摘 要：對(duì)我國(guó)煤層氣鉆井完井技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納和總結(jié)，結(jié)果認(rèn)為：煤儲(chǔ)層地質(zhì)基礎(chǔ)薄弱、井壁易失穩(wěn)、煤層損害嚴(yán)重以及完井效果差等難題嚴(yán)重制約了我國(guó)煤層氣高效勘探開(kāi)發(fā)；已開(kāi)展的多分支水平井技術(shù)、U型井技術(shù)及其配套的連通和裸眼造洞穴等技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，一定程度上緩解了以上技術(shù)難題的制約。生產(chǎn)實(shí)踐表明，由清水鉆井引起的鉆井安全與煤層保護(hù)的矛盾仍然突出，國(guó)內(nèi)煤層氣產(chǎn)量依然偏低。進(jìn)而建議，加強(qiáng)對(duì)煤層專用鉆井液、煤層損害解除方法的研究，盡快制定煤層氣鉆井相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法和礦場(chǎng)評(píng)價(jià)方法的行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，探索礦權(quán)制度改革，開(kāi)展煤層氣與常規(guī)氣、致密氣合呆關(guān)鍵技術(shù)研究，積極開(kāi)展煤層氣多層鉆完井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井增產(chǎn)措施配套技術(shù)研究。
關(guān)鍵詞：中國(guó) 煤層氣 鉆井 多分支水平井 U型井 井壁穩(wěn)定 煤層保護(hù) 研究方向
State-of-the-art and developing trend of CBM drilling technologies in China
Abstract：Many bottlenecking technical difficulties including weak geological foundation，poor wellbore stability，serious damage to coal seams during drillin9，etc．a(chǎn)re seriously hampering the coalbed methane(CBM)exploration and development in China．However，some progress made in nmhi lateral horizontal well technology，U-shape well technology and their supporting techniques in connection and bare-hole cave well completion，has alleviated the above problems to a certain degree．The production practices show that the conflict between drilling safety and coal protection resulted from water drilling is still prominent and CBM production is still low．In order to effectively improve the exploration and development benefit of CBM，we presented some suggestions as follows．(1)Specific drilling fluids for coal seams and son!e relief methods for damage to coal seams should be researched and developed．(2)The unified industrial codes and national standards should be soon formulated for CBM drilling related experimental and field evaluarion methods．(3)The mining right system reform should be explored and de'epened．(4)Further studies should be conducted of technologies in the combined production of CBM，conventional gas，and tight gas，and some CBM enhanced technologies like muhilayer drilling and completion，complex structufe well stimulation techniques，and so on．
Keywords：China，CBM，drilling，muhi branch horizontal well，U-shape well，wellbore stability，coal seam damage control
中國(guó)煤層氣資源量為30×1012～35×1012m3，其中埋深為300～1500m范圍內(nèi)煤層氣總資源量約為25×1012m3。自20世紀(jì)八九十年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)幾十年攻關(guān)探索，我國(guó)在煤層氣地質(zhì)理論、資源預(yù)測(cè)與區(qū)塊評(píng)價(jià)、鉆井完井及壓裂技術(shù)等方面取得了較大進(jìn)展，特別是近年高階煤煤層氣富集理論與煤層氣多分支水平井、U型井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)鉆采煤層氣資源取得了較好的效果[1]。然而，不可否認(rèn)我國(guó)煤層氣產(chǎn)量依然較低，煤層氣鉆井過(guò)程中仍有較多難題需要解決，鉆井安全與煤層保護(hù)矛盾依然突出[2-4]。繼續(xù)加大煤層氣鉆井新技術(shù)研究，保障鉆井安全，提高煤層氣勘探開(kāi)發(fā)效益，已刻不容緩。為此綜述了目前我國(guó)煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井過(guò)程中遇到的難題，就國(guó)內(nèi)煤層鉆井技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出了具體建議。
1 煤層鉆井技術(shù)難題
煤巖具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，鉆井方式、工藝、鉆井液、完井方式與常規(guī)油氣鉆采明顯不同，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)及鉆采方式無(wú)法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆進(jìn)煤層需要。在探索新技術(shù)、新工藝過(guò)程中，井壁失穩(wěn)、煤層損害、完井效果差等難題一直困擾著煤層氣的高效勘探開(kāi)發(fā)。
1)煤巖割理發(fā)育，膠結(jié)差，強(qiáng)度低，井壁易失穩(wěn)。為最大限度保護(hù)煤層氣資源，現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井多采用清水作為鉆井液鉆井煤層。但清水黏度低、濾失量大、攜巖效果差，力學(xué)化學(xué)耦合作用進(jìn)一步了弱化了井壁煤巖強(qiáng)度。因此，井下事故復(fù)雜時(shí)有發(fā)生。統(tǒng)計(jì)顯示，2011年沁水盆地鄭莊區(qū)塊已鉆成的6口多分支水平井共發(fā)生井塌及卡鉆事故5次，事故復(fù)雜率較高，造成了較大經(jīng)濟(jì)損失。
2)煤層地質(zhì)基礎(chǔ)差，易受損害。煤層低孔隙、低滲透、低壓力，發(fā)育方解石、菱鐵礦、斜長(zhǎng)石、黃鐵礦等敏感礦物，此外還發(fā)育高嶺石、綠泥石等黏土礦物。常規(guī)鉆井完井液侵入煤層，引起煤層流體敏感和固相侵入損害，妨礙煤層甲烷解吸。此外，由于儲(chǔ)層壓力低，侵入的工作液難以返排，煤層氣滲流通道極易受阻。
3)完井效果差，煤層氣產(chǎn)量低[5]。清水鉆井最大的弊端除了不利于多分支水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井井壁穩(wěn)定外，還不利于完井，不利于煤層氣長(zhǎng)期開(kāi)采。清水鉆進(jìn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井時(shí)，井徑不規(guī)則、井壁掉塊嚴(yán)重，鉆成的井眼重入性差，多采用裸眼完井。由于無(wú)套管或篩管支撐井壁，煤層氣開(kāi)采幾年后井壁便會(huì)坍塌，大大縮短了煤層氣井采氣壽命。而據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)煤層氣井平均可開(kāi)采20～30年，有些井可達(dá)40年。沒(méi)有套管或篩管的煤層氣水平井以及U型井將無(wú)法進(jìn)行增產(chǎn)作業(yè)，降低了煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年我國(guó)地面煤層氣產(chǎn)量?jī)H23×108m3，遠(yuǎn)低于國(guó)家于2010年地面煤層氣產(chǎn)量提升至50×108m3的規(guī)劃。
煤層氣是一種非常規(guī)天然氣資源，其獨(dú)特地質(zhì)特征及鉆采技術(shù)難題，要求我們必須解放思想，創(chuàng)新思維，加大投入，不斷完善煤層鉆井技術(shù)及配套。
2 多分支水平井技術(shù)
煤層氣多分支水平井與常規(guī)油氣井有本質(zhì)的不同，它由多分支水平井和洞穴井組成水平井組，它創(chuàng)新了分支水平井技術(shù)、遠(yuǎn)距離連通技術(shù)、地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)等，是一項(xiàng)具有獨(dú)特技術(shù)、施工難度高的系統(tǒng)工程。
目前，我國(guó)初步掌握了水平井眼側(cè)鉆技術(shù)、鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、井眼軌跡導(dǎo)向控制技術(shù)、主水平井眼與裸眼洞穴連通工藝技術(shù)、抽排井造洞穴工藝技術(shù)[6-9]。打破了國(guó)外公司對(duì)煤層氣多分支水平井技術(shù)服務(wù)的壟斷，短短幾年時(shí)間，山西沁水盆地已鉆多分支水平井60多口。此外，還形成了雙底多分支水平井鉆井技術(shù)。通過(guò)多年的研究工作，多分支水平井配套技術(shù)更為完善，刷新了多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：①煤層鉆遇率由86％提高到98％；②總進(jìn)尺由2900m提高到5200m；③純煤進(jìn)尺由2300m提高到4800m；④工程指標(biāo)的鉆井周期和建井周期大幅度縮短，鉆速大大提高，多口井無(wú)事故復(fù)雜。
我國(guó)多分支水平井技術(shù)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但清水鉆進(jìn)過(guò)程中的煤層坍塌埋鉆具等風(fēng)險(xiǎn)尚未得到根本解決，嚴(yán)重地制約了多分支水平井技術(shù)的發(fā)展和煤層氣資源的高效勘探開(kāi)發(fā)。
3 U型井技術(shù)
U型井技術(shù)即U型水平連通井技術(shù)，該技術(shù)集成了水平井技術(shù)、水平井與洞穴井的連通以及欠平衡鉆井和地質(zhì)導(dǎo)向等技術(shù)，煤層氣u型井組由1口直井和1口或多口水平井組成(圖1)。U型井可采用套管完井方案，在排采后期遇到煤粉堵塞通道可下鉆修井，重新打開(kāi)裂隙通道恢復(fù)開(kāi)采，延長(zhǎng)煤層氣井的壽命。
國(guó)外對(duì)我國(guó)煤層氣鉆采技術(shù)實(shí)行嚴(yán)格封鎖和保密。因此包括u型井在內(nèi)的高端技術(shù)核心成果，國(guó)內(nèi)均無(wú)法獲得，鉆井完井技術(shù)指標(biāo)等難以對(duì)國(guó)內(nèi)有借鑒作用。國(guó)內(nèi)公司多為通過(guò)相關(guān)理念結(jié)合自身多年經(jīng)驗(yàn)做些探索性工作，取得了初步成功。中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，針對(duì)不同煤階煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的問(wèn)題，結(jié)合U型井自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了沿煤層鉆井篩管完井、沿煤層充氣欠平衡鉆井、分段壓裂等U型井鉆完井新技術(shù)研究。有些井組完成后，有些水平井采用了篩管完井，該完井方法存在篩管與地層間的鉆井液濾餅無(wú)法清除的問(wèn)題。
目前我國(guó)煤層氣U型井鉆完井及壓裂技術(shù)研究剛處于起步階段，鉆井過(guò)程中沒(méi)有形成成熟的煤層專用鉆井完井液，煤層損害仍然比較嚴(yán)重。完井多為裸眼或篩管完井，煤粉堵塞問(wèn)題較為嚴(yán)重，鉆井損害難以解除。
4 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)配套
遠(yuǎn)距離連通技術(shù)是煤層多分支水平井、U型井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)控制鉆進(jìn)軌跡，提供鉆頭的實(shí)時(shí)位置，為定向提供距離和方位參數(shù)，即時(shí)調(diào)整工具面，指導(dǎo)鉆頭向洞穴井鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)主井眼與洞穴井較好連通(圖2)。
中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院和中國(guó)石油渤海鉆探工程公司均研發(fā)了相關(guān)工具并形成了現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)能力，且取得了較好的成績(jī)。專有井眼連通技術(shù)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)控制鉆進(jìn)軌跡，提供鉆頭的實(shí)時(shí)位置，為定向提供距離和方位參數(shù)，即時(shí)調(diào)整工具面，指導(dǎo)鉆頭向洞穴井鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)主井眼與洞穴井較好連通。中國(guó)石油渤海鉆探工程公司從2010年至今30余井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中測(cè)試距離60m，中靶直徑0.6m，連通成功率100％，特別是2011年和2012年，遠(yuǎn)端連通和不造洞穴連通技術(shù)獲得成功。
裸眼洞穴可降低連通難度，同時(shí)為后期煤層氣抽采提供便利。國(guó)內(nèi)已經(jīng)研究形成滿足抽排井造洞穴要求的先進(jìn)合理的造洞穴工藝方式，研制了適應(yīng)于Æ152.4mm和Æ215.9mm井眼造穴要求的系列機(jī)械式裸眼造穴工具(圖3)和系列射流式裸眼造穴工具。新近研制的頂板泥巖造穴工具優(yōu)化了切削面布置并采用單刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了抗扭能力，提高了工具耐磨性，工具事故逐步避免，工具消耗逐步減少，工具磨損得到緩解，頂板造穴施工總體時(shí)間不斷縮短，由最初的造穴施工30d，縮短到4.5d。
此外，為緩解煤層垮塌卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，降低單井鉆井成本，還研發(fā)了打撈工具，初步形成了MWD打撈技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了平接箍鉆具(圖4)，無(wú)磁金屬管，改進(jìn)了懸空側(cè)鉆技術(shù)。但是，打撈工具只能滿足目前短水平段打撈的需要，抽油桿與鉆具摩擦起磁，在一定程度上阻止打撈工具的下人，長(zhǎng)水平段儀器的打撈技術(shù)有待進(jìn)一步的研究。
5 井壁穩(wěn)定及煤層保護(hù)技術(shù)
為更好地保護(hù)煤層氣資源，目前國(guó)內(nèi)普遍采用清水充氣欠平衡方式鉆多分支水平井[10-11]，但因工藝及地質(zhì)因素影響，井塌、埋鉆具等事故復(fù)雜時(shí)有發(fā)生，經(jīng)濟(jì)損失巨大。傳統(tǒng)鉆井液技術(shù)雖較好地解決了井壁失穩(wěn)問(wèn)題，但其損害煤層嚴(yán)重，煤層保護(hù)與井壁穩(wěn)定已經(jīng)成為多分支水平井安全鉆井技術(shù)的主要矛盾，井塌埋儀器事故時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致鉆井周期延長(zhǎng)。井壁失穩(wěn)是制約國(guó)內(nèi)煤層氣鉆采技術(shù)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。
研究認(rèn)為，滲流損害和解吸損害是煤層損害兩大類型。地質(zhì)情況復(fù)雜，煤巖強(qiáng)度低，清水充氣不均，鉆進(jìn)液性能不穩(wěn)、密度不合理是清水充氣欠平衡鉆進(jìn)多分支水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井煤層損害、井壁失穩(wěn)和井下事故復(fù)雜的主要原因。因此，研制煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井專用鉆井液、控制鉆井液濾失量，增強(qiáng)濾液與煤層配伍性，提高煤層能量，完善煤層損害解除方法，將是促進(jìn)井壁穩(wěn)定和保護(hù)煤層的有效手段[12]。
目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種煤層專用鉆井液，但受到國(guó)外誤導(dǎo)以及國(guó)內(nèi)相關(guān)評(píng)判指標(biāo)的缺乏，這些煤層專用鉆井完井液均未獲得規(guī)?；瘧?yīng)用[13-16]。渤海鉆探工程公司針對(duì)煤層割理發(fā)育、膠結(jié)差、強(qiáng)度低、低孔隙、低滲透、低壓力，煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井清水鉆井井下事故復(fù)雜多，傳統(tǒng)鉆井液煤層損害嚴(yán)重等鉆采難題，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了適用于煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井裸眼完井的可降解鉆井完井液，該鉆井完井液具弱凝膠性質(zhì)，濾失量較小，殘?jiān)实?，解吸?大于95％)和滲透率恢復(fù)率(大于80％)高的特點(diǎn)。北京力會(huì)瀾博公司研制的絨囊鉆井液，煤樣切片滲透率恢復(fù)率大于96％，顯示了較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果，多口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該鉆井液穩(wěn)定煤層井壁效果顯著。
6 結(jié)論和建議
直井已經(jīng)不能滿足我國(guó)煤層氣高效勘探開(kāi)發(fā)需求，而煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井則面臨鉆井事故復(fù)雜多，煤層損害嚴(yán)重、煤層氣產(chǎn)量仍然偏低的難題，嚴(yán)重遲滯了煤層氣勘探開(kāi)發(fā)步伐，影響了相關(guān)企業(yè)勘探開(kāi)發(fā)煤層氣積極性，必須針對(duì)以上問(wèn)題，解放思想、沖破國(guó)外理論及思想束縛，努力創(chuàng)新、大膽實(shí)踐，不斷探索煤層鉆采新思路[17-19]。
目前，煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井事故復(fù)雜。主要基于鉆井安全與煤層保護(hù)的矛盾。為了保護(hù)煤層氣資源，國(guó)內(nèi)普遍采用清水作為鉆井液鉆進(jìn)煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，因而，井塌、埋鉆具等事故復(fù)雜時(shí)有發(fā)生，經(jīng)濟(jì)損失巨大。傳統(tǒng)鉆井液技術(shù)雖能較好地解決井壁失穩(wěn)問(wèn)題，但其損害煤層嚴(yán)重，煤層產(chǎn)氣極低甚至不產(chǎn)氣?？梢?jiàn)，煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井液是影響煤層氣高效鉆采的主要因素。因此，建議加強(qiáng)對(duì)煤層專用鉆井液、煤層損害解除方法的研究，盡快制定煤層氣鉆井相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法和礦場(chǎng)評(píng)價(jià)方法的行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
煤層氣復(fù)雜地質(zhì)條件決定了其產(chǎn)量偏低的先天不足，礦權(quán)制度限制了煤層氣開(kāi)采企業(yè)積極性，低成本開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略則使煤層氣鉆采新技術(shù)研發(fā)舉步維艱。因此，探索礦權(quán)制度改革，開(kāi)展煤層氣與常規(guī)氣及致密氣合采關(guān)鍵技術(shù)研究，將有助于提高企業(yè)煤層氣開(kāi)采積極性，帶動(dòng)煤層氣鉆采新局面。加大資金投入，不斷深化煤層鉆井新技術(shù)研究，積極開(kāi)展煤層氣多層鉆完井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井增產(chǎn)措施配套技術(shù)研究，將是提高煤層氣勘探開(kāi)發(fā)效益的有效途徑。
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