煤層氣多分支水平井的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢

姜文利，葉建平，喬德武

（1.中國地質(zhì)大學(xué) （北京）海相儲層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點實驗室，北京100083；2.國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心，北京100034；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100011）

1 我國多分支水平井應(yīng)用現(xiàn)狀

多分支水平井技術(shù)應(yīng)用于煤層氣始于20世紀(jì)初，美國CDX公司在試驗成功后迅速在美國和其他國家推廣應(yīng)用。煤層氣多分支水平井，又稱羽狀水平井，是指一個或兩個主水平井眼盤側(cè)再側(cè)鉆出多個分支井，能夠穿越更多的煤層割理裂縫系統(tǒng)，最大限度地溝通裂縫通道，增加泄氣面積，使更多的氣體進(jìn)入主流道，提高單井產(chǎn)氣量。煤層其多分支水平井一般由工程井和生產(chǎn)井組成一個翼，工程井包括直井段、造斜段和水平段，水平段包括主支和分支；生產(chǎn)井為直井，在煤層段造洞穴，并與水平段連通。在一個工程井中可以沿不同方向布置2～4個翼。

2004年，我國正式開始引進(jìn)煤層氣多分支水平井以后，中石油、中聯(lián)煤等多家公司在沁水盆地、韓城區(qū)塊、保德區(qū)塊等地區(qū)進(jìn)行試驗，成功率高鉆井主要集中在沁水盆地南部地區(qū)。

過去幾年多分支水平井完井?dāng)?shù)量節(jié)節(jié)上升（圖1）。2005年、2006年是多分支水平井技術(shù)引入中國的初期，處于摸索期，不成功的井較多。2007年，多分支水平井完井?dāng)?shù)量增加，成功率不斷增高，如表1。到2008年10月為止，全國已施工多分支水平井64口，正在產(chǎn)氣37口，產(chǎn)能達(dá)到7億～8億m3。在樊莊-胡底區(qū)塊，2006～2010年度實施191口水平井，直井566口，最終實現(xiàn)15億m3的產(chǎn)量，在15億m3產(chǎn)量中，多分支水平井將占大部分產(chǎn)量。在柿莊南區(qū)塊、潘莊區(qū)塊開發(fā)方案中，均將多分支水平井作為開發(fā)的主要手段進(jìn)行部署。柿莊南區(qū)塊共部署鉆井405口，其中多分支水平井20口，直井385口，建設(shè)4億m3年產(chǎn)能。潘莊區(qū)塊，共布井251口，其中多分支水平井189口，直井62口，建設(shè)7億m3年產(chǎn)能。

目前，我國沁水盆地南部多分支水平井單井日產(chǎn)量達(dá)到6000～40000 m3，比直井壓裂方法單井產(chǎn)量提高5～10倍。我國可以完成煤層氣多分支水平井鉆井施工的隊伍有多家，其中以奧瑞安公司為代表，其鉆井成功率和規(guī)模均處于領(lǐng)先地位。我國現(xiàn)階段進(jìn)行多分支水平井鉆井的單位主要集中在中石油、中聯(lián)煤及亞美大陸三家公司 （圖2）。

圖1 全國歷年煤層氣多分支水平井鉆井?dāng)?shù)統(tǒng)計

圖2 全國各單位歷年煤層氣多分支水平井鉆井?dāng)?shù)統(tǒng)計

2 多分支水平井的技術(shù)優(yōu)勢

煤層氣多分支水平井技術(shù)最直接的優(yōu)點表現(xiàn)在，單井產(chǎn)氣量高、采收率高、生產(chǎn)周期短、井場占地面積少。

（1）增加了有效供給范圍

水平鉆進(jìn)幾百米是比較容易的，而要壓裂這么長的裂縫幾乎是不可能的，而且，造就一條較長的支撐裂縫要求使用大型的壓裂設(shè)備。多分支水平井在煤層中呈網(wǎng)狀分布，將煤層分割成很多連續(xù)的狹長條帶，從而大大增加煤層氣的供給范圍。

（2）提高了煤層氣導(dǎo)流能力

壓裂的裂縫無論長度多長，流動的阻力都是相當(dāng)大的，而水平井內(nèi)流體的流動阻力相對于割理系統(tǒng)要小得多。分支井眼與煤層割理的相互交錯，煤層割理與裂隙更暢通，就提高了裂隙的導(dǎo)流能力。

（3）減少了對煤層的損害

常規(guī)直井鉆井完鉆后要固井、水力壓裂改造，每個環(huán)節(jié)都會對煤層造成不同程度的損害，而且煤層損害很難恢復(fù)。多分支水平井鉆井完井方法避免了固井和水力壓裂作業(yè)，只要在鉆井時設(shè)法降低鉆井液對煤層的損害，就能滿足工程要求。

（4）提高了單井產(chǎn)氣量

經(jīng)過近幾年的初步試驗和排采，表明多分支水平井單井日產(chǎn)氣量可達(dá)1萬m3以上，沁水盆地潘莊井組平均產(chǎn)量達(dá)5萬m3，最高產(chǎn)量為10萬m3。

（5）提高了采收率，縮短了生產(chǎn)周期

據(jù)已實施多分支水平井的煤礦資料，多分支水平井前3年生產(chǎn)數(shù)據(jù)，按照100 m分支間距布置多分支水平井，2～3年內(nèi)煤層氣采收率達(dá)到約40%～50%，而達(dá)到此采收率的話，直井需要開采15年～20年。據(jù)數(shù)值模擬預(yù)測，多分支水平井組排采3年時就可達(dá)到井間干擾作用，煤層氣采收率達(dá)到40%以上，排采5年煤層氣采收率達(dá)到55%以上，排采10年煤層氣采收率達(dá)到75%。

當(dāng)煤層氣采收率達(dá)到40%～50%時，只需3年左右，而直井需要開采15年～20年。

（6）減少了井場占地面積，增大了抽排面積

多分支水平井井場占地少是顯而易見的，初步估計，與相同抽排面積的直井相比，多分支水平井將少2/3。一個多分支水平井井場占地面積約2400 m2，對應(yīng)抽排面積內(nèi)布6口直井，6口直井井場占地面積共需7200 m2。一個單翼多分支水平井控制的抽排面積在0.5～0.6k m2，如果一個井場設(shè)計3～4翼多分支水平井，將控制2～3 k m2的抽排面積，相當(dāng)于20～30口300 m×300 m井距部署的直井抽排面積。

3 多分支水平井鉆井技術(shù)的適應(yīng)性分析

煤層氣多分支水平井不是在任何地質(zhì)條件下都能起到比較好的效果。一般適合于中高煤階煤層，要求煤層機(jī)械強(qiáng)度較高，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；地質(zhì)條件要求埋深適中，構(gòu)造穩(wěn)定，避開斷層和破碎帶，煤層厚度適中，橫向連續(xù)穩(wěn)定分布，煤層中夾矸不發(fā)育。通常在以下幾種地質(zhì)和工程情況下，多分支水平井技術(shù)才值得大力推薦。

（1）穩(wěn)定的煤層力學(xué)性質(zhì)

多分支水平井一般要求煤層演化程度高，達(dá)到中-高煤階，煤層構(gòu)造穩(wěn)定，煤體結(jié)構(gòu)完整，斷層和構(gòu)造煤不發(fā)育，煤層厚度大，橫向穩(wěn)定性好，能保證水平井眼盡量保持在煤層內(nèi)。我國鄂爾多斯盆地、沁水盆地、寧武盆地石炭-二疊系含煤區(qū)以及華南二疊系含煤區(qū)，煤層單層厚度大，橫向分布穩(wěn)定，大多為中-高煤階，機(jī)械強(qiáng)度高，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，含氣性好，這些地區(qū)，非常有利于多分支水平井施工。

（2）完整的煤體結(jié)構(gòu)

多分支水平井需要完整或基本完整的煤體結(jié)構(gòu)，盡量在斷層分布少的區(qū)域進(jìn)行鉆進(jìn)。當(dāng)前的鉆井工藝還無法克服井壁失穩(wěn)的困難，而且煤體結(jié)構(gòu)被完全破壞的煤層通常情況下都不具有良好的導(dǎo)流能力。

（3）合適的滲透率范圍

一般情況下，合適的煤層滲透率為0.1×10-3～5×10-3μm2。太低，水平井的應(yīng)力釋放能力和壓力傳導(dǎo)能力無法克服煤體的固有缺陷；太高，傳統(tǒng)的直井技術(shù)就足夠使用。

（4）儲層壓力不能太低

儲層壓力過低的情況下 （小于0.6 MPa/100 m），一般也不提倡選用水平井技術(shù)，這種情況下的水平井產(chǎn)能無法保障其開發(fā)投入的回收。

4 多分支水平井不同井型經(jīng)濟(jì)效益與社會效益分析

（1）不同井型經(jīng)濟(jì)效益分析

我國已經(jīng)進(jìn)行了不同井型多分支水平井的試驗，包括工程井和生產(chǎn)井分離的多分支水平井、工程井和生產(chǎn)井合一的多分支水平井、末端對接水平井，這三種井型的多分支水平井工程成本存在差異，同時產(chǎn)量也有所差別。其應(yīng)用的對象或者說針對不同的地質(zhì)條件和煤層特征有所不同。從產(chǎn)氣效果分析，到目前為止，地下煤層段分支多、水平分支井長度大，達(dá)到較大抽排面積的多分支水平井，產(chǎn)氣量較高，如果通過井組排采，達(dá)到區(qū)域整體壓降，實現(xiàn)壓力干擾，將會提高煤層氣單井產(chǎn)量，提高煤層氣采收率。工程井和生產(chǎn)井合一的多分支水平井產(chǎn)氣效果和工程井和生產(chǎn)井分離的多分支水平井基本類似，差別在于節(jié)省了穿針、鉆生產(chǎn)井等分項工程及其工程費(fèi)用，但排采過程中修井次數(shù)增多，生產(chǎn)維護(hù)成本要增加。末端對接水平井從單井規(guī)模而言單井產(chǎn)量相對較低，但形成井組后，產(chǎn)量仍然較好。

總體而言，井型是根據(jù)鉆井的地形、地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計，如何使井型和地形、地質(zhì)條件實現(xiàn)優(yōu)化配置，將是達(dá)到工程經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵。實現(xiàn)設(shè)備和工具的國產(chǎn)化，技術(shù)隊伍本土化，將減低工程成本造價、實現(xiàn)良好經(jīng)濟(jì)效益的必由之路。

（2）社會效益分析

社會效益表現(xiàn)在節(jié)省井場用地和減少征地，實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、煤礦安全生產(chǎn)目標(biāo)。

多分支水平井由于井場占地少，特別適合高差大、地形復(fù)雜的山地，適合森林保護(hù)區(qū)等林區(qū)。一方面在復(fù)雜的山區(qū)，減少道路、井場等征地面積，另一方面積極保護(hù)了林區(qū)森林植被的砍伐，保護(hù)山體、土壤的剝離，使得植被、山體、土壤等環(huán)境得到最大的保護(hù)。

多分支水平井鉆井完井技術(shù)使煤礦煤層氣實現(xiàn)快速抽采，實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)，其社會效益不可估量。利用多分支水平井鉆井完井技術(shù)經(jīng)過4～5年的抽采，煤層氣采收率可以達(dá)到60%～70%左右，在采煤前極大地降低煤層含氣量，節(jié)省煤礦建設(shè)和煤炭生產(chǎn)過程中通風(fēng)系統(tǒng)和抽放系統(tǒng)投資，減少煤礦瓦斯爆炸。

多分支水平井是煤層氣高效開發(fā)方式的發(fā)展趨勢，該技術(shù)的推廣應(yīng)用必將為煤層氣的勘探開發(fā)帶來突破性進(jìn)展，促進(jìn)我國掀起開發(fā)煤層氣的熱潮。

5 結(jié) 論

（1）多分支水平井技術(shù)應(yīng)用是今后我國煤層氣田開發(fā)的趨勢，但其受到多種因素的控制。一般適合于中高煤階煤層，要求煤層機(jī)械強(qiáng)度較高，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；地質(zhì)條件要求埋深適中，構(gòu)造穩(wěn)定，避開斷層和破碎帶，煤層厚度適中，橫向連續(xù)穩(wěn)定分布，煤層中夾矸不發(fā)育。

（2）影響多分支水平井鉆井技術(shù)的客觀控制因素是地層等；主觀因素有分支井眼數(shù)目、分支段長、分支井眼方向及這個分支水平井眼系統(tǒng)的控制面積等。將各種控制因素有機(jī)結(jié)合并進(jìn)行優(yōu)化，才能充分發(fā)揮多分支水平井的效率。

（3）在我國的中高煤階、高強(qiáng)度和高含氣量盆地選擇使用多分支水平井技術(shù)不但可以實現(xiàn)良好經(jīng)濟(jì)效益，而且可以實現(xiàn)節(jié)省井場用地和減少征地，實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、煤礦安全生產(chǎn)目標(biāo)的社會效益。