徑向鉆井技術(shù)開發(fā)沁水盆地煤層氣工藝研究

吳 剛

（上海宏睿油氣田徑向井技術(shù)服務(wù)有限公司，上海市浦東區(qū)，201201）

徑向鉆井技術(shù)開發(fā)沁水盆地煤層氣工藝研究

吳 剛

（上海宏睿油氣田徑向井技術(shù)服務(wù)有限公司，上海市浦東區(qū)，201201）

針對沁水盆地碎裂煤煤體結(jié)構(gòu)，提出采用水力噴射徑向鉆井與水力壓裂等增產(chǎn)聯(lián)作工藝。先在煤層實施水力噴射徑向鉆井作業(yè)，以形成呈輻射狀的徑向水平孔，溝通煤儲層發(fā)育的天然孔隙和裂隙，然后根據(jù)儲層條件再進(jìn)行水力壓裂改造措施，確保沿著徑向孔方向誘導(dǎo)水力壓裂裂縫，以增加水力壓裂在煤層中形成的裂縫數(shù)目，并通過變排量技術(shù)控制裂縫在煤層中的延伸高度，最終延長煤層中的有效壓裂裂縫長度，使支撐劑填充在有效的煤層裂縫中。同時在水力壓裂之后，可根據(jù)煤儲層地質(zhì)特征，增加酸化作業(yè)，以酸溶煤儲層割理中的可溶性礦物質(zhì)，達(dá)到進(jìn)一步提高煤儲層滲透率的目的。

徑向鉆井 碎裂煤 沁水盆地 水力壓裂

1 沁水盆地簡況

沁水煤層氣田位于沁水盆地南部，是我國典型的高煤階煤層氣田。盆地主要含煤巖系為石炭系的太原組和二疊系的山西組，共含煤10～16層，其中山西組3＃煤層和太原組15＃煤層是氣田主要含氣煤層。3＃煤層厚度4.1～7.7m，15＃煤層厚度2.5～8m，全區(qū)分布穩(wěn)定。

沁水煤層氣田為典型的壓力吸附型煤層氣田，煤層氣主要以吸附形式儲存于煤層孔隙和基質(zhì)表面。煤層總體保存條件好，煤層含氣量高。3＃煤層含氣量一般為7～26m3／t，15＃煤因煤層頂?shù)装宓姆忾]能力較3＃煤層差，所以含氣量普遍低于3＃煤層。受區(qū)域高溫地?zé)釄鲇绊?，氣田煤層演化程度高，煤層孔隙不發(fā)育，原始滲透性主要來自于煤儲層割理和裂隙，大部分地層煤層滲透率低，一般不到1mD，且不均質(zhì)性強(qiáng)。因此氣田煤層氣開發(fā)工藝的選擇對氣井產(chǎn)量和開發(fā)效益具有決定性的影響。

2 煤儲層特征及改造措施

2.1 煤體結(jié)構(gòu)類型及成因

煤體結(jié)構(gòu)是根據(jù)煤層在地質(zhì)演化過程中地應(yīng)力對它的破壞程度來進(jìn)行分類的，一般可將煤體結(jié)構(gòu)分為4種類型：原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。其中沁水盆地碎裂煤發(fā)育，局部地區(qū)為碎粒煤和糜棱煤。

根據(jù)對煤層裂隙的幾何形態(tài)、分布規(guī)律、性質(zhì)及煤層的組合關(guān)系等的研究，煤盆地在沉積期間，處于擴(kuò)張穩(wěn)定發(fā)展階段，在煤化作用過程中，由于脫水、煤體積收縮、成巖、脫揮發(fā)分、生氣作用，將會在煤層中產(chǎn)生收縮力和膨脹力，從而形成內(nèi)生裂隙。內(nèi)生裂隙屬于張性裂隙，是煤發(fā)生了覺察不到的裂開，對煤層無破壞作用，所以煤層仍保存著原生層理結(jié)構(gòu)。我國大多數(shù)煤盆地都經(jīng)歷了這樣一個發(fā)展階段，因此我國煤盆地儲層的內(nèi)生裂隙普遍發(fā)育。在煤盆地形成之后，一般又經(jīng)歷了后期構(gòu)造變形階段，當(dāng)煤盆地構(gòu)造發(fā)生較強(qiáng)烈的變形時，煤層破壞加重，煤體被密集的相互交錯的裂隙切割成塊，這些塊體相互之間沒有大的位移，但是煤層層理清晰可見，經(jīng)過這種破壞形成碎裂煤。一旦煤體在強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力（或許其他應(yīng)力）的作用下，將會發(fā)生嚴(yán)重變形，從而形成糜棱煤，糜棱煤是地層構(gòu)造變形強(qiáng)烈的產(chǎn)物。

2.2 煤儲層滲透性

煤層氣儲層滲透性受多種因素的控制，其中影響最直接的是儲層裂隙（割理）發(fā)育特征。研究表明，沁水盆地的煤層割理完全被割理充填，所以煤儲層的滲透性主要受外生裂隙的影響。

通過對4種類型煤體結(jié)構(gòu)的分析，碎裂煤外生裂隙發(fā)育，外生裂隙的長度和高度比內(nèi)生裂隙規(guī)模大。沁水盆地的碎裂煤煤層特征基本為兩組外生裂隙共生發(fā)育，這兩組外生裂隙相互交錯，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，裂隙連通性好，有利于儲層強(qiáng)化以提高滲透率，因此這部分煤儲層是目前煤層氣開發(fā)工藝適應(yīng)的主要對象，也是本文的主要研究對象。

碎粒煤的外生裂隙極發(fā)育，但滲透性差，另外由于煤體松軟，用較小的力可將煤研成碎塊或粉末，所以在煤層氣開采中不宜采用水力壓裂措施。糜棱煤內(nèi)外生裂隙完全消失，煤體呈粉末狀、鱗片狀，無裂隙連通，滲透性極差，滲透率幾乎不超過0.01mD，同時由于煤體破碎，無法進(jìn)行有效的儲層強(qiáng)化。因此在有碎粒煤和糜棱煤發(fā)育的煤層，煤體結(jié)構(gòu)對煤層滲透性的影響大于裂隙發(fā)育程度的影響，成為控制滲透性的首要因素。

2.3 煤儲層改造措施

針對沁水煤層氣田煤體結(jié)構(gòu)相對完整、大部分地區(qū)為碎裂煤以及外生裂隙發(fā)育等儲層特點(diǎn)，采用先在煤層實施水力噴射徑向鉆井作業(yè)，形成呈輻射狀的徑向水平孔，以有效溝通煤儲層發(fā)育的天然孔隙和裂隙，從而改善裂縫導(dǎo)流能力，在煤層中鉆長孔，可以有效地增加孔與煤儲層的接觸面積。在水力壓裂措施實施之前，為了加大井筒與煤儲層的滲流通道，同時也為了確保水力壓裂措施順利實施，通常需增加常規(guī)射孔作業(yè)，之后再進(jìn)行水力壓裂改造措施。通過對水力壓裂工藝進(jìn)行改進(jìn)，可確保沿著徑向孔方向誘導(dǎo)水力壓裂裂縫，增加水力壓裂在煤層中形成的裂縫數(shù)目，延長在煤層中的有效壓裂裂縫長度，并使支撐劑填充在有效的煤層裂縫中。在水力壓裂之后，可根據(jù)煤儲層地質(zhì)特征，增加酸化作業(yè)，以酸溶煤儲層割理中的可溶性礦物質(zhì)，達(dá)到進(jìn)一步提高煤儲層滲透率的目的。

3 徑向鉆井技術(shù)機(jī)理

徑向鉆井技術(shù)的原理就是利用磁定位和自然伽馬測井確定開窗深度及利用陀螺測斜儀確定開窗方位，然后利用磨銑鉆頭在套管上開窗，再通過特殊噴嘴產(chǎn)生的高速射流束在地層中破碎、切割巖層，從而在地層中鉆進(jìn)具有一定直徑和一定長度的徑向水平孔?？勺鳛橛蜌馓锖兔簩託馓锝?jīng)濟(jì)高效開采的一項增產(chǎn)措施，水力噴射徑向鉆井系統(tǒng)見圖1。該技術(shù)可以利用現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)，在井筒內(nèi)直接從垂直轉(zhuǎn)向水平，可在同一口垂直井內(nèi)的不同煤層段分別進(jìn)行多方位鉆進(jìn)直徑約為50mm，長度可達(dá)100m的徑向水平孔。

圖1 水力噴射徑向鉆井系統(tǒng)

徑向鉆井技術(shù)施工過程可分為以下3個步驟：

第一步為下入導(dǎo)向器并定位。利用修井機(jī)將連接在油管下端的導(dǎo)向器下入至作業(yè)深度，然后利用磁定位校定導(dǎo)向器深度，并借助陀螺測斜儀測量導(dǎo)向器出口方位。

第二步為磨銑套管。將磨銑鉆頭和柔性軸連接在井下馬達(dá)下端，然后利用連續(xù)油管將井下馬達(dá)下入井內(nèi)，到達(dá)預(yù)定深度后磨銑鉆頭和柔性軸在導(dǎo)向器內(nèi)由垂直轉(zhuǎn)向水平，然后啟動地面高壓泵，高壓流體驅(qū)動井下馬達(dá)產(chǎn)生扭矩和轉(zhuǎn)速，并通過柔性軸將扭矩傳遞給磨銑鉆頭，另外，柔性軸還起到傳遞鉆壓的作用，從而在生產(chǎn)套管上鉆開一個具有一定直徑的導(dǎo)向孔。套管磨銑完畢后，起出磨銑鉆頭。

第三步為噴射地層。將噴射管串（噴射軟管＋噴頭）連接在連續(xù)油管上，然后下入油管內(nèi)，到達(dá)預(yù)定深度后噴射管串在導(dǎo)向器內(nèi)由垂直轉(zhuǎn)向水平，高壓流體通過噴頭產(chǎn)生的水射流對煤巖進(jìn)行切割并提供向前鉆進(jìn)的牽引力，前向噴嘴產(chǎn)生的射流用于破碎切割煤巖，以形成鉆孔；后向噴嘴產(chǎn)生的射流作用于煤層以反作用力推動噴射管串在煤層中前進(jìn)，同時進(jìn)一步破碎環(huán)空巖屑，并為巖屑的排出提供沖擊動力，同時通過操縱地面的連續(xù)油管設(shè)備控制噴射管串以合適的速度進(jìn)行鉆進(jìn)，在徑向孔鉆進(jìn)結(jié)束后回拉噴射管串，利用后向噴嘴產(chǎn)生的射流沖蝕煤層擴(kuò)孔，從而鉆進(jìn)一個直徑約為50mm、長度可達(dá)100m的徑向水平孔。

噴頭是該項技術(shù)的核心部件，其原理圖解如圖2所示。當(dāng)后向噴嘴產(chǎn)生的牽引力大于前向噴嘴產(chǎn)生的穿透力時，噴射管串將會在地層中自推式鉆進(jìn)。

圖2 噴頭原理圖解

4 現(xiàn)場應(yīng)用

HJ26井位于山西省沁水盆地南部晉城斜坡帶樊莊區(qū)塊。該井于2011年5月29日完鉆，為井網(wǎng)加密井。于2011年6月15日到16日，在該井山西組3＃煤層（590.85～595.75m）分兩個層次，每個層次分別實施3個分支徑向水平孔作業(yè)，每個分支孔長度為100m，孔徑約為50mm。該井共實施6個分支徑向水平孔噴射作業(yè)，見圖3。在水力噴射徑向鉆井作業(yè)結(jié)束后再進(jìn)行水力壓裂，利用徑向水平孔引導(dǎo)壓裂溝通鄰近井，使壓裂后能形成井組的溝通，在后期排除過程中形成井組降壓，提高井組產(chǎn)能。

圖6 動態(tài)裂縫2

在實施水力壓裂措施過程中，利用井下微地震裂縫監(jiān)測技術(shù)實施監(jiān)測壓裂裂縫的高度、長度和方位角，圖4～圖6為運(yùn)用時間三維數(shù)據(jù)體在直井垂深Z＝600m處的水平XY方向能量0%～100%切片進(jìn)行梯度顯示。

通過對上圖及相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，得出解釋結(jié)論如表1所示。

5 認(rèn)識與結(jié)論

（1）水力噴射徑向鉆井技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，在垂直井內(nèi)可以沿不同的方位在煤層中水平鉆進(jìn)，同時還可根據(jù)煤層割理系統(tǒng)的特性，實現(xiàn)定向鉆進(jìn)，定向效果好，能有效溝通煤儲層發(fā)育的天然孔隙和裂縫，增加煤儲層滲透面積，改善裂縫導(dǎo)流能力。

表1 壓裂裂縫三維形態(tài)解釋－結(jié)論

（2）將水力噴射徑向鉆井技術(shù)與水力壓裂等增產(chǎn)改造措施聯(lián)合作業(yè)，效果會更加顯著。水力噴射徑向鉆井形成的徑向水平孔可以改變煤儲層的應(yīng)力分布，從而引導(dǎo)壓裂裂縫沿著預(yù)期方向延伸，解決了水力壓裂裂縫方向不可控的難題；同時徑向鉆井可以在煤儲層中鉆進(jìn)長孔，從而使得水力壓裂的影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

（3）沁水盆地煤儲層割理大多被方解石充填，在實施上述增產(chǎn)措施之后可增加酸化作業(yè)，以酸溶煤儲層中的可溶性礦物質(zhì)，從而溝通煤儲層內(nèi)生裂隙間的聯(lián)系，增強(qiáng)內(nèi)生裂隙與壓裂裂縫間的連通性，進(jìn)一步改善煤儲層的滲透性。

（4）徑向鉆井與水力壓裂等增產(chǎn)改造措施的聯(lián)作工藝適合于在碎裂煤煤體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，也可推廣在原生結(jié)構(gòu)煤體中應(yīng)用。

［1］ 倪小明，蘇現(xiàn)波，張小東.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

［2］ 趙慶波，李貴中，孫粉錦等.煤層氣地質(zhì)選區(qū)評價理論與勘探技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009

［3］ 鐘玲文，員爭榮，李貴紅等.我國主要含煤區(qū)煤體結(jié)構(gòu)特征及與滲透性關(guān)系的研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2004（6）

［4］ 王思鵬.低滲透煤層壓裂增透新技術(shù)研究［J］.中國煤炭，2011（4）

［5］ 袁亮.低透氣性煤層群無煤柱快速留巷Y型通風(fēng)煤與瓦斯共采技術(shù)［J］.中國煤炭，2008（6）

［6］ 王一兵，孫平，鮮保安等.沁水煤層氣田開發(fā)技術(shù)及應(yīng)用效果［J］.天然氣工業(yè)，2008（3）

Process study on radial drilling technology to exploit CBM in Qinshui basin

Wu Gang
（Shanghai Witsun Jetdrill Enhancement Services Co.，Ltd.，Pudong，Shanghai 201201，China）

Aiming at the coal body structure of the fractured coal in Qinshui basin，the paper proposes to adopt the combined technical process of transforming measures of hydraulic jetting radial drilling and hydraulic fracturing to increase production.At first，the radial horizontal holes are formed radially from hydraulic jetting to link the natural holes and fractures in coal reservoir；afterwards，according to the conditions of the reservoir，the hydraulic fracturing is carried out to ensure the fractures expand along the directions of the radial holes that will result in increasing the number of fractures in the coal seam and in the meantime，the variable displacement technique is adopted to control the extending height of the fractures in coal seam to prolong the length of the effective fractures in coal seam in order that the proppant can be filled in these fractures；and following the hydraulic fracturing，according to the geological features of the coal reservoir，acid treating is used to dissolute the soluble minerals in the coal cleat as can further improve the permeability of the coal reservoir.

radial drilling，fractured coal，Qinshui basin，hydraulic fracturing

TD712.67

A

吳剛（1983－），男，湖北咸寧人，本科，主要從事徑向鉆井工藝的研究工作。

（責(zé)任編輯 梁子榮）