郝世俊等 : 我国煤层气钻井技术及装备现状与展望 2018 年第 4 期度煤层气地面开发产量 m 3 ꎬ 为 2010 年的 3.0 倍 ꎬ 占同期煤层气 ( 煤矿瓦斯 ) 总抽采量的 21.06%ꎬ 与 2010 年相当 [1-2] ꎮ 与 2010 年相比 ꎬ 地面煤层气与井下

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溆铃殷
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1 中国煤炭期刊网第４６卷第４期２０１８年Ｖｏｌ４６煤炭科学技术ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ４月ＡｐｒＮｏ４２０１８我国煤层气钻井技术及装备现状与展望 (１煤炭科学研究总院ꎬ北京摘郝世俊１ꎬ２ ꎬ张晶１ꎬ２１０００１３ꎻ２中煤科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西西安７１００７７) 要:结合煤层气钻井经验及钻井项目调研ꎬ总结了煤层气钻井技术与装备现状ꎬ空气钻井复合钻井精确对接地质导向屏蔽暂堵欠平衡钻井等先进技术ꎬ以及高低搭配的浅层油气井钻机与全液压车载钻机无线随钻测量系统与地质导向系统等钻井装备的研究和推广应用ꎬ提高了钻井效率ꎬ推动了煤层气产业的发展ꎬ为煤矿安全生产提供了重要保障ꎮ 以降低煤层气开发综合成本为目标ꎬ阐述了快速移动钻井装备研发应用国产地质导向技术与装备研究与推广煤储层伤害控制技术推广应用区域适应性优快钻井技术研究与完善地面井下联合抽采钻井技术不断探索应用等是下一阶段煤层气钻井技术与装备的发展方向ꎮ 关键词:煤层气ꎻ钻井技术ꎻ钻井装备ꎻ优快钻井中图分类号:ＴＥ２４２ꎻＴＤ４１文献标志码:Ａ文章编号:０２５３２３３６(２０１８)０４００１６０６ＳｔａｔｕｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａＨＡＯＳｈｉｊｕｎ１ꎬ２ ꎬＺＨＡＮＧＪｉｎｇ１ꎬ２ (１ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ ２ＣＣＴＥＧＸｉａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＸｉａｎ７１００７７ꎬＣｈｉｎａ) Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅ ( ＣＢＭ) ｉｎＣｈｉｎａꎬ ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｉｎＣＢＭｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｒｅｃｅｎｔＣＢＭｐｒｏｊｅｃｔｓꎬ ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆＣＢＭｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ. ＴｈｅａｎａｌｙｓｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅＣＢＭｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｆｏｒｍｅｄꎬ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｖｅｒｔｉｃａｌｗｅｌｌｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｈｏｓｅｃｏｒｅｓａｒｅａｉｒｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓꎬ ｃｌｕｓｔｅｒｗｅｌｌｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｈｏｓｅｃｏｒｅｉｓｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇꎬ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｈｏｓｅｃｏｒｅｉｓＧｅｏｓｔｅｅｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｄａｍａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｈｏｓｅｃｏｒｅｓａｒｅｕｎｄｅｒｂａｌａｎｃｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｓｈｉｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｏｒａｒｙｐｌｕｇｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ. Ｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｆｏｒｍｅｄａｓｗｅｌｌꎬ ｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓｓｈａｌｌｏｗｏｉｌａｎｄｇａｓｒｉｇｓꎬ ｆｕｌｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｍｏｂｉｌｅｒｉｇｓꎬ ｗｉｒｅｌｅｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｗｈｉｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＧｅｏｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ. ＴｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＣＢＭｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗａｓｔｈｅｎｓｔａｔｅｄａｌｏｎｇｗｈｉｃｈｆａｓｔｍｏｂｉｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬ ｄｏｍｅｓｔｉｃＧｅｏｓｔｅｅｒｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬ ｃｏａｌｒｅｓｅｒｖｏｉｒｄａｍａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅꎬ ｏｐｔｉｍａｌａｎｄｆａｓｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｉｔｈｒｅｇｉｏｎａｌａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｗｅｌｌｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｂｉｎｅｄＣＢＭｄｒａｉｎａｇｅｂｙｂｏｔｈｓｕｒｆａｃｅａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｂｏｒｅｈｏｌｅｓｓｈｏｕｌｄｂｅｓｔｕｄｉｅｄꎬ ｕｓｅｄａｎｄｐｏｐｕｌａｒｉｚｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｇｏａｌｓｏｆｌｏｗｅｒｉｎｇｔｈｅｔｏｔａｌｃｏｓｔｏｆＣＢＭｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅꎻ ｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅꎻ ｄｒｉｌｌｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎻ ｏｐｔｉｍａｌａｎｄｆａｓｔｄｒｉｌｌｉｎｇ０引意义ꎮ 近年来ꎬ我国持续加大煤层气开发利用支持言力度ꎬ各煤层气资源富集区也先后出台相关政策规作为困扰煤矿开采的难题ꎬ同时也是一种非常规天然气ꎬ煤层气的开采利用在保障煤矿安全生产优化能源产业结构保护生态环境等方面具有重要收稿日期:２０１８０１０２ꎻ责任编辑:赵瑞定ꎬ加大财政资金支持税费政策扶持和科技创新力度ꎬ煤层气地面开发取得重大进展ꎬ截至２０１６年底ꎬ 我国煤层气勘探开发累计钻井近１７０００口ꎬ２０１６年ＤＯＩ:１０１３１９９ / ｊｃｎｋｉｃｓｔ２０１８０４００３基金项目:国家科技重大专项资助项目(２０１６ＺＸ０５０４５００１００２) 作者简介:郝世俊(１９７０ ) ꎬ男ꎬ内蒙古凉城人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎮ Ｅｍａｉｌ:ｈａｏｓｈｉｊｕｎｃｃｔｅｇｘｉａｎ.ｃｏｍ引用格式:郝世俊ꎬ张晶我国煤层气钻井技术及装备现状与展望[ Ｊ] 煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(４) :１６２１ꎬ３２ＨＡＯＳｈｉｊｕｎꎬＺＨＡＮＧＪｉｎｇ.ＳｔａｔｕｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａ[ Ｊ] ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ １６２０１８ꎬ４６(４) :１６２１ꎬ３２

2 郝世俊等 : 我国煤层气钻井技术及装备现状与展望 2018 年第 4 期度煤层气地面开发产量 m 3 ꎬ 为 2010 年的 3.0 倍 ꎬ 占同期煤层气 ( 煤矿瓦斯 ) 总抽采量的 21.06%ꎬ 与 2010 年相当 [1-2] ꎮ 与 2010 年相比 ꎬ 地面煤层气与井下瓦斯的抽采 ꎬ 促使煤矿瓦斯事故起数下降 53.06%ꎬ 瓦斯事故死亡人数下降 40.78%ꎬ 煤矿百万吨死亡率下降 78.09% [3-4] ꎮ 但是 ꎬ 由于煤层气是一种低成本运行的项目 ꎬ 煤层气井单井产量低 ꎬ 生产周期长 ꎬ 项目经济效益差 ꎬ 低油价及煤矿企业效益不佳等因素 ꎬ 导致近几年来煤层气勘探开发投入明显下降 ꎬ2016 年地面煤层气产量较 2015 年仅增加 2. 18%ꎮ 由于钻井成本占煤层气开采总成本的 1 / 2 以上 [5] ꎬ 在保证钻井效果的前提下 ꎬ 降低钻井综合成本是降低煤层气开发成本 ꎬ 乃至推进煤层气产业健康发展的重要手段 ꎬ 结合笔者煤层气钻井行业多年从业经验与近年来对煤层气钻井项目的调研 ꎬ 总结出地面煤层气钻井技术与装备现状 ꎬ 以降低钻井成本为目标 ꎬ 提出煤层气钻井技术与装备发展趋势 ꎮ 1 地面煤层气钻井技术现状 20 世纪 90 年代以来 ꎬ 在国家政策扶持及相关技术发展的支持下 ꎬ 我国煤层气开发逐步进入了产业化规模化道路 ꎬ 钻井技术与装备也得到长足发展 ꎮ 逐步形成了以空气钻井和 PDC 钻头 + 螺杆马达复合钻井为核心的直井钻井技术以定向钻井为核心的丛式井钻井技术以地质导向钻井为核心的水平井钻井技术 ꎬ 以及以欠平衡钻井和屏蔽暂堵为核心的钻井过程储层伤害控制技术 ꎮ 1.1 直井钻井技术 1) 空气钻井技术 ꎮ 空气钻井以空气为循环和动力传输介质 ꎬ 驱动气动潜孔锤碎岩 ꎬ 可有效减少漏失 ꎬ 大幅提高机械钻速 ꎬ 缩短建井周期 ꎬ 降低钻井成本 ꎬ 适用于严重漏失坚硬地层低压低渗地层及缺水地区钻井施工 ꎮ 随着空气潜孔锤制造工艺的进步 ꎬ 潜孔锤工作寿命大幅提高 ꎬ 拆卸维护简单 ꎬ 为空气钻井的推广奠定了基础 ꎬ 空气钻井工艺的不断完善 ꎬ 提高了钻井效率 ꎬ 推动了空气钻井技术的推广应用 ꎮ 通过合理配置空压机注气量及钻井工艺参数 ꎬ 已可实现地层涌水量不大于 5 m 3 / h 时的安全快速钻进 [6] ꎬ 威远 1 井采用空气钻井技术最高平均机械钻速可达 m / h [7] ꎮ 贵州六盘水毕节遵义 ꎬ 四川筠连等煤层气区块上部岩溶发育地层均采用空气钻井施工 ꎬ 提高机械钻速的同时 ꎬ 解决了漏失问题 ꎮ 沁水盆地鄂尔多斯盆地东缘采用空气钻井技术进行生产直井施工 ꎬ 相同地层条件下 ꎬ 空气钻井平均机械钻速达到普通回转钻进的 1.4 ~ 4.0 倍 [6ꎬ8] ꎬ 缩短了钻井周期 ꎬ 降低了钻井成本 ꎮ 2) PDC 钻头 + 螺杆马达复合钻井技术 ꎮ 复合钻井技术利用钻机转盘与螺杆马达同时回转 ꎬ 驱动 PDC 钻头高速切削岩层 ꎬ 是近年来油气钻井领域机械钻速快速提高的关键技术 [9] ꎮ 由于螺杆马达性能型号的完善及使用寿命提高 ꎬ 再加上高效 PDC 钻头的蓬勃发展与价格的持续降低 ꎬ 复合钻井技术广泛应用于煤层气钻井中 ꎬ 大幅提高机械钻速 ꎬ 缩短钻井周期 ꎻ 与无线随钻测量系统相结合 ꎬ 还可实现易斜地层的防斜快打 ꎬ 新疆阜康矿区急倾斜地层采用复合钻井技术 ꎬ 全井平均机械钻速最高达 m / hꎮ 在 PDC 钻头选型优化及螺杆马达性能持续改善的前提下 ꎬ 复合钻井技术可继续提升煤层气井平均机械钻速 ꎮ 3) 绳索取心技术 ꎮ 在金刚石绳索取心钻具的基础上 ꎬ 适用于常规钻具的煤层气绳索取心钻具及配套钻井工艺得以开发 ꎬG105 钢级 ø127 mm 钻杆可直接用于煤层气参数井绳索取心钻井施工 ꎬ 底喷式 PDC 钻头可减少对煤心的冲刷 ꎬ 提高取心率 ꎮ 通过不断改进 ꎬ 形成了以中低钻压低转速低泵量为特点的煤系地层绳索取心钻井工艺 ꎬ 在海拉尔盆地六盘水矿区毕节矿区鄂尔多斯盆地东缘沁水盆地彬长矿区等碎软中硬坚硬煤层中得到成功应用 [10-12] ꎬ 如海拉尔盆地多口参数井结构破碎褐煤取心率大于 85% [10] ꎬ 除个别井外 ꎬ 六盘水毕节矿区碎软煤层取心率均大于 80%ꎮ 1.2 丛式井钻井技术丛式井能够节约井场和道路面积 ꎬ 减少搬家费用 ꎬ 适合多煤层同时开发 ꎬ 实现钻井液循环利用 ꎬ 能够有效降低钻井综合成本 ꎬ 较直井开发模式而言 ꎬ 具有更好的经济效益 [13] ꎮ 随着井下动力钻具性能的改善无线随钻测量仪器可靠性提高定向井设计与计算软件的优化与普及 ꎬ 井眼轨迹控制能力明显增强 ꎬ 定向井钻进机械钻速 ꎬ 尤其是定向段钻进机械钻速有了显著提高 ꎬ 使得丛式井布设中面临的定向段长度增加 ꎬ 而导致钻井周期增加防碰绕障等问题得以解决 ꎮ 依据目标煤层埋藏深度的不同 ꎬ 丛式井井身剖面分为直 - 增 - 稳三段式剖面和直 - 增 - 稳 - 降 - 稳五段式剖面 2 种 ꎮ 单组丛式井数量为 4 ~ 9 口 ꎬ 井间距为 4 ~ 6 m [13] ꎬ 丛式井已成为我国煤矿区煤层气低成本开发的主要井型 ꎮ 17

3 2018 年第 4 期煤炭科学技术第 46 卷 1.3 水平井钻井技术煤层气水平井集钻井完井和增产措施于一体 ꎬ 是煤层气开发的主要手段之一 ꎬ 据不完全统计 ꎬ 截至 2016 年底 ꎬ 我国煤层气开发累计完成水平井 607 口 [14] ꎮ 自 2004 年我国第一口煤层气多分支水平井 DNP02 井成功实施以来 ꎬ 针对煤层气藏的特点 ꎬ 煤层气水平井的井型朝着多样化复杂化的方向发展 ꎬ 发展出 U 型井 V 型井 L 型井多分支水平井超短半径水平井等 ꎬ 仅多分支水平井即衍生出单主支水平井双主支水平井多主支水平井双煤层多分支水平井等 ꎮ 煤层气水平井钻井工艺集成了造洞穴精确对接地质导向侧钻开分支等多项钻井关键技术 ꎮ 1) 造洞穴技术 ꎮ 对于水平连通井组直井煤层段造穴 ꎬ 能够降低井眼对接难度 ꎬ 提高对接成功率 ꎬ 目前常用的 3 种造穴方式为水力造穴机械造穴水力 - 机械复合造穴 ꎮ 2) 精确对接技术 ꎮ 精确对接是实现水平井与目标直井连通的关键 ꎮ 目前 ꎬ 主要方法是旋转磁场测距法 ꎬ 利用 RMRS 系统 ꎬ 实时测量磁场强度 ꎬ 并利用磁场强度计算钻头与对接点相对位置 ꎬ 实时调整水平井井眼轨迹 ꎬ 直至与目标直井连通 ꎮ 随着精确对接工艺的提高 ꎬ 目前可实现水平井与未造穴目标直井玻璃钢套管精确连通 ꎬ 也可实现水平井与造穴目标直井偏心连通 ꎮ 3) 地质导向技术 ꎮ 地质导向技术是提高目的层钻遇率 ꎬ 缩短钻井周期的关键 ꎬ 是煤层气水平井钻井核心技术 ꎮ 现阶段 ꎬ 随钻地质导向技术是在对煤田地质勘探资料 ꎬ 尤其是三维地震资料进行整理分析的基础上 ꎬ 结合多口邻井资料 ꎬ 建立三维地质模型 ꎬ 导入设计轨迹 ꎬ 获得二维地质剖面 ꎻ 在实钻过程中 ꎬ 依据获取的各种井下参数和收集资料进行结合 ꎬ 实时修正地质模型 ꎬ 用于指导后续井段的钻进 [15] ꎮ 考虑到煤层气钻井的低成本需求 ꎬ 现阶段煤层气水平井地质导向系统主要为自然伽马 + 电阻率 + MWD 仪器构成的简易地质导向系统 ꎬ 结合随钻预测软件 ꎬ 实现地质导向钻进 ꎮ 利用地质导向技术 ꎬ 中煤科工集团西安研究院有限公司在芦岭煤矿实施 LG01 水平井组 ꎬ 水平井段位于砂质泥岩层 ꎬ 向下距煤层 2 mꎬ 长度 mꎬ 靶区钻遇率 100%ꎬ 定向射孔分段压裂完井后 ꎬ 连续排采 12 个月 ꎬ 日均产气量达 m 3 ꎬ 创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水 18 平井产量新记录 [16] ꎮ 4) 侧钻开分支技术 ꎮ 目前水平井侧钻开分支的方式有前进式侧钻和后退式侧钻 2 种 ꎬ 煤层气水平井分支侧钻的主要方式是悬空侧钻 ꎬ 主要技术流程为 : 预留侧钻点划槽和控时钻进 ꎬ 关键在于控时钻进 ꎮ 1.4 钻井过程储层伤害控制技术我国煤层气储层具有低压低渗高吸附性易受压破碎的特点 ꎬ 钻井过程中的压力波动不仅使得煤岩易发生疲劳损伤和破坏 ꎬ 而且易造成井壁围岩裂缝的开启与闭合 ꎬ 直接表现为煤层渗透率的降低 ꎻ 同时 ꎬ 钻井过程中钻井液漏失和滤失对裂隙系统的堵塞也会造成渗透率的降低 ꎬ 大量研究表明 ꎬ 煤层气储层伤害具有不可逆性 [17-18] ꎬ 直接影响到后期煤层气的解吸与排采 ꎬ 储层伤害在煤层气钻井中应极力避免 ꎮ 现阶段 ꎬ 储层伤害控制主要采用屏蔽暂堵技术和欠平衡钻井技术 ꎮ 1) 屏蔽暂堵技术 ꎮ 屏蔽暂堵技术利用暂堵材料封堵井壁周边裂隙 ꎬ 钻井完成后使用完井液清除封堵材料 ꎬ 实现钻井过程的储层保护 ꎮ 现阶段 ꎬ 煤层气井屏蔽暂堵材料主要是细目或超细目碳酸钙等酸溶性暂堵材料 ꎬ 空气和表面活性剂以及高分子材料聚合物组成的绒囊状暂堵材料 ꎬCMC-Na 与瓜尔胶等聚合物生物酶为主的纤维类暂堵材料及上述材料的组合体 [17-19] ꎮ 受大型油气田及煤层气开发专项相关课题支持 ꎬ 中国地质大学中国石油大学中石油钻井研究院中煤科工集团西安研究院有限公司等科研单位对屏蔽暂堵材料开展了室内试验研究 ꎬ 并在柳林矿区沁水盆地及彬长矿区进行了现场试验与应用 ꎬ 取得良好效果 ꎮ 2) 欠平衡钻井技术 ꎮ 欠平衡钻井技术是解决护壁堵漏与储层保护问题的重要途径 ꎬ 包括气体钻井雾化钻井泡沫钻井微泡钻井充气钻井等 ꎬ 近年来 ꎬ 欠平衡钻井技术越来越多地与水平井分支井等技术相结合 ꎬ 在煤层气钻井中发挥了重要作用 ꎮ 鄂尔多斯盆地东缘沁水盆地彬长矿区等采用充气欠平衡钻井技术解决了低压煤储层钻井中面临的储层保护与安全钻井矛盾 [20-21] ꎬ 库拜矿区河东煤田成功应用可循环微泡钻井技术进行了低压煤储层安全钻进 ꎮ 2 煤层气钻井装备通过国家科技重大专项的持续支持和煤层气勘

4 郝世俊等 : 我国煤层气钻井技术及装备现状与展望 2018 年第 4 期探开发项目的不断创新 ꎬ 煤层气钻井装备有了长足发展 ꎬ 依据施工井型的不同 ꎬ 逐步形成了以水源钻探装备浅层油气井装备车载钻探装备高低搭配的钻井装备体系 ꎮ 2.1 钻井地面装备 1) 钻机 ꎮ 与常规油气井相比 ꎬ 煤层气井钻井深度浅施工周期短搬家频繁 ꎬ 直井定向井钻井施工以水源钻机为主 ꎬ 浅层油气井钻机为辅 ꎬ 主要钻机型号为 TSJ2000 TSJ2600 TSJ3000 ZJ15 ZJ20 型 ꎬ 钻机提升力 700 ~ knꎬ 最大钻井深度 ~ mꎮ 水平井施工以带顶驱石油钻机及全液压车载钻机为主 ꎬ 带顶驱石油钻机主要为 ZJ30 ZJ40 及具备相同施工能力修井机 ꎬ 配套小型化顶驱 ꎬ 如辽河天意 DQ20-LHTY-Y 型华北石油 DQ20Y1 型等 ꎻ 主要进口车载钻机为雪姆 T130XD T200XDꎬ 宝蛾 RBT90ꎬ Drillmec G75ꎬHH102 等 ꎻ 为降低煤层气勘探开发的钻探成本 ꎬ 国内多个钻机厂家相继推出了多款全液压车载钻机 ꎬ 如中煤科工集团西安研究院有限公司的 ZMK5530TZJ100 型北京天和众邦勘探技术有限公司 CMD100 型 CMD150T 型石家庄煤矿机械有限公司 SMJ5510TZJ15 / 800Y SMJ5510TZJ25 / 1000Y 型江苏天明机械集团的 TMC90 型 TMC135 型 ꎬ 钻机提升力 800 ~ knꎬ 能够满足 m 以浅水平井钻井施工 ꎮ 2) 泥浆泵 ꎮ 煤层气钻井用泥浆泵类型依据钻井深度有所不同 ꎬ600 m 以浅煤层气直井定向井使用矿用双缸双作用泥浆泵较多 ꎬ 主要型号有 TBW- 850 TBW 型 ꎻ600 m 以深煤层气直井定向井水平井使用石油钻井用 3NB 系列和 F 系列泥浆泵 ꎬ3NB 系列泥浆泵主要型号有 3NB350 3NB500 3NB800 3NB1000 和 3NB1300ꎬF 系列泥浆主要有 F500 F800 F1000 和 F1300 型 ꎮ 双金属缸套陶瓷缸套的推广应用 ꎬ 提高了泥浆泵运行的可靠性 ꎬ 有效延长了设备维护周期 ꎮ 3) 固控系统 ꎮ 应储层保护与钻井液固相控制要求 ꎬ 煤层气直井定向井需配备振动筛除砂器除泥器三级固控系统 ꎬ 煤层气水平井需增加配备离心机和液气分离器 ꎮ 与常规油气井钻井不同 ꎬ 煤层气井受井场条件限制 ꎬ 配备固控系统为简化固控系统 ꎬ 一般直井定向井三级固控系统为单固控罐配置 ꎬ 除砂器除泥器为一体机 ꎻ 水平井固控系统为双固控罐配置 ꎮ 考虑到运输方便 ꎬ 固控系统泥浆罐宜为矮罐 ꎬ 运输时系统各设备护栏及连接管线等不需拆卸 ꎬ 满足快速搬迁的要求 ꎮ 2.2 随钻测量仪器煤层气定向井水平井大规模推广应用的基础是随钻测量仪器与技术的进步 ꎬ 尤其是无线随钻测量技术的发展降低了定向钻井的门槛 ꎬ 提高了定向钻井效率 ꎬ 地质导向随钻测量仪器的发展提高了目的层钻遇率 ꎬ 推动了水平井钻井技术的发展 ꎮ 1) 几何导向随钻测量系统 ꎮ 随钻测量仪器因信号传输方式的不同可分为有线式泥浆脉冲式和电磁波式 ꎬ 后两者在现阶段占主导地位 ꎮ 泥浆脉冲式无线随钻测量系统 (MWD) 井下仪器串由脉冲发生器电磁阀测量探管电池筒及坐键短节组成 ꎬ 地面系统由压力传感器地面机司钻显示器等组成 ꎬ 优点在于技术成熟 ꎬ 价格相对较低 ꎬ 缺点在于受钻井液含砂量含气量影响较大 ꎬ 信号传输速度较慢 ꎬ 国内泥浆脉冲式无线随钻测量系统测量误差一般为 : 井斜角 ± 0. 1 ꎬ 方位角 ± 1 ꎬ 工具面 ±1 ꎬ 近年来 ꎬ 国内泥浆脉冲发生器设计制造取得进展 ꎬ 脉冲信号稳定性有所提高 ꎬ 为煤层气井一趟钻完井奠定了基础 ꎮ 电磁波无线随钻测量系统 (EM-MWD) 井下仪器串由电池短节发射天线及各传感器构成 ꎬ 需装入专用无磁钻铤中 ꎬ 地面系统由接收天线司钻显示器地面机及信号传输系统组成 ꎻ 优点在于对循环介质要求低 ꎬ 可在充气钻井气体钻井中使用 ꎬ 信号传输效率较高 ꎬ 通常与地质导向系统相结合 ꎬ 缺点在于信号易受地面设备运转目的层含金属矿物等因素影响 ꎮ 煤层气钻井使用较多的电磁波无线随钻测量仪器为美国 BlackStar EM-MWD 仪器 ꎬ 其误差为 : 井斜角 ±0.2 ꎬ 方位角 ±1 ꎬ 工具面向角 ±1.5 ꎮ 中煤科工集团西安研究院有限公司将抗震型 EM-MWD 与空气钻井技术相结合 ꎬ 实现了空气潜孔锤高钻速和高频振动条件下实时监测钻孔轨迹的目标 ꎬ 保障了空气钻井的成孔质量和中靶精度 [22] ꎮ 2) 地质导向随钻测量系统 ꎮ 伴随着定向钻井技术的日趋成熟和新的井下工具仪器的不断改进 ꎬ 随钻地质导向工艺从被动导向到主动导向 ꎬ 其发展经历常规随钻测量 ( 被动式 ) 方向性随钻测量( 主动式 ) 近钻头成像随钻测量( 主动式 )3 个阶段 [23] ꎮ 国产地质导向系统以自然伽马 +MWD 组合系统为主 ꎬ 部分厂家可配套电磁波电阻率短节 ꎬ 实现自然伽马 + 电阻率 +MWD 地质导向系统 ꎬ 主要型 19

5 2018 年第 4 期煤炭科学技术第 46 卷号有北京海蓝 YST - 48R + TRG 型北京普利门 PMWD-A 型上海神开 LWD + 随钻地质导向组合仪郑州士奇 SQMWD-T 等 ꎮ 国外先进油服公司不但拥有较先进的地质导向硬件工具 ꎬ 而且有与之配套的随钻地质工程参数解释与地质导向应用软件系统 ꎬ 地质导向系统正在向近钻头伽马近钻头成像边界探测方向发展 ꎮ 如国外开发出 GST 系统 ( 方向性伽马测量 ) geovision 系统 ( 含电阻率测量成像 ) ImPulse 系统 ( 方向性伽马测量 + 电阻率 ) PeriScope 系统 ( 方向性伽马测量 + 边界探测 ) [22] ꎬBlackStar EM-MWD 系统 ( 方向性伽马测量 )ꎮ 从煤层气施工的现实考虑 ꎬ 即高角度高机械钻速低成本和高风险现状 ꎬ 可打捞式方向性随钻测量系统在一定时期内是煤层气地质导向的首选 ꎮ 目前 ꎬ 煤层气钻井中应用最多的进口地质导向随钻测量系统为美国 BlackStar EM-MWD 系统 ꎬ 该系统可以为井下测试和定向用户提供 3 个伽马模块 ꎬ 即 1 个 360 伽马模块 1 个定向伽马模块和 1 个转动伽马模块 ꎬ 伽马模块测量精度为 ±1 cpsꎬ 满足煤层气钻井地质导向要求 ꎮ 国内已形成一套成熟的 BlackStar EM-MWD 系统打捞技术 ꎬ 降低了地质导向钻井风险 ꎮ 斯伦贝谢 ImPulse 地质导向系统在沁水盆地煤层气多分支水平井钻井中也有所应用 ꎮ 3 煤层气钻井技术与装备展望煤层气钻井技术与装备的发展方向在于加快优快钻井技术与装备的研究与推广 ꎬ 提高煤层气钻井机械钻速 ꎬ 降低煤层气钻井综合成本 ꎮ 1) 快速移动车载钻机轻量化泥浆泵组系统研制 ꎮ 我国从华北到西北西南地区的主要煤层气勘探开发区域均为山区 ꎬ 交通不便 ꎻ 依据 2016 年 9 月 21 日起执行的 «超限运输车辆行驶公路管理规定»ꎬ 现有煤层气车载钻机绝大部分属于超载车辆 ꎬ 上路行驶手续麻烦 ꎬ 不能达到快速移动要求 ꎮ 需要在现有车载钻机的基础上进一步开发低成本轻便型高效快速移动的车载钻机 ꎬ 使其满足上路行驶与快速移动的要求 ꎻ 对大功率泥浆泵组进行轻量化设计 ꎬ 降低采购成本 ꎬ 提高搬家运输能力 ꎮ 2) 快速钻井技术研究与推广 ꎮ 在对空气钻井过程井壁稳定性研究的基础上 ꎬ 加强对空气钻井设备优选配套钻具组合及钻井工艺研究 ꎬ 推广采空区采动区空气钻井技术 ꎻ 优化高效 PDC 钻头大转 20 矩螺杆及配套泥浆泵固控系统的选型 ꎬ 发挥 PDC 钻头 + 大转矩螺杆钻速快井眼轨迹易控制的特性 ꎬ 做到一趟钻完钻 ꎻ 加强扭冲轴冲等壁厚马达等井下提速钻井工具的优化与应用研究 ꎬ 提高煤层气大位移水平井机械钻速 ꎬ 降低钻井成本与风险 ꎮ 3) 国产地质导向技术与装备的研究与推广应用 ꎮ 加强对近钻头伽马工具方向伽马工具的研究 ꎬ 优化井下电磁波电阻率工具 ꎬ 开发适用于煤层气水平井钻井的国产地质导向软件系统 ꎬ 降低地质导向成本 ꎻ 继续研究与优化煤层顶板地质导向钻井工艺 ꎬ 推进利用顶板水平井实现下伏碎软低渗煤储层的开发 ꎮ 4) 推进屏蔽暂堵技术研究与应用 ꎮ 在室内试验的基础上 ꎬ 推进酸溶性暂堵材料绒囊暂堵材料纤维类暂堵材料的现场试验研究 ꎬ 加快研究成果的推广应用 ꎮ 5) 完善主要煤层气开发区域安全高效钻井技术 ꎮ 我国煤层气勘探开发从华北地区已扩展到西北西南地区 ꎬ 优快钻井面临新问题 ꎬ 如阜康矿区上部地层漏失目的煤层易坍塌 ꎬ 六盘水矿区岩溶裂隙漏失目的煤层漏失 ꎬ 遵义矿区底部茅口组漏失等 ꎬ 新问题制约了钻井效率 ꎬ 提升了钻井成本 ꎬ 针对各矿区钻井所面临的突出难题 ꎬ 开展专项技术研究 ꎬ 形成适合于本区域的安全高效钻井技术 ꎮ 6) 完善地面井下联合抽采钻井技术 ꎮ 煤矿井下定向钻井技术目前取得重大突破 ꎬ 顺煤层定向钻孔长度不断加深 ꎬ 如中煤科工集团西安研究院有限公司 2017 年 12 月在神东保德煤矿成功实施 1 个主孔深度达 m 的顺煤层定向超长钻孔 ꎮ 井下定向钻井技术的突破使得更广泛区域内地面井下联合抽采成为现实 ꎬ 需要进一步优化地面井下联合抽采井型设计 ꎬ 研发地面水平井与煤矿井下水平钻孔精确对接技术 ꎬ 实现煤矿区井下地面煤层气联合抽采 ꎮ 4 结语依靠大型油气田及煤层气开发科技重大专项和煤层气开发项目的持续支持 ꎬ 我国煤层气钻井逐步形成了有别于煤田地质钻探和常规油气井钻探的技术与装备体系 ꎬ 钻井设备的施工能力安全防护能力持续提高 ꎬ 钻井成本有所降低 ꎮ 但煤层气钻井仍面临机械钻速相对较低钻井过程漏失坍塌导致的钻井成本攀升储层污染及国产地质导向装备技

6 郝世俊等 : 我国煤层气钻井技术及装备现状与展望 2018 年第 4 期术尚未成熟等难题 ꎬ 钻井技术与装备研发工作者仍需以钻井成本控制与储层污染控制为导向 ꎬ 继续突破创新 ꎬ 推进煤层气更经济高效开发 ꎮ 参考文献 (References): [1] 穆福元 ꎬ 仲伟志 ꎬ 朱杰 ꎬ 等. 中国煤层气产业进展与思考 [ M]. 北京 : 石油工业出版社 ꎬ2017: [2] 李登华 ꎬ 高煖 ꎬ 刘卓亚 ꎬ 等. 中美煤层气资源分布特征和开发现状对比及启示 [J]. 煤炭科学技术 ꎬ2018ꎬ46(1): LI DenghuaꎬGAO XuanꎬLIU Zhuoyaꎬet al.comparison and revela tion of coalbed methane resources distribution characteristics and development status between China and America [ J].Coal Science and Technologyꎬ2018ꎬ46(1): [3] 冯阳 ꎬ 施龙青 ꎬ 牛超 ꎬ 等年中国煤矿瓦斯事故分析 [J]. 煤矿安全 ꎬ2015ꎬ46(6): FENG YangꎬSHI LongqingꎬNIU Chaoꎬet al.analysis of coal mine gas accidents in China from 2001 to 2013 [ J]. Safety in Coal Minesꎬ2015ꎬ46(6): [4] 丁百川. 我国煤矿主要灾害事故特点及防治对策 [J]. 煤炭科学技术 ꎬ2017ꎬ45(5): DING Baichuan.Features and prevention countermeasures of major disasters occurred in China coal mine [J].Coal Science and Tech nologyꎬ2017ꎬ45(5): [5] 徐凤银 ꎬ 李曙光 ꎬ 王德桂. 煤层气勘探开发的理论与技术发展方向 [J]. 中国石油勘探 ꎬ2008ꎬ13(5):1-6. XU Fengyinꎬ LI Shuguangꎬ WANG Degui. Development trend of CBM exploration and development theories and technologies [ J]. China Petroleum explorationꎬ2008ꎬ13(5):1-6. [6] 李宁 ꎬ 张勇 ꎬ 贾建超 ꎬ 等. 空气钻井在山西煤层气开发的应用 [J]. 中国煤层气 ꎬ2017ꎬ14(1): LI Ninꎬ ZHANG Yongꎬ JIA Jianchaoꎬ et al. Application of air drilling in CBM development in Shanxi [ J ]. China Coalbed Methaneꎬ2017ꎬ14(1): [7] 魏武 ꎬ 许期聪 ꎬ 余梁 ꎬ 等. 利用空气钻井技术提高钻井速度研究 [J]. 天然气工业 ꎬ2006ꎬ26(7):57-58ꎬ153. WEI WuꎬXU QicongꎬYU Liangꎬet al.study on ROP improvement by air drilling technology [ J].Natural Gas Industryꎬ2006ꎬ26(7): 57-58ꎬ153. [8] 袁明进 ꎬ 龙志平 ꎬ 朱智超. 鄂尔多斯盆地延川南区块煤层气低成本高效钻井技术 [J]. 中国煤层气 ꎬ2011ꎬ8(5): YUAN Mingjinꎬ LONG Zhipingꎬ ZHU Zhichao. Low cost and efficient CBM well drilling technology in Yanchuannan block of Erdos Basin [ J].China Coalbed Methaneꎬ2011ꎬ8(5): [9] 朱虎军 ꎬ 祝效华 ꎬ 司念亭 ꎬ 等. 直井复合钻螺杆钻具失效分析 [J]. 石油矿场机械 ꎬ2008(9): ZHU HujunꎬZHU XiaohuaꎬSI Niantingꎬet al. Failure analysis on dual-drive drilling of downhole motor drive shaft in vertical well [ J].Oil Field Equipmentꎬ2008(9): [10] 赵庆彬 ꎬ 耿铁鑫 ꎬ 秦伟 ꎬ 等. 绳索取芯技术在低煤阶煤层气井钻井施工中的应用 [J]. 中国煤层气 ꎬ2012ꎬ9(5): ZHAO QingbinꎬGEN TiexinꎬQIN Weiꎬet al.application of wire- line coring technique to drilling of CBM well in low rank coal seams [ J].China Coalbed Methaneꎬ2012ꎬ9(5): [11] 张强 ꎬ 郝世俊 ꎬ 赵永哲 ꎬ 等. 沁水盆地松软煤层大直径绳索取心施工关键技术 [J]. 探矿工程 : 岩土钻掘工程 ꎬ2015ꎬ42(4): ZHANG Qiangꎬ HAO Shijunꎬ ZHAO Yongzheꎬ et al. Key Technology of large diameter wire-line coring applied in the soft seam in Qinshui Basin [ J].Exploration Engineering:Rock & Soil Drilling and Tunnelingꎬ2015ꎬ42(4): [12] 张吉路. 绳索取心钻进工艺在山西吉县煤层气参数井的应用 [J]. 中国煤炭地质 ꎬ2010ꎬ22(S1): ZHANG Jilu.Application of wire line coring drilling technology in CBM parameter wells in Jixianꎬ Shanxi [ J]. Coal Geology of Chinaꎬ2010ꎬ22( S1): [13] 乔磊 ꎬ 申瑞臣 ꎬ 黄洪春 ꎬ 等. 沁水盆地南部低成本煤层气钻井完井技术 [J]. 石油勘探与开发 ꎬ2008ꎬ35(4): QIAO LeiꎬSHEN RuichenꎬHUANG Hongchunꎬ et al. Low - cost drilling and completion techniques for coalbed methane in southern Qinshui BasinꎬCentral China [ J].Petroleum Exploration and Developmentꎬ2008ꎬ35(4): [14] 门相勇 ꎬ 韩征 ꎬ 高白水 ꎬ 等. 我国煤层气勘查开发现状与发展建议 [J]. 中国矿业 ꎬ2017ꎬ26(S2):1-4. MEN Xiangyongꎬ HAN Zhengꎬ GAO Baishuiꎬ et al. Present situation and development suggestion of exploration and develop ment in China [ J].China Mining Magazineꎬ2017ꎬ26( S2):1-4. [15] 林昕 ꎬ 饶孟余 ꎬ 吴雪飞 ꎬ 等. 地质导向建模提高煤层气水平井开发效果 [J]. 石油钻采工艺 ꎬ2017ꎬ39(5): ꎬ569. LIN XinꎬRAO MengyuꎬWU Xuefeiꎬet al.geo-steering modeling technology used for improving the development effects of CBM horizontal wells [ J].Oil Drilling & Production Technologyꎬ2017ꎬ 39(5): ꎬ569. [16] 张群 ꎬ 葛春贵 ꎬ 李伟 ꎬ 等. 碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式 [J]. 煤炭学报 ꎬ2018ꎬ43(1): ZHANG QunꎬGE ChunguiꎬLI Weiꎬet al.a new model and appli cation of coalbed methane high efficiency production from broken soft and low permeable coal seam by roof strata-in horizontal well and staged hydraulic fracture [ J].Journal of China Coal Societyꎬ 2018ꎬ43(1): [17] 卢国军 ꎬ 刘彬 ꎬ 王力 ꎬ 等. 中国煤层气储层伤害分析及钻井液储层保护研究现状 [ J ]. 煤田地质与勘探 ꎬ 2016ꎬ 44 (2): LU GuojunꎬLIU BinꎬWANG Liꎬet al.analysis of CBM reservoir damage and status of research on reservoir protection with drilling fluids in China [J]. Coal Geology & Explorationꎬ2016ꎬ44( 2): [18] 胡友林. 沁端区块 3 # 煤层气储层损害机理及钻井液与完井液技术研究 [D]. 北京 : 中国地质大学 ꎬ2015:1-5. ( 下转第 32 页 ) 21

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Microsoft Word - 11--方刚_new_.doc 第 44 卷第 3 期煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY & EXPLORATION Jun. 2016 文章编号 : 1001-1986(2016)03-0057-08 铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治方刚 1,2,3, 靳德武 (1. 中煤科工集团西安研究

郝世俊等 : 我国煤层气钻井技术及装备现状与展望 2018 年第 4 期 度煤层气地面开发产量 m 3 ꎬ 为 2010 年的 3.0 倍 ꎬ 占同期煤层气 ( 煤矿瓦斯 ) 总抽采量的 21.06%ꎬ 与 2010 年相当 [1-2] ꎮ 与 2010 年相比 ꎬ 地面煤层气与井下

郝世俊等 : 我国煤层气钻井技术及装备现状与展望 2018 年第 4 期度煤层气地面开发产量 m 3 ꎬ 为 2010 年的 3.0 倍 ꎬ 占同期煤层气 ( 煤矿瓦斯 ) 总抽采量的 21.06%ꎬ 与 2010 年相当 [1-2] ꎮ 与 2010 年相比 ꎬ 地面煤层气与井下