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摘要：准噶尔盆地面积约13×104km2，是世界十大聚煤盆地之一，煤炭资源量丰富，煤炭资源量达6000×108t以上，也是我国低阶煤煤层资源潜力最大、最有开发前景的盆地，而准噶尔南缘是该盆地最重要的聚煤带之一[1]。准南煤田地层具有“高倾角、多煤层、大厚度”的地质特点，地质构造复杂，地层倾角急大，地形复杂，多为山地丘陵等，根据准南煤田地层特点，煤层气钻完井技术也进行了适宜性创新，本文针对井型及井眼轨迹优化、井别优选、单项工程难题进行了突破。
关键词：准南煤田，煤层气，钻井技术，井眼轨迹
Abstract： The area of Junggar basin is about 13×104km2 and it’s one of the largest coal-bearing basins in the world. There is abundant coal resource in this basin and the coal resource is more than 6000×108t. This basin is the most potential basin for coalbed methane development due to its large coal resource， especially in the south of the basin. The geology of Southern Junggar Coalfield is characterized by high inclination， multiple and thick coal beds. The structure is complex and the landform is complicated. This paper will present the preliminary study about the drilling and completion technology of CBM wells in this basin.
Key Words： Southern Junggar Coalfield， Coalbed methane， Drilling and completion technology， Wellbore trajectory
1 目前国内其他地区主要钻井技术发展现状
1.1煤层气开发使用的主要井型[2]
目前，我国煤层气开发的井型主要包括四大类：直井、定向井、多分支水平井和U型井。行业内通常所说的丛式井是指由一口直井和若干口定向井或者直接由若干口定向井组成的井组，丛式井在我国煤层气开发中得到大规模的推广应用。国内其他地区或区块的井型设计具有适应于当地地层特点，主要特点如下：
地层稳定，构造简单，煤层倾角较小，煤层薄，结构稳定；
一般属于浅井、井身结构简单，以丛式井为主，丛式井含一口直井及两口以上常规定向井；
特殊井型以水平井、U型井为主
1.2煤层气钻井技术现状
沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘煤层气丛式井钻完井技术已经非常成熟，从设备优选、钻头和钻具组合优选、钻井液体系优选和施工工艺等方面形成了完整的技术体系，得到了大规模的推广应用，已经完成几千口井的施工。
2 适宜新疆地层的钻井技术
准南煤田煤层气钻井技术主要引进内地较早区块的技术方法，但在实际应用过程中也出现了一系列不适应情况，需根据准南煤田地层特点对相关钻完井技术进行适宜性优化和创新。
针对大倾角、多厚煤层地层特点进行井型及轨迹优化创新
根据不同区块地层特点进行煤层气排采+参数井的井别优选
针对准南煤田地层特点的单项工程难题的解决方法
2.1 井型及轨迹优化
丛式井钻井技术在沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发中已经得到广泛应用。由于沁水盆地和鄂尔多斯盆地煤层气区块地层倾角较缓，同时由于煤层气排采需要下入排采设备，煤层气定向井通常采用三段制的井眼轨迹，即直-增-稳的二维井身剖面。根据准南煤田地层特点，地质目的要求及其他因素限制（比如井位、构造等），在现有丛式井井型基础上做了适宜性优化设计。
2.1.1丛式井井型优化
本着节约土地资源，减少钻前费用；方便钻井和压裂作业，减少设备搬迁费用；排采设备需求；便于统一进行排采、集输及管理等考慮，对于井网试验及产能建设项目钻井优先选择丛式井。大多数区块目的煤层有2-3层煤，为保证相邻井各煤层间距，并考虑设计垂深较浅井的井眼轨迹优化，选择由直井、三段制、五段制井型相结合的丛式井。以阜康白杨河区块为例，主力煤层有三层，间距较大，地层倾角45°-53°。39#煤和42#煤最大间距100多米，如果以一定井斜角进入煤层，那么下部煤层的井网间距将难以保证。因此设计要求在满足排采要求的前提下入煤层井斜角尽可能小，使各目的煤层井网间距不会相差太大，保证三个主力煤层在开发过程中的井网间距均匀分布，满足整体压降。，如果采用常规的三段制井眼需控制入煤层的井斜角，难以保证三个主力煤层的井网均匀分布，因此在某些沿地层倾向的井需要设计五段制井眼轨迹[3]。
2.1.2 顺煤层L型井及U型井
结合新疆煤层 “高倾角、厚煤层、高渗透”特点，在新疆第一次施工了顺煤层钻井L型井和U型井方案，煤层钻遇率均为100%，通过后期排采对比，L型井具有投入成本低、施工工艺较U型井水平井简单，产气量较常规定向井高的特点，是适宜准南煤田开发煤层气井的井型。
2.2 “煤层气参数井兼排采井施工”井别优选
煤层气参数井在煤层气，根据以往多个区块煤层气预探、勘探、示范工程等项目的施工经验，总结如下： 2.2.1钻井周期
（1）生产井
正常情况下钻井周期在10-15天/1000m，根据队伍能力有差别，日进尺在100-200m左右，成孔率在98%-100%.
（2）生产井+参数井
根据取芯段长不同，钻井周期差别大。深井（>1000m），取芯日进尺普遍较慢在5-15m；浅井（<1000m），取芯日进尺在10-20m；遇到特殊地层，比如泥岩或泥质砂岩进尺特别慢，日进尺在4-7m。
若按照井深1000m，200m取心段，总的施工周期在35-40天。
（3）纯参数井（小井眼）
在1000m以浅，日进尺20-30m；1000m以深，日进尺10-20m；1000m井正常需要50-60天左右。
2.2.2 纯钻井成本
生产井：900元/m，生产井+参数井：1300元/m
小井眼纯参数井：680-760元/m
2.2.3不同区块或地理位置影响
对于地质构造不复杂，地层倾角较大（20°-50°），表层稳固或不受采空影响的区域，小井眼参数井施工难度低。而对于地质构造复杂，地层极倾斜，受采空等影响严重，斜直孔，小井眼参数井施工难度较高，轨迹不易控制导致轨迹偏离设计，钻孔加深，顺层钻进等，均存在报废风险。
2.2.4成孔率
综合2014年后施工的煤层气井统计（不包含正在施工井），各项目生产井及生产井+参数井成孔率在98%-100%；小井眼参数井所有井统计成孔率64%。
综上需根据地质复杂程度，地层倾角，采空影响，轨迹控制，成孔率，井深，成本等因素决定所应采用的井别类型及施工方案。对于矿区采空多，要求目的煤层在较准确的垂深见煤的，深部不可控的，取心段较短等条件下的井可采用参数井+生产井，对于个别地理因素限制，无法打直井，对井眼轨迹要求高，小井眼参数井斜直井轨迹难控制的可用参数井+生产井；对于地层稳定，不复杂，地质目的对井眼轨迹要求不太严，取心段长，井浅等条件下的井可采取先施工小井眼参数井，再施工生产井的组合方式。
2.3 针对准南煤田地层特点的单项工程难题的解决方法
2.3.1大倾角、多煤层、大厚度、软硬互层严重地层直井防斜打直技术[4]
准南煤田 “地层具有高倾角、多煤层、大厚度”的地质特点，主要砂泥岩互层，砂岩可钻性差，泥岩较软，在以往施工的小井网五口煤层气井中，采用常规钻井工艺塔式和钟摆钻具组合进行钻井，由于地层倾角大，软硬互层多，直井井斜容易超标，而且常规钻井工艺钻进效率低，施工成本高，处理井下事故风险及成本极高。同时煤层气井最终需要下排采设备，井斜及狗腿度对后期排采管柱偏磨、及排采成本影响极大。为了提高钻进效率，保证井身质量，PDC钻头+螺杆钻具组合的复合钻进，MWD进行轨迹监控，螺杆马达控制井眼轨迹等技术得到广泛应用，因此准南煤田直井防斜必须使用MWD随钻纠斜技术。
2.3.2复杂地层情况及解决方案
准南煤田乌鲁木齐矿区为老矿区，过去小煤矿多，存在私挖盗采等违规现象，部分区块采空、地表填方较多，一般采深最大不超250m，且资料不全，很难预测。我队前期施工遇到表层填方漏失严重致底座下沉，二开遇采空无法下技术套管，从而导致报废挪孔。针对这些复杂情况采取以下措施：
（1）对于表层为填方，一开采用444.5mm口径，下入339.7mm套管先把填方层封隔，防止漏失量增大造成地基下沉；然后用215.9mm钻头二开钻进至250m，若无采空或严重漏失层段则继续钻进至完钻井深，若有采空或严重漏失层段，则换311.15mm钻头钻至采空或漏失层段下30-40m下入244.5mm技术套管并固井，封隔复杂层段。
（2）对于表层非填方，则采用311.15mm钻头钻进至基岩20m，换215.9mm钻头以导眼探至250m查清是否存在采空或严重漏失层段；若无复杂情况则在变径位置架桥下入244.5mm套管至基岩20m后固井；若存在复杂层段则311.15mm钻头扩孔至复杂层段以下30m，下入244.5mm套管至复杂层段以下30m。
2.3.3采空、征地、地理等因素对井位的限制（S型井）
乌鲁木齐矿区采空、征地、地理等因素往往限制了井位部署，为达到地质及探采有利储层，设计了特殊井型。
准南煤田WBS-2井主力煤层41、42、43号煤层，由于地层在下部几乎直立为保证两层煤都在足够垂深钻遇目的煤层，需施工定向井，但由于两边采空影响井位部署无法调整，因此设计出走负位移的S型井。井眼轨迹在地层剖面的投影如圖1。
2.3.4 L型井二开井身结构的施工试验
国内所施工顺煤层井及水平井均是三开井身结构，施工成本高，工期长，效率低；为降低成本，缩短工期，提高效率，经讨论研究，设计二开井身结构并辅以特殊钻具组合等应用于顺煤层井及水平井，成功应用于三口井，其中一口水平上翘井。缩短工期6-8天，降低了钻井成本，节省了技术套管、固井、测井等费用。
3 准南煤田煤层气钻井技术今后发展方向
由于准南煤田的特点，原有的一些技术水平，工作方法，理论认识都需要适宜性优化和创新，今后煤层气钻井技术应从以下方面努力：
钻井技术规范的修正和完善
煤层气钻井现执行的规范为《煤层气钻井作业规范》（DZ/T 0250-2010），参照《煤层气钻井工程质量验收评级规范》（NB/T 10003-2014），现行规范根据国内其他区块地质特点及工程技术制定，有些要求及指标并不适应于新疆地层情况。应根据近几年来全国煤层气发展情况对规范重新修订。
多分支水平井及小转弯半径技术试验[5]
今后应在新疆选择有利区块进行多分支水平井及小转弯半径的论证及试验。
完善钻井液体系
针对新疆大倾角、多厚煤层地层特点，并结合不同完井方式，研究不同地质条件，不同完井方式，不同井型下的最优钻井液体系。
完井套管及固井技术的优化研究
后期压裂和排采施工过程中，发现一些套管错断，下泵遇阻等现象，下一步应结合压裂要求，对套管进行优化，同时对固井技术也开展研究，以保证井眼满足后续压裂和长期排采需要。
参考文献：
[1] 陈金刚 ，秦勇 ，桑树勋 ，傅雪海 ，朱炎铭 ，杨永国 ，琚宜文. 准噶尔盆地煤层气勘探前景[J]. 天然气工业，2003，（02）：127-129.
[2] 倪小明，苏现波，张小东.煤层气开发地质学 [M]. 化学工业出版社，2010.55-60.
[3] 毛志新，谢相军，汤建江. 白杨河矿区煤层气丛式井钻井难点及对策研究[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（12）：37-40.
[4] 毛志新.保德区块煤层气丛式井快速钻井技术研究[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（2）：12-14.
[5] 曹立刚.煤层气井短半径水平钻井技术研究[J].中国煤田地质，2003，15（3）.
基金项目：国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发项目“新疆准噶尔、三塘湖盆地中低阶煤层气资源与开发技术”、新疆维吾尔自治区重点研发专项项目“新疆准噶尔南缘煤层气资源评价与勘查开发关键技术与规范”.
作者简介：汤建江，男（汉族），1970年生，煤层气工程中心科长，钻探工程师，本科，全国五一劳动奖章获得者，新疆乌鲁木齐市沙依巴克区西山71号156队。
关键词：准南煤田，煤层气，钻井技术，井眼轨迹
Abstract： The area of Junggar basin is about 13×104km2 and it’s one of the largest coal-bearing basins in the world. There is abundant coal resource in this basin and the coal resource is more than 6000×108t. This basin is the most potential basin for coalbed methane development due to its large coal resource， especially in the south of the basin. The geology of Southern Junggar Coalfield is characterized by high inclination， multiple and thick coal beds. The structure is complex and the landform is complicated. This paper will present the preliminary study about the drilling and completion technology of CBM wells in this basin.
Key Words： Southern Junggar Coalfield， Coalbed methane， Drilling and completion technology， Wellbore trajectory
1 目前国内其他地区主要钻井技术发展现状
1.1煤层气开发使用的主要井型[2]
目前，我国煤层气开发的井型主要包括四大类：直井、定向井、多分支水平井和U型井。行业内通常所说的丛式井是指由一口直井和若干口定向井或者直接由若干口定向井组成的井组，丛式井在我国煤层气开发中得到大规模的推广应用。国内其他地区或区块的井型设计具有适应于当地地层特点，主要特点如下：
地层稳定，构造简单，煤层倾角较小，煤层薄，结构稳定；
一般属于浅井、井身结构简单，以丛式井为主，丛式井含一口直井及两口以上常规定向井；
特殊井型以水平井、U型井为主
1.2煤层气钻井技术现状
沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘煤层气丛式井钻完井技术已经非常成熟，从设备优选、钻头和钻具组合优选、钻井液体系优选和施工工艺等方面形成了完整的技术体系，得到了大规模的推广应用，已经完成几千口井的施工。
2 适宜新疆地层的钻井技术
准南煤田煤层气钻井技术主要引进内地较早区块的技术方法，但在实际应用过程中也出现了一系列不适应情况，需根据准南煤田地层特点对相关钻完井技术进行适宜性优化和创新。
针对大倾角、多厚煤层地层特点进行井型及轨迹优化创新
根据不同区块地层特点进行煤层气排采+参数井的井别优选
针对准南煤田地层特点的单项工程难题的解决方法
2.1 井型及轨迹优化
丛式井钻井技术在沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发中已经得到广泛应用。由于沁水盆地和鄂尔多斯盆地煤层气区块地层倾角较缓，同时由于煤层气排采需要下入排采设备，煤层气定向井通常采用三段制的井眼轨迹，即直-增-稳的二维井身剖面。根据准南煤田地层特点，地质目的要求及其他因素限制（比如井位、构造等），在现有丛式井井型基础上做了适宜性优化设计。
2.1.1丛式井井型优化
本着节约土地资源，减少钻前费用；方便钻井和压裂作业，减少设备搬迁费用；排采设备需求；便于统一进行排采、集输及管理等考慮，对于井网试验及产能建设项目钻井优先选择丛式井。大多数区块目的煤层有2-3层煤，为保证相邻井各煤层间距，并考虑设计垂深较浅井的井眼轨迹优化，选择由直井、三段制、五段制井型相结合的丛式井。以阜康白杨河区块为例，主力煤层有三层，间距较大，地层倾角45°-53°。39#煤和42#煤最大间距100多米，如果以一定井斜角进入煤层，那么下部煤层的井网间距将难以保证。因此设计要求在满足排采要求的前提下入煤层井斜角尽可能小，使各目的煤层井网间距不会相差太大，保证三个主力煤层在开发过程中的井网间距均匀分布，满足整体压降。，如果采用常规的三段制井眼需控制入煤层的井斜角，难以保证三个主力煤层的井网均匀分布，因此在某些沿地层倾向的井需要设计五段制井眼轨迹[3]。
2.1.2 顺煤层L型井及U型井
结合新疆煤层 “高倾角、厚煤层、高渗透”特点，在新疆第一次施工了顺煤层钻井L型井和U型井方案，煤层钻遇率均为100%，通过后期排采对比，L型井具有投入成本低、施工工艺较U型井水平井简单，产气量较常规定向井高的特点，是适宜准南煤田开发煤层气井的井型。
2.2 “煤层气参数井兼排采井施工”井别优选
煤层气参数井在煤层气，根据以往多个区块煤层气预探、勘探、示范工程等项目的施工经验，总结如下： 2.2.1钻井周期
（1）生产井
正常情况下钻井周期在10-15天/1000m，根据队伍能力有差别，日进尺在100-200m左右，成孔率在98%-100%.
（2）生产井+参数井
根据取芯段长不同，钻井周期差别大。深井（>1000m），取芯日进尺普遍较慢在5-15m；浅井（<1000m），取芯日进尺在10-20m；遇到特殊地层，比如泥岩或泥质砂岩进尺特别慢，日进尺在4-7m。
若按照井深1000m，200m取心段，总的施工周期在35-40天。
（3）纯参数井（小井眼）
在1000m以浅，日进尺20-30m；1000m以深，日进尺10-20m；1000m井正常需要50-60天左右。
2.2.2 纯钻井成本
生产井：900元/m，生产井+参数井：1300元/m
小井眼纯参数井：680-760元/m
2.2.3不同区块或地理位置影响
对于地质构造不复杂，地层倾角较大（20°-50°），表层稳固或不受采空影响的区域，小井眼参数井施工难度低。而对于地质构造复杂，地层极倾斜，受采空等影响严重，斜直孔，小井眼参数井施工难度较高，轨迹不易控制导致轨迹偏离设计，钻孔加深，顺层钻进等，均存在报废风险。
2.2.4成孔率
综合2014年后施工的煤层气井统计（不包含正在施工井），各项目生产井及生产井+参数井成孔率在98%-100%；小井眼参数井所有井统计成孔率64%。
综上需根据地质复杂程度，地层倾角，采空影响，轨迹控制，成孔率，井深，成本等因素决定所应采用的井别类型及施工方案。对于矿区采空多，要求目的煤层在较准确的垂深见煤的，深部不可控的，取心段较短等条件下的井可采用参数井+生产井，对于个别地理因素限制，无法打直井，对井眼轨迹要求高，小井眼参数井斜直井轨迹难控制的可用参数井+生产井；对于地层稳定，不复杂，地质目的对井眼轨迹要求不太严，取心段长，井浅等条件下的井可采取先施工小井眼参数井，再施工生产井的组合方式。
2.3 针对准南煤田地层特点的单项工程难题的解决方法
2.3.1大倾角、多煤层、大厚度、软硬互层严重地层直井防斜打直技术[4]
准南煤田 “地层具有高倾角、多煤层、大厚度”的地质特点，主要砂泥岩互层，砂岩可钻性差，泥岩较软，在以往施工的小井网五口煤层气井中，采用常规钻井工艺塔式和钟摆钻具组合进行钻井，由于地层倾角大，软硬互层多，直井井斜容易超标，而且常规钻井工艺钻进效率低，施工成本高，处理井下事故风险及成本极高。同时煤层气井最终需要下排采设备，井斜及狗腿度对后期排采管柱偏磨、及排采成本影响极大。为了提高钻进效率，保证井身质量，PDC钻头+螺杆钻具组合的复合钻进，MWD进行轨迹监控，螺杆马达控制井眼轨迹等技术得到广泛应用，因此准南煤田直井防斜必须使用MWD随钻纠斜技术。
2.3.2复杂地层情况及解决方案
准南煤田乌鲁木齐矿区为老矿区，过去小煤矿多，存在私挖盗采等违规现象，部分区块采空、地表填方较多，一般采深最大不超250m，且资料不全，很难预测。我队前期施工遇到表层填方漏失严重致底座下沉，二开遇采空无法下技术套管，从而导致报废挪孔。针对这些复杂情况采取以下措施：
（1）对于表层为填方，一开采用444.5mm口径，下入339.7mm套管先把填方层封隔，防止漏失量增大造成地基下沉；然后用215.9mm钻头二开钻进至250m，若无采空或严重漏失层段则继续钻进至完钻井深，若有采空或严重漏失层段，则换311.15mm钻头钻至采空或漏失层段下30-40m下入244.5mm技术套管并固井，封隔复杂层段。
（2）对于表层非填方，则采用311.15mm钻头钻进至基岩20m，换215.9mm钻头以导眼探至250m查清是否存在采空或严重漏失层段；若无复杂情况则在变径位置架桥下入244.5mm套管至基岩20m后固井；若存在复杂层段则311.15mm钻头扩孔至复杂层段以下30m，下入244.5mm套管至复杂层段以下30m。
2.3.3采空、征地、地理等因素对井位的限制（S型井）
乌鲁木齐矿区采空、征地、地理等因素往往限制了井位部署，为达到地质及探采有利储层，设计了特殊井型。
准南煤田WBS-2井主力煤层41、42、43号煤层，由于地层在下部几乎直立为保证两层煤都在足够垂深钻遇目的煤层，需施工定向井，但由于两边采空影响井位部署无法调整，因此设计出走负位移的S型井。井眼轨迹在地层剖面的投影如圖1。
2.3.4 L型井二开井身结构的施工试验
国内所施工顺煤层井及水平井均是三开井身结构，施工成本高，工期长，效率低；为降低成本，缩短工期，提高效率，经讨论研究，设计二开井身结构并辅以特殊钻具组合等应用于顺煤层井及水平井，成功应用于三口井，其中一口水平上翘井。缩短工期6-8天，降低了钻井成本，节省了技术套管、固井、测井等费用。
3 准南煤田煤层气钻井技术今后发展方向
由于准南煤田的特点，原有的一些技术水平，工作方法，理论认识都需要适宜性优化和创新，今后煤层气钻井技术应从以下方面努力：
钻井技术规范的修正和完善
煤层气钻井现执行的规范为《煤层气钻井作业规范》（DZ/T 0250-2010），参照《煤层气钻井工程质量验收评级规范》（NB/T 10003-2014），现行规范根据国内其他区块地质特点及工程技术制定，有些要求及指标并不适应于新疆地层情况。应根据近几年来全国煤层气发展情况对规范重新修订。
多分支水平井及小转弯半径技术试验[5]
今后应在新疆选择有利区块进行多分支水平井及小转弯半径的论证及试验。
完善钻井液体系
针对新疆大倾角、多厚煤层地层特点，并结合不同完井方式，研究不同地质条件，不同完井方式，不同井型下的最优钻井液体系。
完井套管及固井技术的优化研究
后期压裂和排采施工过程中，发现一些套管错断，下泵遇阻等现象，下一步应结合压裂要求，对套管进行优化，同时对固井技术也开展研究，以保证井眼满足后续压裂和长期排采需要。
参考文献：
[1] 陈金刚 ，秦勇 ，桑树勋 ，傅雪海 ，朱炎铭 ，杨永国 ，琚宜文. 准噶尔盆地煤层气勘探前景[J]. 天然气工业，2003，（02）：127-129.
[2] 倪小明，苏现波，张小东.煤层气开发地质学 [M]. 化学工业出版社，2010.55-60.
[3] 毛志新，谢相军，汤建江. 白杨河矿区煤层气丛式井钻井难点及对策研究[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（12）：37-40.
[4] 毛志新.保德区块煤层气丛式井快速钻井技术研究[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（2）：12-14.
[5] 曹立刚.煤层气井短半径水平钻井技术研究[J].中国煤田地质，2003，15（3）.
基金项目：国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发项目“新疆准噶尔、三塘湖盆地中低阶煤层气资源与开发技术”、新疆维吾尔自治区重点研发专项项目“新疆准噶尔南缘煤层气资源评价与勘查开发关键技术与规范”.
作者简介：汤建江，男（汉族），1970年生，煤层气工程中心科长，钻探工程师，本科，全国五一劳动奖章获得者，新疆乌鲁木齐市沙依巴克区西山71号156队。