王永丰1 王怀洪21 汤振清1 孙文洁1
（1.山东省煤田地质局第三勘探队 泰安 271000；2.山东科技大学地球信息科学与工程学院 青岛 266510）
作者简介：王永丰，1969年生，男，汉族，山东荣城人，高级工程师，探矿工程专业，从事钻探技术及施工管理工作。
摘要 在以往的煤层气钻孔施工中，空气洗井潜孔锤钻进是大口径直井快速钻进的有效施工工艺，但随着煤层气钻探的不断发展，特别是复杂地层的煤层气定向丛式水平井施工，空气洗井有其约束性。笔者根据煤层气勘探施工的特点，采用自然法与人工诱导法相结合，以淀粉泥浆入工混气的方法实施欠平衡钻井技术，取得了良好的应用效果。
关键词 煤层气 泥浆 欠平衡钻进
A Preliminary Research of Underbalance Drilling Technology of CBM
Wang Yongfeng，Wang Huaihong，Tang Zhenqing，Sun Wenjie
（1.No.3 Geological Team，Shandong Bureau of Coalfield Geology，Tai'an 271000；2.Colloge of Geoinformation Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510）
Abstract：Down-hole hammer drilling by air flushing well is an effective drilling technology of the fast heavycaliber vertical shaft drilling during the former CBM drilling operations.But along with the development of CBM drilling technology，air flushing well has its restrictions，especially in complex stratum during directional drilling.The author has obtained the good application effect of under balance drilling，which combines natural and manual inducement methods and artificially mixes the gas in the starch mud according to the characteristics of CBM drilling.
Keywords：CBM；mud；under balance drilling
我国煤层气储量仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位，并且有近一半矿井为高瓦斯或瓦斯突出矿井。近年来，我国煤层气的勘探开发有了实质性进展，国家有关部门和地方政府都在积极支持这项工作，已经把煤层气的开发列入《中国21世纪议程优先项目计划》，使煤层气成为我国新的替代能源。这为地质勘探单位创造了新的地质市场和发展空间，笔者根据在煤层气井施工中的经验，浅显谈谈煤层气钻探欠平衡钻探技术的初步应用。
1 大口径煤层气井的施工
大口径、中深孔可以更多地揭露煤层的孔隙和裂隙，从而能够分析研究存在于孔隙或裂隙中的游离煤层气。我单位多年从事深水井和地热井的施工与研究，在煤层气大口径直井施工有一定的优势。根据地热井和水源井的施工经验，采用空气洗井潜孔锤大口径钻井工艺，对煤层气井施工能够取得较好的效果。
就目前的设备，水源钻机已远远不能满足大口径煤层气快速成井的要求，多功能车载钻机是下一步发展的方向。其原因有两方面：一是多功能钻机的适应性广，不仅适应大口径直井的施工，更重要的是适应煤层多分支水平井施工的需要；二是适合煤层气开采井多中钻进工艺的需求，满足煤层气群孔和机动性需要。
依靠普通泥浆护壁的钻探技术不能适应我国低压煤层气开采。气动潜孔锤钻进，除满足煤层气疏通孔隙的要求外，更重要的一点是满足快速钻进。在实际钻探中发现，气动潜孔锤钻进受很大部分地层的约束，如气水含量高的煤层，特别是煤系地层结构复杂、含水压力高的地层，气动潜孔锤钻进工艺表现在启动困难、增压设备和动力的需求比较大。如何发挥设备的优势，势必进行新工艺的研究。
2 泡沫泥浆
在煤炭地质勘探钻孔钻进中，经常遇到的是煤系地层的稳定性较差，受局部地质构造影响较大，部分层段的岩层结构松散。特别是中小构造带内的断层角砾岩或充填松散物，在气动潜孔锤钻进的扰动下，形成很不稳定的滑移、坍塌现象，造成孔故多发性。同时，煤层所处的构造位置及其活动情况决定了煤层气的保存状况。正断层断开了煤层，会减少单井的煤层气储量，而逆断层则使煤层重复，从而增加煤层气的储量。气动潜孔锤钻进遇此类情况时，钻进工艺参数会发生大幅度的急剧变化，处理不当会造成孔故。泡沫泥浆所需动力较气动潜孔锤的动力要小的多；钻进工艺参数容易控制；钻遇复杂地层护壁和携粉能力强于气动潜孔锤钻进工艺，对孔壁的扰动小；添加润滑剂减轻卡、阻力。综上所述，应用泡沫泥浆钻进是在煤系复杂地层直井钻进替代气动潜孔锤的最优选择，也为欠平衡钻井技术的应用提供了先决条件。
另外最重要的一点，随着煤层气开采中多分支水平井的逐步增多，气动潜孔锤钻进不能适应丛式水平井的施工，在水平丛井施工中应用好泡沫泥浆，会发挥无可比拟的作用。
3 欠平衡钻井技术
在煤层或煤系地层上部地层的钻进中，普通工艺钻进采用防塌泥浆可以有效使牙轮钻头发挥水力作用。即使是煤系地层，也可以提高钻头的碎岩效率，减轻对煤层伤害程度。但随着煤层气开采技术的不断发展，减少外来流体中的固体颗粒对煤气层的损害；减少煤气层内部颗粒运移造成的损害；尽量减少泥浆中粘土颗粒的水化膨胀堵塞孔隙；避免流体的不配性对煤气层的损害；避免水锁效应。因此引进欠平衡钻井液技术，可以大大避免以上对煤层气的损害。
煤层气钻井欠平衡钻进技术有其自身的使用范围和优点。实践表明，欠平衡钻井技术适用于以下情况：高渗弱胶结地层；含有对水基钻井滤液敏感成分的地层；可能与滤液极不相容的地层、接近束缚水饱和度的脱水地层。不适合于进行欠平衡钻井的情况为：a.孔壁不稳定；b.地层孔隙压力不清；c.地层压力高、裂隙发育；d.同一孔内压力系数差别大的井。欠平衡钻井技术与常规钻井技术相比，具有以下优点：a.减轻地层伤害，提高煤层气产量；b.提高钻井效率，降低钻井成本；c.及时识别煤层气产层；d.可实现边钻边生产；e.避免井漏，防止或减少压差卡钻；f.可进行随钻煤层气评价。
目前，实现欠平衡钻井的主要方法有自然法和人工诱导法两种。自然法就是当地层压力系数大于1.10时，可采用降低泥浆比重来实现欠平衡钻井；人工诱导法就是当地层压力小于1.10时，采用常规钻井液无法实现欠平衡钻井施工时，可采用可压缩钻井液实现欠平衡钻井。
煤层气欠平衡钻井技术是一项复杂技术，涉及多项不确定因素，因此应进行从工程具体情况分析，确保获得最大经济利益。其关键技术包括：a.欠平衡钻井设计；b.根据地层压力确定采用自然法还是人工诱导法；c.应实时监测作业参数和瓦斯产出量；d.欠平衡钻井作业的控制技术；e.产出流体的地面处理；f.测量技术。
4 欠平衡钻井技术的初步应用
在某煤层气水平井的钻进中，根据原施工的煤层气压力测试的数据，由于煤层气的压力较低，应用普通低固相粘土泥浆，由于其携带岩粉上返泥浆的比重难以控制，常常会对造成煤层气储层损害、煤层气产量降低。主要原因为：地面配制的泥浆比重虽满足自然法降低泥浆比重来实现欠平衡钻井，但在钻进过程中，特别是快速钻井时，上返泥浆中携带的岩粉含量对泥浆比重和环空压耗的影响很大，且难以及时控制；泥浆中的固体颗粒在压差的作用下在形成泥皮前侵入储层，造成储层煤气流通通道的堵塞，储层渗透性降低；煤层中的泥土质夹矸和煤层顶板为破碎泥岩含有的粘土易水化膨胀，加剧对煤层气的损害；水锁效应等。
如何进行欠平衡钻井，应首先从降低泥浆比重入手，采用自然法与人工诱导法相结合。单纯采用人工诱导施工在水平井钻进中存在一定的施工难度。尤其是煤层的顶板破碎，维护煤层顶板的稳定和保护煤层气开采是关键。选用无固相类泥浆不利于保护井壁，不利于平衡地层压力，使用粘土泥浆就必须控制对煤层气损失因素，降低膨润土含量的同时要发挥粘土泥浆的优势。其次考虑低失水和良好的稳定井壁作用，在有自由水侵入的状态下，也能保持低的失水量和良好的护壁性。经过筛选，选择改性淀粉低膨润土充气泡沫泥浆钻进，改性淀粉泥浆的优点在于添加改性淀粉含量的同时，不增加泥浆的粘度，有效降低泥浆中的粘土含量，抑制粘土的分散，大大降低泥浆的失水量，与泡沫剂和润滑剂、乳化剂结合效果好等。最重要的一点是形成的泥皮在常温下随着时间的增加而逐渐起泡变得疏松，有利于煤层气的开采。
在改性淀粉低固相泥浆中添加润滑剂和少量的乳化剂，充分搅拌均匀后，再加入一定量的起泡剂和稳定剂，直接利用压力喷射在泥浆池中将空气混入泥浆，形成含有细小泡沫的充气泥浆。钻进中保证充足的泥浆备用量，及时监测泥浆并及时喷射混气。施工时在井口处设置瓦斯含量测试仪并强制对现场通风。应用这种泥浆成功完成了水平井段的施工，获得了较好的效果，钻进结束后，通过对直井段顶浆降压处理，煤层气产量在试抽的第二天达到预想的稳定产量。
5 结语
随着勘探技术的发展，大口径一次成井的钻探技术不断成熟的基础上，开展欠平衡钻井技术的研究，对煤层气的开采显得尤为重要。欠平衡钻井是近年来重点发展的钻井技术。欠平衡钻井技术成熟的应用，有利于煤气层保护特别是水敏性、低压低渗及复杂的煤气层的保护。随着勘探开发的不断深入，地层情况对钻井技术的要求越来越高。加速探索并工业化推广应用欠平衡钻井、泡沫泥浆钻井对保护煤气层，加深地质认识和加快勘探节奏具有重要的战略意义。目前欠平衡钻井、空气钻井已经取得了一些成果，见到了明显效果，尽管还有很多需要完善的地方，但必将在今后的煤层气勘探开发中扮演越来越重要的角色。
参考文献
杨申镳，1994.煤层气勘探与开发，山东省东营市，石油大学出版杜，P20～21