高煤階煤層氣開發(fā)工程技術(shù)的不適應(yīng)性及解決思路

朱慶忠劉立軍陳必武李佳峰劉斌李宗源葛騰澤

1.中國(guó)石油華北油田分公司；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司

高煤階煤層氣開發(fā)工程技術(shù)的不適應(yīng)性及解決思路

朱慶忠1劉立軍1陳必武1李佳峰1劉斌1李宗源1葛騰澤2

1.中國(guó)石油華北油田分公司；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司

為了解決煤層氣開發(fā)普遍存在的區(qū)域儲(chǔ)層變化復(fù)雜、不同地區(qū)工程技術(shù)的適應(yīng)性差異大等問題，基于沁水盆地高煤階儲(chǔ)層的橫向變化特征，分析研究了以往煤層氣開發(fā)中工程技術(shù)的應(yīng)用效果，結(jié)合大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，提出了一整套以疏導(dǎo)式開發(fā)理念為核心的煤層氣開發(fā)工程技術(shù)思路，形成了以可控水平井和疏通式煤層改造工藝為主體的技術(shù)系列?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，可控水平井鉆井周期縮短20%～30%，鉆井成本降低30%～50%，直井疏通式改造平均單井日產(chǎn)氣增加大于500 m3/ d，有效提高了煤層氣開采效益，為今后煤層氣高效開發(fā)提供了理論與技術(shù)支撐。

煤層氣；水平井；直斜井；分段改造；分壓合采；不適應(yīng)性；疏導(dǎo)式

山西沁水盆地高煤階煤層氣開發(fā)層系主要為石炭及二疊系地層，2006年正式投入開發(fā)后工程技術(shù)體系主要有2種：一是直井完井，水基壓裂后進(jìn)行排水降壓；二是裸眼多分支水平井完井，洞穴井排采降壓。第二種技術(shù)在沁水盆地南部大樊莊區(qū)塊取得了較好的應(yīng)用效果，產(chǎn)量逐年遞增。2015年該區(qū)塊年產(chǎn)氣量達(dá)6 億m3以上，平均單井日產(chǎn)氣量也將近1 500 m3/d，打破了國(guó)外“高階煤”產(chǎn)氣缺陷的理論認(rèn)識(shí)，成為我國(guó)重要的煤層氣生產(chǎn)基地［1］。隨著開發(fā)區(qū)域的擴(kuò)大，由于盆地內(nèi)不同地區(qū)的地質(zhì)條件存在差異，運(yùn)用相同的工程技術(shù)就表現(xiàn)出了明顯的不適應(yīng)性，需要通過研究來解決大量低產(chǎn)區(qū)工程技術(shù)的不適應(yīng)性問題［2］。

1 不同區(qū)域儲(chǔ)層特征的差異

Differences of reservoir characteristics in different areas

以沁水盆地南部為例，分析研究了不同地區(qū)地質(zhì)條件的差異性。

（1）沁南地區(qū)大樊莊區(qū)塊總體煤層埋藏淺、滲透率高、含氣量高、煤階高、原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育；表現(xiàn)為直斜井壓裂裂縫延伸較好，裸眼多分支水平井井眼較穩(wěn)定，開發(fā)效果較好。

（2）沁南地區(qū)鄭莊區(qū)塊總體煤層埋藏較深、滲透率低、含氣量中-高、煤階中-高、原生-碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育；表現(xiàn)為直斜井壓裂裂縫延伸較差，裸眼多分支水平井井眼易堵塞、易坍塌，煤層氣開發(fā)的主要2種開發(fā)技術(shù)均不適用。

（3）沁南東地區(qū)總體煤層埋藏較深、滲透率低、含氣量中等、煤階中等、碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育；表現(xiàn)為直斜井壓裂裂縫延伸差，支撐劑多堆積在井眼附近，裸眼多分支水平井井眼更易坍塌，常規(guī)2種開發(fā)技術(shù)亦表現(xiàn)為不適應(yīng)。

2 工程技術(shù)不適應(yīng)性的分析

Analysis on the inadaptability of engineering

2.1 直斜井壓裂不適應(yīng)性分析

The inadaptability of slant hole fracturing

沁水盆地南部及東部共壓裂投產(chǎn)直斜井2 600余口，平均單井日產(chǎn)量約772 m3/d（見表1），整體開發(fā)效果差，工程技術(shù)沒有起到提高單井產(chǎn)量作用。

煤層具有泊松比高、楊氏模量低，割理發(fā)育的特點(diǎn)，只能造寬縫，不能造長(zhǎng)縫。要想控制更大的面積，只有長(zhǎng)縫才能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)煤層碎裂、煤階較低時(shí)，表現(xiàn)更為突出。壓裂液進(jìn)入大量窄而多的微裂縫而支撐劑無法進(jìn)入，形成近井帶支撐劑堆積，大幅度降低了壓裂裂縫的導(dǎo)流能力。形成了要求工程技術(shù)造長(zhǎng)縫，而煤層壓裂不能實(shí)現(xiàn)的矛盾。

表1 不同地區(qū)直斜井壓裂投產(chǎn)統(tǒng)計(jì)Table 1 Production statistics of slant hole fracturing in different areas

在游離水不富集的煤層，由于煤層滲透率低、解析壓力低，大量壓裂液進(jìn)入煤層，富集在煤層的裂隙中，使得氣體的流動(dòng)受到了影響，阻礙了煤層氣的解析和流動(dòng)，大幅度降低了解析壓力。甚至難以全部排出，降低了煤層氣的開發(fā)效率［3］。形成了降低解析壓力同提高開發(fā)水平的矛盾。

常規(guī)壓裂是通過液體攜帶支撐劑進(jìn)入煤層實(shí)現(xiàn)的，而這個(gè)過程是個(gè)地層壓力抬升的過程，而煤層氣的開發(fā)是降壓開采，通過排水降低地層壓力，而壓裂使得降壓的周期增大，降壓效率降低。形成了升壓改造和降壓排采的矛盾。

總體來看，煤層壓裂技術(shù)存在上述三大矛盾，不同地區(qū)的矛盾突出程度不同。

2.2 裸眼多分支水平井不適應(yīng)性分析

Analysis on the inadaptability of open-hole multilateral horizontal wells

沁水盆地南部大樊莊及鄭莊區(qū)塊共鉆裸眼多分支井100余口，日產(chǎn)氣量小于1 000 m3/d的井占47%（見表2），平均單井日產(chǎn)量約3 000 m3/d左右，綜合表明整體開發(fā)效果差。

表2 不同地區(qū)裸眼多分支水平井統(tǒng)計(jì)Table 2 Open-hole multilateral horizontal wells in different areas

裸眼多分支水平井采取一次成井技術(shù)，主眼和分支的連接不能保證，同時(shí)成井后由于井壁沒有有效的支撐，井眼易坍塌，甚至導(dǎo)致氣、水不出。出現(xiàn)了裸眼多分支水平井無法實(shí)現(xiàn)井眼暢通的問題。

裸眼多分支水平井采取洞穴井排采，生產(chǎn)期間氣液產(chǎn)出時(shí)往往伴隨大量煤粉低洼處容易形成煤粉堆積，成低產(chǎn)或者氣水不出。出現(xiàn)了裸眼多分支水平井無法作業(yè)解除污染的問題。

裸眼多分支水平井由于地質(zhì)設(shè)計(jì)要求鉆遇更多的煤層，一般分支多，投資高，同現(xiàn)在的平均產(chǎn)量不相匹配，因此出現(xiàn)了投資風(fēng)險(xiǎn)較高的問題。

以上是裸眼多分支水平井開發(fā)出現(xiàn)的三大問題，不同地區(qū)程度不同。位于滲透率較低、煤層較碎裂、演化程度較低的地區(qū)更為突出。

3 工程技術(shù)不適應(yīng)性的解決思路

Solution idea for engineering inadaptability

針對(duì)上述問題，從煤層氣的開發(fā)機(jī)理逐一梳理并研究對(duì)策，認(rèn)為煤層氣應(yīng)該采取疏導(dǎo)式的技術(shù)解決思路。

（1）用低成本可控水平井解決井眼易坍塌、易堵塞、不可改造、不可重入、壓裂裂縫難以延伸等問題。

（2）用疏通式改造解決壓裂液大量進(jìn)入煤層、抬升地層壓力、煤粉易堵塞等問題。

（3）對(duì)于多煤層直斜井，采用分壓合采技術(shù)，提高單井產(chǎn)量和效益。

（4）對(duì)于可控水平井，煤層滲透性較好、鉆井污染較小的采用篩管完井直接投產(chǎn)，煤層滲透性較差，則采用套管完井分段改造。

3.1 可控水平井快速鉆完井技術(shù)

Quick drilling and completion technology of controllable horizontal well

可控水平井是指在水平段主井眼內(nèi)下入支撐管串的水平井，具備主井眼穩(wěn)定可控、通暢、可分段改造、可重復(fù)作業(yè)等特性。去掉洞穴井，采取無桿排采，降低投資?？煽厮骄桶ǎ?jiǎn)沃Э煽厮骄汪~骨狀可控水平井，見表3。

表3 可控水平井井型分類Table 3 Classification of controllable horizontal wells

3.1.1 單支可控水平井鉆完井技術(shù) 以“井眼可控、分段改造、快速高效、廣泛適應(yīng)”的可控水平井設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化形成了二開快速鉆井、綜合導(dǎo)向、防漏防塌鉆井液、半程固井等系列配套技術(shù)［4-5］。該技術(shù)具備鉆井速度快、費(fèi)用低、井眼穩(wěn)固、可分段增產(chǎn)改造、可上傾下傾、可下泵、可作業(yè)、適合大規(guī)模叢式井組工廠化開發(fā)等系列技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠最大限度地降低投資、提高速度、提高效益。單支可控水平井鉆完井技術(shù)如圖1所示。

圖1 單支可控水平井Fig. 1 Single-lateral controllable horizontal well

3.1.2 魚骨狀可控水平井鉆完井技術(shù) 魚骨狀可控水平井采用與裸眼多分支相反的遞進(jìn)式鉆進(jìn)方式，確保了主支順利下入管串［6］。具有鉆井速度快、費(fèi)用低、主支穩(wěn)定支撐、分支裸眼控面、可下泵、可作業(yè)、可分段增產(chǎn)改造等系列技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠最大限度的提高產(chǎn)量、提高效益。魚骨狀可控水平井軌跡如圖2所示。

圖2 魚骨狀可控水平井軌跡Fig. 2 Trajectory of fish-bone controllable horizontal well

3.2 疏通式煤層改造技術(shù)

Dredge coal reservoir stimulation technology

3.2.1 低前置快速返排壓裂技術(shù) 以降低儲(chǔ)層壓力的抬升、減少水體的進(jìn)入、減少對(duì)煤層的破壞為原則，進(jìn)行壓裂工藝優(yōu)化。選用活性水壓裂體系，以低前置液的方式降低進(jìn)入煤層的液量，在有效改造煤層的前提下降低煤層傷害；以低排量造縫、高排量加砂的方式變排量注入，提高裂縫延伸效率；以細(xì)砂支撐為主、中砂、粗砂為輔的方式變粒徑加砂，加大支撐劑運(yùn)移距離；以壓后快速返排的方式，“變壓能為動(dòng)能” 促進(jìn)液體及煤粉返排，減小煤層堵塞［7］。

3.2.2 水力造穴復(fù)合壓裂技術(shù) 利用水力噴射切割原理（如圖3所示），對(duì)煤巖反復(fù)噴射擊動(dòng)，使煤巖破碎、垮塌，最終在井筒周圍形成洞穴。其目的一是產(chǎn)生裂隙，增加滲透性；二是清除煤粉，減少堵塞。造穴完成后再進(jìn)行壓裂，達(dá)到造穴、壓裂雙重增效。

圖3 水力造穴原理Fig. 3 Principle of hydraulic cave building

3.2.3 直斜井多煤層分壓合采技術(shù) 對(duì)于多煤層直斜井采用分壓合采技術(shù)，能夠最大限度提高單井產(chǎn)量，節(jié)省施工費(fèi)用及排采費(fèi)用，如圖4所示。

圖4 多煤層分壓合采技術(shù)Fig. 4 Staged fracturing and commingled producing technology for multiple coal seams

（1）對(duì)于套管完井的可控水平井，研究試驗(yàn)了“連續(xù)油管底封拖動(dòng)分段改造技術(shù)”、“普通油管底封拖動(dòng)分段改造技術(shù)”、“射孔、造穴、壓裂一體化分段改造技術(shù)”［8］、“魚骨狀水平井分段改造技術(shù)”等，通過連續(xù)油管或普通油管，采用底封拖動(dòng)或不動(dòng)管柱逐級(jí)投球的方式依次完成水平段分段改造施工，上述技術(shù)均適用于單支及魚骨狀水平井。其中連續(xù)油管分段改造技術(shù)，地面設(shè)備多、占用場(chǎng)地大，不適合煤層氣大規(guī)模低成本開發(fā)。普通油管底封拖動(dòng)分段改造費(fèi)用較低（7段約200萬元），但周期較長(zhǎng)。一體化分段改造功能多、分段多、施工快、成本低，目前正在直斜井試驗(yàn)，待技術(shù)成熟后力爭(zhēng)成為水平井高效分段改造主體技術(shù)。

（2）對(duì)于篩管完井的可控水平井，研究試驗(yàn)了“雙封拖動(dòng)分段造穴技術(shù)”、“噴射拖動(dòng)分段造穴技術(shù)”等，通過雙封工具或單噴射器逐段向上拖動(dòng)，對(duì)煤層進(jìn)行分段造穴，解除近井帶鉆井液污染，誘導(dǎo)煤層產(chǎn)生裂隙，改善煤層滲透條件，清理煤粉，提高單井產(chǎn)量。此系列工藝具有任意分段、施工簡(jiǎn)便、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，均適用于單支及魚骨狀水平井。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

Field application

4.1 可控水平井應(yīng)用情況

Application of controllable horizontal wells

截至2016年6月，可控水平井鉆井總共合計(jì)33口，其中單支24口，魚骨狀9口；鉆井周期縮短20%～30%，鉆井成本降低30%～50%，見表4。已投產(chǎn)的井排采穩(wěn)定后多數(shù)取得較好效果見表5。

表4 可控水平井鉆井統(tǒng)計(jì)Table 4 Drilling statistics of controllable horizontal wells

表5 可控水平井投產(chǎn)效果Table 5 Production results of controllable horizontal wells

4.2 疏通式煤層改造應(yīng)用情況

Application results of dredge coal reservoir stimulation technology

（1）直斜井儲(chǔ)層改造。應(yīng)用低前置快速返排壓裂、水力造穴復(fù)合壓裂、多煤層分壓合采等工藝的100余口井，平均降低壓裂液量20%～30%，排采周期縮短20%～30%，單井日產(chǎn)氣增加大于500 m3/d。

（2）可控水平井分段改造。針對(duì)套管完井的可控水平井實(shí)施了分段壓裂及分段造穴復(fù)合壓裂工藝技術(shù)，早期投產(chǎn)的5口分段改造水平井平均日產(chǎn)氣達(dá)到8 000 m3/d以上，在沁水盆地低滲區(qū)塊實(shí)施的一口分段改造井最高日產(chǎn)氣量達(dá)7 000 m3/d，是周圍直井的8～10倍。針對(duì)篩管完井的可控水平井實(shí)施了分段造穴工藝技術(shù)，目前實(shí)施了2口井，日產(chǎn)氣量達(dá)到2 000 m3/d以上，目前正在進(jìn)行進(jìn)一步提產(chǎn)。

5 結(jié)論

Conclusions

（1）高煤階煤層氣開發(fā)采取疏通式的技術(shù)對(duì)策，符合煤層氣開發(fā)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)設(shè)計(jì)方法的轉(zhuǎn)變，為煤層氣高效開發(fā)提供了理論與技術(shù)支撐。

（2）可控水平井采用二開快速鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井眼穩(wěn)定、利于改造、原井排采，能夠進(jìn)行后期作業(yè)維護(hù)，解決了裸眼多分支水平井存在的多種問題，有希望成為煤層氣高效開發(fā)的主體工程技術(shù)。

（3）疏通式煤層改造技術(shù)、直斜井多煤層分壓合采技術(shù)、水平井分段改造技術(shù)大幅度提高了單井產(chǎn)量，是目前煤層氣高效開發(fā)的有效措施。

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（修改稿收到日期 2016-11-13）

〔編輯 李春燕〕

Inadaptability of high-rank CBM development engineering and its solution idea

ZHU Qingzhong1, LIU Lijun1, CHEN Biwu1, LI Jiafeng1, LIU Bin1, LI Zongyuan1, GE Tengze2

1. CNPC Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, Hebei, China; 2. Petrochina Coalbed Methane Compony Limited, Beijing 100028, China

It is common in the process of coalbed methane (CBM) development that the change of regional reservoirs is complex and the adaptability of engineering is diverse in different areas. To deal with these problems, the application results of engineering which was previously used for CBM development were analyzed based on the lateral variation characteristics of high-rank coal reservoirs in the Qinshui Basin. Then, based on abundant laboratory tests and field application, a complete set of CBM development engineering idea with the dredge development concept as the core was proposed. And a series of technologies with the controllable horizontal well and the dredge coal reservoir stimulation technology as the main parts were developed. The test results of field application are remarkable and CBM exploitation benefit is improved effectively. The drilling period of controllable horizontal wells drops by 20%-30%, the drilling cost declines by 30%-50%, and the average single-well gas production rate after vertical wells are stimulated in the dredge pattern rises by over 500 m3/d. The research results provide the technical support for the high-efficiency CBM development in the future.

coalbed methane; horizontal well; slant hole; staged stimulation; staged fracturing and commingled producing; inadaptability; dredge type

朱慶忠，劉立軍，陳必武，李佳峰，劉斌，李宗源，葛騰澤.高煤階煤層氣開發(fā)工程技術(shù)的不適應(yīng)性及解決思路［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（1）：92-96.

TE377

B

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0092 – 05

10.13639/j.odpt.2017.01.018

:ZHU Qingzhong, LIU Lijun, CHEN Biwu, LI Jiafeng, LIU Bin, LI Zongyuan, GE Tengze. Inadaptability of high-rank CBM development engineering and its solution idea［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 92-96.

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”（編號(hào)：2011ZX05061）；中國(guó)石油股份公司科研項(xiàng)目“沁水煤層氣田勘探開發(fā)示范工程”（編號(hào)：2010E-2208）。

朱慶忠（1966-），1988年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院物探專業(yè)，現(xiàn)主要從事煤層氣勘探開發(fā)工作，高級(jí)工程師。通訊地址：（062552）河北省任丘市會(huì)戰(zhàn)道華北油田公司機(jī)關(guān)。電話：0317-2752796。E-mail：cyy_zqz@petrochina.com.cn

劉立軍 （1964-），1986年畢業(yè)于成都地質(zhì)學(xué)院石油地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)主要從事煤層氣勘探開發(fā)工作，高級(jí)工程師。通訊地址：（046000）山西省長(zhǎng)治市益東國(guó)際酒店。電話：0355-5550515。E-mail：zhb_llj@petrochina.com.cn