新疆阜康礦區(qū)煤層氣雙管柱篩管完井機(jī)理與適用性研究

張 龍，王一兵，鮮保安，張亞飛，譚章龍，哈爾恒·吐爾松，孫 昊，王 冠，張錦濤

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作454003；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454003；3.河南省非常規(guī)能源地質(zhì)與開發(fā)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南焦作454003；4.河南理工大學(xué)煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南焦作454003；5.新疆科林思德新能源有限責(zé)任公司，新疆阜康831500；6.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100016）

新疆煤層氣資源十分豐富，根據(jù)自然資源部2005年開展的全國煤層氣資源評價(jià)結(jié)果可知，新疆主要煤層氣含氣盆地（群）預(yù)測埋深在2 000 m 以淺的煤層氣資源量約9.5×1012m3，約占全國預(yù)測總量的25 %，主要分布在準(zhǔn)噶爾、吐哈—三塘湖、塔里木和天山等盆地（群），開發(fā)前景廣闊[1-4]。阜康礦區(qū)地處準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，地形復(fù)雜，煤儲層褶皺、斷層發(fā)育，煤層傾角大，開發(fā)難度大[5-7]。研究和試驗(yàn)阜康礦區(qū)的煤層氣高產(chǎn)開發(fā)技術(shù)，不僅對阜康礦區(qū)煤層氣開發(fā)意義重大，而且對整個(gè)新疆的煤層氣開發(fā)同樣具有重要的技術(shù)引領(lǐng)作用和借鑒意義。

煤層氣完井技術(shù)作為煤層氣開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，也是影響煤層氣井產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。MAVOR 等[8]回顧了San Juan 盆地裸眼完井技術(shù)的應(yīng)用情況，提出了成功進(jìn)行裸眼完井的條件和進(jìn)一步拓寬應(yīng)用范圍的可能性。呂志凱等[9]綜合考慮井筒內(nèi)壓、原始地應(yīng)力分布、先壓水力裂縫的誘導(dǎo)應(yīng)力等因素，建立了射孔水平井壓裂起裂壓力計(jì)算模型；彪仿俊等[10]基于有限元方法，建立了套管完井（考慮水泥環(huán)及套管的存在）情況下井筒及地層的三維計(jì)算模型，并給出了實(shí)際壓裂施工中的螺旋射孔參數(shù)；楊剛等[11-17]探討超短半徑水平井篩管完井工藝可行性，優(yōu)化管柱組合，研究結(jié)果推進(jìn)了煤層氣超短半徑水平井工藝技術(shù)發(fā)展。阜康礦區(qū)煤層氣開發(fā)現(xiàn)今主要采用三開井身結(jié)構(gòu)搭配套管射孔完井、裸眼完井、篩管完井等完井方式，對阜康礦區(qū)存在的煤巖應(yīng)力敏感性高、鉆遇煤層易坍塌、完井滲透率傷害高、煤粉排出難等問題考慮不足。煤層氣雙管柱篩管完井技術(shù)實(shí)現(xiàn)完井與增產(chǎn)一體化，起到了防塌、防堵與消除傷害及增產(chǎn)的作用，對于阜康礦區(qū)煤層氣開發(fā)有著較高的適應(yīng)性。

阜康礦區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和煤層氣賦存條件制約著當(dāng)?shù)孛簩託忾_發(fā)，適應(yīng)當(dāng)?shù)靥厥鈼l件的完井技術(shù)對提高新疆阜康礦區(qū)煤層氣產(chǎn)量有著重要意義。

1 阜康礦區(qū)煤層氣地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)煤系地層

阜康地區(qū)主要含煤地層為侏羅系下統(tǒng)的八道灣組（J1b）和侏羅系中統(tǒng)西山窯組(J2x)，見表1。西山窯組煤層只在西部礦區(qū)發(fā)育，東部礦區(qū)和中部礦區(qū)該套地層已經(jīng)出露被剝蝕[6]。八道灣組煤層是主要煤層發(fā)育段，目前是西部礦區(qū)主要開采目的層。西部礦區(qū)的主力煤層為西山窯組（J2x）的43 號和45 號煤c層；八道灣組三段（J1b3）A2 煤層和八道灣組二段（J1b2）的A5 煤層。東部礦區(qū)主要發(fā)育八道灣組一段（J1b1）的41 號、42 號和43 號煤層。礦區(qū)中部主要發(fā)育八道灣組一段（J1b1）42號煤層，厚度1.01～33.17 m，煤層平均厚度11.29 m。煤層埋深以八道灣組A2 與A5 為例，兩者埋深均在1 000 m 以淺。但A5 煤層的實(shí)鉆深度與測井資料解釋差異較大。

表1 阜康礦區(qū)煤系地層主采煤層Table 1 Main coal recovery strata in Fukang mining area

1.2 區(qū)域構(gòu)造特征

西部礦區(qū)主要控煤構(gòu)造為阜康向斜。阜康向斜西起大草灘，向東延伸至四工河一帶，該向斜兩翼不對稱，南翼地層陡（60°～74°），北翼緩（40°～60°）。

東部礦區(qū)主要控煤構(gòu)造為黃山—二工河向斜。黃山—二工河向斜整體為一倒轉(zhuǎn)向斜，該向斜從沙溝開始向東延伸至區(qū)外。向斜北翼南傾，傾角45°～55°，南翼北傾，多數(shù)地區(qū)倒轉(zhuǎn)，傾角65°～80°，局部甚至達(dá)到85°。

在中部礦區(qū)發(fā)育一系列由礦區(qū)邊界斷層——妖魔山逆斷層和阜康逆掩斷層衍生出來的平移斷層和大角度的仰沖逆斷層，構(gòu)造復(fù)雜，地層產(chǎn)狀陡峭[18]。

2 雙管柱篩管完井技術(shù)機(jī)理及適用性研究

2.1 雙管柱篩管完井增產(chǎn)機(jī)理

2.1.1 雙管柱篩管完井管串結(jié)構(gòu)及完井方法

煤層氣水平井雙層篩管系統(tǒng)包括外層篩管柱與內(nèi)層沖洗管柱（圖1），外層管柱為篩管系統(tǒng)，包括旋流引鞋、盲管、密封筒、篩管、懸掛器、鉆桿，主要是篩管起到支撐井壁的作用，建立水平井筒排液的永久性通道，確保煤層氣排采不受井筒坍塌的影響，實(shí)現(xiàn)煤層氣水平井的穩(wěn)定排采。內(nèi)層管柱為洗井系統(tǒng)，包括拋光管、沖管、懸掛器、鉆桿。外層篩管系統(tǒng)具有支撐井壁、控制煤粉、沖洗導(dǎo)流的作用。

圖1 雙管柱篩管完井結(jié)構(gòu)Fig.1 Completion structure of double string screen pipe

鉆桿通過旋轉(zhuǎn)接頭與懸掛器上端總成連接，并將懸掛器、篩管及沖管送至設(shè)計(jì)懸掛器位置，然后通過投球?qū)崿F(xiàn)懸掛器與技術(shù)套管內(nèi)壁坐封，繼續(xù)使用液壓或機(jī)械丟手實(shí)現(xiàn)懸掛器懸掛裝置與連接總成脫離，懸掛器懸掛裝置及篩管固定于井筒內(nèi)，鉆桿拖動(dòng)懸掛器總成及沖管進(jìn)行洗井作業(yè)，洗井液從沖洗管出口再通過篩管孔眼沖刷井壁，上下拖動(dòng)鉆具進(jìn)行分段動(dòng)態(tài)沖刷井壁（每段20～30 m），可在鉆井過程中煤儲層坍塌嚴(yán)重位置進(jìn)行定點(diǎn)多次洗井，以清除過多的煤粉，沖洗的煤粉隨洗井液經(jīng)內(nèi)部管柱系統(tǒng)與外部管柱系統(tǒng)間的環(huán)空返排至井口，也可以促使碎軟煤層進(jìn)一步坍塌，連通更多的微裂隙。

2.1.2 水力沖擊作用

利用水力沖蝕作用消除井壁1～5 mm 厚的泥餅帶，再利用水力噴射高壓逐步消除沖洗帶與過渡帶煤巖裂縫中殘留的鉆井液，疏通井壁附近煤層原始裂隙。煤巖儲層滲透率的恢復(fù)率76%～80%左右，降低地層流體進(jìn)入井筒的壓力損耗，有利于提高煤層氣采出率，效果示意見圖2。以鄭莊區(qū)塊A 井3 號煤層為例，利用等溫曲線法預(yù)測煤層氣采收率，煤層原始含氣量（v）為25 m3/t，蘭氏壓力（pL）為2.0 MPa，蘭氏體積（vL）為35 m3/t，參照傳統(tǒng)完井方式的煤層氣井棄井壓力假設(shè)為1.0 MPa，含氣量為10.5 m3/t 時(shí)對應(yīng)的按照式（1）計(jì)算煤層氣采收率為46.7%；采用無固井相鉆井液配合洗井作業(yè)后地層流體進(jìn)入井筒的壓力損耗為洗井前的80%，臨界解吸壓力為4.0 MPa，此時(shí)煤層氣采收率提高至66.7%。

圖2 煤儲層傷害范圍剖面Fig.2 Cross-sectional view of damage range of coal reservoirs

式中：Rf為煤層氣采收率，%；pad為枯竭壓力，MPa；pL為蘭氏壓力，MPa；pcd為臨界解吸壓力，MPa；；vL為蘭氏體積，m3；v為原始含氣量，m3/t。

2.1.3 清除煤粉

基于煤粉粒徑分布規(guī)律及顆粒架橋防砂機(jī)理，對篩管規(guī)格參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)煤層有效孔隙度確定布孔密度及方式，結(jié)合室內(nèi)力學(xué)測試校核篩管強(qiáng)度，并對篩孔尺寸、布孔密度及方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得到有效控制煤粉的孔、縫組合篩管，能夠保證擋住大顆粒煤，并使微小煤顆?？梢源┻^篩管孔縫，維持穩(wěn)定排采通道，為穩(wěn)產(chǎn)提供保障[19]。

2.1.4 鉆井液化學(xué)破膠

完井時(shí)在水平段井筒注入破膠劑，降解鉆井液中的增黏劑成分，沖洗井壁與井筒的殘留濾餅、煤泥，減輕鉆井液的傷害，恢復(fù)煤層原始滲透性與流體運(yùn)移通道，最大程度地為煤層氣解吸、運(yùn)移與產(chǎn)出提供暢通通道。

2.1.5 應(yīng)力增滲

應(yīng)用渦流噴射洗井工藝攜砂洗井技術(shù)，在傾角煤層，變壓力作用下實(shí)現(xiàn)部分煤層微裂縫啟裂，促使層理面煤巖在重力作用下發(fā)生滑動(dòng)，提高煤層導(dǎo)流能力（圖3）。利用煤巖弱面體結(jié)構(gòu)模型與斷裂力學(xué)原理，使煤巖面割理張開及端割理剪切滑動(dòng)，引起應(yīng)力變化起到增滲與增產(chǎn)的作用?？s短洗井時(shí)間，提高洗井效率。

圖3 層理面煤巖滑動(dòng)示意圖Fig.3 Sliding coal rock of laminar surface

沖洗過程中，煤巖層理間的摩擦系數(shù)降低，同時(shí)受到水流沖擊，煤巖在重力作用下克服摩擦阻力產(chǎn)生滑動(dòng)的趨勢或微小位移。

x軸方向產(chǎn)生滑動(dòng)的條件：

式中：G為煤巖所受重力，N；θ為層理面傾角，°；μ為煤巖層理面間摩擦系數(shù)。

2.2 適應(yīng)性研究

2.2.1 儲層煤體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

根據(jù)煤礦的井下觀察、取樣及地面煤層氣井取心調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：阜康礦區(qū)主力煤層煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，局部構(gòu)造煤發(fā)育。西部礦區(qū)及東部礦區(qū)，以原生結(jié)構(gòu)煤為主，以塊煤、碎裂煤為主，破壞程度輕，構(gòu)造煤不發(fā)育。中部礦區(qū)，構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，煤體破壞嚴(yán)重，以碎粒煤和碎裂煤為主，構(gòu)造煤發(fā)育。煤體結(jié)構(gòu)信息見表2。

表2 阜康礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)Table 2 Coal structures in Fukang mining area

沁水盆地煤層氣主采煤層為3 號煤、15 號煤。3 號煤以光亮型煤為主，其次為半光亮型，割理發(fā)育程度一般，整體較為破碎；而15號煤也以光亮—半光亮型煤為主，割理發(fā)育程度較好，較3號煤更發(fā)育，整體較為破碎。

煤層氣雙管柱篩管完井技術(shù)在沁水盆地3 號煤與15 號煤的成功應(yīng)用，說明了在阜康礦區(qū)西部礦區(qū)與東部礦物滲透率較高，煤體結(jié)構(gòu)較為完整的條件下，該技術(shù)有較高的應(yīng)用前景。

根據(jù)之前在阜康礦區(qū)所做的研究[5,20-21]，叢式井、順煤層井、L 型井單分支水平井、多分支水平井在阜康礦區(qū)均有應(yīng)用實(shí)例，未發(fā)現(xiàn)明顯的碎粒煤和糜棱煤。主力煤層較為完整的煤體結(jié)構(gòu)，煤巖內(nèi)發(fā)育的內(nèi)生裂隙和外生裂隙給雙管柱篩管完井改造作業(yè)提供了良好的改造環(huán)境。

2.2.2 儲層滲透率恢復(fù)優(yōu)勢

滲透率是煤層最為關(guān)鍵的參數(shù)，對煤層氣井的產(chǎn)能有顯著的影響。對阜康礦區(qū)煤樣進(jìn)行傷害實(shí)驗(yàn)，評價(jià)雙管柱篩管完井技術(shù)對儲層滲透率的影響，以及配套破膠劑的破膠能力。利用TCQT-III型低滲煤層氣相驅(qū)替增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置，鉆取阜康氣煤一井八道灣組A2 煤樣品，A2 煤層厚度3.66～32.61 m，平均19.10 m，該層為西部礦區(qū)煤層氣開發(fā)的主要目標(biāo)層。以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)測定了15塊巖心的滲透率。煤巖割理與層理結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖4 煤巖層理、割理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Coal rock stratigraphy and cleat structure

1）地層壓力確定

①地層孔隙壓力計(jì)算方法

伊頓法是目前常用的一種預(yù)測地層孔隙壓力的經(jīng)驗(yàn)方法，該方法綜合考慮了除壓實(shí)作用之外其他產(chǎn)生異常壓力的作用，并對比了大量的鉆井實(shí)測壓力與各種測井信息之間的關(guān)系，計(jì)算公式如下：采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則更為合適，計(jì)算公式如下：

式中：pP為地層孔隙壓力，MPa；pOBG為上覆地層壓力梯度，MPa/hm；ppn為正?？紫秹毫μ荻龋琈Pa/hm；R0為正常電阻率，Ω·m；Rn為測量電阻率，Ω·m；x為伊頓指數(shù)。

②地層坍塌壓力確定方法

井眼形成后井壁周圍的巖石將產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)井壁圍巖所受的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的差達(dá)到一定數(shù)值后，將形成剪切破壞，造成井眼坍塌，此時(shí)的鉆井液液柱形成的壓力即為地層坍塌壓力。根據(jù)理論分析結(jié)果，在小范圍的圍壓下，除去最脆弱的巖層外，

式中：pSFG為地層坍塌壓力，MPa；η為應(yīng)力非線性修正系數(shù)；σH為最大水平主應(yīng)力，MPa；σh為最小水平主應(yīng)力，MPa；τ為巖石黏聚力，MPa；K為最大應(yīng)力系數(shù)；α為Biot 彈性系數(shù)；pP為地層孔隙壓力，MPa。

③地層破裂壓力確定方法

破裂壓力是井眼裸露地層在井內(nèi)泥漿柱壓力作用下使其起裂或原有裂縫重新開啟的壓力，這是由于井內(nèi)泥漿密度過大使井壁巖石所受的周向應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度造成的。伊頓法計(jì)算破裂壓力，伊頓認(rèn)為地層類似彈性體，用泊松比把垂向應(yīng)力與水平應(yīng)力聯(lián)系起來，得出了地層破裂壓力的梯度公式如下：

式中：GDF為壓力梯度，MPa/hm；D為深度，m；v為泊松比；pOBG為上覆巖層壓力梯度，MPa/hm；pb為地層破裂壓力，MPa。

上覆巖層壓力和泊松比都隨深度而變化，因此，伊頓認(rèn)為地層破裂壓力梯度GDF也隨深度而變化。

④求解結(jié)果

以八道灣組A1至A5煤層為例，利用伊頓電阻率法進(jìn)行地層孔隙壓力計(jì)算（換算為鉆井液當(dāng)量密度，g/cm3）。計(jì)算的地層孔隙壓力為0.64～0.96 g/cm3。煤巖儲層定向井沿著最大水平地應(yīng)力方向水平鉆進(jìn)時(shí)，坍塌壓力為1.12 g/cm3，沿著最小水平地應(yīng)力方向水平鉆進(jìn)時(shí)，坍塌壓力為1.25 g/cm3。煤巖儲層定向井沿著最大水平地應(yīng)力方向水平鉆進(jìn)時(shí)，破裂壓力為0.9 g/cm3，沿著最小水平地應(yīng)力方向鉆進(jìn)時(shí)，破裂壓力為2.4 g/cm3。

2）樣品制備

①利用SC-50B 型立式取心機(jī)，鉆取阜康氣煤一井八道灣組A2 煤的樣品，鉆取圓柱狀巖樣(直徑2.5 cm，長5 cm)，常溫干燥。制備煤樣3 組，每組5 個(gè)樣，利用QM-1型巖心端面切磨二用機(jī)將鉆取的煤樣端面磨平。

②鉆井液配方：1 000 mL 水+50 g 土粉+18 g 磺化瀝青粉+10 g 增黏降失水劑+15 g 羧甲基纖維素（LV-CMC）+83 g甲酸鹽+20 g復(fù)合鹽。

本鉆井液體系通過抑制煤巖泥巖礦物水化膨脹以降低儲層傷害并有助于維持井壁穩(wěn)定。除鉆進(jìn)過程中煤巖被鉆頭破碎形成的巖屑外無外來固相物質(zhì)添加，避免外來固相顆粒對煤巖孔隙的堵塞，同時(shí)有利于提高煤巖機(jī)械鉆速。鉆進(jìn)過程中通過可降解稠化劑增加鉆井液體系的黏度以保證攜巖效果，在完鉆后使用破膠劑對鉆井液體系進(jìn)行破膠處理，并對高分子物質(zhì)進(jìn)行降解，處理后的流體性能接近清水，有利于釋放煤層產(chǎn)能。

3）實(shí)驗(yàn)方法與步驟

根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評價(jià)方法：SY/T 6540—2021》，建立了鉆井液室內(nèi)綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)方法。

①在模擬地層壓力條件下進(jìn)行煤儲層巖心氣相滲透率測定，測試驅(qū)替介質(zhì)為氦氣。

②在模擬地層壓力條件下進(jìn)行煤儲層巖心鉆井液傷害實(shí)驗(yàn)，鉆井液浸泡時(shí)間不低于72 h。

③去除外泥餅，在模擬地層壓力條件下再一次測定氣相滲透率，測試介質(zhì)為氮?dú)狻?/p>

4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過實(shí)驗(yàn)室完成了13 件樣品（2 件樣品損壞）的鉆井液傷害實(shí)驗(yàn)，傷害時(shí)間分別為1、2、3 h 測試煤巖樣品的滲透率。

煤巖巖心氣測滲透率的變化范圍較大，最小為0.053×10-3μm2，最大為41.42×10-3μm2，主要集中在（0.1～1.3）×10-3μm2，其中滲透率值較大的巖心都含有貫穿整個(gè)巖心的裂縫。完整煤巖巖心的滲透率峰值主要集中在（0.05～1.30）×10-3μm2。

通過分析圖5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，鉆井液對煤樣的滲透率降低幅度與煤樣初始滲透率的值成正比關(guān)系，對于滲透率高的地層，地層有效孔隙較大、較多，液體易侵入煤層，易受到傷害。鉆井液傷害集中在前2 h，因此，在鉆完井過程中，應(yīng)盡快對鉆井液處理，以減輕鉆井液對煤儲層的傷害。

圖5 煤巖樣品鉆井液傷害后滲透率變化曲線Fig.5 Changes of coal rock sample’s permeability after drilling fluid injury

雙管柱篩管完井技術(shù)利用內(nèi)層沖洗管柱泵送生物酶破膠液，與原井筒近井地帶的殘余鉆井液混合，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，分解鉆井液中的高分子增黏劑成分，可有效降低鉆井液對于煤巖的傷害。破膠10 min后，表觀黏度可以從（12.50～13.75）mPa·s 降低至（1.00～1.75）mPa·s，破膠率平均89.3%，破膠效果明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 鉆井液用生物酶破膠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Biological enzyme gel breaking experiment data sheet for drilling fluid

2.2.3 儲層孔裂隙拓展優(yōu)勢

煤巖在循壞動(dòng)載荷作用下，巖石顆粒不斷發(fā)生滑移及損傷變形，裂縫尖端區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，巖石強(qiáng)度指標(biāo)逐漸下降。在疊加效應(yīng)作用下，遞增到煤巖發(fā)生破裂的臨界值，引起煤巖發(fā)生不可逆的損傷破壞，產(chǎn)生新的裂縫，此過程取決于循環(huán)載荷的幅度與頻率，煤體中的原生裂隙（孔隙、層理、割理、節(jié)理等）發(fā)育豐富會加劇巖石損傷的進(jìn)一步演化，促進(jìn)煤巖內(nèi)部裂縫形成與連通，達(dá)到提高滲透性的效果[22-27]。雙管柱篩管完井技術(shù)對近井周圍煤巖產(chǎn)生交變載荷，瞬間高壓可弱化地應(yīng)力差對煤巖破裂及裂縫擴(kuò)展影響，循環(huán)沖擊致使煤巖產(chǎn)生應(yīng)力疲勞破壞，在井筒周圍煤巖產(chǎn)生徑向裂縫。

通過煤巖井筒壓力模擬裝置可以對煤樣施加圍壓及軸向壓力，對煤樣內(nèi)部施加壓力以達(dá)到模擬煤巖在地應(yīng)力狀態(tài)下井筒壓力對近井壁周圍煤巖應(yīng)力干擾及對煤巖裂縫的影響。對實(shí)驗(yàn)前后的煤樣進(jìn)行CT 掃描，測得煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)和礦物組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4、圖6。

表4 煤樣樣品實(shí)驗(yàn)前后孔隙率對照Table 4 Porosity control before and after coal sample experiments

圖6 5號樣品循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)效果Fig.6 effect of cyclic loading experiment of No.5 sample

由表4可以看出，煤巖樣品在循環(huán)載荷作用后，孔隙體積均有提升，其中2號樣品提升最多201.65 mm3，孔隙率提高0.2%。5號樣品在實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生次生裂隙，原生裂隙一部分相連通，孔隙體積增加，由1 647 mm3增大至1 830 mm3，煤巖孔隙體積、滲透率得到改善（圖6）。

雙管柱篩管完井技術(shù)沖洗井壁過程中，泵壓變化，一方面完井液高壓水力循環(huán)攜帶煤粉，減輕近井地帶煤粉堆積傷害。依靠沖洗管內(nèi)的完井液，形成高壓水射流清洗井壁近井地帶裂隙的煤粉，并攜帶出井筒，清除殘留井壁附近的煤粉顆粒；另一方面沖洗過程泵壓變化，引起煤層井壁附近應(yīng)力變化，引起煤巖原生裂隙受到周期性的拉應(yīng)力（σt）與剪應(yīng)力（τn）作用，導(dǎo)致煤層井壁附近原生微裂隙反復(fù)張開與剪切滑移（圖7）。

圖7 阜康礦區(qū)近井地帶煤層應(yīng)力變化增滲作用示意圖Fig.7 Permeability increasing effect of coal seam stress change in the near well area of Fukang mining area

2.2.4 儲層構(gòu)造優(yōu)勢

阜康礦區(qū)所處的準(zhǔn)噶爾盆地位于新疆北部，在經(jīng)歷了海西、印支、燕山等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，盆緣山體隆升，多期次山前地帶的基底卷入式逆沖作用，形成了大傾角煤層典型構(gòu)造特征[21]。準(zhǔn)噶爾盆地特殊的煤層氣成藏地質(zhì)條件，帶來的是儲層流體運(yùn)動(dòng)方式、儲層應(yīng)力狀態(tài)在較小空間內(nèi)隨深度快速變化的問題。吳斌等[28]系統(tǒng)總結(jié)了新疆庫拜煤田煤層氣開發(fā)利用先導(dǎo)性試驗(yàn)區(qū)井型的探索經(jīng)驗(yàn)，說明了適合示范區(qū)大規(guī)模開發(fā)煤層氣的叢式井和L 型水平井的優(yōu)缺點(diǎn)，提出大傾角、厚煤層斷塞流引起的煤粉卡泵問題。蒲一帆等[29]優(yōu)選煤巖力學(xué)性質(zhì)、有效壓裂厚度、煤體破碎程度、臨儲壓力比和試井滲透率5 個(gè)評價(jià)指標(biāo)，對新疆阜康地區(qū)多煤層組合條件下開發(fā)層段評價(jià)優(yōu)選。四工河礦區(qū)不同構(gòu)造部位煤層含氣量明顯不同，白楊河礦區(qū)破碎程度越高，氣井產(chǎn)氣量越低。王生維等[30]開展了白楊河礦區(qū)急傾斜煤層條件下直井與順層井的開發(fā)對比研究，發(fā)現(xiàn)了固相物易集中匯聚并堵塞運(yùn)移通道且儲層壓降傳遞緩慢的問題。

雙管柱篩管完井技術(shù)可適應(yīng)新疆阜康礦區(qū)特殊的煤層氣地質(zhì)構(gòu)造條件，雙管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：①長期支撐井壁；②降低因堵塞帶來的施工壓力增高的問題；③攜帶煤粉返排，避免卡泵。

3 雙管柱篩管完井技術(shù)展望

煤層氣水平井雙管柱篩管完井技術(shù)是一項(xiàng)成本低，集完井增產(chǎn)一體化的技術(shù)。之前關(guān)于普通篩管完井技術(shù)的研究指出，普通篩管完井雖然具有穩(wěn)定性好，后期可重入，可改造作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，但還存在可控范圍小，煤儲層改造范圍有限的缺點(diǎn)[20,31-34]。截至2021年底，雙管柱篩管完井技術(shù)推廣應(yīng)用400 多口煤層氣水平井，根據(jù)中國石油華北油田在山西沁水盆地3 號煤層實(shí)施的煤層氣井產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)情況[34]，采用普通篩管完井的水平井49 口，平均穩(wěn)定日產(chǎn)氣量3 527 m3；套管完井的L 型水平井共18 口，平均穩(wěn)定日產(chǎn)氣量6 051 m3；魚骨狀水平井6 口，完井方式為主支篩管，分支裸眼，平均穩(wěn)定日產(chǎn)氣量4 537 m3。水平井雙管柱篩管完井技術(shù)已在沁水盆地南部得到推廣應(yīng)用，首先在3 號煤層試驗(yàn)成功，平均單井日產(chǎn)量20 000～22 000 m3，逐步推廣到15號煤層，15號煤層氣日產(chǎn)量平均10 000～12 000 m3，其中一口井最高日產(chǎn)量已經(jīng)超過40 000 m3，雙管柱篩管完井水平井平均日產(chǎn)氣量是其他完井類型水平井平均日產(chǎn)氣量的2～7倍，單井穩(wěn)定日產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)周期均有大幅提升。其中沁水盆地柿莊南區(qū)域因地質(zhì)構(gòu)造影響，局部煤層發(fā)生褶皺，存在一個(gè)較陡單斜構(gòu)造，煤層厚度大，埋深適中，與阜康礦區(qū)條件類似。雙管柱篩管完井技術(shù)在柿莊南區(qū)域的又一成功應(yīng)用，說明雙管柱篩管完井技術(shù)對阜康礦區(qū)大傾角厚煤層煤層氣開采具有借鑒意義?；诟房档V區(qū)的煤層氣資源前景與地質(zhì)條件的復(fù)雜性和非均質(zhì)性，雙管柱篩管完井技術(shù)兼顧煤層水平井眼鉆完井與排采系統(tǒng)工程的井壁穩(wěn)定性、儲層保護(hù)與輔助增產(chǎn)，將是阜康礦區(qū)煤層氣水平井開發(fā)技術(shù)的必要補(bǔ)充與完善，也將對提高阜康礦區(qū)煤層氣水平井開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益提供積極作用。

4 結(jié)論

1）雙管柱篩管完井技術(shù)可為阜康區(qū)塊煤層氣產(chǎn)出提供了穩(wěn)定通道，射流洗井與增滲技術(shù)能夠有效減輕鉆井液對煤儲層的傷害，有利于恢復(fù)煤儲層的產(chǎn)能，提高單井產(chǎn)量。增產(chǎn)機(jī)理按照作用大小主要有4 個(gè)方面：①洗井去除泥餅；②完井液沖洗煤粉；③對鉆井液的化學(xué)破膠；④沖洗過程中泵壓變化，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力增滲。

2）從儲層煤體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢、儲層滲透率恢復(fù)優(yōu)勢、儲層孔裂隙拓展優(yōu)勢、儲層構(gòu)造優(yōu)勢4個(gè)方面，解釋了阜康礦區(qū)特殊的煤層氣地質(zhì)特征，分析了雙管柱篩管完井技術(shù)在阜康礦區(qū)的適用性，說明了雙管柱篩管完井技術(shù)適應(yīng)于阜康礦區(qū)煤層氣開發(fā)，具有較大的發(fā)展前景。

3）新疆豐富的煤層氣資源需要合適的煤層氣地質(zhì)工程一體化開發(fā)技術(shù)支持，阜康礦區(qū)具有的高陡構(gòu)造、多煤層、厚煤層特征，需要煤層氣工作者對阜康礦區(qū)煤儲層與鉆井、完井、增產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)深入研究，挖掘新疆煤層氣的巨大產(chǎn)能潛力，盡早實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)新疆阜康煤層氣。