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煤層氣鉆探開發三道難關是這樣攻克的-他山之石
2017-03-28 10:38:23   點擊:

  煤層氣俗稱瓦斯,屬非常規天然氣。它的開采能夠帶來能源、煤礦安全和環保三大效益,是一種頗具潛力的清潔能源,其開發利用受到國家的高度關注。然而,難開采、產量低,始終是懸在投資者頭上的達摩克里斯之劍。

  2016年,河南省豫西煤田地質勘察有限公司相繼拿下首口斜直煤層氣L型井、首口斜直煤層氣U型井、首口斜直煤層氣羽狀水平井三個煤層氣鉆探開發國內第一。破解了兩井斜直井施工絲扣精細對齊和羽狀水平井套管難下入等多項技術難題。其中,國內首口斜直煤層氣L形水平井,單口井日抽采量達5000立方米,是普通L形井的3倍;打出的國內首口斜直煤層氣羽狀水平井日煤層氣抽采量有望突破1萬立方米。

  2016年11月17日,在位于山西省沁水縣潘莊村北部山頂的一個鉆井平臺上,由河南省煤田地質局二隊下屬河南省豫西煤田地質勘察有限公司(下稱豫西公司)承擔的山西藍焰公司國內首口煤層氣水平羽狀井,終于走完了艱難的“長征路”,迎來勝利的曙光。在場的工程技術人員緊鎖的眉頭舒展了,凝重的表情化為甜蜜的笑容。在不足一年的時間里,豫西公司工程技術人員憑著勇于創新、永不言敗的精神,相繼完成了國內首口斜直煤層氣L型井、首口斜直煤層氣U型井、首口斜直煤層氣羽狀水平井。那么,他們是如何拿下這三個國內第一的?

  難關一:堅硬地層“圍追堵截”

  2015年12月16日,豫西公司承攬的藍焰首口煤層氣斜直L型水平SHH05-2(9)井,在沁水縣嘉豐鎮寺河礦區開鉆。

  寺河礦是晉煤集團千萬噸級礦井之一,地處煤層氣資源豐富的沁水煤田。寺河礦9號煤層抽采后,原巖應力得到釋放,煤層地板遭到破壞,原巖應力的釋放使3號煤層和9號煤層之間的巖層產生裂隙,裂隙的產生意味著煤層透氣性系數得到提高。為此,業主在寺河礦區設計了一口以穿越9號煤層、水平段長度達1400余米的煤層氣L型水平井。

  如何走完這段“長征路”?難題擺在了豫西人面前。由于目的煤層9號煤埋深僅290米,而地表覆蓋層的厚度就有60米,這樣,留給施工人員定向的深度僅有230米,在如此短的距離內進行定向,會造成全角變化率過大,使后期技術套管無法下入。那時,正值斜井液壓鉆機研制成功,該公司便租用了這臺斜井液壓頂驅鉆機施工。根據鉆機特點技術人員隨即對L型井施工布局進行了大膽設計,以小于45°角鉆至著陸點后再進行水平鉆進。這種方法,使得埋藏在300米以淺目的煤層定向難題迎刃而解。

  定向問題解決了,但技術人員并沒有掉以輕心。為使著陸點順利進入9號煤層,技術人員又開始了忙碌:搜集了附近鉆孔的資料,寺河礦3號煤層巷道底板數據和3號煤層底板等高線,根據3號煤層和9號煤層的間距,準確計算出了著陸點位置和9號煤層垂深度。可是,定向施工中的9號煤層最厚處僅1.4米,最薄處僅0.5米,要在這么薄的煤層中長距離鉆進,難度可想而知。“我們一定要準確界定好定向前的井深,確保鉆頭找準煤層著陸位置。定向中要做好水平段鉆頭的軌跡跟蹤,提高煤層鉆遇率;要準確把握兩井組相互鏈接軌跡的銜接,盡量避免復雜地質情況造成施工困難,保證煤層有效進尺和控制面積。”施工開始后,豫西公司總經理孟紅偉叮囑施工人員。

  盡管措施布置得周密細致,但鉆探中較硬的煤矸石、灰巖、砂泥巖“搗亂”,造成了鉆頭在煤層走向中“主意不定”,時常有鉆頭偏離煤層現象。大伙采用一個又一個辦法,企圖繞過硬地層的“圍追堵截”,但均沒有奏效。孟紅偉主持召開了“諸葛亮”會,大伙研究了地質資料,重點分析了各項鉆井參數、巖石巖屑和鉆效的對比參數。技術員習通說:“要想邁過這個坎,我們必須在鉆井參數上做文章,就是遇到較硬地層采取輕壓慢進方法,躲過后再給壓力鉆進。”按照習通想法,施工人員靈活運用了鉆井參數,躲過了硬巖石的多次“羈絆”,使煤層鉆遇率和鉆井效率得到大幅提高……2016年4月20日,國內首口斜直煤層氣L型水平井順利竣工,經過前期試抽,單口井日抽采量達5000立方米,抽采效率是普通L型井的3倍。

  難關二:斜直井施工絲扣對不齊

  豫西公司施工的CZD-U4-H井于2016年3月11日開鉆。遠程對接井就是在千米之外分別打出兩口井,然后沿著煤層水平井方向實現兩井對接,形狀像個U形字母也稱U形井,其工藝要求之高,風險性之大不言而喻。

  孟紅偉就工程整個施工計劃做了全面研究、分析、安排、布置。他認為,實現兩口井成功“約會”,鉆井定向、煤層鉆進、井眼連通是核心工作。于是,他把施工前的“棋子”放在了“三步走”的棋盤上。一是抽出兩天時間,專門組織井隊職工進行學習,將對接井施工技術要領、鉆井參數要求、泥漿性能配比、優化鉆具組合等技術要領釋疑解惑。二是廣泛查閱地質資料,綜合分析地層情況,對于巖層和煤層中可能出現的不安全因素,制定了應急預案。三是召開了分析會,對工程施工“把脈會診”。大家進行了認真討論,有的認為,定向是遠程對接的關鍵,要想在地下幾百米的煤海里“暢游”,沒有一雙明察秋毫的“千里眼”,一切都無法實現,因此運用好無線隨鉆非常重要;有的說,地下煤層存在一定的地層傾角,又有褶皺和斷層,要想使鉆頭像蛇一樣始終保證在煤層中穿行,定向人員必須隨時掌握隨鉆儀器的軌跡。還有的提出建議,水平鉆井煤層容易發生坍塌,我們一定要掌握好鉆井參數,運用好泥漿配比,防止事故發生。一條條可行的措施形成了,成為U型對接井施工中的“指南針”,確保了兩井對接一次成功。

  然而,斜井液壓鉆機剛一開鉆,鉆井施工就遇到了難題:絲扣對不齊。王占強說:“鉆機配備的機長、班長、技術員以前接觸的都是直井施工,水平井施工經驗不足,從未使用過這種斜井液壓鉆機,因此打鉆時存在鉆具絲扣不容易對齊問題,施工效率低。”

  絲扣對不齊,意味著鉆具脫扣的危險性增加。怎么辦?為解決上述問題,孟紅偉安排了專人進行系統培訓,使機長、班長、地質員等施工人員熟練掌握了斜直井液壓鉆機控制系統的使用方法和技巧。最終,鉆進過程中,班長只需在操作臺控制手柄就可以實現鉆進。地質員只需簡單滾動鉆具就可以完成翻動工作。與常規鉆機相比,施工人員的勞動前度大大降低,安全系數大幅提高。

  難關三:羽狀水平井套管下入

  由于SHH05-2(9)井日抽采達到5000立方米的顯著效果,業主隨后就在SHH05-2(9)鉆井平臺上設計出了一口羽狀水平井。

  羽狀水平井是在單支水平井的基礎上,增加4個小分支,像魚骨狀分布,使其與煤層的接觸面積進一步增大,抽采效率進一步提升。盡管羽狀水平井存在著可降低鉆井成本,減少土地占用、節省開發成本等優點,但是能否安全順利拿下這項工程,孟紅偉心里并沒有譜。常規施工方法是先打主支再打分支,而且是主支分支采用同徑鉆頭鉆進,竣工后將套管下入。但是,這種方式顯然達不到主支施工1500米并下入套管的設計要求。可是,如果套管不能順利進入主支井怎么辦?誤入分支井怎么辦?孟紅偉的心頭凝結著一個個問號。白天,他召開會議與工程技術人員商量著辦法;晚上,他時而在宿舍里思考著,時而拿起筆畫著草圖……兩天后,孟紅偉心里豁然開朗,一個“分段順著打”的想法浮出了腦海。當時已是夜深人靜,高懸的月亮流光傾瀉,使孟紅偉心里分外亮堂。他立刻把大家“揪”起來在一塊兒討論。大家聽完,竟是異口同聲的“贊成”。

  這種施工方法何以得到大伙一致贊成?孟紅偉對記者說:“所謂‘分段順著打’就是按順序先打部分主支井,然后再打分支井,依次逐步推進。為確保套管順順利利進入主支井,我們人為造了臺階,就是打分支井時采用直徑152毫米的鉆頭,打主支井時采用直徑171.5毫米的鉆頭,這樣的話,套管就能順利進入主支井了。”這種方法一經上報,立即得到了業主的高度認可。此后,豫西公司采用這種“分段順著打”的方法,不但實現了生產套管的順利下入,就連生產效率也是大幅度提升,創造了29小時鉆探進尺570米,每小時鉆進時效19.65米的好成績。這時,技術人員馬振偉一臉喜悅,打趣道:“方法用對了,鉆頭才能‘聞’著煤層的氣味鉆啊!”

  2016年11月17日,經過豫西公司干部職工3個月的艱苦努力,國內首口斜直煤層氣羽狀水平井終于順利竣工了。在竣工現場,一位業主負責人對記者說:該井建成后日抽采量有望突破1萬立方米。

  煤層氣發展梗阻如何破題?

  我國煤層氣資源豐富,埋深2000米以淺的煤層氣資源有36.81萬億立方米,居世界第三位。隨著國家對煤層氣開發的重視,出臺了一系列優惠政策,極大地刺激了產業快速發展。2016年2月,國務院發文將煤層氣開發利用中央財政補貼由0.2元/立方米提高到0.3元/立方米。“十二五”期間,我國煤層氣抽采量和利用量復合增長率分別達15%和19%,五年累計利用煤層氣(煤礦瓦斯)340億立方米,相當于節約標準煤4080萬噸,減排二氧化碳5.1億噸。

  但隨著各煤層氣公司加快上產,低產井的大量出現極大減緩了行業發展速度。如沁水盆地鉆井8000余口,平均單井產量僅為868立方米/天。特別是2015年以來,伴隨天然氣價格下挫,煤層氣效益空間進一步被壓縮,行業發展面臨前所未有的挑戰。

  如何將豐富的煤層氣資源用好用足,成為推進煤層氣供給側結構性改革,促進能源革命向縱深發展的關鍵。2016年11月24日,國家能源局發布了《煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十三五”規劃》,確定了2020年煤層氣地面產量100億立方米的規劃目標。《規劃》首次提出了研究示范煤層氣開采“探采一體化”和探索煤系地層多種氣體資源綜合開發新模式,探索推進礦業權審批改革、提高區塊持有成本等治本措施。要求嚴格落實煤層氣市場定價、財政補貼、稅費優惠等現有政策,安排專項建設基金和煤礦安全改造中央預算內投資,拓寬融資渠道。重點提出了要研究制定煤層氣開發利用管理辦法,總結推廣煤層氣和煤炭資源協調開發模式。

  華北油田煤層氣勘探開發指揮部常務副總指揮朱慶忠近日撰文稱,煤層氣開發更大程度上是新能源挖掘,對技術的規劃和部署都有更高要求,應超脫瓦斯治理的范疇。如美國煤層氣早期的定位也是瓦斯治理,但從1983年就轉入新能源開發階段。他提出,我國目前煤層氣勘探開發多以煤礦地質作為指導,而煤層氣地質和煤礦地質有本質區別,應采取煤層氣地質理論作為指導,同時應認識到煤層氣的開發規律與常規油氣有本質區別,采取相應的對策,比如:除提升政策扶持力度外,國家和行業應重點加大技術攻關。重新規范煤層氣勘探程序,提高地質認識程度,高度重視普查和詳查;強化工程技術與開發特征的吻合,建立工程技術適應性評價方法,按照差異化的區域地質特征制定不同的開發方式;改變傳統的地面建設模式,實現地下地上一體化建設,提高煤層氣開發效益。

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