煤层顶板水平井煤层气开发技术研究

张浩亮

中联煤层气有限责任公司 山西 晋城 048000

引言

煤炭和煤层气资源丰富，发展煤层气对优化我国能源结构，降低煤矿瓦斯突出风险具有重要的现实意义。然而，复杂的煤炭结构对煤层气的开发提出了挑战。由于结构应力，煤层顶板被反复挤压，导致煤破碎并且不出现裂缝[1]。煤层中的甲烷不容易在煤层中解吸和产生，对于煤层气开采增加了一定的难度。本文采用煤层顶板定向水平井施工的方法，解决了破碎煤层易成孔的难题，为煤层气的开发提供指导和建议。

1 目的煤层

某矿的主要煤层为13-1＃煤层。煤的东部较厚，西部较薄，底部较厚，顶部较薄。煤层的平均厚度为4.20m。由于煤层中黏土矿物的多边形网状结构的连接较弱，煤层顶部和底部的岩性和力学性能相差较大，因此煤层易于层间滑动，导致13-1＃煤层产生片状破坏和剪切破坏。煤层的顶板以砂质泥岩和泥岩为主，旧砂岩直接覆盖。底板主要是泥岩和砂质泥岩。

2 井身设计

根据煤层气行业的标准井眼结构设计方法，结合某矿区的地质条件以及巷道分布，并参照相邻井的岩性柱状图，得出13-1＃煤层的顶板主要是砂质泥岩和泥岩。对于裂缝性煤层设计了三口水平井结构[2]。与煤储层相比，目标煤层顶板的水平部分更容易形成孔。后期仅需要对水平段进行射孔和压裂，即可形成有效的压裂通道，不仅节省了射孔的费用，更有利于表层煤层气的开发。

首先，使用一个φ444.5mm的钻头钻穿表层土壤，进入稳定的基岩后入φ346mm的表层套管；其次，使用φ311.1mm的钻头在13-1＃煤顶上方0～5m处进行钻孔，插入φ244.5mm技术套管，造斜段设计全角度变化率不超过7°/30m；三开水平段用φ215.9mm钻头钻，水平截面长857m，入φ139.7mm的生产套管。

3 钻具组合设计依据

根据天然气行业标准定向井下钻具组合设计要求，结合定向水平井施工要求和相邻井数据，了解地层的岩性特征，采用以下定向井水平井。

3.1 施工钻进

在垂直剖面上，岩性主要是黏土和砂岩。在钻进施工期间，必须严格控制钻进时间和位移。为了防止地层塌陷，采用低固体土钻井液严格控制泥浆密度，黏度等参数。确保钻孔顺畅[3]。将该井钻至234m的深度，并在开口完成后立即进行表层套管固井，使水泥返回地面。二开着陆是三开水平钻井的起点和基础。如果着陆不平稳，将导致一系列后续的转向和钻孔问题。为了确保顺利着陆，该井通过前导眼确定目标煤层深度，顶板岩性，煤层厚度和其他信息。同时，它节省了钻井成本。钻进深698m处下钻，更换φ215.9mm钻头定向钻进，定孔深度为967m。根据测井，目标煤层13-1＃煤垂直和地质测井数据。深度为782m，厚度为4m，屋顶岩性以砂质泥岩为主。水泥回填导眼至675m。在678m处开始侧移。施工期间要严格控制钻井压力和钻井时间。钻进过程中要特别注意回砂。在进行水泥固井后将水泥返至地面[4]。在三开口水平段的钻井过程中，实时监测井下轨迹数据，钻井时间，含气量等数据，结合测井获得的岩性以及控制井轨迹与目标煤层之间的距离。在钻井过程中应根据井下条件，在确定一定距离后进行短暂的上升，以修整井壁形成稳定的井眼。钻井后，调整钻井液的性能，使井眼完全流通，从井中清除碎屑准备固井。

3.2 固井措施

在二，三开钻的后期，摩擦阻力达到了140～180kN。考虑到套管运行的困难，采用了旋转导靴，以保证套管的平稳运行。

4 结束语

通过煤层顶板定向水平井施工方法，解决了煤矿瓦斯突出的难题，避免了因钻孔，压裂工程对煤层造成的污染伤害。该井的顺利实施，为试验开煤层气的技术打下良好的基础。