煤层气参数井和钻井工程方案设计探讨　

　　摘要：煤层气作为高效洁净能源，发展前景非常广阔。为了科学合理地勘测、开采煤层气资源，需要通过钻探选取煤层气富集有利区块。本文以某煤田的煤层气资源开发钻探为例，对煤层气参数井和钻井工程方案设计进行了试探性的研究和论述。

　　关键词：煤层气； 勘探钻井； 绳索取芯； 录井测井； 方案设计；

　　新时代，支撑我国经济高质量发展的能源结构正处于一个关键的转型时期，煤层气作为高效洁净能源，发展前景非常广阔。为了科学合理地勘测、开采煤层气资源，必须根据地质特点开展煤层气选区与评价工作，分析出煤层气富集有利区块，对煤层气参数井和可行的钻井方案进行详细的方案设计。中国煤炭地质总局第一勘探局有着丰富的煤层气开发钻井勘探经验，现以内蒙古某煤田的煤层气参数井钻井工程方案设计为例进行浅显的论述。

　　一、钻探项目的地理环境及适合采用的工艺

　　为了评价项目矿区的煤层气生产潜能，为其煤层气开发试验提供可靠的参数依据，拟采用煤层气参数井方式进行施工。

　　1. 项目地理环境及地质资料。

　　煤田位于内蒙古高原东部，东临大兴安岭南端西坡，次级地理系高原盆地，盆地周边为低山丘陵地形，地势西北侧较高，东南侧较低，最低点海拔高程1099 m,相对高差150 m左右，地形起伏不大。从地貌景观看，盆地北西侧为沙漠丘陵，南东侧为草原。

　　2. 施工的主要任务内容。

　　一是测定区内煤层气含量，评价该区煤层气地质条件、储层特征、资源分布与开发条件；二是求得煤层渗透率、储层压力、破坏压力及原地应力测试等储层参数；三是采取全部地质研究所需的煤层煤芯、顶底板及夹矸岩芯，分析化验测定煤层各项物理性质及煤岩煤质特征，同时进行等温吸附试验、煤的反射率、孔隙度和扩散系数等测试；四是寻找煤层气开发有利的富集区，为进一步勘探开发奠定基础。

　　3. 绳索取芯钻进工艺。

　　煤层气是以吸附状态为主，70%~95%储集在煤层孔隙和裂隙中的非常规天然气。在煤层气勘探开发中煤层的埋深、厚度、渗透率、储层压力、地应力煤岩的煤质特征、割理、裂隙发育程度、含气量、含气饱和度、温吸附曲线等，以及煤层顶底板岩石物理力学性质等参数是决定煤层气开发成败的关键因素，而取出煤芯是获取这些参数的主要手段。要提高这些参数准确性就要有高的岩芯收获率、尽可能短的提钻时间、尽可能短的出筒及装罐时间和较好的煤芯原始形态。绳索取芯技术能够快速获取煤芯，而绳索取芯技术作为不提钻而由特制钻杆捞取岩芯的先进方法，因其钻进效率高、劳动强度低、岩芯采取率高、取芯时间短、岩芯完整度和纯洁性好的特点且满足煤层气取芯要求，因此本工程采用绳索取芯钻进工艺。

　　二、煤层气赋存测试和目的煤层的选取

　　为了初步掌握该煤田煤层气赋存情况，我们首先从煤矿三个区域的若干煤层中采集到瓦斯样品130余个，并进行了测试。测试结果表明，各煤层瓦斯分带均为二氧化碳-氮气带、氮气-沼气带。瓦斯气以非烃类气体为主，主要成分是氮气，平均浓度为79.09%~92.55%,含量为2.76~4.14 mL/g;其次是二氧化碳，平均浓度为7.45%~14.02%,含量为0.07~0.16 m L/g;甲烷气含量较低，浓度0%~6.89%,含量为0~0.04 mL/g,重烃含量极少。

　　目的煤层选取原则：一是含煤面积大，煤层厚，层数多且相对集中，煤层赋存稳定-较稳定，煤炭资源丰富；二是主要含煤地层为侏罗系下统，煤炭煤类单一，以低变质程度的褐煤为最多，且分布最为广泛，其他变质阶段较少；三是地质构造多为宽缓倾斜的单斜构造，断裂多为压性走向断层；四是煤层顶底板多由粉砂岩、泥岩及砂岩组成，煤层气封闭条件较好。

　　在完成前期对搜集到的地质资料、煤层气选区与评价工作综合研究的基础上，初步圈定的煤层气富集预测区域。勘查区内的主要赋存煤层，多数较为稳定，大部分可采，且煤层厚度大。遵循由已知到未知，由浅及深，循序渐进的原则，采用地质测量、钻探工程、取样测试煤和层气测试相结合的方法，开展对煤层气的勘查工作。

　　三、勘查测量执行标准和定位方法

　　测量工作执行《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》（CH/T 2009-2010）《煤炭资源勘探工程测量规程》（NB T10255-2014）等。平面采用坐标1980年西安系统，高程以1956黄海高程基准，等高距2.5米。

　　测量孔位以布设放孔通知书所给坐标为准，并以此确定钻孔数量。钻孔测量分初测和定测两步进行。初测是选用邻近已知点坐标，使用RTK布设于钻孔实地；定测使用RTK,采用导线法精确测定。精度要求：对附近勘控点平面位置中误差不大于1 m,高程中误差不大于0.7 m.

　　四、钻探工程及质量要求

　　本次勘查工作共设计煤层气参数井4口及其工程布置图，并提出严格的质量要求。

　　1. 井身质量。

　　要求参照《煤层气钻井作业规范》（DZ/T0250-2010）和《SYT5088-08钻井井身质量控制规范》执行。在目的层段进行绳索式取芯。取芯层位为各目的煤层及其顶板30 m至底板20 m范围。使用工具为半合管/整合管式取芯器。

　　2. 煤层段取芯要求。

　　取芯工具入井前要仔细检查、精确丈量。在取芯钻进过程中，要详细记录憋、跳、溜、卡、涌、漏等情况。要求煤芯收获块煤不低于80%,粉煤不低于60%,其他岩层不低于90%.目的煤层取芯时，回次进尺一般不超过1 m,最大不得大于1.5 m.取芯提钻时，应使钻井液尽可能地充满井筒，缩短煤芯与空气的接触时间，以减少煤芯的气体损失。样品到达地面后，必须在10 min内装入解吸罐密封，并立刻开始进行现场解吸。煤芯出筒时，由录井地质技术人员负责丈量长度，编绘煤芯地层柱状剖面图，对所采样品全部用高清晰数码相机拍照。

　　3. 煤芯描述内容：

　　（1）煤层结构。（2）宏观煤岩成分及特征。（3）宏观煤岩类型及特征。（4）煤的结构、构造及其物理性质（颜色、光泽、硬度、强度、断口等）。（5）煤的裂隙（内生、外生）发育情况、含有物（包体、结核、化石）、火焰试验等。（6）顶、底板岩芯要特别注意描述其裂隙发育特征。

　　4. 孔斜测量与误差。

　　钻孔测斜间隔长度为50 m.下套管前进行一次测斜。钻孔最大孔斜率及终孔斜度不超过3°1000 m.

　　5. 孔深丈量及误差修正。

　　钻具全长丈量的节点，一是孔深每钻进100 m.二是钻至重要地层标志层、断层破碎带。三是煤层上下10 m内。四是下套管前。五是终孔后。孔深误差率>1‰时需要修正报表并合理平差。

　　6. 录井。

　　严格按照相关规程规范进行录井工作。包括岩屑录井、钻时录井、钻井液录井、简易水文观测录井、气测录井、特殊作业时的地质录井等。

　　7. 封孔。

　　所有钻孔要求全孔使用高标号水泥浆封闭，水为无污染、无杂质的洁净水。水泥浆配比要符合《地质岩心钻探规程》（DZ/T0227-2010）要求，水灰比小于1∶2的水泥浆。封孔完备埋设明显标识，注明井号。

　　8. 原始记录。

　　各项原始记录应包括作业时间、作业内容、进尺、岩芯采取、泥浆消耗、下入管材根数和长度、钻进参数、不同岩性岩芯的起止深度和单层厚度、水位的测量记录。对于每一回次的记录，应包括钻探情况和岩芯描述。钻进参数及钻进情况应详细记录，如钻压、转速、泵量、冲洗液、孔内漏水、涌水、涌砂、塌孔、钻具振动、施钻方法、孔内事故等。

　　五、地球物理测井

　　测井任务及技术要求。测井工作严格执行《煤层气测井作业规程》（Q/CUCBM0401-2002），按时取全取准原始测井资料。根据钻井施工程序和地质任务的要求进行。

　　在全部测井项目完毕后，现场提交的测井资料包括回放的测井曲线、测井数据软盘、现场测井解释小结及测井原始记录本等。最终提交的测井资料内容如下：（1）测井解释报告。（2）标准测井曲线图。（3）综合测井曲线图。（4）综合测井解释成果图。（5）煤层井段综合曲线放大图。（6）力学参数成果表。（7）测井解释成果表。（8）井温测井资料。（9）井斜测井资料等。

　　六、试井设计

　　试井内容包括注入/压降测试和原地应力测试，获取煤层的有效渗透率、原始储层压力、储层温度、表皮系数及调查半径等参数；通过原地应力测试，获取煤层的原地应力、破裂压力及梯度等参数值。

　　1. 注入/压降测试。

　　根据实际钻探获得数据设计，地面最高注入压力以不超过煤储层破裂压力为原则。测试步骤为：（1）确定正确的煤层深度、厚度、井径、井筒状况和封隔器坐封位置。（2）下测试工具和油管柱。（3）坐封封隔器。（4）注水，注入时间12 h;关井恢复作业，恢复时间24 h.

　　2. 原地应力测试。

　　原地应力测试设计一般做四个循环。各循环在煤层破裂后注水时间依次为30 s、1 min、2 min和4 min,前三个循环关井时间30 min,最后一个循环关井时间为40 min.注入排量、注入压力视实际情况掌握。

　　3. 试井报告主要参数：

　　煤层渗透率、表皮系数、储层压力（外推压力）、储层压力梯度、调查半径、煤层破裂压力、闭合压力、地应力梯度。

　　七、样品采集与测试项目

　　1. 样品采集原则。

　　煤层气样：依据《煤层气资源勘查技术规范》（MT/T 1090-2008），做完解吸后立即进行工业分析、元素分析、煤岩分析、等温吸附试验；孔结构样：测定孔隙率、真密度、视密度等；岩石力学样：各目的煤层顶底板采取岩石力学样。

　　2. 分析测试和试验项目。

　　（1）煤层气含量测试，包括测定煤芯样品解吸气、残余气体积，计算损失气、气含量、吸附时间等。（2）成分分析报告，气体成份分析按GB/T13610-2003执行，每个解吸样品在解吸期间各采集2个气样，取样时间为现场解吸的第二至第五天。（3）等温吸附试验。模拟地层温度、湿度，用纯甲烷气体进行等温吸附试验。（4）岩石力学性质试验。测定煤层顶板和底板的真密度、视密度、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量和泊松比等。（5）煤岩煤质测试分析。煤的工业分析包括解吸样和等温吸附样中采取缩分样、元素分析、真密度测定、视密度测定、显微组分定量，镜质组反射率测定等。

　　3. 技术要求。

　　分析测试和试验项目及取样方式和数量，分别按照相应的国家标准执行。

　　参考文献

　　[1]王博。浅论煤层气参数井钻探技术[J].中国新技术新产品，2012（21）：93.