第十一章煤层气开发的工艺技术.docx

1、第十一章煤层气开发的工艺技术第十一章 煤层气的勘探开发技术煤层气开发的成败，关键在于采取一整套与煤储层物性相适应的钻井、完井、压裂、排采等技术方法。第一节 钻采工艺技术开采煤层气经常使用的有三种布井方式，即针对煤层的垂直钻井、水平钻井和针对采空区的钻井。垂直井是从地面打钻穿过煤层进行采气，是目前要紧的钻井方式（图11-1）。这种开采方式产气量大、资源回收率高、机动性强，可形成规模效益。但它要求有利的地形条件、厚度较大、渗透性较好的煤层或煤层群。水平井有两种：一种是从巷道打的水平抽放瓦斯井；另一种是从地面先打直井再造斜，沿煤层钻水平井（排泄井或称丛式井）（图11-2），在煤层内打假设干水平分枝时

2、，又称为分枝水平井或羽状水平井（图11-3）。水平钻井的方向与面割理方向垂直，适于厚度大于的厚煤层，本钱较高。采空区钻井：从采空区上方由地面钻井到煤层上方或穿过煤层（图11-2）采空区。采空区顶板因巷道支柱前移而坍塌，产生新的裂痕使瓦斯从井中涌出。若是采空区顶部还有煤层并成为采空区的一部份，瓦斯涌出量更大。产出气体中混有空气，热值降低。由于产出气中含氧高，不宜管道输送，产量下降较快的井宜当场利用。图11-1 煤层甲烷井类型图 图11-2 排泄孔钻井工艺图（据胡爱莲，刘友民，1992） （据胡爱莲，刘友民，1992）一、钻井类型分类按煤层层数分类：依照一口井开采的煤层层数分为单煤层井和多煤层井。

3、单煤层井井筒只与一个煤层连通，多煤层井井筒与多个煤层连通。依照埋深分类：浅层气井井深大于300m，一样200300m以上属甲烷风化带，无益于煤层气保留；深层气井井深大于1500m， 1500m以下煤层埋深大，本钱高。 目前煤层气最深的井有2438m。 图11-3 我国第一口水平井实钻井眼轨迹三维图一样井深为3001500m。 （据奥瑞安国际能源，杨陆武，2005）按井网的位置分类：有边缘井和内部井两种。依照钻井类别分类：有资料井（取心井）、实验井（组）、生产井和检测井四种。资料井要紧通过钻区探井取准煤心作含气量等参数测试、试气，并用单项注入法求取煤层渗透率。实验井（组）是通过井（组）降压试采，

4、评判工业性开采价值。开发进程中以采气为目的的井称生产井。监测井要紧用于生产进程中压力监测。二、钻井工艺煤层气井类型和钻井工艺的选择取决于煤储层的埋深、厚度、力学强度、压力及地层组合类型、井壁稳固性等地质条件。1、钻机类型浅煤层钻井一样采纳旋转或冲击钻钻井，用空气、水雾、泡沫液做循环介质，也能够利用轻便自行式液压钻机、顶部驱动钻机和小型车载钻机或一般钻机，宜采纳非泥浆体系循环介质。浅煤层区地层压力低，没必要采纳泥浆操纵压力，采纳空气钻井，钻速高，大体费用低，在欠平稳和极欠平稳方式下钻进，对地层损害小，采纳空气钻进和泥浆钻进相结合的方式，即先利用空气钻井液直至泥浆贮备池装满采出水，再改用采出的水做

5、钻井液到贮备池排空，如此交替直到完钻。深煤层区一样采纳常规旋转钻机。由于地层压力高，不能采纳空气钻井技术。如美国西部含煤盆地的某些层段压力超高，具井喷危险，因此在大多数情形下，采纳泥浆系列，利用泥浆密度操纵可能发生的水涌和气涌。还可在预测煤层深度范围内，放慢钻速，发觉钻井异样当即停钻，上提钻具，用小排量循环；进行煤层取心时，采纳低钻、低转速和低泵压。钻厚煤层时，采取每钻进上提一次钻具，进行多次循环等方法，及时避免和解决钻井进程中常碰到的煤层坍塌、严峻扩径、卡钻和出水。二、欠平稳钻井技术在钻井进程中，利用自然条件和人工方式在可控条件下使钻井流体的压力低于要钻地层的压力，在井筒内形成负压。这一钻井

6、进程和工艺叫做欠平稳钻井。欠平稳钻井是继水平井以后又一钻井新技术革命，欠平稳钻井在提高勘探开发水平，降低钻井本钱，爱惜储层等多方面都有其自身的优势，其要紧特点如下：1）减少地层损害欠平稳钻井进程中，差遣钻井液中的固相和液相进入产层的正压差排除，因此，减少了固相和液相侵入产层近井地带造成的地层损害，从而提高了裸眼测井说明的准确性。欠平稳钻井能够采纳气基流体（必要时还能够对气体进行脱水、干燥），使工作液极少失水或不失水而无损害或低损害地打开储层。2）提高钻速欠平稳钻井井筒液柱压力的降低，使得井底正在被钻的岩石更易破碎，也有助于减少“压持作用”，使钻头继续切削新岩石而不是碾压已破碎的岩屑，从而提高了

7、机械钻速。3）延长钻头寿命欠平稳钻井时，排除过平稳钻井时的井底压力效应，降低了井底岩石的强度，并有利于井底清洗，理所固然地提高了钻井效率，在钻头达到临界磨损之前，钻井进尺更多。4）幸免井漏井漏可能大大增加钻井工程的本钱，假设钻井液漏进储层裂痕就增加了额外的钻井液本钱，同时堵漏费工、花钱，且漏失的钻井液会造成严峻的地层损害。欠平稳钻井能够减小或幸免井漏问题，关于复杂地质条件下的储层，漏、喷、塌、卡都可能同时发生，欠平稳钻井技术是对付这种储层的有效技术。5）减少压差卡钻常规钻井中，在过平稳压差的驱动下，在井壁上，滤液进入高渗地层，而固相颗粒那么形成了滤饼。假设钻柱嵌入泥饼，井筒与泥饼内液体的压差作

8、用，使钻柱要运动的轴向力可能超过其抗拉强度，造成压差卡钻。而欠平稳钻井时，井壁上没有泥饼和压差力“粘住”钻柱。6）改善地层评判欠平稳钻井能够改善对产层的评判，乃至能够发觉产层而常规钻井时可能被错过。欠平稳钻井时，地层流体从裸眼井段的地层进入井筒，只要所钻地层具有必然的驱动力和渗透性，钻井液中的气含量会增大并随钻井液抵达地面。在钻井时，用适当的测井工具和钻井记录，就能够指示产层的潜在能力。煤层气钻井的另一个重要特点是要求在每口井的最低开采层段以下打一个大的“井底口袋”，“井底口袋” 直径约为20cm，深度一样在3060m之间，用于安置人工举升设备，加速排水，降低井底压力至煤层吸附气解析产出的临界

9、点。此处便于聚集回流到井筒中的煤粉等碎屑物质。三、完井煤层气井完井有三种大体方式，即裸眼完井、套管完井、混合完井（或称裸眼/套管完井，图11-4）。另外，还有针对深部低渗煤层的水平排孔衬管完井。 图11-4 煤层甲烷井完井类型图（据林永洲，1990）一、裸眼完井 裸眼完井是钻到煤层上方地层，下套管固井，再钻开生产层段的煤层，产气煤层维持裸眼（图11-4），这种完井方式是煤层气井中费用最低的一种。但增产作业时，井控条件降低，煤层坍塌会致使事故。此种完井方式一样用于单煤层井。裸眼完井初期煤层段直接采纳裸眼或砾石充填或筛管，现进展为裸眼洞窟完井，即人为地在裸眼段煤层部份造成一个大洞窟。此种方式适用于

10、高压高渗地层，缺点是井眼稳固性差，风险性比套管完井大。其优势是：1）排除钻井污染和水泥对煤层的侵入；2）造成的大洞窟使洞窟直径5倍左右的地应力降低，扩大了煤层的暴露面积，提高了自然裂隙的渗透率；4）节约部份下套管和固井费用，免去了射孔或割缝作业。其缺点是：1）易显现地层坍塌，井筒极度充填；2）隔离地层操纵困难；3）不易解决生产井段地层出水问题；4）风险性大，后期井筒保护及修井作业费用难以预测。二、套管完井套管完井是对煤层上方地层和产气煤层均下套管，然后在产气煤层处射孔或割缝（图11-4）的一种完井方式。其优势是1）维持井筒稳固性，减少了修井作业和治理费用；2）利于隔离煤层，许诺对多煤层进行选择

11、性完井；3）确保强化生产时对气井的操纵；4）解决了生产井段的出水问题，降低了煤粉的产量。其缺点是：1）注水泥作业时，由煤压裂引发水泥侵入会造成煤层污染；2）由于强化期间煤粉的磨蚀或由于生产进程中套管外围煤粉的运动，造成地层进入点（射孔或割缝）的堵塞；3）增加了套管和固井费用；4）需要射孔或割缝作业。目前正在利用一种特殊的工艺，即在注水泥时，当水泥达到生产层时，封隔器将水泥挤入井内，然后，在非生产层处又将水泥挤到套管之外。这种方式使水泥不和煤层接触，幸免水泥渗人煤层。套管尺寸须适应生产井气、水产量的需要，依照预测气、水产出量，选用抽水设备，再决定套管尺寸。3、混合完井混合完井即裸眼完井与套管完井

12、方式在同一口井中利用。依地层条件而定，一样用于多煤层，最深部煤层采纳裸眼完井，上部煤层均采纳套管完井。该方式综合了裸眼完井与套管完井的特点，保证有一煤层不受水泥污染，且减少部份套管、水泥和射孔或割缝费用。4、水平排孔衬管完井水平排孔衬管完井适用于深层低渗厚煤层，一样适用于厚以上的煤层。其优势是能够提供与煤层的最大接触面积，尤其是各向异性煤层，有利于提高产量，增进煤层气解吸采出，提高总脱附气量和采收率。缺点是在钻井完井进程中易发生裂隙系统堵塞、闭合等现象，损害煤层渗透率。第二节 煤层气的开采技术一、地面排水降压开发煤层气一、洗井洗井是在完井以后或在压裂前进行。目的是清洗完井后留在井筒的各类碎屑物

13、，如煤粉、泥岩和页岩等岩屑、残留水泥等，以幸免这些碎屑物对地层造成的损害。洗井方式包括清水洗井和高速气流洗井。清水洗井分正洗与反洗。高速气流洗井通经常使用空气或氮气，也有正洗与反洗之分。二、排水采气工艺技术煤层气排水采气要求： 排液速度快，不怕井间干扰； 降低井底流压，排水设备的吸液口一样都要求下到煤层以下； 要求有靠得住的防煤屑、煤粉危害的方法。目前开采煤层气排水的方式有：游梁式有杆泵、电潜泵、螺杆泵、气举、水力喷射泵、泡沫法、优选管柱法等。1）有杆泵 有杆泵在各类深度和排量下都能有效工作，适应性强，操作简单，几乎不需保养。它需要天然气发动机或电动机作动力，来带动抽油机驱动的活塞泵抽水，水由

14、油管排出，气靠自身能量由油套环形空间排出井筒。若是气压很低，进不了集输流程，就要考虑用真空泵和紧缩机来抽吸和增压输送。2）电潜泵排水采气它需要有高压电源供电至井下电动机，由井下电动机带动井下离心泵，将煤层水抽入油管而排至地面。甲烷气也是靠自身能量由油套环形空间排出井筒。3）气举排水采气可分为气举凡尔法和柱塞法。气举凡尔法是用高压气源向井内注气，以气混水将井内的水及甲烷排出井筒至地面。气举管柱有单管（开式、半闭式、封锁式）、双管并列式、双管同心式三种结构。柱塞气举需要靠气井自身能量，亦靠得住注入气补充能量来选举油管内的柱塞，将柱塞以上的液体排到地面。4）螺杆泵排水采气按驱动方式分为地面驱动和井下

15、驱动。地面驱动螺杆泵需要电动机来转动抽液杆，从而使螺杆泵工作，将井内液体排到地面，而甲烷气由油套环形空间排出井筒。5）水力喷射泵排水采气 它需要有高压大排量泵向井内注入清水循环，通过喷嘴产生抽汲作用，将地层流体混入清水而带至地面。6）优选管柱排水采气依照气井产气能力，利用储层自身能量，优选适合的排水采气油管直径，使气流速度达到带水的要求。3、煤层气开发地面设备煤层气井一样是在较低的井底压力条件下采气。在完成人工举升排水以后，还需要一整套地面设备，包括气、水分离设备和集气增压设施等。从井中采出的气体抵达地面后，压力一样不足大气压，需要采取低压搜集、脱水、高压输送方式才能将气体送到用户。低压搜集系

16、统一样包括一个脱水分离器，一个压力操纵器，一个水蒸气分离器，一个装有标准压力补偿器的涡连番量计，一个泄压平安阀（图11-5）。该系统将低压气体输送到中央增压紧缩站，将压力增至（图11-6）。被紧缩的气体通过脱水器后，气体中的蒸气含量降低，取得的干燥气体通过输气管线供给用户。美国煤层气田利用的紧缩机要紧有两种：一种是旋转式紧缩机，另一种是三级往复式紧缩机。旋转式紧缩机利用螺旋叶片在管线中旋转、紧缩和推动气体。其优势是体积小， 图11-5 低压采气系统图 （据胡爱莲，刘友民，1992）操作保养简单，紧缩气量大；缺点是紧缩压力较低，压力脉动范围较窄。往复式紧缩机由一个活塞和一个气缸组成，优势是紧缩压

17、力高，压力脉动范围大，能适应压能波动。黑勇士盆地采纳这种紧缩机应用成效良好。在美国的黑勇士和圣胡安盆地一样以20口井为一组，配备一套地面加压设备和相应的管路，用以供气。随着美国煤层气开发活动的不断扩大，煤层吸附气产量不断提高，煤层气开采配套技术加倍迅速取得进展和完善，煤层气井开始实现遥控和连片自动化操作运行。1987年以来，美国Burlington资源公司的子公司Meridian石油公司一直致力于圣胡安盆地的煤层吸附气开采自动化，并取得了重大功效。这套生产自动化系统由遥控器、中继线系统、运算机监控三大部份组成。遥控器具有遥控、数据搜集、综合、计算、报 图11-6 气体紧缩站图（据胡爱莲，刘友民

18、，1992）警和通迅等功能。中继线系统起通信作用，可为多个用户提供作用。通过中继线系统，可提供生产井和地面气水处置装置的大量信息和需要实时修正的作业参数。运算机监控包括一台主操作运算机，一套应用软件和个人运算机兼容工作站。主操作运算机是现场自动化系统的数据搜集与处置中心，提供报告，观看各个井场，利用键盘向各个遥控操作器发出指令等等。煤层气井实现生产自动化的优势很多，专门是在高台深谷、气候恶劣的圣胡安盆地更显示出优越性，能大大节省人力、物力、财力，改善井的治理条件和质量等等。但是最令人感爱好的是，它能够对天然气生产系统的任何故障作出判定，并迅速作出反映，如：一旦集输系统压力增大，遥控器通过接收压

19、力传感器检测到这一情形后，当即自动从操纵该井流量变换到操纵集输系统的压力，这关于煤层气井正常生产极为重要，可爱惜集输系统免于突然燃烧。据测算，由于处置不及时引发的突然燃烧的天然气量每小时可高达1万美元，而实施了这种自动化系统排除气体的突然燃烧。4、排水采气方式的优化选择为了使煤层气开采取得较高的经济效益，应依照区域水文地质条件，预测产水量，然后优化选择排水采气方式及其设备。选择要求： 气井的产水量转变大，初期会产出大量的水，往后产水量相对减少，乃至很小，所选用的排水采气方式应兼顾前后期转变，适用范围较大； 必需知足在最小井底压力下采出最大水量的要求，以保证在尽可能短的时刻里，将储层压力降到解吸

20、压力以下，使气井及早产气； 提高采收率，降低煤层气生产本钱。五、无水产气方式无水气井一样井口压力较低，属无水低压气井。一样表现为甲烷气产量下降的生产阶段，能够用无水气藏消耗式开采方式来开采。井口压力大于时，可用常规气藏开采法；井口压力小于时，用负压采气工艺技术。负压采气工艺技术要求的技术界限见表11-1。负压采气工艺要求要紧设备有罗茨鼓风机、水环式真空泵、压力封式储气罐、紧缩机等，且要求有简易井口装置。负压采气工艺流程有单井流程（图11-7）、抽放站流程（图11-8）。 表11-1 负压采气工艺技术界限表透气性(m3/Mpad)渗透率(10-3m2)气井初始自燃产量(m3/d)采用程度1010

21、-1400可以采用1010-110-3150400勉强采用10-3可以抽放勉强抽放较难抽放图 11-9 淮南谢二矿顺层钻孔布置 图 11-10 抚顺煤矿穿层钻孔布置二、临近层煤层气抽放煤层开采后，其上部或下部煤层和岩层会产生变形或断裂并显现卸压（图11-11）。在其阻碍范围内的煤层、岩层中的煤层气将会通过这些裂隙泄出。为了避免这部份煤层气涌入开采煤层的工作面，就需要随着工作面回采抽放临近层煤层气。三、采空区煤层气抽放采空区煤层气涌出量一样占矿井煤层气总涌出量的25%30，少数矿井高达40%50。为了减少采空区煤层气涌入矿井通风巷道和利用能源，许多矿井进行了采空区抽放。抚顺矿区从20世纪50年代开始采空区抽放，40年来共抽出采空区煤层气约6亿m3，占抽放总量的。采空区煤层气一样聚集在冒落空洞的上方。因此，最好从回风巷向冒落拱上方打钻孔（图11-12），抽出的煤层气浓度可高达6080，抽出量可达34m3min。图 11-11 煤层开采时对上覆岩层的阻碍图 图11-12 阳泉四矿临近层抽放钻孔布置1冒落带；2裂隙带；3弯曲下沉带 1运输巷；2回风巷；3回风副巷；4钻孔