煤層氣水平井技術(shù)應(yīng)用分析及優(yōu)化

張雙斌，劉國(guó)偉，季長(zhǎng)江

(1.晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 晉城 048026；2.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 晉城 048026；3.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048026)

煤層氣水平井是指最大井斜角達(dá)90°以及目標(biāo)層有水平或近似水平段的煤層氣井，相對(duì)于垂直井具有導(dǎo)流能力高、解吸面積大、單井產(chǎn)量高、采氣時(shí)間短、資金回收快，經(jīng)濟(jì)效益好、占地面積少等明顯優(yōu)勢(shì)。煤層氣水平井可分為多分支水平井和單分支水平井。多分支水平井又稱羽狀水平井或魚骨狀水平井，集鉆井、完井和增產(chǎn)技術(shù)于一體，能夠最大限度地溝通煤層割理與裂隙系統(tǒng)，增加井眼在煤層中的揭露面積，降低煤層流體流動(dòng)阻力，大幅度提高單井產(chǎn)量，減少鉆井?dāng)?shù)量。但是由于分支段無法下入套管(或篩管)固井，難以實(shí)施水力壓裂且水平井眼缺乏有效支撐，不適用于低滲、易坍塌煤層，僅在沁水盆地南部大寧、潘莊、樊莊等區(qū)塊的淺部高滲煤層中取得成功[1-3]。單分支水平井根據(jù)井身結(jié)構(gòu)又可以分為U型、V型、L型和T型井，對(duì)于高滲煤層，在水平段下入篩管，支撐井眼長(zhǎng)期保持高導(dǎo)流能力；對(duì)于低滲煤層，下入套管水泥固井及射孔水力壓裂完井，通過高導(dǎo)流能力水力裂縫達(dá)到增產(chǎn)目的[4-8]。隨著鉆井技術(shù)的日趨成熟，煤層鉆井液體系逐漸完善，鉆井成本不斷下降，水平井作為煤層氣最具開發(fā)潛力和應(yīng)用前景的井型受到業(yè)內(nèi)重視。但是，在不同地質(zhì)條件下，煤層氣水平井的產(chǎn)氣量仍相差較大，需要進(jìn)行針對(duì)性的技術(shù)優(yōu)化。筆者通過梳理、分析全國(guó)煤層氣水平井技術(shù)應(yīng)用的典型案例，提出工藝技術(shù)優(yōu)化方法，為煤層氣水平井技術(shù)的推廣提供指導(dǎo)建議。

1 水平井技術(shù)應(yīng)用分析

1.1 多分支水平井

多分支水平井是國(guó)內(nèi)煤層氣水平井最早開始工程試驗(yàn)與開發(fā)的井型。2004年亞美大陸在大寧煤礦成功實(shí)施了我國(guó)第一口煤層氣多分支水平井DNP02之后，各煤層氣區(qū)塊均開展了工業(yè)試驗(yàn)，如寧武盆地武M1-1井、樊莊DS-01系列井和晉平2井組、潘莊區(qū)塊PZP01系列井、大寧煤礦DNP01系列井和鄭莊區(qū)塊ZP01-1系列井等，多數(shù)井取得了高產(chǎn)氣量，最高單井日產(chǎn)氣量突破了1×105m3。

多分支水平井通常是由1口水平井和1口(或多口)排采直井組成的近端對(duì)接井組。水平井通常采用三開井身結(jié)構(gòu)，排采直井采用二開井身結(jié)構(gòu)。如樊莊區(qū)塊晉平2井組，目標(biāo)層位山西組3#煤層，設(shè)計(jì)由1口環(huán)接井(水平井)2-0和4口排采井直井2-1、2-2、2-3和2-4組成。由于當(dāng)時(shí)鉆井技術(shù)原因，只成功完成晉平2-2和2-4兩口直井方向上的水平井2-0-2和2-0-4的鉆探。其中，2-0-2實(shí)鉆7個(gè)主支，進(jìn)尺1344.18m；2-0-4實(shí)鉆4個(gè)主支和6個(gè)分支，總進(jìn)尺4289.25m。晉城2-0-2井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示，水平井采用“導(dǎo)管+三開結(jié)構(gòu)”，排采直井為“導(dǎo)管+二開結(jié)構(gòu)”。導(dǎo)管主要是針對(duì)上部大量鵝卵石地層，鉆頭?445mm，導(dǎo)管?339.73mm。一開鉆頭?311.15mm，表套?244.5mm；二開鉆頭?215.9mm，套管?177.8mm；水平井三開鉆頭?155.6mm，裸眼。排采直井煤層及以下井段裸眼，煤層段洞穴直井0.72m，與水平井眼近端對(duì)接連通。晉平2-2井采用“抽油機(jī)+有桿泵”方式進(jìn)行排采，抽油機(jī)型號(hào)CYJ6-2.5-13B，管式泵泵徑?56mm，電機(jī)22kW，在沖次6次/min時(shí)，最大理論排量53.2m3/d。晉平2-2排采后最大日產(chǎn)水量10.45m3/d，最大產(chǎn)氣量979.3m3/d，穩(wěn)產(chǎn)后產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量均下降較快。說明煤層滲透率低，排水降壓漏斗擴(kuò)展范圍小，解吸氣量少，供氣不足[9，10]。因此，對(duì)于低滲煤層，僅靠單純擴(kuò)大井眼見煤面積，不能有效提高煤層氣井產(chǎn)量。

圖1 晉平2-0-2井實(shí)鉆軌跡垂直投影

1.2 單分支水平井

1.2.1 U型井

U型井是在多分支水平井基礎(chǔ)上優(yōu)化而來，只鉆一個(gè)水平主支，水平井眼段可以下篩管或者下套管水泥固井及射孔水力壓裂完井，將排采直井移至遠(yuǎn)端對(duì)接，以便后期對(duì)水平井眼沖洗解堵作業(yè)。U型井是繼多分支水平井之后在煤層氣開發(fā)中大量采用的井型，在潘莊、樊莊、鄭莊、柿莊、趙莊、韓城、延川等區(qū)塊均有較為廣泛的應(yīng)用，取得了較好的產(chǎn)氣量[11，12]。如延川南區(qū)S3-U1井，目標(biāo)層位山西組2#煤層，由水平井S3-U1-P與排采直井S3-U1組成。S3-U1-P井采用三開井身結(jié)構(gòu)，一開鉆頭?444.5mm，表套?339.7mm；二開鉆頭?311.15mm，套管?244.5mm；三開鉆頭?215.9mm，套管?139.7mm。排采直井采用二開井身結(jié)構(gòu)，一開鉆頭?311.15mm，套管?244.5mm；二開鉆頭?215.9mm，套管?177.8mm，煤層段(1277～1283m)下入玻璃鋼套管，固井后機(jī)械造穴直徑0.5m，與水平井連通，井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。S3-U1-P1井采用分段多簇射孔水力壓裂技術(shù)，水平段長(zhǎng)640m，分4段，每段分3簇射孔，每簇3m。壓裂液采用活性水配方添加1.5%的氯化鉀作防膨劑，共注入液量4049.5m3，支撐劑共加入40/70 目石英砂40m3，20/40目石英砂120.5m3，20/40目包衣樹脂砂40m3。排采開始以1.58MPa/100d的平均降壓速率進(jìn)行，230d后煤層氣開始解吸，267d后開始產(chǎn)氣。經(jīng)1891d“4個(gè)上產(chǎn)階段和4個(gè)穩(wěn)產(chǎn)階段”的階梯式降壓后，產(chǎn)氣量穩(wěn)定在9500～11000m3/d，井底流壓降至0.4MPa，產(chǎn)水量0.1m3/d。盡管本區(qū)2#煤層埋深近1300m且滲透率較低，由于采用了“水平井+大規(guī)模水力壓裂+‘連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢’的排采原則”整套技術(shù)，使得該井成功獲得了較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)[12]。

圖2 S3-U1井井身結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 V型井

V型井是2口U型水平井共用1口排采直井的優(yōu)化井型，理論上可節(jié)省1口排采直井的施工與排采費(fèi)用，減少占地面積，降低成本，但是由于鉆完井工藝要求高，近排采直井地帶易發(fā)生堵塞，經(jīng)沁水盆地、韓城等地試驗(yàn)，開發(fā)應(yīng)用效果不佳，使用較少。延川南區(qū)塊S3-V井是一口遠(yuǎn)端對(duì)接V型水平井，由2口水平井S3-V1-P1、S3-V1-P2與1口排采直井S3-V1組成，其水平井與排采直井的井身結(jié)構(gòu)與U型井基本類似，井眼軌跡如圖3所示。S3-V1-P2井水平段長(zhǎng)508.5m，玻璃鋼篩管完井，不壓裂。S3-V1-P1井水平段長(zhǎng)776m，套管固井，分6段水力壓裂，共注入活性水壓裂液5564m3，加入石英砂細(xì)砂40m3，中砂243m3，粗砂10m3。排采開始以1.15MPa/100d的平均降壓速率進(jìn)行，281d后煤層氣開始解吸，464d后開始產(chǎn)氣。經(jīng)1614d“3個(gè)上產(chǎn)階段和3個(gè)穩(wěn)產(chǎn)階段”的階梯式降壓后，產(chǎn)氣量穩(wěn)定在11000～12000m3/d，井底流壓降至0.1MPa，產(chǎn)水量0.1m3/d。對(duì)比S3-U及本區(qū)其余未壓裂水平井的產(chǎn)氣情況可知，該井的產(chǎn)氣量主要由S3-V1-P1套管水力壓裂井貢獻(xiàn)，S3-V1-P2篩管未壓裂井對(duì)產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)微乎其微，說明對(duì)于埋深大的低滲硬煤儲(chǔ)層，大規(guī)模水力壓裂是可靠的增透增產(chǎn)措施[12，13]。

圖3 S3-V井井眼軌跡

1.2.3 L型井

L(J)型井實(shí)際上是在U型水平井基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化而成的一種大井斜和大水平位移的水平井，減少了1口排采直井和裸眼造穴、連通對(duì)接等特殊的鉆井工藝，大幅降低了開發(fā)成本，在沁水盆地、臨汾、織金等區(qū)塊進(jìn)行了試驗(yàn)推廣，取得較好的開發(fā)效益[6，14]。L型井采用三開井身結(jié)構(gòu)，與圖2中S3-U1-P井基本一致，水平段可以是套管水泥固井，也可下入篩管不固井。前者一般用于低滲煤層，可進(jìn)行水力壓裂增透改造；后者一般用于高滲煤層或煤礦采動(dòng)區(qū)，篩管主要起到支撐井眼防坍塌的作用。制約L型井大范圍應(yīng)用的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏沉煤粉“口袋”，排采時(shí)煤粉運(yùn)移到水平井段最低點(diǎn)時(shí)易堆積堵塞井眼，甚至埋泵。二是缺少可靠性高的排采設(shè)備及工藝。由于煤層段造斜大，常規(guī)桿式泵無法下入，一般選擇水力射流泵、電潛螺桿泵等無桿泵，但無桿泵卻存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備可靠性差，維護(hù)成本高，防煤粉、防氣體能力弱等缺點(diǎn)，需要研發(fā)適用于L型井大井斜及更深泵掛的新型桿式泵，形成配套的防漏失、防卡堵、防氣體影響的排采工藝[15]。

1.2.4 T型井

T型井是基于軌跡可控可測(cè)的柔性鉆具為核心，通過在垂直井技術(shù)套管或生產(chǎn)套管內(nèi)開窗側(cè)鉆的超短半徑、小井眼水平井，具有鉆井速度快、成本低、煤層有效水平井段長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，再配套柔性篩管及泵送新技術(shù)，解決水平井段有效支撐和快速清除煤粉解堵難題，實(shí)現(xiàn)煤層氣開發(fā)的低成本，可用于低產(chǎn)垂直井的增產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)改造[7]。需進(jìn)一步提高鉆井技術(shù)工藝，增加水平井段的絕對(duì)長(zhǎng)度和單井的解吸面積。T型井身結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，可采用連續(xù)油管水力噴射壓裂進(jìn)行儲(chǔ)層增透改造，其排采設(shè)備及工藝與垂直井完全相同。

圖4 T型井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2 水平井技術(shù)優(yōu)化

2.1 井身結(jié)構(gòu)

水平井井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要基于兩點(diǎn)考慮：一是降成本，二是便于排水采氣，防止煤粉堵塞排水產(chǎn)氣通道，避免產(chǎn)生“U型管效應(yīng)”(圖5)[16]。多分支水平井、U型井和V型井的排采直井采用二開結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)套管?139.7mm，固井時(shí)，煤層段下入玻璃鋼套管，全井段固井后，再在煤層段造穴，洞穴直徑應(yīng)不小于?500mm。在排采設(shè)備滿足大井斜和可靠性要求時(shí)，優(yōu)選L型水平井，可大幅降低開發(fā)成本，使低滲煤層的中低產(chǎn)井也具有一定的經(jīng)濟(jì)性。充分利用水的重力作用，保證排采設(shè)備位置位于水平段的最低處。有排采直井的多水支水平井、U型井和V型井的水平段井眼應(yīng)下傾，使排采直井連通洞穴處于最低位；L型井二開尾段施工導(dǎo)眼鉆穿煤層留足“口袋”后，用砂子回填固井，三開固井時(shí)，在導(dǎo)眼段上方聯(lián)入一根玻璃鋼套管，等三開固井完成后鉆開導(dǎo)眼上方的套管和水泥環(huán)，沖出回填砂子，作為排采時(shí)沉煤粉的“口袋”，水平段井眼保持應(yīng)上傾，使排采設(shè)備位于最低處[17，18]。若煤層傾角或厚度變化時(shí)，水平段井眼也必須保持井眼軌跡平滑，避免為了追求井眼處于煤層中位或提高煤層穿遇率而使井眼波動(dòng)，導(dǎo)致排采時(shí)出現(xiàn)“U型管效應(yīng)”。優(yōu)化后L型井的井身結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 U”型管效應(yīng)

圖6 優(yōu)化后 L型水平井

2.2 完井方式及儲(chǔ)層強(qiáng)化技術(shù)

對(duì)于低地應(yīng)力、埋深淺的高滲煤層，水平井段宜采用篩管完井，不僅可降低成本，而且能夠保護(hù)煤層免受固井水泥漿的污染傷害。

對(duì)于高地應(yīng)力、埋深大的低滲煤層，水平井段宜采用套管水泥固井、分段多簇射孔、水力壓裂儲(chǔ)層強(qiáng)化增透技術(shù)。對(duì)于為了保持水平井眼平滑而導(dǎo)致井眼偏移煤層中位的水平井段，應(yīng)采用定向射孔，使水力裂縫在煤層中充分延伸。水力壓裂液采用無污染的活性水壓裂體系，支撐劑采用天然石英砂。根據(jù)井眼軌跡及煤層情況細(xì)分多段密集多簇射孔壓裂，適當(dāng)控制每個(gè)分段的壓裂規(guī)模，避免水力裂縫突破煤層頂?shù)装迮c其他含水層導(dǎo)通。同時(shí)，要根據(jù)水平井段長(zhǎng)度和煤層厚度確定壓裂液和支撐劑的注入量，每百米水平井段應(yīng)不低于800m3壓裂液和50m3支撐劑[12，19]，保證整個(gè)水平井具有較大的壓裂規(guī)模，在煤層中形成充分連通的水力縫網(wǎng)高速通道。

2.3 排采裝備及工藝技術(shù)

對(duì)于有排采直井的多分支水平井、U型井和V型井，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、價(jià)格低、易維護(hù)的抽油機(jī)，配套功率適宜的電磁調(diào)頻電機(jī)/變頻電機(jī)、井底壓力計(jì)及智能排采控制系統(tǒng)，在煤層氣解吸前、開始產(chǎn)氣后階梯式“上產(chǎn)—穩(wěn)產(chǎn)”階段能夠自動(dòng)控制井底流壓下降的速率，保證排采“連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢”進(jìn)行。對(duì)穩(wěn)產(chǎn)期及衰減期產(chǎn)水量較低的煤層氣井進(jìn)行間抽，有效降低電費(fèi)成本，延長(zhǎng)檢泵周期和抽油機(jī)的使用壽命，同時(shí)可以減少人工巡井成本。

對(duì)于L型井，排采設(shè)備在現(xiàn)有水力射流泵和電潛螺桿泵應(yīng)用的同時(shí)，要積極研發(fā)適應(yīng)大井斜新型桿式泵和防煤粉及防氣的新型氣錨，配套可靠性高的抽油機(jī)，保證排采的低成本和長(zhǎng)期穩(wěn)定進(jìn)行。

3 結(jié) 論

1)井型和井身結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣高效經(jīng)濟(jì)開發(fā)起決定性作用。U型井是當(dāng)前技術(shù)最為成熟和高效的煤層氣開發(fā)井，L型井是未來極具推廣價(jià)值和潛力的井型。井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)保持水平井段井眼平滑，避免發(fā)生“U型管效應(yīng)”。U型井水平段井眼下傾，L型井水平段井眼上傾且施工導(dǎo)眼作為排采沉煤粉的“口袋”，排采設(shè)備應(yīng)位于水平井段的最低位，保證排水降壓的持續(xù)進(jìn)行。

2)低地應(yīng)力、埋深淺的高滲煤層，水平井的水平井段采用篩管完井，有效支撐井眼保持長(zhǎng)期的高導(dǎo)流能力。高地應(yīng)力、埋深大的低滲煤層，水平井的水平井段采用“套管水泥固井+分段密集多簇射孔+大規(guī)模水力壓裂”技術(shù)，在煤層中形成充分連通的水力縫網(wǎng)高速通道。

3)水平井的排采直井中，排采設(shè)備優(yōu)選可靠性高、低成本、易維護(hù)的“桿式泵+抽油機(jī)”組合，大力研發(fā)L型井新型桿式泵。實(shí)施智能化、精細(xì)化排采，嚴(yán)格管控“上產(chǎn)—穩(wěn)產(chǎn)”階段的排液速率，避免發(fā)生速敏和應(yīng)力敏感效應(yīng)，保證煤層氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。