煤層氣水平井井眼堵塞原因分析及治理措施探索

崔新瑞 張建國(guó) 劉 忠 張光波 彭 鶴 申興偉

（中國(guó)石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 048000）

煤層氣水平井井眼堵塞原因分析及治理措施探索

崔新瑞 張建國(guó) 劉 忠 張光波 彭 鶴 申興偉

（中國(guó)石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 048000）

目前沁南煤層氣田廣泛采用多分支水平井開(kāi)發(fā)建產(chǎn)，但受裸眼完井工藝影響，排采過(guò)程中局部井眼易被堵塞，導(dǎo)致單井產(chǎn)能降低。通過(guò)對(duì)多分支水平井井壁垮塌機(jī)理、煤粉產(chǎn)出規(guī)律等研究后，結(jié)果表明多分支水平井井眼堵塞存在主井眼煤粉堵塞、近井筒主井眼垮塌堵塞和中遠(yuǎn)端井眼垮塌堵塞等三種主要原因。針對(duì)不同的堵塞原因分別探索試驗(yàn)了氮?dú)馀菽舛?、主井眼重建和耦合降壓等針?duì)性增產(chǎn)措施，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施14口井，平均單井日增產(chǎn)量2000m3以上，措施成效較好。

煤層氣 多分支水平井 井眼垮塌 堵塞增產(chǎn)技術(shù)

1 樊莊區(qū)塊多分支水平井開(kāi)發(fā)概況

1.1 多分支水平井井型概況

自2006年至今，樊莊區(qū)塊內(nèi)累計(jì)完鉆煤層氣多分支水平井65口。該井型一般由2口井組成，分別為1口垂直井，也可稱為洞穴井或排采井，用于下泵生產(chǎn)；1口工藝井，也可稱為H井，與垂直井連通后，在煤層中鉆大量水平分支后裸眼完井。工藝井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，一般鉆2主支6分支，煤層進(jìn)尺4000m以上，井控面積大于0.35km2。

1.2 多分支水平井生產(chǎn)概況

樊莊區(qū)塊自2006年至今累計(jì)投產(chǎn)多分支水平井60口，單井最高日產(chǎn)氣量可達(dá)50000m3／d。其中南部區(qū)域開(kāi)發(fā)效果最好，區(qū)內(nèi)埋深約300～500m，構(gòu)造簡(jiǎn)單，單井日產(chǎn)氣量一般大于20000m3／d；中部區(qū)域埋深500～700m，構(gòu)造較復(fù)雜，單井日產(chǎn)氣量100～15000m3／d；北部區(qū)域埋深大于700m，滲透性變差，單井產(chǎn)量一般3000～8000m3／d。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，部分水平井因水平井眼通道被堵塞導(dǎo)致產(chǎn)氣能力低于預(yù)期，長(zhǎng)期自然排采產(chǎn)量不能有效增加，亟待治理。

2 水平井井眼堵塞原因及位置分析

根據(jù)水平井開(kāi)發(fā)效果、井眼實(shí)鉆軌跡、井壁應(yīng)力分布和煤巖結(jié)構(gòu)等綜合分析后，認(rèn)為井眼堵塞原因和堵塞位置主要有三種類(lèi)型，第一類(lèi)為煤粉在井眼V型低洼處逐漸堆積形成煤橋堵塞井眼；第二類(lèi)為洞穴井附近主井眼發(fā)生垮塌導(dǎo)致堵塞；第三類(lèi)是鉆遇大段構(gòu)造煤的主、分支井眼垮塌堵塞。

2.1 煤粉在井眼V型低洼處堆積堵塞的原因分析

水平井鉆井過(guò)程中為了追求純煤鉆遇率，井眼軌跡盡量追煤層鉆進(jìn)（見(jiàn)圖1）。由于煤層存在較多的微幅構(gòu)造，傾角變化快，導(dǎo)致水平井井眼不平直，局部呈W型或V型形狀。排采過(guò)程中，煤粉在氣、水作用下向井筒方向運(yùn)移。當(dāng)卡泵、關(guān)井等原因停止排采后，煤粉在水平井眼內(nèi)自然沉降；再次恢復(fù)排采后，煤粉再次運(yùn)移，但聚集在V型井眼低洼處的煤粉難以被全部排出。多次停抽后，V型井眼低洼處沉降的煤粉越來(lái)越多，導(dǎo)致通道變窄，最后可能被完全堵塞。尤其是近井筒附近主井眼軌跡V型處多或高差較大時(shí)，極易造成嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致產(chǎn)氣量明顯下降。

圖1 樊平06井實(shí)鉆軌跡剖面

以樊平06井為例，該井位于局部小型向斜翼部，無(wú)斷層，3號(hào)煤埋深290m，煤厚6～7m，含氣量19～24m3／t；鉆2主支6分支，煤層進(jìn)尺4400m，控制面積0.5km2，地質(zhì)、工程條件好。該井2009年4月投產(chǎn)，2010年5月初達(dá)到最高日產(chǎn)氣量35000m3／d。因煤粉產(chǎn)出量大，頻繁卡泵，每次檢泵后日產(chǎn)氣量臺(tái)階式下降，最低降至5000m3／d，長(zhǎng)期排采產(chǎn)氣量無(wú)法自然上升（見(jiàn)圖2）。

圖2 樊平06井排采曲線

2.2 位于洞穴井附近的主井眼發(fā)生垮塌的原因分析

采用有限元理論模擬鉆井過(guò)程，發(fā)現(xiàn)多分支水平井主、分支井眼結(jié)合部應(yīng)力集中明顯，容易發(fā)生變形、坍塌（見(jiàn)圖3）。鉆井過(guò)程中應(yīng)增大側(cè)鉆點(diǎn)的間距。但由于受煤巖結(jié)構(gòu)、鉆井條件等限制，部分水平井分支側(cè)鉆點(diǎn)集中分布在短距離主井眼上，該段易發(fā)生嚴(yán)重垮塌、堵塞。

圖3 主、分支結(jié)合部有限元模型

該類(lèi)水平井生產(chǎn)表現(xiàn)為正常排采過(guò)程中日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量、井底流壓快速下降為0，水質(zhì)突然變差，井筒內(nèi)出現(xiàn)大量的煤粉。檢泵過(guò)程中可撈出大量煤粉、煤塊，后期無(wú)法恢復(fù)正常產(chǎn)量。表明近井筒附近發(fā)生了嚴(yán)重垮塌。

以樊平20井為例，該井位于局部單斜構(gòu)造，無(wú)斷層，3號(hào)煤埋深572m，煤厚5～6m，含氣量20～26m3／t，鉆3主支8分支，煤層進(jìn)尺4600m，控制面積0.45km2。該井2010年8月投產(chǎn)，產(chǎn)氣量最高達(dá)到12000m3／d后，產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、流壓短時(shí)內(nèi)突然快速下降至0，產(chǎn)出水中含大量煤粉。檢泵過(guò)程中撈出6m3煤粉、煤塊。后期日產(chǎn)氣量恢復(fù)至1000m3／d左右，長(zhǎng)期排采無(wú)自然上升趨勢(shì)（見(jiàn)圖4）。

圖4 樊平20井排采曲線

2.3 鉆遇大段構(gòu)造煤井眼堵塞的原因分析

樊莊區(qū)塊內(nèi)3號(hào)煤層底部普遍發(fā)育一層0.5～1m左右的構(gòu)造煤，俗稱軟煤。水平井實(shí)鉆過(guò)程中，井眼軌跡易鉆入軟煤層中。當(dāng)井眼內(nèi)水持續(xù)排出，井壁有效應(yīng)力增加后，軟煤段內(nèi)井眼發(fā)生不同程度的垮塌、堵塞，導(dǎo)致堵塞段后的分支不再解吸產(chǎn)氣，造成資源浪費(fèi)。

以樊平03井為例，該井位于局部向斜翼部，無(wú)斷層，3號(hào)煤埋深388m，煤厚6～7m，含氣量20～26m3／t，鉆2主支6分支，煤層進(jìn)尺3800m，控制面積0.35km2，地質(zhì)、工程條件好。該井2009年4月投產(chǎn)，產(chǎn)氣量上升緩慢，大于13000m3／d后波動(dòng)（見(jiàn)圖5）。同一井組多分支水平井產(chǎn)量可達(dá)30000m3／d以上。應(yīng)用四維向量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，中遠(yuǎn)端分支內(nèi)流體流動(dòng)性差，表明堵塞嚴(yán)重，對(duì)產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)低（見(jiàn)圖6）。

3 增產(chǎn)技術(shù)探索

圖5 樊平03井生產(chǎn)曲線

圖6 樊平03井四維向量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

水平井采用裸眼完井的工藝，如果采用水力注入方式進(jìn)行解堵、增產(chǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤粉沖入井眼中后段或?qū)е戮劭逅?，引起二次污染。因此，必須探索新型增產(chǎn)技術(shù)。

3.1 氮?dú)馀菽舛录夹g(shù)探索

氮?dú)馐嵌栊詺怏w，可壓縮且不污染煤層。利用氮?dú)馀菽焊吲蛎浤軟_擊解除煤橋堵塞，且氮?dú)夥蹬胚^(guò)程中可大量攜帶煤粉返出，疏通堵塞。以樊平06井為例，該井2015年初實(shí)施氮?dú)馀菽舛拢艊娺^(guò)程中返出煤粉及煤糊近2m3。措施后日產(chǎn)氣量由5000m3／d上升至13000m3／d，增產(chǎn)8000m3／d（見(jiàn)圖2），成效明顯。樊莊區(qū)塊累計(jì)實(shí)施10口井氮?dú)馀菽舛拢延?口井見(jiàn)到明顯效果，平均日增產(chǎn)3000m3／d以上。

3.2 主井眼重鉆增產(chǎn)技術(shù)探索

因側(cè)鉆點(diǎn)集中分布段主井眼垮塌堆積嚴(yán)重，必須利用較大的沖擊能力持續(xù)作用才能解除堵塞。因此，創(chuàng)新提出了重建主井眼的增產(chǎn)技術(shù)。對(duì)樊平20井實(shí)施該技術(shù)試驗(yàn)，重鉆1000m長(zhǎng)主井眼，完鉆后下入D114.3mm篩管完井，恢復(fù)滲流能力的同時(shí)防止再次垮塌。措施后樊平20井產(chǎn)氣量持續(xù)上升，目前日產(chǎn)氣量達(dá)4000m3，純?cè)隽?000m3，仍有流壓0.3MPa（見(jiàn)圖4）。

3.3 耦合降壓增產(chǎn)技術(shù)探索

利用四維向量監(jiān)測(cè)技術(shù)確定無(wú)貢獻(xiàn)的分支后，鉆直井壓裂，利用壓裂裂縫與原井眼形成溝通，使直井、水平井形成耦合降壓，擴(kuò)大壓降范圍，提高單井產(chǎn)氣量。對(duì)樊平03井實(shí)施后，樊平03井產(chǎn)氣量快速上升，由措施前最高13000m3／d增加到19000m3／d，并保持穩(wěn)產(chǎn)1.5年以上。目前受采出程度逐漸增高影響，產(chǎn)氣量緩慢下降（見(jiàn)圖5）。助排直井日產(chǎn)氣量最高達(dá)8000m3／d，穩(wěn)產(chǎn)氣量6000m3／d以上，是鄰井穩(wěn)產(chǎn)氣量的近3倍。樊莊區(qū)塊累計(jì)對(duì)3口水平井耦合降壓，水平井平均增產(chǎn)2000m3／d以上，耦合直井產(chǎn)氣量4000m3／d以上。

綜合對(duì)比三類(lèi)增產(chǎn)措施優(yōu)缺點(diǎn)及適用對(duì)象見(jiàn)表1。

表1 水平井解堵措施工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

4 結(jié)論與建議

對(duì)樊莊－鄭莊區(qū)塊煤層氣多分支水平井井眼堵塞原因分析及增倉(cāng)措施探索后，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）多分支水平井受煤巖煤質(zhì)、裸眼完井工藝等影響，排采過(guò)程中易發(fā)生井眼堵塞，導(dǎo)致單井產(chǎn)能降低。

（2）井眼堵塞主要有三種類(lèi)型，分別為煤粉聚集堵塞、主井眼垮塌堵塞和鉆遇構(gòu)造煤井眼垮塌堵塞。煤粉堵塞主要發(fā)生在洞穴井附近主井眼V型軌跡的低部位，受煤粉沉降堆積形成煤橋堵塞，產(chǎn)氣量臺(tái)階式下降；主井眼垮塌堵塞出現(xiàn)在主井眼分支側(cè)鉆點(diǎn)集中段，堵塞后產(chǎn)氣量大幅突降；鉆遇構(gòu)造煤井眼垮塌主要是煤體結(jié)構(gòu)差導(dǎo)致垮塌，部分分支無(wú)貢獻(xiàn)，產(chǎn)氣量明顯低于鄰井。

（3）探索試驗(yàn)了氮?dú)馀菽舛隆⒕壑亟ê婉詈辖祲旱柔槍?duì)性增產(chǎn)措施，解除了部分堵塞，平均單井日增產(chǎn)量2000m3以上，措施成效較好。

（4）需要對(duì)水平井完井方式進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)井眼平滑、穩(wěn)定，達(dá)到氣、水暢通流動(dòng)且發(fā)生堵塞時(shí)能在水平段內(nèi)下入工具進(jìn)行維護(hù)性作業(yè)的效果。

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（責(zé)任編輯 黃 嵐）

Reason Analysis and Control Measures Exploration of Hole Blocking for CBM HorizontalWell

CUIXinrui，ZHANG Jianguo，LIU Zhong，ZHANG Guangbo，PENG He，SHEN Xinwei
（Shanxi Coalbed Methane Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi048000）

At present，multi-branch horizontal well has been widely used in development and construction of CBM field in south Qinshui Basin.However，affected by open hole completion technology，partial holes are easily blocked in the process of drainage and lead to the production decreasing of single well.Through the research of wall collapse mechanism，pulverized coal production rule，and so on，it shows there are three main reasons for hole blocking of multi-branch horizontal wells，Using targeted methods for different blocking reasons to increase production，such as Nitrogen foam plug removal，main hole reconstruction and coupled buck.After using thesemethods for 14 wells，average daily production of single well increasesmore than 2000 m3，which shows the good effect of themethods.

CBM；multi-branch horizontal well；wellbore collapse blocking；pulverized coal blockage；production increasing technology

崔新瑞，男，從事煤層氣勘探、開(kāi)發(fā)等現(xiàn)場(chǎng)工作。