煤层气俗称煤矿瓦斯,是一种以吸附状态赋存于煤层中的非常规天然气,甲烷含量大于90%,是天然气最现实的接替能源之一。煤层气钻井过程中易发生井下事故,原因在于煤岩是割面纹理,相互胶结程度不高,使其在钻井过程中受到外力作用时容易出现滑落现象,从而增加了井下事故的发生概率。另外,在煤层气钻井过程中,为了保护煤储层,在目的煤层井段都要求使用清水作为钻井液进行钻井作业,但是因清水黏度低、流失量大、携岩效果不高,外加力学耦合作用,使煤层气井壁强度进一步下降,煤层气井壁一旦受到过大的外作用力,就会出现煤层气钻井井下复杂事故。
煤层气钻井完井技术经历了四个发展阶段:(1)早期,常规直井钻井、套管射孔完井阶段;(2)常规钻井、洞穴完井阶段;(3)空气钻井、裸眼完井阶段;(4)多分支水平井钻井、水平鱼骨井、裸眼完井阶段。随着技术进步和工艺的突破,针对不同煤层特性采用不同的钻井工艺技术,直接推动了煤层气产量和开发经济效益大幅度提高。
煤层气储层分布复杂,加之所在区域地质地形条件多变,给开采作业带来较大难度,对钻井方式及工艺提出了更高要求,科学合理地选择钻井方案至关重要。经持续攻关与实践,我国已形成较为完备的煤层气钻井技术体系,涵盖水平井与分支井钻井、仿树形井、U形井、多功能钻井液动态污染评价、洞穴井完井、可循环微泡沫钻井、水平井PE筛管完井及玻璃钢筛管完井等系列工艺。同时,配套研发了远距离穿针、双水平井磁导向、小尺寸旋转防喷器、油套管气密封检测及顶底板测量等一系列专用装备与工具。上述技术与装备经现场推广应用,取得了显著经济效益和社会效益。
多分支水平井作为完善后的煤层气钻井工艺技术,可以有效改善煤层气的钻井开采现状。水平井眼侧钻技术,为延长煤层气井的使用寿命提供了技术保障,直接提高了煤层气开采的经济收益。U形井钻井技术也是开采煤层气的关键技术,该项技术的应用使洞穴之间的连通性和平衡性得到了极大改善,一定程度上有利于地质导向技术的优化升级。该技术有两大优势:一是减少井场占地,保护生态环境;二是缩短建井周期,提高产气量。吉U2井组是中国实施的第一口煤层气大尺寸井眼套管射孔完井的U形水平井,采用三开井身结构,水平段井眼直径215.9毫米,下入直径139.7毫米套管并进行固井作业,后期进行分段压裂后进入排采阶段,实现了“主支疏通且控面、脉支解吸”。
20世纪90年代,中国煤层气主要采用直井水力压裂开发,由于我国高阶煤普遍渗透性差,且煤储层非均质性强,只是通过直井压裂的开发方式难以获得高产。2004年开始探索多分支水平井开发方式,由于多分支水平井依靠其主支、分支将煤层中的原始裂缝系统有效沟通,使渗流通道呈网状分布,突破了煤层非均质的局限,从而增加了煤层气的解吸范围。此外,流体在水平井段内的流动阻力相对于在煤层裂缝内要小得多,并且分支井眼与煤层裂缝的相互交错,使煤层裂隙间相互畅通,很大程度上提高了裂隙的导流能力。但是,多分支水平井主支、分支追求最大限度穿越煤层,在钻进过程中经常遭遇井眼垮塌事故,加上投资成本高,造成综合经济效益低。2015年由洞穴直井与定向水平井两口井组成的U形水平井,一定程度上解决了多分支水平井钻井事故频发的问题,但U形井的洞穴直井投入生产后,其定向水平井就停止使用了,造成了资源浪费,且U形井的井眼较小,不能有效释放应力,改善应力场和裂缝场,同时受造穴工艺的影响,排采井后期也常常会发生垮塌等问题,影响经济效益。2015年提出了L形水平井设计理念,用筛管完井和套管完井代替先前的裸眼完井,L形水平井具有工艺相对简单、稳定性强、产量较好、可进行二次改造作业、成本低等优点。