柱压力没有控制在煤层压力以下，会造成煤层应力改变和塑性变形，使渗透率无法完全恢复，从而影响产气量。
射孔压裂过程一方面是为气流建立若干沟通气层和井筒的流动通道，另一方面又会对产气气层造成极大的损害，有时甚至超过钻井损害，从而使煤层气井产能很低。压裂液对煤层的伤害也是煤层气井增产效果不理想的重要原因。本井采用的是水基压裂液压裂。水基压裂液的成本低，性能好，易于使用，应用最广泛。但是熊友明［5］等人研究中国煤层多数不含水，目前多采用水基压裂液进行增产改造，而压裂液的返排率仅为35%～68%，剩余水滞留在煤层。由于煤岩具有很强的吸附性，吸附压裂液后会引起煤岩基质的膨胀及堵塞割理，从而降低割理孔隙度和渗透率及限制煤层气的解吸［6］，在一定程度上造成二次伤害，极大地影响了煤层气的产出;加之煤层松软、煤粉多，压裂砂的支撑效果相对较差，井筒周边的压裂砂还会因卸压回灌到井筒，这也是导致部分井压裂无效的重要原因。经过压裂施工后有些井的产能只是天然生产能力的20%～30%，甚至完全丧失产能。此外，固井液、压裂液中的固体颗粒侵入煤储层，直接堵塞煤储层的空隙通道，结果将导致降低煤储层的绝对渗透率和相对渗透率，对煤层气井的产能也会造成较大的影响。
综合以上分析并结合本井实况，在完井过程中，要达到煤层气井增产、稳产的效果，需要多种措施来试图降低完井对地层造成的损害。在固井过程中，需要降低作用在煤层上的有效应力，就需要在保证强度的前提下降低固井所采用浆液的密度，使用低密度水泥浆、泡沫水泥浆等，目前，国外已成熟的煤层气井固井技术主要有水泥浆中加入固体降重剂(如粉煤灰、空心微珠等)形成高强度、低密度、低失水水泥浆、在水泥浆中加入氮气组成泡沫水泥浆等。在钻进过程中，需要减少钻井液和煤层的接触，考虑到本井含煤层位的上下部位均有土层，马永峰［7］等提出在含煤层位使用套管外封隔器，这样就有效地防止钻井液和煤层接触。最大限度地降低对煤层的伤害。同时，使用封隔器也解决了固井过程中煤层压力敏感性、水泥浆渗透等一系列问题。若是多煤层煤层气共采，这样就可以分段对煤层进行射孔和压裂施工。在压裂过程中，需要降低压裂液的失水量及固相含量。研制低伤害高效压裂液是当前亟待解决的关键问题，也是今后的发展趋势。泡沫压裂液、清洁压裂液等对低压、低渗煤层气储层比较适用，在沁水盆地已经取得较好的效果［8］。目前该技术成本高、应用范围局限，但前景很好，是值得推广的适宜中国煤层气储层条件的新技术。
4 结论
煤层的渗透性低，孔隙压力低，煤储层保护一直是整个煤层气钻井完井过程施工中必须重点考虑的问题。钻井液、固井液、完井液对煤储层污染程度如何，直接影响到目的煤层物化参数的正确评价及产能的精确评估［9］。如果对完井技术不重视，采取的措施不当，煤层气产能则会遭受重大影响。煤储层保护的核心就是尽量使所采取的钻井完井工艺技术少伤害、不伤害煤层。
(1)各个地区的地层属性都有其独特性，在探明地下煤岩层的地质环境后，有必要根据本地区地层的区域性的具体特点，对煤层气井的钻井工艺做出相应的改善。否则，很难保证不会对煤储层造成更大伤害。
(2)高度重视煤层气钻井完井过程中压力对煤层的伤害问题，在保证携带岩屑、润滑钻具等钻井液的基本功能的前提下，尽量减少钻井液的固相含量、失水量。研究更低密度、低固相、高强度的水泥浆体系，以进一步降低对煤层的液柱压力。
(3)从目前的发展看，今后一段时间水力压裂仍是煤层气增产的首选方法和主要措施，应继续深入对低伤害高效压裂液的研究。
参考文献
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