空气潜孔锤钻井工艺在煤层气开发中的应用

煤层气欠平衡钻探技术初探~

王永丰1　王怀洪21　汤振清1　孙文洁1
（1.山东省煤田地质局第三勘探队 泰安 271000；2.山东科技大学地球信息科学与工程学院 青岛 266510）
作者简介：王永丰，1969年生，男，汉族，山东荣城人，高级工程师，探矿工程专业，从事钻探技术及施工管理工作。
摘要 在以往的煤层气钻孔施工中，空气洗井潜孔锤钻进是大口径直井快速钻进的有效施工工艺，但随着煤层气钻探的不断发展，特别是复杂地层的煤层气定向丛式水平井施工，空气洗井有其约束性。笔者根据煤层气勘探施工的特点，采用自然法与人工诱导法相结合，以淀粉泥浆入工混气的方法实施欠平衡钻井技术，取得了良好的应用效果。
关键词 煤层气 泥浆 欠平衡钻进
A Preliminary Research of Underbalance Drilling Technology of CBM
Wang Yongfeng，Wang Huaihong，Tang Zhenqing，Sun Wenjie
（1.No.3 Geological Team，Shandong Bureau of Coalfield Geology，Tai'an 271000；2.Colloge of Geoinformation Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510）
Abstract：Down-hole hammer drilling by air flushing well is an effective drilling technology of the fast heavycaliber vertical shaft drilling during the former CBM drilling operations.But along with the development of CBM drilling technology，air flushing well has its restrictions，especially in complex stratum during directional drilling.The author has obtained the good application effect of under balance drilling，which combines natural and manual inducement methods and artificially mixes the gas in the starch mud according to the characteristics of CBM drilling.
Keywords：CBM；mud；under balance drilling
我国煤层气储量仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位，并且有近一半矿井为高瓦斯或瓦斯突出矿井。近年来，我国煤层气的勘探开发有了实质性进展，国家有关部门和地方政府都在积极支持这项工作，已经把煤层气的开发列入《中国21世纪议程优先项目计划》，使煤层气成为我国新的替代能源。这为地质勘探单位创造了新的地质市场和发展空间，笔者根据在煤层气井施工中的经验，浅显谈谈煤层气钻探欠平衡钻探技术的初步应用。
1 大口径煤层气井的施工
大口径、中深孔可以更多地揭露煤层的孔隙和裂隙，从而能够分析研究存在于孔隙或裂隙中的游离煤层气。我单位多年从事深水井和地热井的施工与研究，在煤层气大口径直井施工有一定的优势。根据地热井和水源井的施工经验，采用空气洗井潜孔锤大口径钻井工艺，对煤层气井施工能够取得较好的效果。
就目前的设备，水源钻机已远远不能满足大口径煤层气快速成井的要求，多功能车载钻机是下一步发展的方向。其原因有两方面：一是多功能钻机的适应性广，不仅适应大口径直井的施工，更重要的是适应煤层多分支水平井施工的需要；二是适合煤层气开采井多中钻进工艺的需求，满足煤层气群孔和机动性需要。
依靠普通泥浆护壁的钻探技术不能适应我国低压煤层气开采。气动潜孔锤钻进，除满足煤层气疏通孔隙的要求外，更重要的一点是满足快速钻进。在实际钻探中发现，气动潜孔锤钻进受很大部分地层的约束，如气水含量高的煤层，特别是煤系地层结构复杂、含水压力高的地层，气动潜孔锤钻进工艺表现在启动困难、增压设备和动力的需求比较大。如何发挥设备的优势，势必进行新工艺的研究。
2 泡沫泥浆
在煤炭地质勘探钻孔钻进中，经常遇到的是煤系地层的稳定性较差，受局部地质构造影响较大，部分层段的岩层结构松散。特别是中小构造带内的断层角砾岩或充填松散物，在气动潜孔锤钻进的扰动下，形成很不稳定的滑移、坍塌现象，造成孔故多发性。同时，煤层所处的构造位置及其活动情况决定了煤层气的保存状况。正断层断开了煤层，会减少单井的煤层气储量，而逆断层则使煤层重复，从而增加煤层气的储量。气动潜孔锤钻进遇此类情况时，钻进工艺参数会发生大幅度的急剧变化，处理不当会造成孔故。泡沫泥浆所需动力较气动潜孔锤的动力要小的多；钻进工艺参数容易控制；钻遇复杂地层护壁和携粉能力强于气动潜孔锤钻进工艺，对孔壁的扰动小；添加润滑剂减轻卡、阻力。综上所述，应用泡沫泥浆钻进是在煤系复杂地层直井钻进替代气动潜孔锤的最优选择，也为欠平衡钻井技术的应用提供了先决条件。
另外最重要的一点，随着煤层气开采中多分支水平井的逐步增多，气动潜孔锤钻进不能适应丛式水平井的施工，在水平丛井施工中应用好泡沫泥浆，会发挥无可比拟的作用。
3 欠平衡钻井技术
在煤层或煤系地层上部地层的钻进中，普通工艺钻进采用防塌泥浆可以有效使牙轮钻头发挥水力作用。即使是煤系地层，也可以提高钻头的碎岩效率，减轻对煤层伤害程度。但随着煤层气开采技术的不断发展，减少外来流体中的固体颗粒对煤气层的损害；减少煤气层内部颗粒运移造成的损害；尽量减少泥浆中粘土颗粒的水化膨胀堵塞孔隙；避免流体的不配性对煤气层的损害；避免水锁效应。因此引进欠平衡钻井液技术，可以大大避免以上对煤层气的损害。
煤层气钻井欠平衡钻进技术有其自身的使用范围和优点。实践表明，欠平衡钻井技术适用于以下情况：高渗弱胶结地层；含有对水基钻井滤液敏感成分的地层；可能与滤液极不相容的地层、接近束缚水饱和度的脱水地层。不适合于进行欠平衡钻井的情况为：a.孔壁不稳定；b.地层孔隙压力不清；c.地层压力高、裂隙发育；d.同一孔内压力系数差别大的井。欠平衡钻井技术与常规钻井技术相比，具有以下优点：a.减轻地层伤害，提高煤层气产量；b.提高钻井效率，降低钻井成本；c.及时识别煤层气产层；d.可实现边钻边生产；e.避免井漏，防止或减少压差卡钻；f.可进行随钻煤层气评价。
目前，实现欠平衡钻井的主要方法有自然法和人工诱导法两种。自然法就是当地层压力系数大于1.10时，可采用降低泥浆比重来实现欠平衡钻井；人工诱导法就是当地层压力小于1.10时，采用常规钻井液无法实现欠平衡钻井施工时，可采用可压缩钻井液实现欠平衡钻井。
煤层气欠平衡钻井技术是一项复杂技术，涉及多项不确定因素，因此应进行从工程具体情况分析，确保获得最大经济利益。其关键技术包括：a.欠平衡钻井设计；b.根据地层压力确定采用自然法还是人工诱导法；c.应实时监测作业参数和瓦斯产出量；d.欠平衡钻井作业的控制技术；e.产出流体的地面处理；f.测量技术。
4 欠平衡钻井技术的初步应用
在某煤层气水平井的钻进中，根据原施工的煤层气压力测试的数据，由于煤层气的压力较低，应用普通低固相粘土泥浆，由于其携带岩粉上返泥浆的比重难以控制，常常会对造成煤层气储层损害、煤层气产量降低。主要原因为：地面配制的泥浆比重虽满足自然法降低泥浆比重来实现欠平衡钻井，但在钻进过程中，特别是快速钻井时，上返泥浆中携带的岩粉含量对泥浆比重和环空压耗的影响很大，且难以及时控制；泥浆中的固体颗粒在压差的作用下在形成泥皮前侵入储层，造成储层煤气流通通道的堵塞，储层渗透性降低；煤层中的泥土质夹矸和煤层顶板为破碎泥岩含有的粘土易水化膨胀，加剧对煤层气的损害；水锁效应等。
如何进行欠平衡钻井，应首先从降低泥浆比重入手，采用自然法与人工诱导法相结合。单纯采用人工诱导施工在水平井钻进中存在一定的施工难度。尤其是煤层的顶板破碎，维护煤层顶板的稳定和保护煤层气开采是关键。选用无固相类泥浆不利于保护井壁，不利于平衡地层压力，使用粘土泥浆就必须控制对煤层气损失因素，降低膨润土含量的同时要发挥粘土泥浆的优势。其次考虑低失水和良好的稳定井壁作用，在有自由水侵入的状态下，也能保持低的失水量和良好的护壁性。经过筛选，选择改性淀粉低膨润土充气泡沫泥浆钻进，改性淀粉泥浆的优点在于添加改性淀粉含量的同时，不增加泥浆的粘度，有效降低泥浆中的粘土含量，抑制粘土的分散，大大降低泥浆的失水量，与泡沫剂和润滑剂、乳化剂结合效果好等。最重要的一点是形成的泥皮在常温下随着时间的增加而逐渐起泡变得疏松，有利于煤层气的开采。
在改性淀粉低固相泥浆中添加润滑剂和少量的乳化剂，充分搅拌均匀后，再加入一定量的起泡剂和稳定剂，直接利用压力喷射在泥浆池中将空气混入泥浆，形成含有细小泡沫的充气泥浆。钻进中保证充足的泥浆备用量，及时监测泥浆并及时喷射混气。施工时在井口处设置瓦斯含量测试仪并强制对现场通风。应用这种泥浆成功完成了水平井段的施工，获得了较好的效果，钻进结束后，通过对直井段顶浆降压处理，煤层气产量在试抽的第二天达到预想的稳定产量。
5 结语
随着勘探技术的发展，大口径一次成井的钻探技术不断成熟的基础上，开展欠平衡钻井技术的研究，对煤层气的开采显得尤为重要。欠平衡钻井是近年来重点发展的钻井技术。欠平衡钻井技术成熟的应用，有利于煤气层保护特别是水敏性、低压低渗及复杂的煤气层的保护。随着勘探开发的不断深入，地层情况对钻井技术的要求越来越高。加速探索并工业化推广应用欠平衡钻井、泡沫泥浆钻井对保护煤气层，加深地质认识和加快勘探节奏具有重要的战略意义。目前欠平衡钻井、空气钻井已经取得了一些成果，见到了明显效果，尽管还有很多需要完善的地方，但必将在今后的煤层气勘探开发中扮演越来越重要的角色。
参考文献
杨申镳，1994.煤层气勘探与开发，山东省东营市，石油大学出版杜，P20～21

刘贻军 张国良
（中联煤层气有限责任公司 北京 100011）
作者简介：刘贻军，男，1968年生，博士，主要从事石油天然气、煤层气的地质研究和区域评价工作，以及煤层气储层特性和开发潜力研究，煤层气对外合作项目管理等，已公开发表论文十余篇。通讯地址：北京东城区安外大街甲88号中联煤层气有限责任公司，邮编：100011。
摘要 我国煤层气资源丰富，对外合作开发煤层气将在我国煤层气产业发展中发挥巨大作用。它能够弥补资金、技术、管理方面的不足。对外合作实行产品分成合同模式。煤层气资源对外合作勘探开发工作经过近十年的规范运作，取得了丰硕成果，截至2006年7月底，中联公司先后与16家外国公司（不包括后续转让的外国公司）签订了27个煤层气资源开采产品分成合同。截至2005年底，对外合作区块内已施工各类煤层气井254口，压裂、排采204口井，二维地震2065km，建立了7个先导性开发试验井组，取得了具有商业价值的煤层气产量，累计吸引外资1.8亿美元。山西晋城潘庄对外合作项目、柿庄南项目等正在编制总体开发方案（ODP）；正在实施的注入二氧化碳提高煤层气采收率和二氧化碳埋藏的中加两国政府间合作项目以及正在开展的CDM项目，扩大了对外合作范围，为对外合作提供了一个新的合作模式。煤层气开发技术得到不断创新，垂直井空气钻井技术、煤层气多分支水平井技术、胶压裂技术等得到试验应用。煤层气资源对外合作正在朝深度、广度发展。
关键词 煤层气 资源 对外合作 开发 技术
Booming CBM Exploitation with Foreign Cooperation in China
Liu Yijun，Zhang Guoliang
（China United Coaled Methane Corp.，Ltd.，Beijing 100011）
Abstract：Caolbed methane（CBM）exploitation with foreign cooperation is in a significant role in development of China CBM using product sharing contract（PSC），which can provide investment，advanced technology and management.The standardized implementation of PSC has lasted over 10 years，and lots of achievements have obtained.CUCBMhas signed 27 PSC with 16 foreign companies with the exception of transferred companies by the end of July 2006.There are 254 CBM wells drilled，204 wells fractured and produced，2065kmtwo-dimension seismic conducted，and 7 projects carried out joint geological study in blocks with foreign cooperation by the end of 2005.The commercial CBM production has been achieved.The total foreign investment reaches 0.18 billion US Dollars.Shanxi Jincheng and Shizhuang South Projects are being worked out Overall Development Program to be submitted to the central government.The project of CO2injection and enhanced CBM recovery and sequestration cooperated with Canadian government and CDM enlarged the scope of foreign cooperation and provided new model.The technologies used in foreign cooperation projects have been innovated in terms of air drilling technology，multi-lateral drilling technology and gel fracturing technology.CBM exploitation with foreign cooperation are deepened and expanded.
Keywords：Coalbed Methane；Resources；Foreign Cooperation；Exploitation Technology
引言
我国煤层气资源丰富，根据最近一轮煤层气资源评价结果（2000年），埋深2000m以浅的我国煤层气资源总量为31.46×1012m3，相当于450×108t标准煤，与陆上常规天然气资源量相当，位列世界前三位，占世界前12个国家煤层气资源总量的13%。
我国地面勘探开发煤层气始于20世纪80年代末期，经过近二十年的发展，在煤层气基础理论研究、煤层气勘探开发技术、煤层气商业化生产等方面取得了突破性进展。我国第一个地面开发煤层气田——沁南煤层气田即将形成，为煤层气产业规模化生产奠定了基础。煤层气资源对外合作勘探开发也在不断完善、发展和壮大，为我国煤层气产业发展提供了强有力的技术、资金以及管理方面的支持和补充，加快了煤层气资源的开发进程。
1 煤层气资源对外合作的战略地位
在全国煤层气勘探试验所取得成果的基础上，我国政府为继续总结经验，促进煤层气产业的早日形成和有序发展，经国务院批准，中联煤层气有限责任公司（简称“中联公司”）于1996年5月正式成立，成为我国煤层气产业的龙头骨干企业，在我国煤层气产业中起主导作用。中联公司是专门从事煤层气勘探、开发、生产、销售、利用和输送的国家公司，同时享有对外合作进行煤层气勘探、开发、生产的专营权，煤层气对外合作项目由中联公司统一组织对外招标、谈判、签约、执行。
通过国际合作，引进资金，引进技术，提高自身的发展水平，将是促进我国煤层气产业形成和发展的一种重要形式。在引进资金弥补我国开发利用煤层气资源资金投入不足的同时，学习和吸收国外先进技术和管理经验，结合不同于美、加、澳的煤层气资源类型以及自身的优势和特点，推动技术创新，提高技术装备水平和自主创新能力。
在中联公司成立之前，我国煤层气产业利用外资缺乏统一的规划、协调和管理，外资利用模式不统一，合同不规范，形成多头对外、无序竞争，损害了国家利益。同时，煤层气项目立项和申报不规范，不统一。有的项目未经审批就签署了合同，有的项目进入军事禁区，危及国家安全。而且，在合同执行过程中，由于缺乏对外合作经验，使合同执行监管不力，投资力度小。
中联公司成立后，在政府有关部门的指导下，借鉴我国海洋石油和陆上石油天然气对外合作的经验，依照油气工业国际合作惯例，规范了我国煤层气对外合作秩序，煤层气对外合作统一采用产品分成合同为其对外合作主导模式。1997年原国家外经贸部批准了煤层气产品分成标准合同。在原国家计委的领导下，对前期的煤层气外资项目进行了规范，将已有合同修改转化为产品分成合同。这不仅维护了我国作为资源国的主权利益，同时也有效保护了外方合同者的利益，增强了外方合同者的投资信心。
中联公司不仅规范了煤层气对外合作产品分成合同，而且在总结对外合作经验的基础上，建立了包括煤层气对外合作立项报批、合同谈判及签署、合同报批及合同执行等一整套煤层气对外合作程序、项目联合管理等管理模式和体系。煤层气资源对外合作勘探开发已经步入良性循环发展的阶段，即将进入商业性规模化生产。
2 煤层气资源开发对外合作取得的主要成果及经验
2.1 煤层气资源开发对外合作取得的主要成果
我国煤层气资源虽然分布广，总量多，但勘探开发力度相对较小，勘探程度低。从20世纪80年代末，煤炭、石油、地矿以及地方政府和外国石油公司开始进行煤层气的研究、勘探和开发试验工作。据不完全统计，截至2005年年底，全国共施工地面煤层气井591口，完成7个煤层气试验井组和一个示范工程项目，其中，中联公司及其合作者共施工437口。我国50%以上的煤层气井主要分布在晋、陕地区。全国投入煤层气勘探开发的资金约21～22亿元入民币。我国已探明煤层气储量1023.08×108m3，其中地面开采探明地质储量754.44×108m3，矿井抽放探明地质储量268.64×108m3，约占煤层气资源总量的0.3%。
中联公司经过积极努力，与美国德士古公司于1998年1月8日在入民大会堂签署了我国第一个煤层气产品分成合同，即淮北地区煤层气资源对外合作产品分成合同，开启了我国煤层气对外合作的新篇章。截至2006年7月底，中联公司先后与16家外国公司（不包括后续转让的外国公司）签订了27个煤层气资源开采产品分成合同，合同区总面积超过35000km2。截至2005年年底，对外合作区块内已施工各类煤层气井254口，压裂、排采204口井，二维地震2065km，以及7个项目的联合地质研究，建立了7个先导性开发试验井组，取得了具有商业价值的煤层气产量，累计吸引外资1.8亿美元，合作地区范围广阔。
（1）山西晋城潘庄项目：该项目位于晋城市辖区，合同区已经获得了国家批准的煤层气探明地质储量。此项目外方作业者为萨摩亚美中能源有限公司，晋城煤业集团作为中联公司的中方合作伙伴，参与该项目。该项目在原有7口井井组试采和储量报批的基础上，现已委托有关部门完成了总体开发方案的设计和环境评估报告的编制，并进行了市场调研。已完成150口井的钻井，大部分井进行了压裂和排采，建成了压缩气站，煤层气用于供晋城市民以及气田发电。
（2）山西柿庄南项目：位于晋城地区，此项目原为国内自营项目，获得了国家批准的探明地质储量。于2003年与美国格瑞克能源（国际）公司合作。该区累计钻井27口，压裂、排采22口井，二维地震375.2km，地质填图50km2。经过对15口井组超过3年的排采试验，井组单井平均日产气量在2000m3以上，单井最高日产气量达6000m3。该井组累计产气超过1000×104m3，累计销售煤层气约170×104m3。该项目已经建成了井间输气管网和小型压缩气站一座，安装了两台400 kW燃气机组。
（3）山西寿阳项目：位于山西省中部、沁水盆地的北端，行政区划隶属于晋中市寿阳县、榆次区管辖。中联公司与美国菲利普斯公司于2002年4月16日签订合同；2003年6月，康菲公司与美国远东能源公司签订寿阳项目转让协议，并由远东公司接任作业者。该区块共施工了8口煤层气井和针对煤层气的167km二维地震勘探，取得了宝贵的参数和认识。目前已完成3口（FCC-01H、FCC-02H、FCC-03H）多分支水平井的钻井作业，总进尺超过10000m，正在进行排采作业。
（4）三交项目：该项目位于山西省离石市，最早由中联公司与美国阿科公司于1998年6月29日签署。目前与奥瑞安能源（国际）公司合作，已完成20口煤层气参数和生产试验井，2个先导性井组——林家坪试验排采区和磺口试验排采区（图1）。林家坪试验排采区：井组最高日产气量达9800m3，平均日产气量稳定在4500～6000m3，日产水量最高达到800m3。磺口试验排采区：井组最高日产气量达9600m3，平均日产气量稳定在4300m3。最高日产水量达300m3，平均日产水量220m3。

图1 三交区块与试验场井位图

（5）山西保德项目：位于山西省保德县，目前外方合作者是雪佛龙德士古公司和必和必拓公司。已经累计完成10口勘探井，2006年计划完成3口参数井和4组水平井试验井组，力争2010年建成年产能3×108m3的煤层气田。
（6）注入二氧化碳提高煤层气采收率：中联公司正在实施的注入二氧化碳提高煤层气采收率和二氧化碳埋藏的中加两国政府间合作项目，扩大了对外合作范围，为对外合作提供了一个新的合作模式。该项目的实施有助于深埋二氧化碳、保护大气环境、提高煤层气单井产量。2002年8月，外经贸部、加拿大驻华大使馆、中联公司、加拿大联合体联合签署了该项目的执行计划。2004年4月，中联公司与加方合作已成功完成了在沁水盆地南部TL-003井的野外二氧化碳注入试验，共向该井的目标煤层中注入193t的纯净二氧化碳。试验证明，沁水盆地南部的无烟煤通过注入二氧化碳不仅能够提高煤层气的采收率，而且也适合于进行长期二氧化碳的埋藏。目前，中联公司与加方合作正在进行多井注入试验的设计和模拟工作，计划将该技术在我国更多的地区进行推广。通过该项目的实施，中联公司将是国内独家拥有该项先进技术的公司。该项技术是一项具有国际前沿水平的技术，也是我国煤层气产业长期发展的储备技术。
（7）开展CDM项目：中联公司与国家环保总局联合建立了煤层气CDM项目办公室，旨在促进我国煤层气CDM项目进展，开辟我国煤层气利用外资的新渠道。
2.2 煤层气资源对外合作的经验
经过近十年的煤层气资源规范对外合作，中联公司已经在煤层气对外合作方面积累了一定的经验。
一是中外双方进行联合地质研究，作用显著。煤层气开发的对外合作与常规油气不同，中方对煤层气田拥有更详实的资料，在地质条件分析上更有经验。中、外专家两个资源的结合，可以起到优势互补。安徽淮北项目是第一个进行联合地质研究的项目，目前对外合作项目已有7个联合地质研究。通过进行联合地质研究，评价了煤层气有利区带并提出了勘探井位选定建议，对勘探井的部署起到了积极指导作用。这种联合研究的方式与常规油气单纯出售资料包相比，既节省外方研究的资金和时间，又能达到研究结果详实可靠的目的，也发挥了中方专家的特长，是煤层气对外合作的创新，外方非常满意。
二是在新区块煤炭勘探程度很低，对区内基本构造轮廓、煤层埋深、煤层厚度等煤层气基本地质情况了解很少时，可以选择浅层、低覆盖次数（一般16 次覆盖，2000m 深度）的二维地震勘探和小井眼煤层气参数井，以获取区块构造特征、断层发育情况、主力煤层埋深、厚度分布特征、主力煤层含气性以及储层渗透率和压力等煤层气地质和储层参数。这样可以节约勘探时间和费用，也能够为下一步部署煤层气参数+生产试验井提供比较充足的依据。马必项目对这种勘探模式作了很好地尝试，取得了良好效果。
三是重视培育和落实煤层气利用市场。没有市场，煤层气开发没有任何经济价值，市场不落实，乃是煤层气开发的最大风险。目前，中外合作双方都十分重视培育和落实煤层气市场。如美国Texaco公司在淮北合同签订之初，对煤层气利用的市场潜力，进行了摸底调查。BHPB在进入准格尔煤层气项目前，进行了煤层气市场调研。经过市场调研，初步摸清项目的煤层气市场潜力（供求与气价关系）、能源需求及利用方式、输气管网建设，对项目总体规划和阶段安排具有非常重要的意义。
3 不断创新的对外合作煤层气开发技术
3.1 空气潜孔锤钻井及套管完井技术
煤层气开发井采用空气钻井技术，具有钻井效率高、设备数量少、易于搬迁，非常适合于丘陵地区施工。同时，对煤层气储层伤害小，对环境污染小，而且大大降低了工人劳动强度。
空气钻井工艺：井身结构为一开钻头 φ311mm，二开钻头 φ215.9mm；表层套管φ244.5mm，生产套管φ139.7mm。二开采用潜孔锤空气泡沫钻井，钻井效率很高，一般日钻井进尺达到240m，是常规小钻机无法比拟的。这种钻井技术在煤层气开发中应用前景广阔。
3.2 多分支水平井钻井及裸眼完井技术
多分支水平井是20世纪90年代中后期在常规水平井和分支井的基础上发展起来的新技术，在煤层段实行裸眼完井，有时可以下塑料筛管。
中联公司与美国远东能源公司合作的山西寿阳项目已实施三口多分支水平井，目前正在进行排采作业。其中FCC-01H井钻井总进尺3681.5m，其中煤层内进尺2487.7m，主分支长超过1600m，6个分支总进尺超过2000m。
澳大利亚已成功实施了利用中半径水平井技术开发煤层气，取得了良好的开发效果和经济效益。目前山西保德项目正在采用此项技术进行先导性井组钻井作业。
据预测，我国煤层气产业的发展将从当前的井下抽放为主，逐步过渡到以地面开发为主；从当前以直井开发为主，逐步过渡到煤矿区“先抽后采”，变“被动抽放”为“主动开发”的多分支水平井开发为主。
3.3 压裂技术
胶加砂压裂也是一种潜在可供选择的煤层气开发新技术。由于我国埋深800m 以浅的煤层气储层温度低，必须选用低温破胶、携砂能力强的压裂液。淮北地区主力煤层埋深较浅的地区采用胶加砂压裂效果不理想，主要是破胶不完全，反而堵塞了煤层气产气通道。该技术仍然是今后煤层气开发的一种新选择。
4 煤层气资源对外合作展望
首先，应当认真执行已签署的煤层气产品分成合同，寻求煤层气商业化突破作为工作重点。对合同执行好、勘探程度高的合同区块，我们要加大支持力度，在技术人员配备、与各级政府部门协调方面给予积极配合和支持。在执行合同过程中，锻炼队伍，不断提高中方人员的专业水平，创造对作业者有利的外部环境，为合作区块尽快进入商业性开发而努力。
其次，创造条件，扩大开放，积极寻找新的对外合作区块。
第三，扩大对外合作领域，开展多种合作模式，注意引进科技合作。我国煤层气资源地质条件较为复杂，开发适用于我国的增产技术十分必要。中联公司正在实施的中加注入二氧化碳提高单井气产量和二氧化碳埋藏的政府间合作项目，扩大了对外合作范围，为对外合作提供了一个新的合作模式。鼓励外商投资煤矿瓦斯抽采利用项目，并参与煤层气（煤矿瓦斯）项目的技术合作及基础设施建设，推进煤层气（煤矿瓦斯）项目上下游一体化发展。积极开展煤层气资源开采对外合作的多种模式，CDM项目的开发，以及煤矿区内的煤层气资源开采的对外合作。
第四，选定靶区，集中力量重点突破，实现探采协调、滚动发展，争取使基本具备条件的合作区块尽快进入规模化商业性生产。我们积极配合和督促外方作业者，使已获得国家批准煤层气探明地质储量的山西晋城潘庄项目、山西柿庄南项目能够尽快完成总体开发方案（ODP）的编制工作，抓紧进入开发阶段，与本公司潘河示范项目相配套。对于在勘探期已获得比较好的煤层气储层参数和良好的气测显示的项目，尽快推动进入先导性生产试验阶段，获得产能参数，准备提交煤层气探明地质储量报告并编制总体开发方案。
5 结论
我国社会经济的可持续发展对清洁能源提出了更高的要求。我国煤层气的资源优势及市场潜力，决定其将与常规天然气一起在我国能源可持续发展的战略中作为现实可靠的清洁气体能源占有一定地位，是天然气的很好补充。煤层气开发技术得到不断创新，不断尝试应用垂直井空气钻井技术、煤层气多分支水平井技术、胶压裂技术等。对外合作开发煤层气将在我国煤层气产业发展中发挥巨大作用，能够弥补资金、技术、管理方面的不足。煤层气产业方兴未艾，具有光明的发展前景。

孙建平

（中联煤层气有限责任公司 北京 100011）

摘要 空气潜孔锤钻井工艺采用压缩空气作为动力兼循环介质，驱动潜孔锤工作，在煤层气井施工中实现欠平衡钻井，能提高钻井效率，降低煤层气开发成本，减少对煤储层的伤害。

关键词 空气潜孔锤 钻井 煤层气

Application of Air-flush Hammer Drilling Technology in CBM Development

Sun JianPing

（China United Coalbed Methane Corp.，Beijing 100011）

Abstract：The air-flush hammer drilling technology uses compressed air as the power and circulation medium to drive working of the hammer，which can realize under balance drilling of CBM，enhance drilling efficiency，lower development cost and relieve the damage to coal reservoirs.

Keywords：Air-flush Hammer Drilling；Drilling；CBM

前言

空气潜孔锤钻井工艺是一种以压缩空气作为动力介质，驱动潜孔锤工作的欠平衡钻井工艺。在国外钻井施工中，由于空气潜孔锤钻井工艺具有钻井速度快，对储层的伤害小的特点，得到了广泛利用。空气潜孔锤钻井工艺适用于钻井直径102～311mm，钻井深度小于1000m，地质条件相对简单的钻井。煤层气井一般设计深度在300～1000m之间，生产套管直径多为139.72mm，地质条件相对简单，对储层保护要求高，非常利于空气潜孔锤钻井工艺的推广使用。为了在煤层气开发中缩短建井周期，降低建井成本，克服丘陵地区设备搬迁困难，中联煤层气公司在山西沁水潘河项目煤层气钻井工程中引进了两台T685WS空气潜孔锤钻机进行施工，取得了较好的效果。

1 空气潜孔锤钻井工艺原理

空气潜孔锤钻井工艺是一种以压缩空气作为动力介质，驱动潜孔锤工作的欠平衡钻井工艺。压缩空气兼做洗井介质，将井底岩屑携带至地面。在岩石硬度较大的地层中钻进时，空气潜孔锤钻井工艺与常规钻井工艺相比，能大大提高钻井效率。空气潜孔锤钻井效率高，有以下几个有利因素：

（1）作用在潜孔钻头切削刃具上的载荷为冲击载荷，接触应力瞬时可达极高值，应力集中，促进岩石裂隙发育。

（2）切削刃具磨损减少。

（3）冲击频率高，有利于岩石破碎。

（4）井底干净，最大限度地减少了重复破碎。

2 空气潜孔锤钻井工艺的特点

与常规钻井工艺相比，空气潜孔锤钻井工艺具有以下特点：

（1）钻进效率高。在潘河项目钻井施工中，钻进基岩平均钻速达到了240m/d。

（2）设备数量少，易于搬迁，非常适合丘陵地区施工。

（3）对储层伤害较小。由于钻井时采用空气或空气泡沫作为钻井液循环介质，井内钻井液压力远低于地层压力，实现了欠平衡钻井；另外，由于空气潜孔锤钻进时，岩屑颗粒大，井底干净，大大减少了固相颗粒进入储层的可能。因此，空气潜孔锤钻井工艺能减少对储层的伤害。

（4）利于岩屑录井。采用空气潜孔锤钻井工艺钻进时，岩石破碎机理主要是依靠高频率冲击形成体积破碎，岩屑颗粒大，由于岩屑上返速度快，迟到时间极小，非常利于岩屑录井。

（5）对环境污染小。空气或空气泡沫中不添加任何化学试剂，岩屑上返至地面后，固相、液相及气相迅速分离，基本上不存在钻井液污染。

3 空气潜孔锤钻井工艺的适用范围

空气潜孔锤钻井工艺的推广使用主要受制于钻井井径及地质、水文条件。

3.1 钻井井径

空气潜孔锤钻井工艺携带岩粉的能力主要取决于空气上返速度，钻井外环空间过大时岩粉上返困难，因此空气潜孔锤钻井通常广泛用于井径400mm以下的钻井施工。目前，国外公司通过增加空气压缩机风量、风压，开始将空气潜孔锤钻井工艺用于井径400～600mm的钻井施工。

3.2 地质条件

空气潜孔锤钻井工艺最适宜钻进粗粒而不均匀的地层，在6～9级岩石中钻进效果尤为突出。钻进裂隙发育的地层时，往往由于空气漏失，风压下降，钻进速度相对降低。

3.3 水文条件

空气潜孔锤钻井时，空气快速上返造成井内液注压力远小于地层压力，形成抽水现象，如水量大于10m³/h，钻速将大大下降。

3.4 钻井深度

钻井深度超过1000m时，由于受风压机风压、风量的限制，岩粉返排困难，空气潜孔锤钻井工艺钻进效率低于常规钻井工艺效率。

4 空气潜孔锤钻井工艺主要钻进参数的选择

影响空气潜孔锤钻井速度的参数主要是轴向压力、回转速度、冲击功及冲击频率等。对于不同硬度的岩石，参数的选择差异较大。钻进硬度小的岩石时，钻进参数应主要满足回转切削碎岩的要求；钻进坚硬但胶结不好的岩石时，钻进参数应满足冲击碎岩的需要，以形成体积破碎；钻进坚硬致密的岩石时，钻进参数则应满足冲击和回转两种碎岩作用。

5 工程实例

在山西沁南潘河煤层气项目施工中，空气潜孔锤钻井工艺得到了大规模的推广使用。

5.1 潘河项目煤层气井钻井工程概况

潘河煤层气井主要布置在沁水盆地潘庄1号井田，一期工程第一阶段共布置煤层气井40口，目标煤层为3^＃煤层，厚度约6m。该区钻井设计井深 300～520m，采用直径139.72mm生产套管完井，布井间距300m。该区煤层稳定，构造简单，但地形起伏较大，不适于大型设备搬迁。为减少井场占地面积，提高钻井速度，并降低对煤储层的伤害，引进了两台T685WS空气潜孔锤钻机进行施工。

5.2 T685WS 空气潜孔锤钻机主要配置及性能

T685WS空气潜孔锤钻机是美国Schumm公司生产的车载顶驱钻机，车身长15m，宽2.3m，自重30t，主要配置如下：

5.2.1 动力系统。主发动机为康明斯QSK-19型，功率563kW，由曲轴前法兰盘向液压泵提供动力，从飞轮一端驱动空压机。

5.2.2 回转及提升给进系统。由全自动液压动力头驱动，最大提升能力45t，最大扭矩12045N·m，转速0～143r/min无极调速。该钻机顶驱动力头既可加压给进，也可通过上提钻具减压给进。

5.2.3 井架结构。井架为焊接的巨型钢管结构，最大提升高度11.80m。井架底部的滑块箱内有用于114mm、203mm、368mm标准钻具的滑块套子。井架底部最大开口直径为711mm。

5.2.4 空压机系统。该钻机配置两挡油淹没旋转螺杆空压机，配有空气释放控制装置。空压机最大排量36m³/min，最大排放压力2.4Pa，并配有外接空压机、增压机接口。

5.2.5 操作系统。该钻机回转及提升给进系统操作手柄集中，可根据井内情况调节给进压力、转速。该钻机还配有起加卸钻具、套管的专用快绳。

5.3 空气潜孔锤钻井工艺使用情况

在潘河一期40口钻井施工中，有30口钻井采用空气潜孔锤钻井工艺施工。钻井结构均为一开井径311mm，二开井径215.9mm。在施工中，全井采用英格索尔-兰德公司生产的DHD系列无阀风动冲击器钻进。

5.3.1 钻进参数的选择。T685WS空气潜孔锤钻机常规配备的风压机出口压力为2.4MPa，风量为36m³/h。采用钻进参数见表1。

表1 钻进参数表

5.3.2 钻进效率分析。在潘河项目30口煤层气井施工中，26口井钻进时井内最大涌水量小于8m³/h，非常适合空气潜孔锤钻进。在施工中，最高钻速达30m/h，平均钻速10m/h，单井平均建井周期6.5天，仅为常规钻井工艺建井周期的一半。

其余4口井在施工中井内涌水量较大，最大涌水量达30m³/h，井内液柱压力大，岩屑上返困难，潜孔锤不能正常工作，钻速较低。为实现欠平衡钻进，通过钻机泡沫注入泵注入2%浓度的ADF泡沫剂，降低井内液柱压力，实现正常钻进。在这4口煤层气井的施工中，最低钻速达4m/h，平均钻速达7m/h，平均建井周期9d，较常规钻井工艺建井周期减少4d。

5.3.3 工程质量分析。在煤层气井钻井施工中，采用空气潜孔锤钻井工艺，不仅能大大提高钻井速度，还能提高井身质量，降低对煤储层的污染。潘河项目30口煤层气井井身质量见表2。

表2 井身质量统计表

采用空气潜孔锤钻井工艺施工煤层气井时，由于空气上返速度快，非常利于携带岩屑，避免了重复破碎，岩屑颗粒较大，能大大降低地质录井工作难度。在施工的30口井中，岩性剖面符合率达95%以上，煤层深度误差小于0.4m。

在保护储层不受伤害方面，空气潜孔锤钻井工艺主要采用欠平衡钻进，井内液柱压力远低于地层压力，对煤储层伤害远小于常规钻井工艺。

5.3.4 经济效益分析。采用空气潜孔锤钻井工艺施工时，施工设备数量少，非常利于搬迁，且钻进速度快，能大大提高经济效益。在潘河项目施工中，采用常规钻井工艺施工时，单井施工成本约为42万～45万元；采用空气潜孔锤钻井工艺施工时，单井成本约为37万～40万元。

6 空气潜孔锤钻井工艺推广使用的建议

在潘河项目煤层气开发中，空气潜孔锤钻井工艺第一次在国内得到了大规模推广使用。从使用效果看，空气潜孔锤钻井工艺能降低煤层气开采成本，确保井身质量，减少对煤储层的伤害，从而加快煤层气开发进程。但潜孔锤钻井工艺是否能对增加煤层气井产能有积极作用，还要经过开采过程的验证。

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让胡路区15581279615： 煤层气开采是否用水? - ？
尧贴人参： 您好,煤层气用水分为好几个阶段,在钻井过程中,使用清水或泥浆钻井液过程中都会使用到水作为钻井液.当然这个阶段如果使用空气潜孔锤(干旱缺水使用比较多的)钻进的话就不会用多少水了.如果煤层气储层渗透率达不到生产要求的话.需要进行清水,或清水加沙压裂,也会用到不少的水.排采阶段有楼上说借鉴石油的注水采气,应用不是很广.一般来说,都是排水(地层煤岩石中水)降压达到排采煤层气的要求.如果煤层气资源丰富,缺水情况下,还是可以克服条件进行大规模开采的

让胡路区15581279615： 煤层气钻井工艺特点？
尧贴人参： 总之就是要减少储层伤害,增加煤层气的解析,比如要用到暂堵型钻井液,羽状水平孔,枝状水平孔等~

让胡路区15581279615： 潜孔锤钻井应该注意些什么 - ？
尧贴人参： 操作方法及注意事项 ⑴保持钻具内孔清洁,以防将潜孔锤活塞卡住而不能工作,防止过快磨损内缸套和活塞. ⑵钻具接近井底0.3m时送风,待风返回井口后再开车转动钻具,扫到井底,潜孔锤工作正常后方可按正常参数钻进. ⑶加钻杆时把钻...

让胡路区15581279615： 井下动力钻具难点与分析 - ？
尧贴人参： 超深井施工中,特别是在高温高压段和深井段必须使用井下动力钻具进行施工,当前,井下动力钻具主要有:螺杆钻具、液动锤和涡轮钻具3种,其中螺杆钻具和涡轮钻具都属于回转破岩类动力钻具,液动锤则利用冲击进行破岩钻进.超深井中...

让胡路区15581279615： 煤层气开发流程是啥 - ？
尧贴人参： xiaoguan,给个最佳答案呗!煤层气开发的流程就是首先要划出煤层气的最佳储量优势地带,其次进行煤层气资源评估,第三进行地质资料收集,第四设计开发设计,第五钻井,第六完井,第七储层改造,第...

让胡路区15581279615： 为什么叫潜孔锤,风动潜孔锤和空气锤一样么? - ？
尧贴人参： 潜孔锤是空气潜孔锤钻进工艺施工所需设备,可能是行业说法不一样,风动潜孔锤与空气锤应该是一样的,都是以空气作为循环介质,作为动力能源达到连续钻进的目的.

让胡路区15581279615： 空气前孔锤施工工艺”是不是主要运用于喀斯特地貌 - ？
尧贴人参： 空气潜孔锤钻进工艺能够大幅度提高钻进效率,保证工程质量,降低施工成本,具有显著的技术经济效益.采用无循环干式作业,空气既作为动力又作为排渣介质,不污染环境.钻具对孔壁的碰撞机会较少,潜孔锤以高频对孔底冲击,避免了对岩石或倾斜地层产生孔斜的影响,从而可提高钻孔的垂直度,同时也可减少孔壁岩石坍塌.

让胡路区15581279615： 打井打到花岗岩还没有水 - ？
尧贴人参： 这个很正常的,与石油打井一样,打下去没有油,换一个地方再打.不是100%能够打到水的.

让胡路区15581279615： 煤层气井上下联合抽采的关键技术 - ？
尧贴人参： 正二○○九年六月内容提要一、概述二、复杂低渗煤层增透关键技术三、地面与井下联合抽采技术四、结论五、建议一、概述煤层气资源赋存情况:我国的煤层气(矿井瓦斯)资源量为36.81万亿m~3,居世界第三位.河南省煤层埋深2000m以浅的煤层气资源总量约1万亿m~3,平均资源丰度1.97亿m~3/km~2,是我省重要的新型能源.

让胡路区15581279615： 钻井工艺技术 ？
尧贴人参： (一)工程井钻井工艺在工程井钻井施工作业中分三开作业,以DS01-1井为例.一开直井段施工,二开造斜段施工,三开钻井时两井对接连通,连通后主井眼水平段钻进...