我国能源相对匮乏,以煤炭作为主要能源,经过多年的发展,已经对环境造成很大的污染和破坏,近年来随着国家对清洁能源的提倡,煤层气作为一种非常规天然气、重要的化工原材料及清洁燃料得到广泛的重视。开发利用煤层气不仅可以补充能源的不足,减少大气污染,同时也是煤矿安全开采的重要保障,具有重大的战略意义。煤层气俗称煤矿瓦斯,其主要成分为甲烷气体,主要以吸附状态赋存于煤层中,少量以游离态存在。在我国,埋深在2000m以内的煤层气资源量达到36.81万亿立方米,含量丰富,与常规天然气储量相当,居世界第三。经过多年的勘探,数据显示在韩城象山煤矿区储藏有大量煤层气,但是由于该地区煤储层存在低压、低渗、低饱和及高吸附性的特点,使广泛使用的传统平衡钻采工艺难以取得良好的商业化勘探开发价值。因此需要在研究韩城象山地区煤储层特征的基础上,结合现有欠平衡水平井施工经验,探索出适合该地区储层的煤层气水平井钻井工艺。 寄生管法欠平衡煤层气水平井钻井技术是一种融合了寄生管注气工艺、水平井钻井技术、欠平衡钻井技术、完井增产技术等多项技术为一体的煤层气钻井工艺。该技术采用单井筒模式,在钻柱内为单相流钻井液基液,钻头到注气点的井筒环空内流体为液固两相流(钻井液、岩屑),注气点以上的环空内流体为多相流(钻井液、岩屑、注入气体),因此可以在钻柱内使用常规泥浆脉冲MWD或者LWD系统,解决因气相的存在不能使用常规测井仪器的难题。该技术对低压、低渗煤储层具有很强的针对性,能够达到快速钻井、完井,保护煤储层,减少储层伤害的目的。该技术对地形条件要求较低,但是对井下地层、煤层条件要求较高,煤层气地质与开发技术必须具有很强的适配性;寄生管设计与井身结构的整体布局需要根据详细准确的地质参数、充气钻井液注气量、设备能力等因素共同确定,对设计人员提出了更高的技术要求。根据该技术对地质、工艺、设备等方面的要求进行研究,取得的成果概括如下:1)讨论了煤层气开发地质与欠平衡水平井钻井工程技术的适配性。在对欠平衡钻井技术与煤层气地质广泛调研的基础上,分析总结出含气饱和度、地层压力、渗透性、含水性等是影响煤层气产能的主控因素,而煤层空间分布、煤体结构是决定欠平衡水平井设计、施工的主控因数。2)设计适合于寄生管注气工艺的单井筒井身结构。结合欠平衡钻井工艺、气体排采、井下测井仪器、流体力学等相关基础理论知识,设计了适合寄生管注气工艺的单井筒井身结构,结合地层实际参数采用三段式等曲率法设计井眼轨迹。该井身结构简单,可以实现全过程欠平衡钻进并且易施工及控制;完井后可以通过寄生管注气进行负压排采,其向上延伸的水平段有利于煤层水流向井筒周围,引导煤层气解吸释放。3)设计适合于煤层气欠平衡钻井的偏心式注气接头并优化寄生管附着形式。针对目前注气接头存在的不足,在其基础上设计的偏心式异径接头具有显著的可控性,在下管及固井前后、欠平衡钻进过程及后期排采都可以通过注气来开启或关闭注气接头。综合考虑下管技术及固井工艺,采用双弓形弹性扶正器对寄生管与套管的附着形式进行了优化设计,合理使用该扶正器既能够减少管柱躺在井壁下边缘又能很好地将寄生管与套管固定。4)优化寄生管存在情况下多管柱弯曲段的力学模型。针对寄生管与套管附着在一起的多管柱力学问题,建立了管柱之间相互独立的分体式柔性力学模型、管柱之间相互连接的整体式刚性力学模型,并据此模型推导管柱在弯曲段的轴向力及摩阻力计算公式。 5)针对煤储层伤害的客观原因使用相适应的充气钻井液,并推导出注气量与注液量的数学关系式。钻井液对储层的伤害主要表现为钻井液滤液、固相颗粒、高分子聚合物等引发的煤体结构破坏及渗透率下降;针对钻井液造成的伤害,煤层段可以采用清水加KCL实行欠平衡钻进加以解决。结合分相流的分析思路,在现有基础理论的基础上推导了注气量与注液量之间的对应关系式6)通过在韩城地区的工程实践,经过详细的设计计算分析,最终确定了XSBB-01H井眼轨迹设计的的决定因素、充气钻井液组分及气液比、保持井壁稳定的井眼轨迹控制技术。通过计算套管、寄生管的许用安全曲率半径为164m、75m,许用弯曲度为0.48o/m、0.76o/m,因此造斜率的大小由套管强度决定;而水平井的长度由煤层厚度、储层物性、经济性等多因素决定;水平段的延伸方向垂直于煤储层裂缝方向,为25.88o;根据储层伤害的客观原因,采用清水+氯化钾作为钻井液基液能够有效抑制煤岩膨胀和防止储层污染,基液密度为1.03g/cm3,注气量为30m3/min,注液量为14L/s。本文的主要创新点为:将寄生管注气工艺用于煤层气水平井钻采,并对该工艺进行详细的研究及设计,该技术方法为单井筒结构、成本低,具有在煤层气钻井和开采过程中复杂事故少;钻柱内流态稳定,井底钻头工作平稳,水平钻进机械钻速快等优点;设计了适合寄生管注气的偏心式异径接头;建立了多管柱在弯曲段分体式柔性力学模型、整体式刚性力学模型。