煤層氣鉆井工程設計課件

煤層氣鉆井工程設計張遂安教授/主任

既要堅持科學態(tài)度，積極采用新工藝、新技術、新設備和新材料又要制定合理、簡單可靠的技術工藝流程，減少投資，降低成本同時便于生產管理，正確處理技術先進與經濟合理的關系鉆井工程設計原則鉆井工程設計類型A.煤層氣鉆井工程技術方案

（通常由作業(yè)者起草）

B.

煤層氣鉆井工程施工設計

（通常由施工者編制）

a.煤層氣鉆井工程施工設計（參見《煤層氣鉆井工程施工設計格式》）

b.煤層氣地質錄井施工設計（參見《煤層氣地質錄井施工設計格式》）

c.煤層氣測井施工設計（參見《煤層氣測井作業(yè)規(guī)程》）

d.煤層氣固井施工設計e.煤層氣試井施工設計f.煤層氣分析測試設計1.

前言1.1井位及基本參數通常，為了簡明地表達其工程特性，在設計的開篇大多先列出設計井的一些基本參數。一般包括以下基本參數：井號：井的類型：指明設計井為取芯井、還是生產試驗井還是開發(fā)井。設計坐標：縱(X)：橫(Y)：標高：地理位置：構造位置：目的煤層：包括用于氣含量測定的取芯目的煤層、試井的主要煤層以及將要進行壓裂排采的主要煤層。設計井深：完井層位：A.

參數井

——取全取準各類煤儲層參數：包括煤層厚度、煤層埋藏深度、煤巖煤質、煤層氣含量、煤的吸附常數與等溫吸附曲線、煤及其頂底板的力學性質、儲層壓力、煤層滲透率、原地應力等。

B.

生產試驗井(單井)——獲取儲層評價或產能評價必須的實際的生產數據及相關的工程參數。在獲得較為理想的煤儲層實測參數的基礎上，進一步對主要煤層進行水力壓裂和排采試驗。

C.

先導性試驗井組

——獲取儲層評價或產能評價必須的實際的井組生產數據及相關的工程參數。D.

生產井

——以施工高質量井和獲得高產氣井為主要工程目的。1.

前言1.2工程目的本設計是在以往大量的煤田地質勘探成果和煤層氣資源評價以及勘探開發(fā)基礎上進行的，本設計所依據的主要資料有：

井田煤田地質詳查報告

井田煤田地質精查報告

煤層氣參數井和

煤層氣生產試驗井成果

煤層氣勘探開發(fā)成果等1.

前言1.3設計依據地層構造煤系煤層等1.

前言1.4地質背景2.

地質設計2.1完井原則與井深設計考慮到排采過程中需要留有一定砂袋，因此煤層氣井完井基本原則是鉆至最下一個目的煤層底界之下40～60m完鉆。地質錄井執(zhí)行《煤層氣地質錄井作業(yè)規(guī)程》。煤層氣井鉆井過程中的地質錄井應包括以下幾個方面：

1）巖煤屑錄井非煤系地層每2～4m撈取1包；煤系地層每1～2m1包；目的層段（煤層）每0.5m1包。

2）鉆時錄井非煤系地層每1～2m記錄1個點；煤系地層每0.5～1m記錄1個點；目的層井段每0.1m記錄1個點。

3）鉆井循環(huán)介質錄井準確記錄測點井深的鉆井循環(huán)介質性能資料，如鉆井循環(huán)介質的類型、密度、粘度、失水量、泥餅、切力、pH值、含砂量、氯離子含量等。2.

地質設計2.3地質錄井設計裸眼標準測井是對全井進行測井（深度比例為1:500），用以劃分地層，判別巖性。裸眼標準測井的測井項目有：雙側向（DLL）

單位：Ω.m自然電位（SP）

單位：mv自然伽馬（GR）

單位：API雙井徑（CAL）

單位：cm1）裸眼標準測井2.

地質設計2.4地球物理測井設計2）裸眼綜合測井裸眼綜合測井是對煤系地層和認為有必要的其它井段進行更細致的測井，用以進行巖性分析、劃分煤層及夾矸、劃分和判斷含水層等。裸眼綜合測井的測井項目為：雙測向（DLL）

單位：Ω.m微球形聚焦（MSFL）

單位：Ω.m自然伽馬（GR）

單位：API自然電位（SP）

單位：mv雙井徑（CAL1）（CAL2）

單位：cm補償密度（DEN）

單位：g/cm3補償中子（CNL）

單位：P.U.補償聲波（AC）

單位：μs/m井溫（TEMP）（連續(xù)曲線）

單位：℃2.

地質設計2.4地球物理測井設計3）固井質量檢查測井固井質量檢查測井是在固井后進行的全井段地球物理測井，測井的主要項目為聲幅、自然伽馬、套管接箍測井、聲波變密度測井。2.

地質設計2.4地球物理測井設計地球物理測井將執(zhí)行《煤層氣測井作業(yè)規(guī)程》。煤層氣井測井包括裸眼標準測井、裸眼綜合測井、固井質量檢查測井等。1）裸眼標準測井裸眼標準測井是對全井進行測井（深度比例為1:500），用以劃分地層，判別巖性。裸眼標準測井的測井項目有：雙側向（DLL）

單位：Ω.m自然電位（SP）

單位：mv自然伽馬（GR）

單位：API雙井徑（CAL）

單位：cm2.

地質設計2.4地球物理測井設計煤層氣參數井的工程目的主要是通過取心分析和測試，取全取準煤層厚度、煤層埋藏深度、煤巖煤質、煤層氣含量、煤的吸附常數與等溫吸附曲線、煤及其頂底板的力學性質、儲層壓力、煤層滲透率、原地應力等主要煤儲層參數，為開發(fā)項目提供儲層資料。2.

地質設計2.5取芯與分析測試樣品設計2）測試分析樣品設計根據煤層氣參數井的工程目的，主要分析項目包括煤層氣含量測定、煤層氣氣體組分分析、煤樣的煤巖煤質分析、煤的元素分析、煤樣及其煤層頂底板巖樣的巖石力學性質測試等。煤芯樣主要測試項目：煤層含氣量測定（直接法）及氣組分析；工業(yè)分析、固定炭、真密度、視密度、元素分析等煤質分析；煤巖顯微組分和礦物含量測定、鏡質體反射率測定煤巖分析；等溫吸附等溫吸附實驗；抗壓強度、剪切模量、楊氏模量、泊松比等力學性質等。根據測試需要，煤樣的采集一般每0.5m采集1個煤層氣含量測定樣品，每層煤采集1～3個等溫吸附樣品和其它測試分析樣品。2.

地質設計2.5取芯與分析測試樣品設計表

單井樣品采集數量及分析項目計劃表序號分析測試項目樣

品

數**號煤層**號煤層合計1煤層氣含量測定2氣體成分分析3等溫吸附試驗（平衡水條件下）4煤的工業(yè)分析5煤巖顯微組分定量分析6鏡質組反射率測定7煤的真密度、視密度8煤的元素分析9煤的巖力學性質10煤層頂板孔隙度11煤層頂板滲透率12煤層頂板巖力學性質13煤層底板孔隙度14煤層底板滲透率15煤層底板巖力學性質2.

地質設計2.5取芯與分析測試樣品設計3）測試應獲取的主要參數煤層滲透率儲層壓力及儲層壓力梯度原地應力及應力梯度破裂壓力、閉合壓力表皮系數調查半徑儲層溫度等2.

地質設計2.6煤層氣試井設計4）測試方法選擇根據該區(qū)的煤層滲透性，采用注入/壓降試井方法進行測試是目前最適宜的測試方法。注入/壓降試井的主要優(yōu)點是：a.流體的注入提高了地層壓力，保證了在測試過程中為單相流；它適用于負壓、正常壓力和超壓等各種情況的煤層氣井；b.不需要井下機械泵送設備，簡化了操作步驟，降低了成本；c.可以用標準試井分析方法來分析，結果比較可靠；d.探測半徑較大，時間相對較短。

2.

地質設計2.6煤層氣試井設計科學系統(tǒng)地進行鉆井工程設計是確保鉆成高質量煤層氣井的前提，任何煤層氣井鉆井工程設計必須按照如下步驟進行設計。2.收集資料并進行鉆井工程條件研究分析3.學習有關國家和地方法律法規(guī)根據要求制定設計原則可要求6.優(yōu)化鉆井工藝技術4.井身結構設計7.鉆井設備優(yōu)化組合設計8.鉆井循環(huán)介質優(yōu)化及鉆頭水參數設計9.鉆柱設計11.取心設計10.固井設計12.工序安排13.制定健康、安全與環(huán)境管理措施1.認真研究、理解地質目的和工程任務，地質設計5套管柱設計煤層氣鉆井工程設計步驟示意圖3.

工程設計3.1工程設計步驟科學系統(tǒng)地進行鉆井工程設計是確保鉆成高質量煤層氣井的前提，任何煤層氣井鉆井工程設計必須按照如下步驟進行設計。3.

工程設計3.2井身結構設計（1）井身結構設計依據井身結構設計的主要依據是地質目的、地質設計要求、地層結構及其特征、地層孔隙壓力、地層水文條件、地層破裂壓力、完井方法、增產措施、生產方式及生產工具等。（2）井身結構設計程序井身結構設計程序應參照圖2-4流程進行，但在實際設計中應根據具體地質條件綜合考慮各方面的因素作相應補充和完善。3.

工程設計3.2井身結構設計（3）井身結構設計原則所設計的井身結構應充分滿足鉆井、完井生產需要以及獲取參數的需要。采用的所有鉆井工藝技術應有利于保護煤儲層。充分考慮到出現漏、涌、塌、卡等復雜情況的處理作業(yè)需要（一般應留有余地），以實現安全、優(yōu)質、快速、低成本鉆井。應盡可能地簡化井身結構，以降低成本和避免工程失誤。

通常情況下，煤層氣生產和試驗井井身結構宜采用表2-10所示結構（圖2-5），根據生產需要可采用更大直徑的套管。地層條件復雜情況下，可采用表2-11所示的井身結構設計。3.

工程設計3.2井身結構設計表2-10煤層氣井常規(guī)鉆井井身結構表開鉆程序鉆頭尺寸套管類型套管尺寸一開ф311.1mm表層套管ф244.5mm二開ф215.9mm生產套管ф139.7（ф177.8）mm表2-11復雜地層條件下煤層氣鉆井井身結構表開鉆程序鉆頭尺寸套管類型套管尺寸一開ф表層套管ф二開ф技術套管ф三開ф生產套管ф139.7（ф177.8）mm3.

工程設計3.2井身結構設計煤層氣鉆井井身結構示意圖3.

工程設計3.2井身結構設計通常情況下，煤層氣井生產套管宜采用ф139.7mm套管；確因產水量大、地層復雜或為提高氣水產量，可采用更大直徑的套管；風險勘探所施工的參數井，可采用小井眼鉆井（二開井徑小于ф118mm）。井身結構選擇設計參照煤層氣鉆井優(yōu)選套管與鉆頭匹配關系執(zhí)行。3.

工程設計3.2井身結構設計127139.7120.6155.6200193.7114.3101.6168.3177.8165.1219.1244.5225.4215.9219.1241.3266.7311.1200244.5273298.4349.4298.4311.1364.6508269.9349.2406.5431.8.8364.6431.8508660.4406.4508609.6762149.2套管和襯管尺寸

鉆頭和井徑

套管和襯管尺寸鉆頭和井徑套管尺寸鉆頭和井徑套管尺寸鉆頭和井徑套管尺寸圖2-6

煤層氣鉆井優(yōu)選套管與鉆頭匹配關系圖（圖中單位為mm）3.

工程設計3.2井身結構設計（1）鉆井循環(huán)介質設計依據應根據地質設計提供的地層壓力，掌握壓力系數，在鉆井設計時選定壓差，并用當量循環(huán)密度進行驗算，最后確定鉆井循環(huán)介質類型、密度等技術指標及其允許使用范圍。（2）煤層氣井鉆井循環(huán)介質設計應包括以下主要因素（不局限于這些因素）盡量減少對煤儲層的傷害，保護煤儲層穩(wěn)定和保護井壁，平衡地層壓力，以保障鉆進施工安全潤滑、冷卻鉆頭3.

工程設計3.3鉆井循環(huán)介質設計（3）鉆井循環(huán)介質優(yōu)選原則取心、裸眼測試的參數井、試驗井及生產井，選用清水、無粘土鉆井液或優(yōu)質鉆井液；生產井，選用優(yōu)質鉆井液、無粘土鉆井液、清水和氣體（空氣、氮氣、充氣）循環(huán)介質及泡沫循環(huán)介質。根據增產措施和煤儲層特點，亦可采用暫堵型優(yōu)質粘土鉆井液。

3.

工程設計3.3鉆井循環(huán)介質設計（4）鉆井循環(huán)介質性能要求

降低固相含量：在進入煤系地層前采用普通優(yōu)質鉆井液，粘土含量小于6％；煤層段根據井型和錄取參數的需要，可采用清水、無粘土和少量粘土優(yōu)質鉆井液，配備好固控設備。用清水作鉆井液，密度應控制在1.03g/cm3以下（表2-12）。若水源充足時，可開放式循環(huán)。

表2-12煤層氣井鉆井液匹配參數一覽表指標密度g/cm3塑性粘度MPa﹒s中壓失水ml固相含量%含砂量%粘土含量%pH值性能1.03～1.0515～20<9<4<0.21～28～8.53.

工程設計3.3鉆井循環(huán)介質設計降低失水量：失水量是鉆井液中一項重要性能指標，為防止因鉆井液濾液浸入傷害，必須使用降失水劑來控制中壓失水在9ml以下。酸堿值要適當：一般pH值應控制在8～8.5之間。抑制水化、膨脹：為防止泥頁巖及煤儲層中粘土顆粒水化分散，膨脹剝落，造成煤儲層傷害，可使用鉀基系列優(yōu)質鉆井液。降低鉆井液密度，實行平衡或近平衡鉆井：使用無粘土或少量粘土優(yōu)質鉆井液、清水，再配備使用好固控設備除去有害固相，保持低密度。切力和動塑比：適當的切力和動塑比，有利于攜帶懸浮鉆屑，有效清洗井眼，降低激動壓力和對煤儲層的傷害。3.

工程設計3.3鉆井循環(huán)介質設計泡沫鉆井循環(huán)介質（包括充氣、泡沫）作為鉆井循環(huán)介質鉆煤層氣井，實現欠平衡或近平衡鉆井，減少對煤儲層的污染，參照有關標準進行設計。氣體鉆井循環(huán)介質（包括空氣、氮氣）作為鉆井循環(huán)介質鉆煤層氣井，實現欠平衡或近平衡鉆井，有利于防止對煤儲層的污染，參照有關標準進行設計。3.

工程設計3.3鉆井循環(huán)介質設計為使煤芯中氣體損失量最小，應選用繩索式半合管取心工具取心，亦應保證巖煤芯直徑大于60mm。為減少煤芯在起出過程中的氣體損失量，提升時間限定為：井深1000m以淺，取心內筒從提心開始至出井口時間小于20min，從出井口到煤芯裝罐完時間小于10min。井深1000m以深，取心內筒從提心開始至出井口時間不大0.02min/m×H(H為井深,m)。

3.

工程設計3.3鉆井循環(huán)介質設計常規(guī)井徑取心鉆具組合：φ215mm取心鉆頭+φ178mm繩索式半合管取心工具+φ177.8mm鉆鋌（內徑≥95mm）6根+φ127mm鉆桿（內徑≥95mm）+133.3mm方鉆桿。小井眼取心鉆具組合：φ118mm(或φ95mm)取心鉆頭＋φ118mm(或φ95mm)擴大器＋φ90mm繩索式半合管取心工具。煤層頂、底板及煤層可采用PDC取心鉆頭、硬質合金取心鉆頭或金剛石取心鉆頭。取心參數應結合現場實鉆煤層特征具體制定，推薦參數見下表。表2-14煤層氣井繩索取心施工工程參數井段鉆壓（kN）轉速（r/min）排量（L/s）煤層段20～5040～506～8非煤層段40～6060～6510～153.

工程設計3.4取心設計1.前言1.1井位及基本參數1.2工程目的1.3設計依據1.4地質背景1.5采用技術標準2.地質設計2.1完井原則與井深設計2.2鉆遇地層預測與故障提示2.3地質錄井設計2.4地球物理測井設計2.5取芯與測試設計2.6煤層氣試井設計3.工程設計3.