晉城礦區(qū)U型井煤層氣開發(fā)試驗研究

曲 銘

(河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000)

·試驗研究·

晉城礦區(qū)U型井煤層氣開發(fā)試驗研究

曲 銘

(河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000)

晉城礦區(qū)當(dāng)前煤層氣開發(fā)的主要井型為直井，為滿足不同地質(zhì)條件下煤層氣開發(fā)的需求，提高產(chǎn)氣效率，將U型井作為一種重要的新型煤層氣開發(fā)技術(shù)進行研究。分析了研究區(qū)地質(zhì)條件和煤儲層特征等因素，以晉城礦區(qū)趙莊區(qū)塊SP-02井組為例，對其井位選擇及鉆完井技術(shù)進行了試驗研究，實際監(jiān)測表明，產(chǎn)氣量明顯提升，是趙莊區(qū)塊產(chǎn)氣量較大垂直井的4倍左右，產(chǎn)氣效果理想。最后對U型井的開發(fā)提出了一些建議，為該技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用提供借鑒和參考。

U型井；煤層氣開發(fā)；地質(zhì)條件；鉆完井技術(shù)；產(chǎn)氣效率

垂直井作為一種結(jié)構(gòu)較為簡單，施工成本經(jīng)濟的井型，在當(dāng)前的煤層氣開采中占據(jù)主要地位。但隨著煤層氣開發(fā)的不斷深入，直井弊端也逐漸顯現(xiàn)。如受地表和地質(zhì)條件影響，直井在村莊、林地等區(qū)域的應(yīng)用存在盲區(qū)；在滲透率低的區(qū)域，直井的產(chǎn)氣效果較差。

U型井作為一種新型的煤層氣開采方式，其技術(shù)原理是兩口不同位置的定向水平井和直井在同一目的層連通(見圖1)，可在較大程度上溝通煤層的割理、裂隙系統(tǒng)，利用重力作用實現(xiàn)兩個井口同時排水采氣[1-5]. 該技術(shù)不僅可以大幅提升煤儲層的產(chǎn)氣效率，還能減少大量的鉆前工程，提高對地形、地貌的適用程度，從而提升效益、避免開發(fā)盲區(qū)的出現(xiàn)[6-9].

圖1 U型井結(jié)構(gòu)示意圖

1 地質(zhì)概況

晉城礦區(qū)位于沁水盆地南部，北起安澤縣南到沁水縣，西到浮山東至長子縣，總面積約為7 000 km2，整體上為一寬緩單斜構(gòu)造，地層起伏較小，傾角在5°左右。NNE和近SN向的褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，斷層較少。

2 煤層與瓦斯特征

2.1 主要含煤地層

晉城礦區(qū)的主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，下石盒子組和本溪組中偶見煤線發(fā)育。山西組和太原組共含煤15層，煤層總厚3.38～18.21 m，平均12.80 m，含煤系數(shù)8.33%.

2.2 瓦斯參數(shù)

由相關(guān)測試結(jié)果可知，研究區(qū)3#、15#煤層瓦斯含量普遍較高，為煤層氣開發(fā)提供了良好的儲層條件。3#煤層原煤瓦斯含量為4.21～33.28 m3/t，均為16.63 m3/t. 15#煤層原煤瓦斯含量為5.43～38.62 m3/t，均為22.42 m3/t.

3 U型水平井開發(fā)試驗

3.1 井位選擇

U型井試驗地點位于研究區(qū)東北部的趙莊區(qū)塊。受區(qū)域構(gòu)造控制，趙莊區(qū)塊總體走向為北北東向，傾向北西，傾角5°～10°，斷層和陷落柱較為發(fā)育。主采煤層為3#、9#、15#煤層。

目前，趙莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)的主要井型為直井，但由于該區(qū)煤體破壞較為嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)松軟，各煤層滲透率顯著低于晉城礦區(qū)其他區(qū)域，直井產(chǎn)氣量多在800 m3/d以下，產(chǎn)氣效率低。因此，選擇趙莊區(qū)塊進行U型井施工試驗。

2012ZX-SP-02水平井組(含排采直井和水平工程井，下同)位于趙莊井田北部團城背斜北翼，靠近背斜軸部，團城背斜位于西溝村西北—北圈溝南一線，軸向N60-80E，SW向傾伏，兩翼及軸部為P2s3、P2s2、P2sh1、T1l地層，南翼傾角4°～12°，北翼傾角5°～12°，為基本對稱背斜，延伸長度為6.1 km. 2012ZX-SP-02H井是一口遠(yuǎn)端連通水平井，直井為2012ZX-SP-02V，位于山西省長治市長子縣慈林鎮(zhèn)團城村東約1 250 m. SP-02井組的坐標(biāo)圖見圖2.

圖2 SP-02 井組的坐標(biāo)圖

3.2 2SP-02V井設(shè)計

鉆井目的：2012ZX-SP-02H井的配套排采直井，作為生產(chǎn)階段的排采井。設(shè)計井深816.00 m，井型為洞穴直井。

完鉆層位：太原組(C3t).

完鉆原則：鉆穿山西組3#煤，留足40 m口袋完鉆。

完井方法：擴眼完井。目的層位為山西組3#煤。

一開用d311.15 mm牙輪鉆頭，鉆至完整基巖10 m后結(jié)束，設(shè)計井深60 m(以實鉆地層為準(zhǔn))，下d244.48 mm表層套管至井底，封固地表疏松層、礫石層，固井水泥返至地面。

二開選用d215.9 mm鉆頭，鉆穿3#煤層底界以深40 m完鉆，深度約816 m，下入d177.8 mm生產(chǎn)套管固井，下入深度為814.50 m，水泥封固井段為421～816 m.

表層套管要求低于地面38 cm，以保證生產(chǎn)套管低于地面10 cm.目的煤層井段下入d177.8 mm玻璃鋼套管，玻璃鋼套管上端面超出煤頂不少于2 m，下端位于煤層底以下0～0.40 m.目的煤層玻璃鋼套管擴眼4 m.

井身質(zhì)量要求見表1.

表1 2SP-02V井井身質(zhì)量表

3.3 3SP-02H井設(shè)計

完鉆層位：山西組3#煤。

完鉆原則：鉆頭過洞穴且煤層進尺大于800 m完鉆。

設(shè)計井深：1 617.00 mm.

完井方法：套管完井(不固井)。

一開選用d311.15 mm牙輪鉆頭，鉆遇基巖10.00 m后，井深約60.00 m(以實鉆井深為準(zhǔn))，下d244.5 mm表層套管，封固地表疏松層、礫石層。一開套管頭位于地面以下1 020 cm，下入深度約60.00 m，固井水泥返至地面。

二開選用d215.9 mm鉆頭，預(yù)計3#煤層頂界完鉆，深度約890.00 m，下入d177.8 mm技術(shù)套管固井，注水泥封固，水泥返至造斜點上50 m.

三開選用d152.4 mm鉆頭，保持在3#煤層中鉆進，至井深1 606.67 m與直井連通，鉆至井深1 617.00 m后完鉆，下入d114.3 mm鋼套管至井深1 604.67 m，不固井。

自三開開始采用LWD無線隨鉆測井，測井項目包括自然伽瑪、類電阻信號值、井斜、方位、立管壓力、井底壓力、鉆速。三開鉆遇煤層孔隙度較發(fā)育的煤層段，會導(dǎo)致儀器信號衰減，隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)無法正常、及時上傳至地面。不能保證正常導(dǎo)向時可使用MWD無線測斜儀代替LWD無線隨鉆測井，無測井參數(shù)。

1) 井身質(zhì)量要求。

一開井斜≤1°.

二開直井段井斜≤2.5°，造斜點位移≤造斜點井深/50 m.

造斜段嚴(yán)格控制狗腿嚴(yán)重度，連續(xù)三點不允許超過12°/30 m，平均狗腿度≤9.5°/30 m.

2) 完井要求。

a) 采用套管完井方式。b) 與直井連通，完成設(shè)計進尺后，在技套內(nèi)下入鋼套管至距離連通點2～3 m. c) 生產(chǎn)套管下至設(shè)計井深后，采用清水替換套管內(nèi)低固相鉆井液至密度不大于1.01 g/cm3，黏度小于30 S. 完井井口裝置見圖3，SP-02井組井身結(jié)構(gòu)見圖4.

3.4 產(chǎn)氣效果

根據(jù)對該井的實際監(jiān)測：排采初期水量較少，但氣量增加較快。排采至壓力穩(wěn)定后，出液量較之前大大增加，日產(chǎn)水量在20 m3/d左右。產(chǎn)氣量也隨著穩(wěn)步提升，平均在2 000 m3/d以上，是趙莊區(qū)塊產(chǎn)氣量較大的垂直井4倍左右，產(chǎn)氣效果較為理想。

圖3 SP-02H井井口裝置圖

圖4 SP-02井組井身結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論與建議

1) 趙莊區(qū)塊構(gòu)造簡單、含氣量大，單據(jù)此井組的產(chǎn)氣量來講較適合U型井井式開采，但國內(nèi)煤炭多以軟煤、構(gòu)造煤為主，需多方面綜合考量此種開采方式。

2) 多區(qū)塊聯(lián)動共同探究如何更好地溝通煤層割理，提高產(chǎn)氣率使效益最大化。

3) 實際作業(yè)中施工難度大，技術(shù)復(fù)雜，國內(nèi)配套工具稀缺，工藝方面需進一步完善，需要加大對相關(guān)儀器和配套設(shè)備的研發(fā)力度。

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Experimental Study on CBM Development of U-shaped Mine in Jincheng Mining Area

QU Ming

The major current mine type in Jincheng mining area are vertical shaft. In order to meet the demand of coalbed methane development under different geological conditions and improve the efficiency of gas production, take the U-shaped mines with new type of coalbed methane development technology as research objectives. The geological conditions and characteristics of coal reservations in the targeted area are analyzed. Taking the SP-02 mines in Jincheng mining area as an example, the mine location and drilling techniques are studied. The on site monitoring shows that gas production significantly improved, gas production is almost 4 times larger than the biggest vertical shaft mine in Zhaozhuang area, get the perfect effect. The paper puts forward some suggestions for the CBM development in U - shaped mine, also provides reference and reference for further popularization and application of the technology.

U-shaped mine; CBM development; Geological condition; Drilling and completion technology; Gas production efficiency

2016-07-02

曲 銘(1982—)，男，山東煙臺人，就讀于河南理工大學(xué)，碩士研究生，工程師，主要從事煤層氣開發(fā)技術(shù)與生產(chǎn)工作

(E-mail)63706552@qq.com

TD712

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1672-0652(2016)09-0007-03