煤層氣井造洞穴技術(shù)特點(diǎn)分析

萬(wàn)繼方 申瑞臣 陳添 王強(qiáng)

(1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100197;2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083;3.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249)

在煤層氣井開(kāi)采過(guò)程中，為了使煤層與井眼充分連通，解除近井地帶污染，增大井眼有效半徑，可以采用裸眼洞穴技術(shù)對(duì)煤層實(shí)施造穴。采用裸眼洞穴技術(shù)，完井后在裸眼煤層地段用工具、水力或者負(fù)壓方等方式造成空穴，可以很好地解決出煤粉的問(wèn)題，消除已經(jīng)出現(xiàn)的地層損害，提高裂縫系統(tǒng)的滲透率。美國(guó)圣胡安盆地煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，裸眼洞穴技術(shù)水力壓裂技術(shù)產(chǎn)能更高。裸眼洞穴完井過(guò)程中不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生傷害，造穴過(guò)程中的擴(kuò)孔過(guò)程能夠消除前期鉆完井過(guò)程中所產(chǎn)生的地層傷害［1-3］。選擇造洞穴方式，不僅與前期洞穴形狀、井壁的穩(wěn)定密切相關(guān)，而且直接影響到后期的經(jīng)濟(jì)效益和增產(chǎn)效果。此次研究中，主要研究洞穴完井造穴的方式及優(yōu)選方法。

1 裸眼造洞穴技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外煤層氣開(kāi)采的裸眼洞穴技術(shù)主要有4種方式，其優(yōu)劣對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 洞穴完井造穴方式對(duì)比

(1)人工動(dòng)力造穴技術(shù)。用一部經(jīng)過(guò)特殊改造的鉆井或完井作業(yè)機(jī)穿透煤層，通過(guò)配備的幾臺(tái)大功率空壓機(jī)、旋轉(zhuǎn)頭及地面復(fù)式管路系統(tǒng)，將大量空氣壓入井內(nèi)，經(jīng)過(guò)多次快速憋壓和放噴，造成劇烈的井內(nèi)壓力激動(dòng)，最后使煤層崩落形成洞穴。

(2)水力射流造穴技術(shù)。運(yùn)用水力射流原理，在鉆具下部連接水力噴射裝置，使循環(huán)鉆井液在煤層實(shí)現(xiàn)水力射流沖割，形成一定的煤層洞穴。

(3)機(jī)械工具造穴技術(shù)。一般是采用機(jī)械擴(kuò)眼方式，通過(guò)某種控制方式使造穴工具的刀桿張開(kāi)，并在鉆具的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，切削煤層形成滿足實(shí)際需要的洞穴。

(4)化學(xué)造穴技術(shù)。選擇鏡質(zhì)組反射率Ro，max小于0.6%的煤儲(chǔ)層，在地面配制堿溶液，沿鉆井通道泵注到煤層段，浸泡一段時(shí)間后，重復(fù)浸泡洗井作業(yè)并循環(huán)多次，直至煤層段坍塌達(dá)到設(shè)計(jì)要求的洞穴規(guī)模［4］。

2 裸眼造洞穴技術(shù)效果分析

2.1 人工動(dòng)力造穴

一般人工動(dòng)力造穴在目的煤層形成3類區(qū)域，即破壞帶區(qū)域、塑性帶區(qū)域和原始地層區(qū)域。在煤層破壞帶區(qū)域，煤層應(yīng)力幾乎全部受到破壞，煤層喪失承載能力。在煤層塑性區(qū)，煤層之間的原始應(yīng)力狀態(tài)也遭到嚴(yán)重破壞，煤層會(huì)沿著最大有效應(yīng)力方向或地層強(qiáng)度最小的方向產(chǎn)生張性破裂。應(yīng)力的釋放使得煤的比表面積增加了許多具備自支撐特點(diǎn)的微裂縫，這些微裂縫在短期內(nèi)不會(huì)閉合，此現(xiàn)象均有利于煤層甲烷氣的解析和滲流。

陳添等人研究了多物理場(chǎng)模擬煤層洞穴完井的過(guò)程，得到了歷經(jīng)不同增壓、卸壓循環(huán)周期后煤層的拉伸破裂帶與塑性破裂帶半徑［5］。

對(duì)拉伸破碎帶和塑性破碎帶做多項(xiàng)式回歸，以y表示塑性破裂帶半徑，以x表示拉伸破裂帶半徑:

式(1)表明，根據(jù)拉伸破裂帶的半徑可以估算出塑性破裂帶的半徑，從而確定洞穴完井的影響范圍。

2.2 水力射流造穴

水力射流造穴技術(shù)是根據(jù)水力射流的原理，用鉆具將特定射流裝置送入造穴井段，開(kāi)泵循環(huán)，液流經(jīng)過(guò)小徑噴嘴時(shí)會(huì)產(chǎn)生流速很高的流體射向井壁，產(chǎn)生足以切割煤巖體、破壞井壁的沖擊力從而形成洞穴。運(yùn)用目前水力射流的各類方法，還不能準(zhǔn)確判定射流所造洞穴的直徑和形狀。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，水力射流造穴技術(shù)所造洞穴的直徑偏小，一般不大于700 mm。

2.3 機(jī)械工具造穴

煤層氣機(jī)械造穴工具包括隨鉆擴(kuò)孔工具和裸眼擴(kuò)孔工具。隨鉆擴(kuò)孔工具結(jié)構(gòu)具有局限性，不能滿足大直徑造穴的應(yīng)用需求，因而不適用于大直徑洞穴;裸眼擴(kuò)孔工具雖然可以很好地適應(yīng)大直徑造穴的需要，但在之前的擴(kuò)孔及造穴操作中，基本上只完成過(guò)直徑200～800 mm的擴(kuò)孔作業(yè)。

為了滿足不同直徑洞穴造穴作業(yè)的要求，渤海鉆探研究院研制出一種超大直徑的機(jī)械造穴工具，并在新疆克拉瑪依油田超淺層稠油井(F200VP井)成功實(shí)施了1 000 mm直徑擴(kuò)孔段長(zhǎng)達(dá)11.1 m的擴(kuò)孔施工作業(yè)［6］。之后改進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)造穴工具，能夠完成超大直徑(1 000～2 000 mm)的擴(kuò)孔任務(wù)。

2.4 裸眼化學(xué)造穴

運(yùn)用裸眼化學(xué)造穴技術(shù)時(shí)，首先需要選擇鏡質(zhì)組反射率Ro，max小于0.6%的煤儲(chǔ)層，然后在地面配制堿溶液，用鉆井作業(yè)方式使堿溶液沿著通道泵注進(jìn)入層段并浸泡一段時(shí)間，最后通過(guò)洗井作業(yè)方式使坍塌的煤屑返排到地面。操作當(dāng)中，重復(fù)浸泡和洗井作業(yè)并循環(huán)數(shù)次，根據(jù)返排的煤屑重量計(jì)算煤層坍塌直徑，直至煤層段坍塌直徑達(dá)到設(shè)計(jì)的洞穴規(guī)模。

若煤層未經(jīng)增產(chǎn)措施處理，當(dāng)以一定的壓差進(jìn)行采液時(shí)裸露煤層在單位長(zhǎng)度上形成的球形洞穴半徑r可用式(2)表示:

式中:A— 常數(shù)，取6×105;

K— 滲透率，μm2;

ψ—孔隙通道的通過(guò)系數(shù);

pp— 地層壓力，MPa;

pb— 井底壓力，MPa;

C—內(nèi)聚力系數(shù)，MPa;

Me— 有效孔隙度，%;

Mp— 總孔隙度，%。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行以下研究:將褐煤巖芯用OH-質(zhì)量濃度為1.5 mol/L的NaOH溶液浸泡6 h，取出洗凈煤粉;重復(fù)3次之后，測(cè)得其滲透率K1=3.51 K，內(nèi)聚力系數(shù) C1=0.32C，孔隙通過(guò)系數(shù) ψ1=1.13ψ，這里 K，C，ψ 分別為未經(jīng) NaOH 處理前的滲透率、內(nèi)聚力系數(shù)和空隙通過(guò)系數(shù)。理論上，化學(xué)造穴半徑r1為裸眼而未做任何增產(chǎn)措施井眼半徑的5.17 倍。

3 產(chǎn)出效果對(duì)比

為了對(duì)比造穴方式對(duì)產(chǎn)能的影響，本次研究采用eclips軟件建立模型，模擬近20 a的期間產(chǎn)量走勢(shì)。圖1為產(chǎn)能對(duì)比曲線。

圖1 產(chǎn)能對(duì)比曲線

由圖1可以看出，人工動(dòng)力造穴方式增產(chǎn)量最大，遠(yuǎn)超其他幾種增產(chǎn)方式。這是因?yàn)?，洞穴外的剪切破壞帶和張性破壞帶的煤塊發(fā)生松動(dòng)或破碎，形成縱橫交錯(cuò)的微裂縫，大大提高了滲透率。同時(shí)，應(yīng)力釋放、煤比表面積增加及一些微裂縫自支撐的特點(diǎn)，也有利于煤層甲烷氣的解析。相比之下，機(jī)械造穴、水力造穴和化學(xué)造穴增產(chǎn)主要是通過(guò)造成的洞穴增大滲流面積，而遠(yuǎn)端的煤層沒(méi)有或很少受到應(yīng)力波動(dòng)，故這幾種增產(chǎn)方式都不如人工動(dòng)力增產(chǎn)效果明顯。

4 地質(zhì)適應(yīng)性分析

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外洞穴完井的應(yīng)用情況，總結(jié)影響洞穴完井的條件。

4.1 煤階

隨著煤階的提高，煤的割里間隔縮小，隨著割里密度的加大，煤的力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)鏡質(zhì)組反射率Ro小于0.75% 時(shí)，煤易成塊;當(dāng)鏡質(zhì)組反射率Ro大于0.75% 時(shí)，煤易破碎。這種變化規(guī)律有利于洞穴的形成，運(yùn)用機(jī)械、水力和人工動(dòng)力等方式都容易造成洞穴，但化學(xué)造穴技術(shù)必須應(yīng)用于鏡質(zhì)組反射率Ro小于0.6% 的煤層。當(dāng) Ro小于0.6%時(shí)，煤中含有大量可被堿溶解的腐植酸等有機(jī)物，在化學(xué)造洞穴過(guò)程中，經(jīng)過(guò)堿溶液的浸泡，大量有機(jī)物溶出，煤體力學(xué)強(qiáng)度急劇降低，在有壓差的情況下煤體容易垮塌而形成洞穴。

4.2 煤層厚度

較厚的煤層能夠形成較大的洞穴，在形成洞穴的過(guò)程中不易穿破煤層而造成頂?shù)装宄鏊液衩簩佑欣谛纬奢^長(zhǎng)的誘導(dǎo)裂隙，利于煤層氣的解析和運(yùn)移。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煤層厚度宜10 m以上，但5～10 m的儲(chǔ)層采用洞穴完井后也可取得比較好的強(qiáng)化效果。在較薄的煤層，目前還沒(méi)有證據(jù)表明采用洞穴完井方式能夠顯著提高其產(chǎn)能。

4.3 滲透率

煤層的滲透率越高，越適合進(jìn)行洞穴完井。除了煤的孔隙以外，自然裂隙對(duì)煤層氣的運(yùn)移能力有直接的影響效果。自然裂隙不僅能為人工動(dòng)力注入階段的壓力傳遞提供良好通道，而且對(duì)煤層的可鉆性有一定影響，在機(jī)械和水力造穴時(shí)也利于煤巖巖體的破碎和裂紋的擴(kuò)展。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，煤層的滲透率在20×10-3μm2以上時(shí)，實(shí)施造洞穴作業(yè)后增產(chǎn)效果非常明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

人工動(dòng)力造穴技術(shù)的產(chǎn)能提升效果明顯，但是其對(duì)技術(shù)人員的操作能力要求較高，成本也相對(duì)較高，且對(duì)煤層物性有一定要求。在實(shí)踐中，此技術(shù)有待進(jìn)一步完善。

化學(xué)造穴技術(shù)是一種新型的造穴方式。從實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果來(lái)看，其效果優(yōu)于水力造穴，但其地質(zhì)適應(yīng)性較差，應(yīng)用范圍較窄，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

機(jī)械造穴技術(shù)相對(duì)較簡(jiǎn)單，地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，費(fèi)用較低。綜合各因素來(lái)看，這是一種較好的造穴方式。

相對(duì)于其他幾種方式而言，水力造穴技術(shù)增產(chǎn)效果最差，且技術(shù)難點(diǎn)有待突破，目前此方式尚不適用于洞穴完井。

［1］蔣海濤，周俊然，董穎，等.煤層氣井復(fù)合造穴技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.中國(guó)煤層氣，2011，8(6):42-45.

［2］康園園，邵先杰，石磊，等.煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)綜述［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2010，22(8):43-46.

［3］Wold M B，Davidson S C，Wu B.Cavity Completion for Coalbed Methane Stimulation-an Integrated Investigation and Trialin the Bowen Basin，Queensland［G］.SPE30733，1992.

［4］河南理工大學(xué).一種煤層氣井裸眼化學(xué)造穴方法:中國(guó)，CN103061734［P］.2013-04-24.

［5］陳添，汪志明，楊剛，等.造穴方式對(duì)煤層氣洞穴完井影響評(píng)價(jià)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(33):8832-8840.

［6］劉樹(shù)林，張學(xué)紅，劉吉成，等.基于ADAMS的煤層氣井機(jī)械造穴工具連接銷動(dòng)力特性研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，49(559):44-48.