煤層氣多分支水平井排采控制技術(shù)研究

劉國(guó)偉 李夢(mèng)溪 劉 忠 張 聰 侯 濤 馬成宇

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000)

煤層氣多分支水平井排采控制技術(shù)研究

劉國(guó)偉 李夢(mèng)溪 劉 忠 張 聰 侯 濤 馬成宇

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000)

多分支水平井排采控制技術(shù)影響著其產(chǎn)氣效果，對(duì)其進(jìn)行研究對(duì)煤層氣多分支水平井排采制度的制定有重要的指導(dǎo)意義。本文從對(duì)煤儲(chǔ)層的改造及排采過(guò)程中裸眼段井眼切面應(yīng)力變化方面，詳細(xì)論述了多分支水平井的生產(chǎn)機(jī)理。針對(duì)多分支水平井排采生產(chǎn)特征，把多分支水平井排采生產(chǎn)過(guò)程劃分為穩(wěn)定降液、控壓排水、控壓放氣、穩(wěn)定生產(chǎn)和衰減5個(gè)階段，并根據(jù)每一個(gè)階段的排采特征制定了合理的排采工作制度。在上述研究的基礎(chǔ)上，分析了排采速率對(duì)水平井產(chǎn)能的影響以及煤粉的產(chǎn)出規(guī)律和產(chǎn)出機(jī)理，指出多分支水平井井的排采必須制定精細(xì)的、合理的工作制度進(jìn)行，否則將對(duì)煤儲(chǔ)層造成嚴(yán)重傷害。

煤層氣 多分支水平井 排采速率 排采控制技術(shù)

1 引言

煤層氣主要以吸附形式儲(chǔ)存在煤基質(zhì)表面，一般采用抽排煤層中的承壓水達(dá)到降壓的目的，使吸附在煤層中的甲烷氣體釋放出來(lái)。煤層中甲烷氣體只有在儲(chǔ)層壓力低于臨界解吸壓力才會(huì)發(fā)生解吸，但對(duì)于低壓、低滲、低飽和的煤儲(chǔ)層，利用常規(guī)直井射孔壓裂技術(shù)開(kāi)發(fā)，單井控制面積有限，產(chǎn)量低，效益差。多分支水平井開(kāi)發(fā)煤層氣規(guī)避了常規(guī)直井射孔壓裂技術(shù)的局限性。多分支水平井技術(shù)是在美國(guó)和澳大利亞煤層氣鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)獨(dú)特的煤層氣儲(chǔ)層條件，逐步發(fā)展起來(lái)的基本適宜國(guó)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層條件的新興煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)。截止2009年5月，華北油田煤層氣分公司在沁水盆地南部完鉆多分支水平井40多口，投產(chǎn)水平井30口，排采時(shí)間最長(zhǎng)520多天，單井最高產(chǎn)量5.5萬(wàn)m3/d。多分支水平井產(chǎn)氣效果的好壞，除了地質(zhì)與工程的因素外，最重要的就是排采控制的影響。因此，合理的排采制度是多分支水平井高產(chǎn)的保障。

2 多分支水平井水平井生產(chǎn)機(jī)理

多分支水平井是集鉆井、完井與增產(chǎn)措施于一體的新的鉆井技術(shù)。其生產(chǎn)機(jī)理是通過(guò)破壞煤層的原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)，打破煤層的原始地應(yīng)力分布來(lái)改善煤儲(chǔ)層的滲透性。多分支水平井煤層進(jìn)尺長(zhǎng)，一般在4000m以上，最后又采取完全裸眼的方式完井，極大地增加了煤層的裸露面積，擴(kuò)展了煤層流體的泄流面積，提高了導(dǎo)流能力(圖1)。

圖1 多分支水平井產(chǎn)氣機(jī)理框圖

在連續(xù)不斷排水降壓生產(chǎn)過(guò)程中，由于水平井段內(nèi)的流體壓力不斷下降，導(dǎo)致煤層內(nèi)的地應(yīng)力不斷地被重新分布，致使煤層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，有效地促進(jìn)煤層裂隙的相互連通，改善了煤儲(chǔ)層的滲透性。排采過(guò)程中地應(yīng)力變化如圖2所示。

圖2 多分支水平井排采過(guò)程井眼切面應(yīng)力變化示意圖

3 多分支水平井排采階段及排采制度

3.1 排采階段

根據(jù)多分支水平井產(chǎn)氣機(jī)理及排采生產(chǎn)特征，多分支水平井排采生產(chǎn)過(guò)程一般劃分為穩(wěn)定降液、控壓排水、控壓放氣、穩(wěn)定生產(chǎn)和衰減5個(gè)階段。

圖3 多分支水平井排采示意圖

(1)第Ⅰ階段:穩(wěn)定降液階段

在排水生產(chǎn)的初期階段，隨著排水生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)井井筒內(nèi)的動(dòng)液面不斷下降，依靠流體對(duì)壓力的傳導(dǎo)作用，煤儲(chǔ)層內(nèi)裂隙、孔隙的壓力不斷下降，有效應(yīng)力逐步增加 (應(yīng)力差效應(yīng))，煤儲(chǔ)層滲透率降低。通過(guò)控制井底流壓的下降速率達(dá)到減小應(yīng)力差效應(yīng)的目的。由于煤儲(chǔ)層的供水能力隨著井底壓力及降壓面積的變化而變化，所以，穩(wěn)定降液階段需要對(duì)排采生產(chǎn)制度進(jìn)行不斷調(diào)整，以滿足穩(wěn)定降液的排采要求。

(2)第Ⅱ階段:控壓排水階段

煤儲(chǔ)層壓力不斷下降，當(dāng)儲(chǔ)層壓力下降到臨界解吸壓力以下，煤層甲烷氣體開(kāi)始解吸。這時(shí)，為了盡可能多的排出煤層內(nèi)的游離水，擴(kuò)大降壓面積，盡量保持井底流壓的穩(wěn)定，控制好煤層和圍巖的壓力差，減小有效應(yīng)力對(duì)滲透率的影響。

(3)第Ⅲ階段:控壓放氣階段

煤層的壓力降逐步向煤層深部擴(kuò)展，煤儲(chǔ)層解吸面積不斷增大，煤層供氣能力逐漸增強(qiáng)，套壓上升，待煤層供氣能力與放氣速率匹配時(shí)，開(kāi)井生產(chǎn)。此階段務(wù)必控制好套管的生產(chǎn)壓力，防止由于生產(chǎn)壓差過(guò)大造成煤層傷害。

(4)第Ⅳ階段:穩(wěn)定生產(chǎn)階段

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的排水采氣生產(chǎn)，煤層的壓力降基本穩(wěn)定，煤層的供氣面積逐漸擴(kuò)展，煤層的供氣、供水能力基本趨于穩(wěn)定。就要穩(wěn)定動(dòng)液面，穩(wěn)定排水采氣的生產(chǎn)制度，保持煤層氣井的穩(wěn)定生產(chǎn)。

(4)第Ⅴ階段:衰減階段

大量氣體已經(jīng)產(chǎn)出，動(dòng)液面降到煤層，降壓面積不再擴(kuò)展，煤層供氣能力逐漸減弱，氣產(chǎn)量逐漸下降。

3.2 排采制度

3.2.1 穩(wěn)定降液階段排采制度

為了最大限度減少煤基質(zhì)彈性負(fù)效應(yīng)對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響，此階段的技術(shù)關(guān)鍵是控制適中的排采強(qiáng)度，保持動(dòng)液面平穩(wěn)下降。因此，根據(jù)地層的產(chǎn)水、供水能力，確定合理的排采強(qiáng)度，建立相對(duì)穩(wěn)定的降壓制度。日降動(dòng)液面穩(wěn)定在5～10m/d最佳。

3.2.2 控壓排水階段排采制度

煤儲(chǔ)層壓力降到臨界解吸壓力以下，出現(xiàn)氣、水兩相流;壓力降傳遞加快，為防止由于生產(chǎn)壓差過(guò)大使煤儲(chǔ)層受到傷害，繼續(xù)平穩(wěn)的順暢的排出煤層內(nèi)遠(yuǎn)端的游離水，盡量保持井底流壓穩(wěn)定，控制好煤層和圍巖的應(yīng)力差。此階段應(yīng)減小抽排強(qiáng)度，穩(wěn)定井底流壓的排采工作制度。

3.2.3 控壓放氣階段排采制度

降壓面積擴(kuò)大到一定的范圍，動(dòng)液面下降到較低的水平，煤層氣大量解吸，供氣能力不斷增強(qiáng)。為進(jìn)一步降低煤儲(chǔ)層壓力，獲得更大的解吸氣量，控制套管壓力開(kāi)始產(chǎn)氣。這個(gè)階段是煤層最容易出現(xiàn)問(wèn)題的階段 (壓力變化、應(yīng)力變化、氣-水相滲透率變化、流速變化)，需要嚴(yán)格地控制套管壓力的下降速度、放氣速率和煤粉的產(chǎn)出，確保排采工作的連續(xù)性。

3.2.4 穩(wěn)定生產(chǎn)階段及衰減階段排采制度

經(jīng)過(guò)前三個(gè)階段的排采生產(chǎn)，煤層的供氣面積逐漸擴(kuò)展，供水能力大大減弱，動(dòng)液面下降到煤層頂板附近，就要穩(wěn)定排水采氣的生產(chǎn)制度，保持煤層氣井的穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 排采速率及排采連續(xù)性對(duì)排采的影響

合理的排采工作制度是多分支水平井高產(chǎn)的保障。如果排采速率過(guò)大，就會(huì)使有潛力的多分支水平井發(fā)生賈敏效應(yīng)、速敏效應(yīng)、煤粉含量過(guò)大導(dǎo)致卡泵致使排采的不連續(xù)性的發(fā)生，進(jìn)而造成產(chǎn)氣量下降，甚至主井眼垮塌被廢掉。

4.1 賈敏效應(yīng)

在排采過(guò)程中，在壓力梯度的作用下，遠(yuǎn)處的煤層水源源不斷的流向井筒，長(zhǎng)時(shí)間的停抽，煤儲(chǔ)層裂隙再次被水充填，使得煤層吼道處的流動(dòng)空間變小，甲烷氣體流動(dòng)阻力增大，嚴(yán)重的在吼道處發(fā)生“賈敏效應(yīng)”，致使甲烷氣體不能順利通過(guò)吼道，造成供氣能力不足，產(chǎn)氣量下降。

4.2 速敏效應(yīng)

在排采生產(chǎn)過(guò)程中，水平井段內(nèi)流體壓力逐漸降低，與遠(yuǎn)處煤層形成壓力差，驅(qū)使遠(yuǎn)處的氣和水向水平井段運(yùn)移。流體在煤儲(chǔ)層裂縫中的運(yùn)移勢(shì)必?cái)y帶一定量的固體顆粒 (煤粉)，壓力差越大，流速越大，攜帶煤粉能力越強(qiáng)。排采速率過(guò)快，將造成單位距離內(nèi)流體壓差過(guò)大，從而造成煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)內(nèi)流體流速加快。高速流動(dòng)的流體攜帶大量的煤粉快速向水平井段運(yùn)移。如果流體流速減小，煤粉發(fā)生沉淀，將堵塞裂縫，發(fā)生速敏效應(yīng)。速敏效應(yīng)的發(fā)生使得儲(chǔ)層滲透性嚴(yán)重降低，致使多分支水平井氣-水產(chǎn)量快速下降。

4.3 煤粉的影響

煤層是一種特殊的有機(jī)巖體，無(wú)論采用何種方式開(kāi)采煤層氣，都難于消除煤層中煤粉的產(chǎn)生。排采生產(chǎn)過(guò)程中，煤粉的運(yùn)移產(chǎn)出對(duì)疏通煤儲(chǔ)層裂隙通道，改善滲透率，擴(kuò)大降壓面積起到了重要作用。如果堆積在近井地帶，則堵塞裂隙，降低滲透率，阻礙降壓面積的擴(kuò)展。因此，掌握煤粉的產(chǎn)出規(guī)律及產(chǎn)出機(jī)制，對(duì)減少速敏效應(yīng)的發(fā)生和卡泵次數(shù)，確保連續(xù)排采都有重要作用。煤粉的產(chǎn)出主要在控壓排水階段和控壓放氣階段 (如圖4)，受壓力和地應(yīng)力的雙重作用，煤基質(zhì)收縮造成的新生煤粉貫穿產(chǎn)氣的整個(gè)過(guò)程，要控制好煤儲(chǔ)層中的生產(chǎn)壓差及流體的流速，確保排采的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

4.4 排采連續(xù)性

由于卡泵、修井或其它原因而不能連續(xù)排采，也直接影響產(chǎn)氣量，其原因有多方面的。一是停泵后液面回升，井底流壓回升，抑制煤層氣的解吸，產(chǎn)氣量下降;二是流速減弱，流體攜帶的煤粉顆粒沉淀，發(fā)生速敏效應(yīng)。

圖4 X-1井煤粉產(chǎn)出曲線

4.5 實(shí)例分析

沁水盆地南部X-1多分支水平井，煤層埋深483.70～489.20m(洞穴井?dāng)?shù)據(jù))，該井2個(gè)主枝6個(gè)分支，完鉆總進(jìn)尺5279m，煤層進(jìn)尺5006m，井控面積 0.5km2，臨井含氣量 22.4m3/t，在第 I階段動(dòng)液面以5～10m/d下降，在排采27天后產(chǎn)生套壓，初始套壓1.02MPa。第II階段，降低排采速率，動(dòng)液面以3～5m/d下降，井底流壓維持在2.2MPa左右，產(chǎn)生套壓4天后開(kāi)始放氣，初始放氣量200m3;第Ⅲ階段，井底流壓穩(wěn)步下降，氣產(chǎn)量穩(wěn)步上升，最高產(chǎn)氣量達(dá)到1.9萬(wàn)m3，井底壓力1.428MPa，套壓1.047MPa，仍有較大的上升余地 (如圖5)。之后由于煤粉控制不當(dāng)，致使兩次較長(zhǎng)時(shí)間的卡泵停抽，第二次解卡開(kāi)抽后，產(chǎn)氣量較低，動(dòng)液面迅速下降到煤層頂板附近。究其產(chǎn)量下降原因有:一是長(zhǎng)時(shí)間停抽致使煤層裂隙被水充填，吼道處發(fā)生“賈敏效應(yīng)”;二是煤粉大量產(chǎn)出階段，長(zhǎng)時(shí)間停抽，煤粉顆粒沉淀，發(fā)生速敏效應(yīng);二者的共同作用使得煤儲(chǔ)層滲透性遭受嚴(yán)重傷害。

圖5 X-1井排采生產(chǎn)曲線

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

多分支水平井開(kāi)發(fā)煤層氣規(guī)避了常規(guī)垂直井開(kāi)發(fā)技術(shù)地質(zhì)的局限性，最大限度地溝通了煤層割理(微裂隙)和裂隙系統(tǒng)，增加了煤層的裸露面積，改善煤層的滲透性。在開(kāi)發(fā)低滲透性儲(chǔ)層煤層氣資源時(shí)，具有單井產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)勢(shì)。

(1)多分支水平井通過(guò)鉆井工程釋放煤巖及圍巖的地應(yīng)力，使煤層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷地發(fā)生變化，促進(jìn)煤層裂隙的相互連通，改善和提高煤層的滲透性。

(2)依據(jù)多分支水平井生產(chǎn)機(jī)理及排采生產(chǎn)特征，多分支水平井的排采生產(chǎn)過(guò)程劃分為穩(wěn)定絳液、控壓排水、控壓放氣、穩(wěn)定生產(chǎn)和衰減5個(gè)階段，針對(duì)不同階段的排采特征，指出了其排采控制原則，并制定合理的排采工作制度。

(3)詳細(xì)探討了排采生產(chǎn)過(guò)程中賈敏效應(yīng)、不連續(xù)排采、煤粉對(duì)多分支水平井產(chǎn)量的影響。因此，在多分支水平井排采生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件、不同的排采生產(chǎn)階段，制定合理的排采生產(chǎn)制度，

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Researches on Recovery Control for Multilateral Horizontal Wells in Coalbed Methane Development

LIU Guowei，LI Mengxi，LIU Zhong，ZHANG Cong，HOU Tao，MA Chengyu
(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000)

The out-flow and extraction control technology of multilateral horizontal wells has the impact of gas production.It has an important guiding significance to establish production system of multilateral horizontal wells.In this paper，the production mechanism of horizontal wells are detailed based on the reconstruct of multilateral horizontal wells to the reservoir and the stress changes of hole section during the process of production.According to the production mechanism of multilateral horizontal wells，the production schedule can be divided into 5 stages，including stability fall of fluid，pressure-controlled drainage，pressure-controlled gas production，stability production and decay.In accordance with the production characteristics at every stage，the work scheduling of out-flow and extraction is established.In the above study，the impact of production rate on production wells and the output mechanism of coal powder are analyzed.It indicates that the reasonable production scheduling need be established to the production of multilateral horizontal wells，and otherwise it will cause serious damage to the coal reservoir.

Coalbed methane;multilateral horizontal wells;drainage rate;drainage control technology

國(guó)家科技重大專項(xiàng)《大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)》——山西沁水盆地煤層氣水平井開(kāi)發(fā)示范工程 (二期)(2011ZX05061)和中國(guó)石油股份公司科技重大專項(xiàng)《沁水煤層氣田勘探開(kāi)發(fā)示范工程》(2010E-2208)

劉國(guó)偉，工程師，現(xiàn)任中國(guó)石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司地質(zhì)研究所主任，長(zhǎng)期從事煤層氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究工作。

(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))