洞 穴 完 井

一、概述

洞穴完井（动力洞穴完井）是通过将空气、水的混合物注入裸眼储层，当注入达到一定压力时，放喷释放井底压力，这样周期性重复注入/放喷，诱发井筒周围煤层中裂隙和节理系统的连通和向外延伸，提高煤储层渗透性的一种完井方法。

在洞穴完井过程中，当井筒的注入压力增加至超过煤层的最小水平应力时，在平行于它的方向上（面割理），产生张性破裂，这种破裂可延伸30—60m 。注入时张力产生的裂隙被支撑着，所以，在井筒周围煤层的渗透性得到了提高；在放喷时，由于压力的突然释放及叠加的水动力效应（类似于活塞的抽吸作用），使煤层垮塌，井筒扩大，煤层载荷的这种变化引起煤层剪切破裂带的增大，剪切破裂横切面割理和节理，与张裂隙方向成直角相交，沟通了面割理，提高了煤层的渗透性（图1）。

洞穴完井技术正是应用了剪切破裂带的横切作用原理，连通了井筒周围的节理和自然裂隙系统，随着井筒的扩大，裂隙向外延伸，提高了煤层的渗透性，这是洞穴完井成功的主要因素。

洞穴完井的增产机理可概括为以下三个方面（图2）：

1）实际洞穴：实际洞穴的半径可达3--4m ，增大了煤层的裸露面积，消除了煤层在钻井完井作业中受到的污染。

2）剪切/破碎带：洞穴效应的延伸，使洞穴以外的煤层发生张性破裂和剪切破裂，形成一个半径约6--8m的剪切破碎带，增强了导流能力。

3）扰动带：由于应力的释放作用，在剪切/破碎带以外产生对煤层的扰动，形成一个渗透性增高区，扰动带很大，半径可达90m 。

洞穴完井方法在美国圣湖安盆地煤层气井中广泛应用，并获得成功，洞穴完井与压裂完井的气产量之比约为7：1，单井气产量28300m3/d，是一种有效的增产措施。

国内近几年对洞穴完井方法进行了探索，地矿、石油系统分别在安阳、丰城等地进行了水力切割洞穴完井实验，未达到预期效果。联合国资助项目在开栾进行了动力洞穴完井实验，效果不理想。目前，国内尚无洞穴完井成功实例。

从技术储备看，国内具备水力切割洞穴完井技术，并进行了几口井的实验。国内尚不具备动力洞穴完井技术。

国内具有各种洞穴完井方法所需设备。开栾矿务局具有动力洞穴全套设备。 二、洞穴完井适用条件

洞穴完井方法从动力学机理分析，应适用于任何煤储层。但洞穴强化的使用及其效果对地质条件的依赖性很大。综合各方资料，采用洞穴完井方法应具备以下条件：

（1）煤层渗透率高，>2md，一般要求5--7md以上。 （2）煤质特征以中等变质煤阶、割理发育的煤层有利。 （3）煤层厚度>5m。

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（4）储层具有较高压力，压力系数>1。

（5）顶板稳定。

（6）井身结构要求煤层顶板以上下生产套管、固井。 三、洞穴完井设备的配置和连接（以开滦试1孔为例）

试1孔洞穴完井是采用空气和水混合注入/放喷的方式进行造穴的，其设备配置如下： 1、双壁钻井设备一套。

2、压风机（1200cfm×500psi）两台。 3、增压机（2800cfm×1500psi）一台。 4、混合注入泵一台。 5、井口防喷器系统一套。

6、其它设备，如放喷管汇、手动和液压阀门等等。

连接方式如图3，连接步骤如下： 1、安置完井钻机及井口防喷器。

放喷管 空压机 井口 增压机 注水泵 水箱 阀门 泥浆池 废浆池 释放管 钻机 空压机 图3 洞穴完井设备连接示意图 2、安置泥浆池并挖出废浆池。 3、安置空压机、增压机及混合注入泵。

4、安装排屑管及各种手动、液压阀门。

5、连接钻机循环系统与风压机、增压机、注入泵。

四、洞穴完井工艺流程

1、 将双壁钻具下入井底，循环清除井底沉砂。

2、关闭防喷器，通过双壁钻具向井内注入完井液，蹩压，当注入压力超过煤层破裂压力时，煤层发生张破裂，然后迅速卸压，使煤层段产生剧烈的“压力激动”，发生剪切破裂，煤层向井筒崩落形成洞穴。在卸压时部分煤屑经双壁钻具喷至地面。

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3、使用完井液大排量循环，清除井筒内残留煤屑。

4、试井检查煤层段的渗透率变化情况，如果达到设计要求，洞穴稳定则造洞穴作业结束，如果未达到设计要求，则重复1、2两项作业，直到洞穴稳定，达到设计要求为止。 5、形成洞穴后为了使井眼不被以后垮塌的煤屑埋掉，有些井还需要下入筛管。

试1孔洞穴完井是采用空气和水混合注入/放喷的方式进行造穴操作的，整个完井程序如下：

（1）启动一台空压机和增压机，用混气水进行循环清至孔底，直到返出液变清。 （2）用气举法分两个阶段排出孔内液体，进行洞穴完井。

（3）完井最初采用两台空压机和增压机串联注入，此时注入量为：

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空气 6.48m/min

水 0.04m3/min

（4）当增压机注入压力达4.2Mpa时，关闭一台压风机，以避免压力上升过快、失去控制，此时注入量为：

空气 3.24m/min 水 0.04m3/min

本井于1995年6月进行洞穴完井，历时8天，共进行了29个循环的注入/放喷，其中有16个循环达到或接近设计注入压力（7Mpa）。在整个完井过程中，放喷时自孔内排出大量煤屑，收集到4--5t。但点火实验仅在第五天有少量气体逸出被点燃。

五、洞穴完井效果分析

1、洞穴完井技术与水力压裂增产效果分析

洞穴完井是集完井方法与增产措施于一体的完井技术，在适合于洞穴完井的地区，采用洞穴完井技术能取得比水力压裂更好的效果。

（1）水利压裂产生和扩展的裂缝垂直于最小主应力方向，沿这些裂缝方向提高了煤层的渗透率；而垂直于裂缝方向煤层相对处于压实状态，这一方向煤层的原始裂缝由于压实作用而压缩，渗透率反而比压裂前更低。即在增加煤层垂直于最小主应力方向的渗透率的同时降低了煤层平行最小主应力方向的渗透率。洞穴完井时，在洞穴形成过程中由于产生的应力释放作用使煤层原有裂缝增大，而且这种作用在煤层各个方向都存在。即洞穴完井能够提高煤层各个方向的渗透率，同时降低煤层渗透率的各向异性。

（2）水力压裂向煤层注入的压裂液对煤层有较大的伤害。洞穴完井注入的完井液是空气和少量的水，因而对煤层原始渗透率没有大的影响。

（3）钻井液、固井水泥浆对煤层的伤害最为严重，它的伤害范围可能深入半径10m以上的煤层。水力压裂可以对钻井液、水泥浆伤害的煤层有较大的改善，但不能消除这种伤害。而洞穴完井则从根本上消除了这种影响。

2、洞穴完井的局限性

（1） 对煤层及顶底板条件要求高，适用范围受到限制。 （2）工艺技术比其它完井方法复杂，风险大，完井费用难以确定。

（3）井眼稳定性差，修井作业较其它完井方法多。

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