沁水盆地南部煤層氣水平井井型優(yōu)化及應(yīng)用

孟慶春 左銀卿 周 魏 強(qiáng) 郭希波

(中國(guó)石油華北油田勘探開發(fā)研究院, 河北 062552)

沁水盆地是我國(guó)最主要的高階煤發(fā)育區(qū), 具有低壓、低滲、低飽和、非均質(zhì)性強(qiáng)的特征, 開采難度大[1], 制約著沁水盆地南部煤層氣產(chǎn)能建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn), 因此亟需著重解決制約煤層氣規(guī)模開發(fā)面臨的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)際問題, 其中在沁水煤層氣田開采方式優(yōu)化方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān), 采用水平井開發(fā)煤層氣是一項(xiàng)重要舉措。

煤層氣水平井依靠其主、分支將煤層中的裂縫系統(tǒng)有效相互溝通, 使?jié)B流通道呈網(wǎng)狀分布, 突破了煤層非均質(zhì)的局限[2], 從而增加了煤層氣的解吸范圍。此外, 流體在水平井段內(nèi)的流動(dòng)阻力相對(duì)于在煤層裂縫內(nèi)要小得多, 并且分支井眼與煤層裂縫的相互交錯(cuò), 使煤層裂隙間相互暢通, 很大程度提高了裂隙的導(dǎo)流能力。

煤層氣水平井的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到水平井部署的合理和科學(xué)性, 更關(guān)系到煤層氣水平井的開采效益。而我國(guó)對(duì)煤層氣水平井的研究應(yīng)用非常欠缺, 嚴(yán)重制約了中國(guó)煤層氣開發(fā)進(jìn)程。通過對(duì)水平井的增產(chǎn)機(jī)理分析, 水平井的基本參數(shù)、分支形態(tài)、井型等優(yōu)化設(shè)計(jì), 是水平井設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。

1 沁水盆地煤層氣水平井井型優(yōu)化

1．1 水平段長(zhǎng)度

由于水平段井筒存在流動(dòng)內(nèi)阻, 水平段越長(zhǎng),內(nèi)阻越大, 水平井筒內(nèi)沿末端方向的流動(dòng)壓力增加, 水平段末端的壓降較井口小, 造成水平段末端的產(chǎn)量減小。

但是當(dāng)水平井處于不同的地層產(chǎn)狀時(shí), 例如下傾地層, 水平井會(huì)由于水平井產(chǎn)狀下行, 其末端位置比井口低, 造成末端的地層壓力較井口處地層壓力大, 因此水平段末端的地解壓差較井口處大, 導(dǎo)致水平段末端的產(chǎn)量減少。水平段愈長(zhǎng), 壓力差愈大, 低效水平段就可能越長(zhǎng)。因此要使水平井經(jīng)濟(jì)效益最大, 就存在合理的水平段長(zhǎng)度。

針對(duì)不同地層產(chǎn)狀對(duì)產(chǎn)能的影響, 分別設(shè)計(jì)了水平模型和傾斜模型 (上傾和下傾, 斜角為7°) ,各模型其它參數(shù)均相同。

(1) 水平煤層水平段長(zhǎng)度優(yōu)化

在保證產(chǎn)量的同時(shí), 又要實(shí)現(xiàn)單位成本最大效益, 因此, 對(duì)各水平段長(zhǎng)度方案的百米日產(chǎn)氣量進(jìn)行了分析 (圖1) 。

圖1 表明, 百米日產(chǎn)氣量隨水平長(zhǎng)度的增加而減少, 長(zhǎng)度小于1000m 范圍內(nèi)時(shí), 百米日產(chǎn)氣量隨水平段長(zhǎng)度的增加急劇下降, 說明其產(chǎn)量對(duì)管內(nèi)流動(dòng)摩阻敏感; 2000m 后, 百米日產(chǎn)氣量隨水平段長(zhǎng)度的增加基本保持穩(wěn)定不變, 說明單支水平井的產(chǎn)量主要產(chǎn)自2000m 之前的水平段, 2000m 后的水平段的百米日產(chǎn)氣量很低。

圖1 (水平煤層) 水平段長(zhǎng)度與日產(chǎn)氣量關(guān)系曲線圖

(2) 不同地層產(chǎn)狀條件下水平段長(zhǎng)度優(yōu)化

嘉靖十二年，《宰輔年表》將方獻(xiàn)夫排名于李時(shí)前，有誤。嘉靖十一年八月，張孚敬致仕，《宰輔年表》記載李時(shí)的官職是“太子太傅禮部尚書兼文淵閣大學(xué)士”，按照《明史·李時(shí)傳》《世宗實(shí)錄》《首輔傳·李時(shí)傳》，當(dāng)為“太子太保吏部尚書武英殿大學(xué)士”，與方獻(xiàn)夫的官職相同?！妒纵o傳》載：“俄而孚敬復(fù)用，時(shí)居次?！保?］（卷2，李時(shí)傳）《世宗實(shí)錄》自嘉靖十一年五月方獻(xiàn)夫入閣到十三年四月致仕這段時(shí)間，都將李時(shí)列于方獻(xiàn)夫前。由此可知，嘉靖十一年八月張孚敬致仕后李時(shí)為首輔。

首先考察了下傾地層情況下水平段長(zhǎng)度與百米日產(chǎn)氣量的關(guān)系 (見圖2) , 水平段長(zhǎng)度小于500m時(shí), 百米日產(chǎn)氣量隨水平段長(zhǎng)度增加而增加; 水平長(zhǎng)度大于500m 后, 百米日產(chǎn)氣量隨水平段長(zhǎng)度增加而減少, 特別是水平段長(zhǎng)度大于2000m 后百米日產(chǎn)氣量的變化非常小, 說明雖然水平段長(zhǎng)度增加,但其貢獻(xiàn)率并不大。

圖2 (下傾煤層)水平段長(zhǎng)度與百米日產(chǎn)氣量關(guān)系曲線圖

分別對(duì)上傾、水平和下傾地層在相同水平段長(zhǎng)度情況下的產(chǎn)氣情況做了相應(yīng)的對(duì)比, 當(dāng)水平段長(zhǎng)度小于500m 的傾斜地層與水平地層的百米日產(chǎn)氣量相差較大, 沿下傾地層百米日產(chǎn)氣量最低, 沿上傾地層百米日產(chǎn)氣量最高, 但水平長(zhǎng)度大于1000m后, 百米日產(chǎn)氣量變化不大, 甚至非常相近, 因此, 認(rèn)為合理的水平段長(zhǎng)度為500～1000m, 同是為獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益, 水平段應(yīng)盡量沿上傾方向鉆進(jìn)。

1．2 分支夾角與方位

從圖3 計(jì)算的結(jié)果可見, 分支夾角為30°時(shí),因?yàn)榉种чg垂直裂縫發(fā)育方向的水平長(zhǎng)度較長(zhǎng), 而且其控制的面積和形成壓力疊加的速度較為合理。而夾角90°時(shí)產(chǎn)氣量最小的原因則是由于其垂直裂縫發(fā)育方向的水平長(zhǎng)度最短, 而且角度過大不利于形成壓力疊加區(qū), 雖然控制面積大, 但產(chǎn)量很低。可以看出, 對(duì)非均質(zhì)煤層而言, 壓力疊加對(duì)產(chǎn)量有一定的影響, 但最主要的影響因素還是垂直裂縫發(fā)育方向的水平長(zhǎng)度的大小。

圖3 (非均質(zhì)模型)分支夾角與累積產(chǎn)氣量關(guān)系曲線圖

無論均質(zhì)還是非均質(zhì)地層水平井的最佳分支角度為30°左右; 水平井鉆進(jìn)的水平井段方向如果沿著高滲方向鉆進(jìn), 不利于水平井獲得最大產(chǎn)氣量。因此, 在明確主滲透方向前提下, 應(yīng)盡量使水平井的水平段鉆進(jìn)方向與該主滲方向形成一定的夾角,這樣有利于分支之間或分支與主支之間形成最大的壓力疊加區(qū), 提高水平井的產(chǎn)氣量。

1．3 分支間距

在設(shè)計(jì)井型之前, 需要考察分支之間的距離,選擇最優(yōu)的間距盡量做到資源量最大利用率和產(chǎn)能的最高。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和鉆井需求, 設(shè)計(jì)分支間距分別為200m、300m、400m、600m 等4 個(gè)方案, 計(jì)算對(duì)比結(jié)果見圖4。由圖4 可見, 分支間距為300m 累積產(chǎn)氣量的值最高, 開發(fā)效果最好, 根據(jù)滲透率稍的高低, 分支間距可適當(dāng)增大減小。

圖4 分支間距與累積產(chǎn)氣量關(guān)系曲線圖

圖5 不同井型壓降重疊區(qū)示意圖

1．4 井型優(yōu)化

設(shè)計(jì)水平井井型, 水平段總長(zhǎng)度等基本參數(shù)相同, 在井型選取中仍然以十年生產(chǎn)年限為重點(diǎn)分析各井型的生產(chǎn)特征, 圖5 為七種井型十年累計(jì)壓降面積示意圖。

經(jīng)過計(jì)算七種井型的控制面積及十年累積產(chǎn)氣量, 結(jié)合圖5 上壓降重疊區(qū)域分布, 分別分析了七種井型的資源利用率及可選用井型情況 (見表1) 。

表1 不同井型控制面積及產(chǎn)量對(duì)比表

①井型1、2 和3, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 控制資源量相對(duì)大, 但不利于形成壓力疊加區(qū), 泄壓范圍小、資源面積空白區(qū)多、單位面積產(chǎn)氣量低, 而井型3 需要排采井?dāng)?shù)還多, 投資多, 因此不建議選用。但是對(duì)于井型1 和2 井型, 基于動(dòng)用資源量、單位面積利用率及井型最優(yōu)等方面考慮, 在有利泄壓范圍內(nèi)部署短半徑的V 型井 (圖6) , 水平段長(zhǎng)度320～500m。也可部署單支水平井組排列的鉆井方式(圖7) 。

圖6 V 型井

②考慮到井型7 的鉆井難度大, 煤層穩(wěn)定系數(shù)低, 雖然該井型在產(chǎn)氣量及資源利用率方面占有優(yōu)勢(shì), 但是綜合考慮該井型不適宜用于實(shí)際鉆井, 風(fēng)險(xiǎn)比較大。

③井型4 控制面積最小, 單位面積利用率最大, 生產(chǎn)年限內(nèi)產(chǎn)氣量最大, 但是該井型的使用可能有一定的限定條件。

圖7 單支水平井井組

④井型5 和井型6 雖然資源利用率和產(chǎn)氣量低于井型4, 但是在動(dòng)用資源量、單位面積利用率、保證煤層穩(wěn)定系數(shù)等方面比較穩(wěn)妥, 風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)小,適于規(guī)模開發(fā), 不過井型6 在經(jīng)濟(jì)效益方面優(yōu)于井型5。

通過以上分析, 綜合考慮在動(dòng)用資源量、單位面積利用率、保證煤層穩(wěn)定系數(shù)等方面, 首先排除選用井型1、2、3 和7, 可考慮選擇井型6 (或井型5) 和井型4。

(2) 非均質(zhì)煤層對(duì)水平井產(chǎn)氣量的影響

選擇對(duì)比井型4 和井型6 兩種井型在非均質(zhì)煤層情況下的井型與產(chǎn)能的關(guān)系, 為煤層氣開發(fā)水平井井型優(yōu)化選取提供基礎(chǔ)依據(jù)。

以井型4 各分支與主裂縫發(fā)育方向垂直和平行兩種情況下, 進(jìn)行井型4 和井型6 十年累積產(chǎn)氣量的比較。圖8 為一種情況的計(jì)算結(jié)果, 井型4 的各分支與裂縫發(fā)育方向一致, 在初期兩種井型產(chǎn)量相差不大, 中后期井型6 生產(chǎn)情況明顯好于井型4。其原因是由于井型4 垂直于主裂縫方向的長(zhǎng)度較小, 所以穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較短。

圖8 非均質(zhì)地層兩種井型的累計(jì)產(chǎn)氣量 (Kx ＞Ky)

表2 為兩種情況下兩種井型的累積產(chǎn)氣量數(shù)值對(duì)比分析, 井型4 當(dāng)裂縫發(fā)育方向與水平分支延伸方向垂直與一致的條件下十年累積產(chǎn)氣量增加了684 萬m3, 而井型6 僅變化了184 萬m3, 說明井型4 受煤層非均質(zhì)性影響程度大得多, 但在地質(zhì)構(gòu)造清楚、目的層裂縫發(fā)育方向明確的前提下, 選擇井型4 是提高采收率的最佳井型。一般情況選用井型6 比較穩(wěn)妥。

表2 不同裂縫發(fā)育方向十年累積產(chǎn)氣量對(duì)比表

(3) 不同產(chǎn)狀地層對(duì)水平井產(chǎn)能的影響

由于水平段百米日產(chǎn)氣量受地層產(chǎn)狀的影響,為此, 對(duì)優(yōu)選的井型6 (即復(fù)合V 形井型) 計(jì)算了不同產(chǎn)狀地層條件下計(jì)算的日產(chǎn)氣量的對(duì)比曲線(圖9) , 認(rèn)為下傾地層鉆進(jìn)水平井不僅穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短, 而且累產(chǎn)氣量少。主要原因是下傾地層不利排水降壓, 煤層解吸受到地層產(chǎn)狀的影響, 因此, 在水平井井位部署及實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)盡量降低少產(chǎn)氣風(fēng)險(xiǎn), 沿上傾方向鉆進(jìn)將取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 不同產(chǎn)狀地層條件下水平井的日產(chǎn)氣量變化圖

2 實(shí)際鉆采效果分析

截止目前沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊水平井投入排采最長(zhǎng)的幾口井中, 其中5 口井的日產(chǎn)氣量在1．5萬m3以上。這5 口水平井所處構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單, 基本處于構(gòu)造寬緩的翼部, 水平段沿煤層上傾方向鉆進(jìn), 沒有或很少鉆遇斷層, 而位于補(bǔ)給邊界附近部署的幾口水平井排采效果較差。

圖10 及圖11 分別為兩個(gè)井組的井位圖, 這兩組井井位相鄰, 地質(zhì)條件接近, 但其開采狀況差距較大 (見表3) 。FZP02- 3 井比FZP02 - 2 井排采時(shí)間短, 但累計(jì)產(chǎn)氣量卻是FZP02 - 2 井的7 倍多,分析其原因主要是由于FZP02- 3 井的井控面積大,是FZP02- 2 井的2 倍。而FZP04- 2 井與FZP04- 3井排采時(shí)間相同, 井控面積相同, 累計(jì)產(chǎn)氣量卻是FZP04- 3 井的近15 倍, 其原因主要是由于FZP04- 3 井的主、分支的方向與該區(qū)塊的主裂縫方向接近, 不能有效溝通裂縫系統(tǒng)。以上分析結(jié)果表明,排除地質(zhì)因素的影響, 井位選擇以及井型優(yōu)化對(duì)煤層氣開采效果影響重大。

圖10 井位圖FZP02 井組

圖11 井位圖FZP04 井組

表3 FZP02 井組及FZP04 井組井況表

根據(jù)實(shí)際鉆采資料初步分析： 認(rèn)為主分支結(jié)構(gòu)合理井型, 主分支間距、主分支夾角、主分支數(shù)量與理想模型接近, 整體產(chǎn)氣水平較高, 但水平井兩側(cè)或前后分支分布不均衡的情況, 對(duì)產(chǎn)氣量有不同程度的影響。而由于鉆遇地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜, 鉆井事故多造成煤層坍塌, 使得水平井有效煤層段少,必然影響其產(chǎn)能。

3 結(jié)論

(1) 水平井產(chǎn)氣情況與構(gòu)造位置、井型相關(guān),研究地質(zhì)構(gòu)造, 優(yōu)選水平井井位、井型及鉆井軌跡是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

(2) 可考慮在有利泄壓范圍內(nèi)部署簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的V 型井或按優(yōu)化井距、長(zhǎng)度設(shè)計(jì)單支水平井組排列的方式部署井位。在裂縫發(fā)育方向、地質(zhì)條件清楚地前提下, 可選用多分支水平結(jié)構(gòu)的井型, 或選用復(fù)合V 形井型, 水平段盡量沿上傾方向鉆進(jìn)?？紤]到復(fù)雜結(jié)構(gòu)水平井易井壁坍塌等鉆井事故, 并且后期改造難等因素, 水平井井型結(jié)構(gòu)、參數(shù)及適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究。

[1] 李文陽, 馬新華, 趙慶波, 等．中國(guó)煤層氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與勘探技術(shù)新進(jìn)展 [M] ．徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2001．

[2] 張仟, 鄧志敏, 劉金瑋。新型煤層氣水平井鉆井工具 [J] ．國(guó)外油田工程, 2008 (9) ： 45．