西山地區(qū)煤層氣徑向水力鉆孔技術(shù)應(yīng)用及效果

喬 晉，李 瑞，王 森，劉彥鋒，高 超

(1.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000；2.晉煤集團(tuán)煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000；3.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著煤層氣井排采時(shí)間的逐步增加以及前期不合理的開(kāi)發(fā)方式，許多地區(qū)煤層氣井面臨著產(chǎn)量逐步遞減的困局，為了充分抽采儲(chǔ)層剩余煤層氣儲(chǔ)量，提高煤層氣井采收率和經(jīng)濟(jì)效益，需要開(kāi)展煤層氣井增產(chǎn)措施。徑向水力鉆孔技術(shù)，又稱套管內(nèi)短半徑深穿透徑向技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)采用小尺寸鉆頭在目的煤層對(duì)應(yīng)套管處鉆孔，然后使用帶噴頭的軟管經(jīng)鉆孔進(jìn)入井壁，借助高壓射流的破巖作用在煤層不同深度和方位鉆出多個(gè)輻射狀徑向孔[1]。通過(guò)徑向水力鉆孔施工，可以增加儲(chǔ)層導(dǎo)流裂縫有效長(zhǎng)度，產(chǎn)生新的導(dǎo)流通道，或者對(duì)原有產(chǎn)氣通道進(jìn)行解堵，形成廣泛的泄壓和滲透率增加區(qū)，從而擴(kuò)大煤層氣有效解吸范圍[2]。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)徑向水力鉆井技術(shù)得到了快速發(fā)展，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在極短的曲率半徑內(nèi)外成垂直轉(zhuǎn)向，避免了常規(guī)水平井造斜，定向及井眼控制的復(fù)雜工藝，因此，它使水平井技術(shù)在低滲透油氣藏開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用更加靈活[3]。該技術(shù)具有施工周期短、作業(yè)成本低、操作簡(jiǎn)單方便等突出特點(diǎn)[4，5]。1990年該技術(shù)首次在加拿大應(yīng)用，2000年前后，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)大慶、遼河等油田試用與推廣[6]。2011年在我國(guó)沁水盆地南樊莊區(qū)塊煤層氣井實(shí)施了一口徑向水力鉆井并進(jìn)行了壓裂施工，初步認(rèn)為該工藝適合于在碎裂煤煤體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，也可推廣在原生結(jié)構(gòu)煤體中應(yīng)用[7]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)徑向鉆井輔助水力壓裂技術(shù)進(jìn)行了理論分析與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)探索，認(rèn)為徑向水力鉆孔有助于水力壓裂裂縫定向擴(kuò)展，提高壓裂效果[8，9]。然而，我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育，徑向水力鉆孔技術(shù)在我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)中的地質(zhì)適應(yīng)性尚不明確，如何改進(jìn)徑向水力鉆孔技術(shù)以便與我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層作用地質(zhì)條件相匹配需要開(kāi)展深入研究。

西山煤田古交礦區(qū)煤層氣田已步入開(kāi)發(fā)中后期，單井產(chǎn)量逐年下降；鉆井、修井過(guò)程中不同程度地造成了近井地帶污染；非均質(zhì)、低孔、低滲導(dǎo)致部分儲(chǔ)量難以利用，剩余資源開(kāi)采難度越來(lái)越大。目前該氣田增產(chǎn)增效主要的技術(shù)手段為壓裂和擠液酸化解堵，但這些技術(shù)存在成本高，并對(duì)儲(chǔ)層帶來(lái)不同程度污染，且隨地層非均質(zhì)等因素導(dǎo)致應(yīng)用效果并不理想。因此，尋求老氣田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)支撐，對(duì)西山地區(qū)煤層氣井的持續(xù)高效開(kāi)發(fā)尤為重要。為了研究徑向鉆孔技術(shù)在煤層氣井的應(yīng)用效果，作者分析了該技術(shù)的增產(chǎn)原理與施工條件，并分析了山地區(qū)煤層氣井徑向鉆孔技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)效果及影響因素。論文旨在為我國(guó)煤層氣徑向鉆孔技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

圖1 西山煤田構(gòu)造綱要圖

西山煤田位于我國(guó)華北斷塊呂梁—太行斷塊、五臺(tái)山塊隆的古交掀斜地塊，煤田西部邊緣為狐偃山山字型褶皺帶[10]。古交掀斜地塊以古交為中心，地塊內(nèi)地層展布南新北老，總體上由東、北、西三面向內(nèi)緩傾斜，向SSW傾伏的不對(duì)稱向斜構(gòu)造[11]。區(qū)內(nèi)斷層較多，均屬65°～80°高角度正斷層，最大落差達(dá)156m，走向以NE-SW為主。自北向南組成四個(gè)斷裂帶，分別為棱峪斷裂帶、李家社—王封斷裂帶、杜兒坪斷裂帶和碾底—平地窯斷裂帶。每個(gè)斷裂帶多以地壘式產(chǎn)出。各斷裂帶之間具等間距性(一般為20km)。斷層的廣泛分布，破壞了儲(chǔ)層煤體結(jié)構(gòu)，此外，陷落柱的大量分布也會(huì)對(duì)煤體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞[12，13]。西山煤田構(gòu)造如圖1所示[14]。該區(qū)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)。沁水盆地西北緣西山煤田古交礦區(qū)屯蘭工區(qū)揭露煤系地層總厚度為163.08m，共見(jiàn)可采煤層4層，分別為2#、4#、8#和9#煤。其中，2#煤均厚2.64m，4#煤均厚2.41m，8#煤均厚2.13m，9#煤均厚1.84m。2#煤層位于山西組(P1s)中上部，煤層深度為530m左右，煤層呈黑色，具貝殼狀或階梯狀斷口，節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤巖組成以亮煤為主、暗煤次之，煤巖類型屬半亮煤。8#煤層，位于太原組(C3t)中部，煤層深度為610m左右，煤層呈黑色，具貝殼狀或階梯狀斷口，節(jié)理裂隙較發(fā)育，煤巖組成以亮煤為主、暗煤次之，煤巖類型屬半亮煤[15]。

2 煤層氣徑向鉆孔技術(shù)增產(chǎn)原理與方法

2.1 工藝流程

煤層氣徑向鉆孔工具包括連續(xù)油管、導(dǎo)向器、萬(wàn)向節(jié)、磨銑鉆頭等。其工作流程主要包括套管開(kāi)窗和地層鉆進(jìn)兩個(gè)過(guò)程如圖2所示，施工工藝如圖3所示[16]。該技術(shù)增產(chǎn)機(jī)理在于通過(guò)井筒向儲(chǔ)層內(nèi)不同深度及方位短半徑水力噴射形成30～50mm直徑和100m長(zhǎng)度的徑向水平孔，深穿透污染帶化堵，以盡可能多地溝通煤層裂隙，擴(kuò)大平面和剖面煤層滲流能力，進(jìn)而恢復(fù)或提高單井產(chǎn)氣量。

圖3 徑向鉆井工藝流程

2.2 選井及選層的要求

1)選井要求。煤層氣井沒(méi)有發(fā)現(xiàn)套管變形，施工前通井至目的層井段以下，落實(shí)套管變形及井下落物情況。

2)選層要求。煤巖力學(xué)性質(zhì)是煤層一個(gè)重要的參數(shù)，它反映了煤體抗壓和抗拉強(qiáng)度的大小。強(qiáng)度越大的煤體，徑向施工時(shí)煤體坍塌越少，因此，目標(biāo)煤層應(yīng)原生結(jié)構(gòu)煤體較為發(fā)育，煤巖力學(xué)強(qiáng)度大。

2.3 試驗(yàn)方法與施工參數(shù)

綜合比較該區(qū)塊煤層氣井的煤層厚度、煤層含氣量資料，認(rèn)為XST-A1井和XST-A2井具有高產(chǎn)的潛力，只是在排采的過(guò)程中，近井地帶裂隙閉合，產(chǎn)氣量下降，因此，可通過(guò)徑向井改造實(shí)現(xiàn)通道連通和對(duì)接。

為了考察徑向鉆孔技術(shù)的地質(zhì)適應(yīng)性及增產(chǎn)改造效果，選取古交礦區(qū)屯蘭工區(qū)XST-A1和XST-A2井，對(duì)其2#、8#煤層共計(jì)鉆進(jìn)36個(gè)徑向孔，其中XST-A1井2#、8#煤均為6個(gè)徑向孔，XST-A2井2#、8#煤均為12個(gè)徑向孔。試驗(yàn)井徑向孔施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤層氣井徑向鉆孔施工參數(shù)

3 試驗(yàn)效果與分析

3.1 試驗(yàn)效果

現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)相比，各徑向孔深度誤差均控制在0.10m，方位誤差均控制在±3°范圍內(nèi)，兩口井均達(dá)到了方案設(shè)計(jì)要求。

XST-A1井徑向鉆孔目的煤層為2#與8#煤層。該井于2012年5月壓裂，2012年7月投入運(yùn)行。該井歷史最高產(chǎn)氣量在2000m3/d以上，1000m3/d左右產(chǎn)氣量持續(xù)了220d，隨著排采的進(jìn)行，該井產(chǎn)氣量逐漸降低，實(shí)施徑向鉆井改造之前，該井產(chǎn)氣量為144m3/d。2017年10月完成徑向鉆孔后開(kāi)井生產(chǎn)，施工完投產(chǎn)后含水量上升了約20%，日產(chǎn)氣量增加到256m3/d，煤層氣增產(chǎn)78%。

XST-A2井目的煤層為2#與8#煤。該井于2012年5月壓裂，2012年10月投入運(yùn)行。該井歷史最高產(chǎn)氣量在3000m3/d以上，1000m3/d左右產(chǎn)氣量自2013年3月開(kāi)始持續(xù)了413d，隨著排采的進(jìn)行，該井產(chǎn)氣量逐漸降低，實(shí)施徑向鉆井改造之前，該井產(chǎn)氣量為312m3/d。2017年10月完成徑向鉆孔后開(kāi)井生產(chǎn)，含水量增加了30%，但產(chǎn)氣量在實(shí)施徑向鉆井前后沒(méi)有顯著變化。

此外，值得注意的是，XST-A2井附近200m左右的XST-A3井由日產(chǎn)氣量120m3/d增加到246m3/d，氣井增產(chǎn)105%。

3.2 分析討論

XST-A1和XST-A2兩口井的含水及產(chǎn)氣上升說(shuō)明通過(guò)徑向施工可以增加煤層的導(dǎo)通能力。盡管兩口試驗(yàn)井在實(shí)施徑向水力鉆孔改造后產(chǎn)氣量獲得了顯著提高甚至翻倍增長(zhǎng)，但因改造前產(chǎn)氣量基數(shù)小，改造后產(chǎn)氣量絕對(duì)值并不十分理想，經(jīng)濟(jì)效益不夠凸顯。分析認(rèn)為徑向噴射施工過(guò)程可能形成了一定通道堵塞。由于套管開(kāi)孔直徑只有22.2mm，即使噴射地層時(shí)反向噴嘴的擴(kuò)眼作用可形成超過(guò)50mm的井眼，但由于煤巖機(jī)械力學(xué)性質(zhì)差，相當(dāng)部分的煤屑會(huì)沉降在徑向孔底部，形成煤屑堵而影響滲流和返排，導(dǎo)致產(chǎn)氣量未達(dá)預(yù)想效果。力學(xué)強(qiáng)度大的煤體，徑向井施工時(shí)煤體坍塌少，成孔效果較好，反之，則成孔效果差。由圖1可知，西山地區(qū)由于斷層及陷落柱的廣泛分布，對(duì)煤體破壞嚴(yán)重，顯著削弱了煤巖力學(xué)強(qiáng)度，導(dǎo)致在數(shù)十米長(zhǎng)的徑向鉆孔施工后煤體容易發(fā)生垮塌和堵塞。此外，沒(méi)有進(jìn)行徑向鉆孔施工的XST-A3井產(chǎn)氣量增加也說(shuō)明了距離比較近且同屬一個(gè)煤層氣開(kāi)發(fā)單元的煤層氣井通過(guò)徑向鉆孔施工也能起到導(dǎo)通增產(chǎn)作用。

此外，在徑向鉆孔作業(yè)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)較深的井作業(yè)難度小，噴射長(zhǎng)度大，成功率高；而對(duì)于較淺的井在加配重的情況下成功率也比較低。表1中XST-A1井2#煤較8#煤埋深淺，徑向鉆孔長(zhǎng)度普遍小于8#鉆孔長(zhǎng)度，也說(shuō)明了該現(xiàn)象。分析認(rèn)為在目標(biāo)層位較深時(shí)，入井的連續(xù)油管較重，在噴射時(shí)對(duì)噴射軟管的驅(qū)動(dòng)力比較大，噴嘴帶動(dòng)噴射軟管前進(jìn)比較容易，使得噴孔成功率更高。綜上所述，煤層氣井徑向水力鉆孔技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)充分結(jié)合儲(chǔ)層地質(zhì)與工程條件。

盡管我國(guó)在常規(guī)及非常規(guī)領(lǐng)域?qū)较蜚@井技術(shù)均開(kāi)展了一些現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但理論基礎(chǔ)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外雖通過(guò)理論分析和試驗(yàn)?zāi)M，對(duì)徑向鉆進(jìn)碎巖機(jī)理、影響鉆進(jìn)的地質(zhì)與工況因素等進(jìn)行了分析研究[17，18]。但如若要實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的突破，還需要加大對(duì)徑向鉆井破巖機(jī)理，井眼軌跡測(cè)控，水力參數(shù)計(jì)算，導(dǎo)流效應(yīng)，煤粉返排，地質(zhì)適用性等方面的理論研究，這樣才能指導(dǎo)徑向水力鉆井工藝優(yōu)化，提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)實(shí)施徑向水力鉆井技術(shù)可增加煤層的導(dǎo)通能力，氣井產(chǎn)量獲得了明顯提升，但效果還不夠理想。

2)西山地區(qū)煤層破壞嚴(yán)重，煤體結(jié)構(gòu)較差，削弱了煤巖力學(xué)強(qiáng)度，導(dǎo)致徑向水力鉆井過(guò)程中成孔效果差，煤屑難以返排。因此，煤層氣井徑向水力鉆孔技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)充分結(jié)合儲(chǔ)層地質(zhì)與工程條件。

3)目前對(duì)徑向水力鉆井技術(shù)的理論基礎(chǔ)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，如若實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的突破，還需要加大該技術(shù)的理論基礎(chǔ)研究。