煤层气钻井工程设计

1、张遂安张遂安 教授教授/ /主任主任中国石油大学（北京）煤层气研究中心中国石油大学（北京）煤层气研究中A. 煤层气钻井工程技术方案煤层气钻井工程技术方案B . 煤层气钻井工程施工设计煤层气钻井工程施工设计取全取准各类煤储层参数：包括煤层厚度、煤层埋藏深取全取准各类煤储层参数：包括煤层厚度、煤层埋藏深度、煤岩煤质、煤层气含量、煤的吸附常数与等温吸附曲线、煤及其顶底度、煤岩煤质、煤层气含量、煤的吸附常数与等温吸附曲线、煤及其顶底板的力学性质、储层压力、煤层渗透率、原地应力等。板的力学性质、储层压力、煤层渗透率、原地应力等。 获取获取储层评价或产能评价必须的实际的储层评价或

2、产能评价必须的实际的生产生产数据及相关的工程参数数据及相关的工程参数。在获得较为理想的煤储层实测参数的基础上，进在获得较为理想的煤储层实测参数的基础上，进一步对主要煤层进行水力压裂和排采试验。一步对主要煤层进行水力压裂和排采试验。获取储层评价或产能评价必须的实际的井组获取储层评价或产能评价必须的实际的井组生产数据及相关的工程参数生产数据及相关的工程参数。以施工高质量井和获得高产气井为主要工程目的。以施工高质量井和获得高产气井为主要工程目的。本设计是在以往大量的煤田地质勘探成果和煤层气资本设计是在以往大量的煤田地质勘探成果和煤层气资源评价源评价以及勘探开发基础上进行的，本设计所依据的主要以及勘探

3、开发基础上进行的，本设计所依据的主要资料有：资料有： 井田煤田地质详查报告井田煤田地质详查报告 井田煤田地质精查报告井田煤田地质精查报告 煤层气煤层气参数井和参数井和 煤层气生产试验井成果煤层气生产试验井成果 煤层气勘探开发煤层气勘探开发成果等成果等地层地层构造构造煤系煤系煤层等煤层等国家标准国家标准GB/T 195592004 GB/T 195592004 煤层气含量测定方法煤层气含量测定方法GB/T 195602004 GB/T 195602004 煤的高压等温吸附实验方法（容量法）煤的高压等温吸附实验方法（容量法）企业标准企业标准煤层气钻井工程质量验收评级标准煤层气钻井工程质量验收评级标

4、准 煤层气钻井工程作业规程煤层气钻井工程作业规程煤层气地质录井作业规程煤层气地质录井作业规程煤层气测井作业规程煤层气测井作业规程煤层气井注入煤层气井注入/ /压降试井技术规范压降试井技术规范煤层气井压裂技术规范煤层气井压裂技术规范煤层气井排采工程技术规范煤层气井排采工程技术规范 考虑到排采过程中需要留有一定砂袋，因此煤层气井考虑到排采过程中需要留有一定砂袋，因此煤层气井完井基本原则是钻至最下一个目的煤层底界之下完井基本原则是钻至最下一个目的煤层底界之下404060m60m完钻。完钻。 根据本区地层条件，预计钻遇的主要地层如表所示。各井预想根据本区地层条件，预计钻遇的主要地层如表所示。各井预想柱

5、状图见柱状图见“井身结构与预想柱状图井身结构与预想柱状图”。表表 晋城预计钻遇的主要地层及钻井工程故障提示表晋城预计钻遇的主要地层及钻井工程故障提示表地地 层层 代代 号号故障提示故障提示系系统统组组第四系第四系Q防塌、防漏、防斜防塌、防漏、防斜二叠系二叠系上统上统上石盒子组上石盒子组P2s防斜、防漏、防涌防斜、防漏、防涌下统下统下石盒子组下石盒子组P1x山西组山西组P1s石炭系石炭系上统上统太原组太原组C3t中统中统本溪组本溪组C2b奥陶系奥陶系中统中统峰峰组峰峰组O2f防漏、防涌防漏、防涌 地球物理测井将执行地球物理测井将执行煤层气测井作业规程煤层气测井作业规程。煤层气井测井。煤层气井测井

6、包括：包括： 裸眼标准测井裸眼标准测井 裸眼综合测井裸眼综合测井 固井质量检查测井等。固井质量检查测井等。裸眼标准测井是对全井进行测井（深度比例为裸眼标准测井是对全井进行测井（深度比例为1:500），用以划分），用以划分地层，判别岩性。裸眼标准测井的测井项目有：地层，判别岩性。裸眼标准测井的测井项目有：l 双侧向双侧向 （DLL） 单位：单位：.ml 自然电位（自然电位（SP） 单位：单位：mvl 自然伽马（自然伽马（GR） 单位：单位：APIl 双井径（双井径（CAL） 单位：单位：cm1 1）裸眼标准测井）裸眼标准测井2）裸眼综合测井）裸眼综合测井 裸眼综合测井是对煤系地层和认为有必要的其

7、它井段进行更细致的测裸眼综合测井是对煤系地层和认为有必要的其它井段进行更细致的测井，用以进行岩性分析、划分煤层及夹矸、划分和判断含水层等。裸眼井，用以进行岩性分析、划分煤层及夹矸、划分和判断含水层等。裸眼综合测井的测井项目为：综合测井的测井项目为：l双测向双测向 （DLL） 单位：单位：.ml微球形聚焦（微球形聚焦（MSFL） 单位：单位：.ml自然伽马（自然伽马（GR） 单位：单位：API l自然电位自然电位 （SP） 单位：单位：mvl双井径（双井径（CAL1）（）（CAL2） 单位：单位：cml补偿密度（补偿密度（DEN） 单位：单位：g/cm3l补偿中子（补偿中子（CNL） 单位：单位

8、：P.U.l补偿声波（补偿声波（AC） 单位：单位：s/ml井温（井温（TEMP）（连续曲线）（连续曲线） 单位：单位：3）固井质量检查测井）固井质量检查测井 固井质量检查测井是在固井后进行的全井段地球物理测井，固井质量检查测井是在固井后进行的全井段地球物理测井，测井的主要项目为声幅、自然伽马、套管接箍测井、声波变密度测井的主要项目为声幅、自然伽马、套管接箍测井、声波变密度测井。测井。 地球物理测井将执行地球物理测井将执行煤层气测井作业规程煤层气测井作业规程。煤层气井测。煤层气井测井包括裸眼标准测井、裸眼综合测井、固井质量检查测井等。井包括裸眼标准测井、裸眼综合测井、固井质量检查测井等。1）裸

9、眼标准测井）裸眼标准测井 裸眼标准测井是对全井进行测井（深度比例为裸眼标准测井是对全井进行测井（深度比例为1:500），用以），用以划分地层，判别岩性。裸眼标准测井的测井项目有：划分地层，判别岩性。裸眼标准测井的测井项目有：l 双侧向双侧向 （DLL） 单位：单位：.ml 自然电位（自然电位（SP） 单位：单位：mvl 自然伽马（自然伽马（GR） 单位：单位：APIl 双井径（双井径（CAL） 单位：单位：cm 煤层气参数井的工程目的主要是通过取心分析和测试，取全取煤层气参数井的工程目的主要是通过取心分析和测试，取全取准煤层厚度、煤层埋藏深度、煤岩煤质、煤层气含量、煤的吸附常准煤层厚度、煤层埋

10、藏深度、煤岩煤质、煤层气含量、煤的吸附常数与等温吸附曲线、煤及其顶底板的力学性质、储层压力、煤层渗数与等温吸附曲线、煤及其顶底板的力学性质、储层压力、煤层渗透率、原地应力等主要煤储层参数，为开发项目提供储层资料。透率、原地应力等主要煤储层参数，为开发项目提供储层资料。1）取芯设计与岩煤芯录井）取芯设计与岩煤芯录井 岩、煤芯录井是对取心钻进中钻取的岩、煤芯进行分层、鉴定、岩、煤芯录井是对取心钻进中钻取的岩、煤芯进行分层、鉴定、描述，达到建立岩性剖面目的。煤芯到达井口后的出筒、丈量、拍描述，达到建立岩性剖面目的。煤芯到达井口后的出筒、丈量、拍照、装罐等时间不大于照、装罐等时间不大于10 min。

11、2）测试分析样品设计）测试分析样品设计 根据煤层气参数井的工程目的，主要分析项目包括煤层气含量根据煤层气参数井的工程目的，主要分析项目包括煤层气含量测定、煤层气气体组分分析、煤样的煤岩煤质分析、煤的元素分析、测定、煤层气气体组分分析、煤样的煤岩煤质分析、煤的元素分析、煤样及其煤层顶底板岩样的岩石力学性质测试等。煤芯样主要测试煤样及其煤层顶底板岩样的岩石力学性质测试等。煤芯样主要测试项目：煤层含气量测定（直接法）及气组分析；工业分析、固定炭、项目：煤层含气量测定（直接法）及气组分析；工业分析、固定炭、真密度、视密度、元素分析等煤质分析；煤岩显微组分和矿物含量真密度、视密度、元素分析等煤质分析；煤

12、岩显微组分和矿物含量测定、镜质体反射率测定煤岩分析；等温吸附测定、镜质体反射率测定煤岩分析；等温吸附 等温吸附实验；抗压等温吸附实验；抗压强度、剪切模量、杨氏模量、泊松比等力学性质等。根据测试需要，强度、剪切模量、杨氏模量、泊松比等力学性质等。根据测试需要，煤样的采集一般每煤样的采集一般每0.5m采集采集1个煤层气含量测定样品，每层煤采集个煤层气含量测定样品，每层煤采集13个等温吸附样品和其它测试分析样品。个等温吸附样品和其它测试分析样品。 表表 单井样品采集数量及分析项目计划表单井样品采集数量及分析项目计划表1）工程目的）工程目的l了解主要煤层的裂隙发育情况和煤层渗透率了解主要煤层的裂隙发育

13、情况和煤层渗透率l了解钻井过程中钻井液对煤层的伤害程度了解钻井过程中钻井液对煤层的伤害程度l了解主要煤层的地层压力及其边界了解主要煤层的地层压力及其边界l了解主要煤层的原地应力状况了解主要煤层的原地应力状况2）测试项目）测试项目l注入注入/压降试井压降试井l原地应力测试原地应力测试 3）测试应获取的主要参数）测试应获取的主要参数l煤层渗透率煤层渗透率l储层压力及储层压力梯度储层压力及储层压力梯度l原地应力及应力梯度原地应力及应力梯度l破裂压力、闭合压力破裂压力、闭合压力l表皮系数表皮系数l调查半径调查半径l储层温度等储层温度等 4）测试方法选择）测试方法选择 根据该区的煤层渗透性，采用注入根据

14、该区的煤层渗透性，采用注入/压降试井方法进行测试是目压降试井方法进行测试是目前最适宜的测试方法。注入前最适宜的测试方法。注入/压降试井的主要优点是：压降试井的主要优点是：a.流体的注入流体的注入提高了地层压力，保证了在测试过程中为单相流；它适用于负压、提高了地层压力，保证了在测试过程中为单相流；它适用于负压、正常压力和超压等各种情况的煤层气井；正常压力和超压等各种情况的煤层气井；b.不需要井下机械泵送设不需要井下机械泵送设备，简化了操作步骤，降低了成本；备，简化了操作步骤，降低了成本；c.可以用标准试井分析方法来分可以用标准试井分析方法来分析，结果比较可靠；析，结果比较可靠；d.探测半径较大，

15、时间相对较短。探测半径较大，时间相对较短。 科学系统地进行钻井工程设计是确保钻成高质量煤层气井的前提，任何煤层气井钻井科学系统地进行钻井工程设计是确保钻成高质量煤层气井的前提，任何煤层气井钻井工程设计必须按照如下步骤进行设计。工程设计必须按照如下步骤进行设计。 2.2.收集资料并进行钻井收集资料并进行钻井工程条件研究分析工程条件研究分析3.3.学习有关国家和地方法学习有关国家和地方法律法规根据要求制定设计律法规根据要求制定设计原则可要求原则可要求6.6.优化钻井工艺技术优化钻井工艺技术4.4.井身结构设计井身结构设计7.7.钻井设备优化组合钻井设备优化组合设计设计8.8.钻井循环介质优化及钻钻

16、井循环介质优化及钻头水参数设计头水参数设计9.9.钻柱设计钻柱设计11.11.取心设计取心设计10.10.固井设计固井设计12.12.工序安排工序安排13.13.制定健康、安全与制定健康、安全与环境管理措施环境管理措施1.1.认真研究、理解地质认真研究、理解地质目的和工程任务，地质目的和工程任务，地质设计设计5 5套管柱设计套管柱设计煤层气钻井工程设计步骤示意图煤层气钻井工程设计步骤示意图 科学系统地进行钻井工程设计是确保钻成高质量煤层气井的前提，任何煤层气井钻井科学系统地进行钻井工程设计是确保钻成高质量煤层气井的前提，任何煤层气井钻井工程设计必须按照如下步骤进行设计。工程设计必须按照如下步骤

17、进行设计。 （1）井身结构设计依据）井身结构设计依据 井身结构设计的主要依据是地质目的、地质设计要求、地层结井身结构设计的主要依据是地质目的、地质设计要求、地层结构及其特征、地层孔隙压力、地层水文条件、地层破裂压力、完井构及其特征、地层孔隙压力、地层水文条件、地层破裂压力、完井方法、增产措施、生产方式及生产工具等。方法、增产措施、生产方式及生产工具等。（2）井身结构设计程序）井身结构设计程序 井身结构设计程序应参照图井身结构设计程序应参照图2-4流程进行，但在实际设计中应根流程进行，但在实际设计中应根据具体地质条件综合考虑各方面的因素作相应补充和完善。据具体地质条件综合考虑各方面的因素作相应补

18、充和完善。 图图 煤层气钻井井身结构设计流程图煤层气钻井井身结构设计流程图确定最优生产套管规格和下深确定最优生产套管规格和下深确定一开井径和深度确定一开井径和深度确定合理表层套管规格和下深确定合理表层套管规格和下深确定套管结构和井身结构确定套管结构和井身结构确定三开井径和井深确定三开井径和井深确定二开井径和井深确定二开井径和井深工程任务与钻井工程条件分析工程任务与钻井工程条件分析（生产因素、地质因素、其它因素）（生产因素、地质因素、其它因素）（3）井身结构设计原则）井身结构设计原则n所设计的井身结构应充分满足钻井、完井生产需要以及获取参数的所设计的井身结构应充分满足钻井、完井生产需要以及获取参

19、数的需要。需要。n采用的所有钻井工艺技术应有利于保护煤储层。采用的所有钻井工艺技术应有利于保护煤储层。n充分考虑到出现漏、涌、塌、卡等复杂情况的处理作业需要（一般充分考虑到出现漏、涌、塌、卡等复杂情况的处理作业需要（一般应留有余地），以实现安全、优质、快速、低成本钻井。应留有余地），以实现安全、优质、快速、低成本钻井。n应尽可能地简化井身结构，以降低成本和避免工程失误。应尽可能地简化井身结构，以降低成本和避免工程失误。 通常情况下，煤层气生产和试验井井身结构宜采用表通常情况下，煤层气生产和试验井井身结构宜采用表2-10所示结构所示结构（图（图2-5），根据生产需要可采用更大直径的套管。地层条件

20、复杂情况下，），根据生产需要可采用更大直径的套管。地层条件复杂情况下，可采用表可采用表2-11所示的井身结构设计。所示的井身结构设计。 表表2-10 煤层气井常规钻井井身结构表煤层气井常规钻井井身结构表开钻程序开钻程序钻头尺寸钻头尺寸套管类型套管类型套管尺寸套管尺寸一开一开311.1mm表层套管表层套管244.5mm二开二开215.9mm生产套管生产套管139.7（177.8）mm表表2-11 复杂地层条件下煤层气钻井井身结构表复杂地层条件下煤层气钻井井身结构表开钻程序开钻程序钻头尺寸钻头尺寸套管类型套管类型套管尺寸套管尺寸一开一开表层套管表层套管二开二开技术套管技术套管三开三开生产套管生产套

21、管139.7（177.8）mm煤层气钻井井身结构示意图煤层气钻井井身结构示意图 通常情况下，煤层气井生产套管宜采用通常情况下，煤层气井生产套管宜采用139.7mm套管；确套管；确因产水量大、地层复杂或为提高气水产量，可采用更大直径的套因产水量大、地层复杂或为提高气水产量，可采用更大直径的套管；风险勘探所施工的参数井，可采用小井眼钻井（二开井径小管；风险勘探所施工的参数井，可采用小井眼钻井（二开井径小于于118mm）。井身结构选择设计参照煤层气钻井优选套管与钻）。井身结构选择设计参照煤层气钻井优选套管与钻头匹配关系执行。头匹配关系执行。 127139.7120.6155.6200193.7114

22、.3101.6168.3177.8165.1219.1244.5225.4215.9219.1241.3266.7311.1200244.5273298.4349.4298.4311.1364.6508269.9349.2406.5431.8.8364.6431.8508660.4406.4508609.6762149.2套管和衬管尺寸套管和衬管尺寸 钻头和井径钻头和井径 套管和衬管尺寸套管和衬管尺寸钻头和井径钻头和井径套管尺寸套管尺寸钻头和井径钻头和井径套管尺寸套管尺寸钻头和井径钻头和井径套管尺寸套管尺寸 图图2-6 煤层气钻井优选套管与钻头匹配关系图（图中单位为煤层气钻井优选套管与钻头匹配

23、关系图（图中单位为mm）（1）钻井循环介质设计依据）钻井循环介质设计依据 应根据地质设计提供的地层压力，掌握压力系数，在钻井设计时应根据地质设计提供的地层压力，掌握压力系数，在钻井设计时选定压差，并用当量循环密度进行验算，最后确定钻井循环介质类型、选定压差，并用当量循环密度进行验算，最后确定钻井循环介质类型、密度等技术指标及其允许使用范围。密度等技术指标及其允许使用范围。（2）煤层气井钻井循环介质设计应包括以下主要因素（不局限于这些）煤层气井钻井循环介质设计应包括以下主要因素（不局限于这些因素）因素）n尽量减少对煤储层的伤害，保护煤储层尽量减少对煤储层的伤害，保护煤储层n稳定和保护井壁，平衡地

24、层压力，以保障钻进施工安全稳定和保护井壁，平衡地层压力，以保障钻进施工安全n润滑、冷却钻头润滑、冷却钻头（3）钻井循环介质优选原则）钻井循环介质优选原则 取心、裸眼测试的参数井、试验井及生产井，选用清水、无粘取心、裸眼测试的参数井、试验井及生产井，选用清水、无粘土钻井液或优质钻井液；生产井，选用优质钻井液、无粘土钻井液、土钻井液或优质钻井液；生产井，选用优质钻井液、无粘土钻井液、清水和气体（空气、氮气、充气）循环介质及泡沫循环介质。根据清水和气体（空气、氮气、充气）循环介质及泡沫循环介质。根据增产措施和煤储层特点，亦可采用暂堵型优质粘土钻井液。增产措施和煤储层特点，亦可采用暂堵型优质粘土钻井液

25、。 （4）钻井循环介质性能要求）钻井循环介质性能要求 降低固相含量：降低固相含量：在进入煤系地层前采用普通优质钻井液，粘土含在进入煤系地层前采用普通优质钻井液，粘土含量小于量小于6；煤层段根据井型和录取参数的需要，可采用清水、无粘土；煤层段根据井型和录取参数的需要，可采用清水、无粘土和少量粘土优质钻井液，配备好固控设备。用清水作钻井液，密度应控和少量粘土优质钻井液，配备好固控设备。用清水作钻井液，密度应控制在制在1.03g/cm3以下（表以下（表2-12）。若水源充足时，可开放式循环。）。若水源充足时，可开放式循环。 表表2-12 煤层气井钻井液匹配参数一览表煤层气井钻井液匹配参数一览表指标指标密度密度g/cm3塑性粘度塑性粘度MPas中压失水中压失水ml固相含量固相含量%含砂量含砂量%粘土含量粘土含量%pH值值性能性能1.031.051520940.21288.5 泡沫钻井循环介质（包括充气、泡沫）作为钻井循环介质钻煤泡沫钻井循环介质（包括充气、泡沫）作为钻井循环介质钻煤层气井，实现欠平衡或近平衡钻井，减少对煤储层的污染，参照有层气井，实现欠平衡或近平衡钻井，减少对煤储层的污染，参照有关标准进行设计。关标准进行设计。 气体钻井循环介质（包括空气、氮气）作为钻井循环介质钻煤气体钻井循环介质（包括空气、氮气）作为钻井循环介质钻煤层气井，实现欠平衡或近平衡钻井，有利于防止对煤储层的污