煤层气地面开发技术

煤层气地面开发包括煤层气生产井的施工和后期的排采管理两部分内容，涵盖了煤层气生产井的钻井、测井、固井、增产改造、设备安装、排采等一系列程序。

第一节主要内容： 一、煤层气井完井方式

1、裸眼完井

裸眼完井又分为常规裸眼完井和裸眼洞穴完井。 （1）常规裸眼完井

通常，煤层气井裸眼完井是在煤层顶部下表层套管后，一直钻进煤层至设计深度终孔，将煤层用砂或砾石填满，然后将套管下到煤层上方并注水泥返至地表，再用空气或水冲洗井眼，使煤层裸露。

（2）裸眼洞穴完井

裸眼洞穴完井适用于高压、高渗透性厚煤层。该方法是在井底造一个大的洞穴，下入割缝衬管后进行排采作业。

2、套管射孔完井

套管射孔完井时钻穿煤层直至设计井深，然后下生产套管至煤层底部“口袋”，注水泥固井，最后射孔，射孔弹射穿生产套管、水泥环并穿透煤层某一深度，建立起气流的通道。

3、混合完井

混合完井也叫多煤层完井，根据各煤层的特点和上下围岩的性质，使裸眼完井和套管完井在同一口井同时使用。混合完井的形式包括套管射孔完井、套管射孔+裸眼完井、裸眼洞穴完井等几种类型。一般情况下，上部煤层采用套管射孔或套管割缝完井，下部煤层采用裸眼完井或裸眼洞穴完井。

4、水平井完井技术

水平井完井由地面垂直向下钻至造斜点后，以中、小曲率半径侧斜钻进目的煤层，在煤层中按设计方向延伸几百米至上千米。水平井的水平段一般采用裸眼

1完井或4英寸（11.43cm）割缝衬管完井。

2二、煤层气井固井工艺

向煤层气井的钻井井眼中下入套管，并在套管和井壁的环空中注入水泥浆，以加固井壁、封隔煤层的施工程序叫固井。通常煤层气井从大到小要下两至三层套管。

1、下套管

下入井内的套管，根据其作用不同，可分为三种。第一种为表层套管，其作用是封隔地表不稳定的松软易坍塌地层、水层、漏层；安装井控的井口装置。第二种是支撑中间套管，下入深度一般是数十米到数百米，水泥返到地面。第三种为生产套管，它将目的层与非目的层隔开，给煤层气生产形成中途不流失的通道，为实施增产措施创造条件，水泥返到地面。

2、注水泥

固井作业所用水泥是一种有特殊要求的硅酸盐水泥，其成分、物理化学性能都有明确而具体的要求。固井水泥根据井底温度的不同分为若干级别。不同深度的井，井底温度不同，应该选择不同级别的水泥。

3、对固井质量的要求

①下入的套管柱在长期的生产过程中不断、不裂、不变形，丝扣处不渗不漏 ②管内水泥塞长度和管外水泥面高度符合设计要求 ③注水泥浆井段环空中充满水泥浆 ④水泥浆凝固过程中无气侵入

⑤水泥石与井壁和套管胶结良好，不发生地下层间窜漏，能经得起煤层气井后期压裂作业和长期排采的考验 三、煤层气井射孔工艺

射孔是套管完井和尾管完井的煤层气井所必须采取的作业，射孔所形成的井底孔眼是沟通煤层和井筒的唯一通道。

1、射孔工艺

（1）电缆输送套管射孔工艺（WCG）

①常规电缆套管正压射孔工艺 ②套管负压射孔工艺

（2）输送射孔（TCP）

2、射孔器材 （1）射孔

射孔按工作压力不同分为105MPa、70MPa、50MPa三种。 （2）射孔弹

射孔用聚能弹按照装配形式分为有身射孔弹和无身射孔弹，其符合含义为：YD，有身射孔弹系列；WD，无身射孔弹系列；S，深穿透射孔弹系列；D，大孔径射孔弹。

（3）射孔配件 四、煤层气井压裂增产工艺

煤层气井压裂是指使用专门的压裂装置把压裂液和支撑剂压入煤层，在煤层中人为地造成裂缝，使井筒与煤层天然裂缝更有效地连通，扩大煤层的连通性，加速煤层压力降低，提高产气量。

1、煤层气井压裂工艺 （1）压裂液选择

在煤层中用的压裂液主要有4种：淡水、线性凝胶、泡沫和交联凝胶。淡水压裂成本低，造成的环境污染下，但缺少降低摩阻作用，也不能产生宽裂缝和输送浓度支撑剂。线性凝胶广泛用于在多个薄煤层中产生水平裂缝，还能在多煤层中产生垂直裂缝。泡沫压裂液具有良好的支撑剂输送能力，所需水量最小，但在返排时需要能量辅助且成本较高。交联聚合物凝胶是一种高黏压裂液，一般采用硼酸盐交联，浓度一般为3g/L，但有时因聚合物浓度太低不能交联，故选用3.5g/L的凝胶。

（2）前置液体积

对于水平裂缝，前置液体积应该在25%以内；对于产生多层煤层的单一、二维垂直裂缝时所用的线性凝胶和交联凝胶，前置液体积也应为25%或更小；对于产生在单一煤层里的裂缝和复杂裂缝时，需要的前置液体积为40%~60%。 （3）支撑剂选择和浓度

煤层压裂根据煤层性质和目的不同可以选用不同的支撑剂。 （4）泵速和流体滤失

在高渗透厚煤层中往往会发生高滤失，故一般采用高注入速度；而在低渗透的煤层中，一般使用低注入速度。 （5）煤层水力裂缝的类型

①浅煤层中易产生水平裂缝

②在多而薄的深煤层中易形成穿透整个煤层的单一垂直裂缝 ③单一厚煤层易形成复杂裂缝

第二节主要内容： 一、煤层气排采设备

煤层气排采设备可分为有杆类排采设备和无杆类排采设备两类。 1、抽油机

（1）常规曲柄平衡抽油机 （2）常规复合平衡抽油机 （3）前置式曲柄平衡抽油机 （4）下偏杠铃游梁复合平衡抽油机 （5）摆杆式游梁抽油机 （6）特形双驴头游梁式抽油机

2、抽油泵 （1）管式泵

管式泵由泵筒、柱塞及泵阀三部分组成，普遍使用的常规式泵为有衬套泵筒的金属柱塞泵，柱塞直径有56mm、70mm、83mm、95mm四种规格，一般设计中它们最大的冲程为3m，也有特殊设计的短冲程。 （2）杆式泵

杆式抽油泵也称“插入式”抽油泵。就是将抽油泵整体接在抽油杆柱的下端，从内下入井中，由预先装在预定深度的专用支承部件固定在上。 （3）螺杆泵

螺杆泵通过抽油杆将地面驱动头的旋转扭矩传递到螺杆，螺杆旋转使泵筒中的液体获得向上的能量，最终到达地面。

3、井口采油树

井口采油树是煤层气井连接气井套管和排采管线的主要设备。 二、煤层气排采工艺流程

1、地面工艺流程

煤层气排采地面设备包括井口装置、抽油机、计量仪表、集输管线等。 （1）排采场地要求 ①排采场地要平坦、整洁

②排采设备的安装、摆放要布局合理 ③放喷火炬装置要置于距排采井口30m以外 ④地面排采气、水管线要有醒目的颜色标识

⑤发电机房及值班房要放置于远离放喷火炬的另一侧 （2）排采地面设备

主要包括：井口装置、抽油机、管线和阀门。

2、井下排采设备与工艺流程

采用抽油机和管式泵组合作排采设备的煤层气井的井下排采设备主要包括抽油泵、生产、气锚、砂锚、抽油杆和柱塞等。 三、排采工作制度与排采控制

1、煤层气井排采工作制度 （1）定压排采

为确保煤层气生产井能够稳定、持续高产，在煤层气排采的早期采用定压排采作为生产的工作制度。定压排采关键性工艺技术是有效地控制井底流动压力与储层压力之间的压差，适度控制井筒附近的流体流动速率，以保证煤粉等固相颗粒物、水、气的正常产出。 （2）定产排采

当煤层气生产井达到产气高峰期时，为了有效地控制煤层气产量，可以采用定产排采进行正常的生产。

2、煤层气排采资料录取 （1）煤层气井产气和产水情况

产液参数包括动液面、氯离子含量、pH值、含砂量、产水量等，产气参数包括套压值、油嘴直径、煤层气温度、井口压力、产气量等。

（2）抽排工作制度

煤层气井的泵挂深度、泵径、抽油机冲程、冲次、泵效、示功图资料等。

第三节主要内容： 一、煤层气生产监测范围

煤层气井的检测内容主要包括井场工作状态监测、井口生产参数、故障监测与报警三个方面。

二、煤层气井生产监测及报警系统

煤层气井生产监测系统有很多种形式和方法，其主要表现在数据传输方式的不同，煤层气井数据传输的方法通常有光缆、无线电、公众信息网（GPRS或CDMA）等。

第四节主要内容： 一、多分支羽状水平井技术

定向羽状水平井是近年来随着定向井技术逐步完善而发展起来的一种较为高效的煤层气开发方式，是指通过定向井、多分支水平井技术，由地面垂直向下钻至造斜点后，以中、小曲率半径测斜钻进目的煤层主水平井，再从主井两侧不同位置水平侧钻分支井，进而形成羽毛状的多分支水平井。

主要的优点： ①增加有效供给范围 ②提高导流能力 ③减少了对煤层的伤害 缺点和不足：

①使用设备要求高，成本大 ②井位的选择受到 ③确定着陆点的位置 ④水平井段延伸能力困难 ⑤后期生产维护不便利 二、气体注入驱替技术

煤层气井气体注入驱替技术的增产效果，主要在于通过向煤层中注入其他气体，降低甲烷在煤孔隙中的分压（即竞争吸附作用），促进甲烷在煤中的解吸。同时，注入气体还增加了煤层气向气井流动的动力，有利于压力封闭型煤层气克服在低渗透煤层中的流动阻力。目前煤层气井注入驱替主要采用两种方法，一是注入氮气，二是二氧化碳驱替解吸。 三、氮气泡沫压裂技术

氮气泡沫压裂技术采用液氮作为压裂液代替常规的水基/油基压裂液进行压裂，适合于低压、低渗透水地层，特别是煤层。然而，氮气泡沫压裂技术存在成本高、施工组织困难、产出的气体需要分离等问题，目前国内在此方面处于试验阶段。