滇東黔西煤層氣開發(fā)技術(shù)及先導(dǎo)性試驗(yàn)*

孫晗森 秦 勇 陸小霞 吳財(cái)芳 張 平 王海僑 楊兆彪 程 璐 馬騰飛

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 江蘇徐州 221008；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100016)

滇東黔西地區(qū)煤層氣資源約占全國煤層氣資源量的10%，在中國煤層氣資源開發(fā)中具有重要區(qū)位優(yōu)勢[1]。通過近30年來的攻關(guān)研究實(shí)踐，前人對(duì)該區(qū)煤層氣構(gòu)造、沉積特征、煤層氣富集規(guī)律、物性特征、流體作用等有了初步認(rèn)識(shí)[2-6]。但是，整體而言，滇東黔西地區(qū)煤層氣勘探程度較低，針對(duì)中小型向斜構(gòu)造發(fā)育區(qū)的煤層氣有利區(qū)和開發(fā)甜點(diǎn)區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)缺乏；地應(yīng)力高，煤體結(jié)構(gòu)變化大、煤層多而薄、多系統(tǒng)疊置，開發(fā)地質(zhì)單元?jiǎng)澐旨伴_發(fā)方式優(yōu)化選擇面臨巨大挑戰(zhàn)；所處云貴高原相對(duì)高差大，地形復(fù)雜，施工條件差，儲(chǔ)層地質(zhì)條件特殊，煤儲(chǔ)層易塌易漏，鉆井風(fēng)險(xiǎn)大、井下事故頻發(fā)，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)高效的鉆完井和增產(chǎn)改造技術(shù)有待研發(fā)；多煤層疊置含氣系統(tǒng)評(píng)價(jià)技術(shù)和開采規(guī)律研究較少，各含氣系統(tǒng)解吸滲流規(guī)律不明，排采效果差異很大，相應(yīng)的排采技術(shù)需要探索[7-8]。因此，全面認(rèn)識(shí)該區(qū)的地質(zhì)及煤儲(chǔ)層含氣系統(tǒng)特征，優(yōu)選勘探開發(fā)甜點(diǎn)區(qū)，建立一套適合該區(qū)的高效鉆完井技術(shù)、排采工藝，解放該區(qū)巨大的煤層氣資源量，對(duì)中國的煤層氣發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文總結(jié)了“十三五”期間取得的研究進(jìn)展，重點(diǎn)對(duì)多薄煤層選區(qū)選段技術(shù)、疊置含氣系統(tǒng)劃分與開發(fā)技術(shù)、易塌易漏地層鉆完井及儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)、多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層高效改造技術(shù)、多層合采耦合及自適應(yīng)排采技術(shù)等5方面的主要成果及應(yīng)用情況進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，以期為該區(qū)下一步商業(yè)開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 滇東黔西地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造特征

研究區(qū)位于滇東黔西黔南坳陷西南部，處在揚(yáng)子地塊南緣周緣盆-山構(gòu)造和揚(yáng)子準(zhǔn)克拉通的交接部位，南部以南盤江斷裂帶為界與南盤江凹陷相連，北西側(cè)與滇東-黔中隆起相接，北東側(cè)以水城-紫云斷裂毗鄰(圖1)。研究區(qū)所在的黔南坳陷是一個(gè)海西晚期至印支期的坳陷，石炭系、二疊系和三疊系發(fā)育完整，厚度達(dá)6 000 m左右；坳陷內(nèi)部缺失奧陶系，志留系直接覆蓋在寒武系之上。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖

研究區(qū)自晚二疊世煤系形成以來主要經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，其中燕山期和喜馬拉雅期強(qiáng)烈的兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)本區(qū)的影響最為顯著。研究區(qū)的構(gòu)造格局及變形主要表現(xiàn)為“帶塊相間變形、復(fù)雜形態(tài)組合、局部變形強(qiáng)烈、基底斷裂控制、多期疊加演化”的總體特征，形成了近30個(gè)次級(jí)向斜構(gòu)造單元[9](圖2)。

圖2 研究區(qū)構(gòu)造單元分布圖

1.2 區(qū)域地應(yīng)力特征

滇東黔西地區(qū)位于歐亞和印度兩大板塊會(huì)聚、消減、相互作用的邊緣地帶，是中國大陸內(nèi)部地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一，由于其特殊的構(gòu)造部位和強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)，使得該地區(qū)應(yīng)力分布錯(cuò)綜復(fù)雜。滇東黔西地區(qū)地應(yīng)力作用方向以NW—SE向?yàn)橹鱗10-11]。據(jù)川滇應(yīng)力區(qū)和桂西地區(qū)震源機(jī)制解釋結(jié)果，本區(qū)最大主應(yīng)力方向主要為NW、NWW向。中國現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場亦反映本區(qū)最大應(yīng)力方向?yàn)榻麼W—SE向，這與現(xiàn)場測試結(jié)果一致。黔西地區(qū)黔水參1井、楊梅參1井微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果顯示，裂縫方位為北東42°～49°，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W—SE向。

1.3 煤儲(chǔ)層特征

滇東黔西地區(qū)煤層分別形成于中泥盆世、早石炭世、早二疊世、晚二疊世、晚三疊世和新近紀(jì)。晚二疊世是滇東地區(qū)最重要的聚煤期之一，含煤8～20層，煤層總厚度最大可達(dá)30余米，包含龍?zhí)镀诤烷L興期兩個(gè)成煤期[12]。晚二疊世沉積環(huán)境為海陸交互相，氧化性較強(qiáng)，宏觀煤巖類型以半暗煤和半亮煤為主，暗淡煤次之。顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量介于41.7%～89.71%；惰質(zhì)組次之，含量為2.4%～46.7%；無機(jī)組分含量為0.8%～27.3%。滇東黔西地區(qū)各礦區(qū)原煤灰分產(chǎn)率平均為8.76%～37.37%。煤種齊全，從氣煤到無煙煤都有分布，但主要以高變質(zhì)煙煤為主。

2 多薄煤層選區(qū)選段技術(shù)

在滇東黔西地區(qū)含煤性、含氣性等相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用關(guān)鍵要素遞階優(yōu)選法，選取合理參數(shù)，按照先平面、后垂向的思路，建立了適于多煤層發(fā)育區(qū)的煤層氣開發(fā)甜點(diǎn)區(qū)段優(yōu)選指標(biāo)體系。

1)有利區(qū)優(yōu)選。

有利區(qū)優(yōu)選是指從眾多的次級(jí)向斜或含煤盆地中優(yōu)選出有利于煤層氣開發(fā)的向斜或盆地，重點(diǎn)考慮資源條件。資源條件包括資源量和資源豐度。其中，資源量又包含地質(zhì)資源量和可采資源量，決定開發(fā)潛力與規(guī)模。資源豐度決定富集程度。因此，本文將地質(zhì)資源量、地質(zhì)資源豐度和可采資源量作為煤層氣有利區(qū)優(yōu)選的3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。此外，滇東黔西地區(qū)煤層氣實(shí)際開發(fā)深度一般在1 000 m以淺。因此，在煤層氣有利區(qū)優(yōu)選過程中，將1 000 m以淺的可采地質(zhì)資源量作為輔助指標(biāo)或參考指標(biāo)進(jìn)行考慮。采用 “關(guān)鍵要素遞階優(yōu)選” + “一票否決”的方法對(duì)煤層氣有利區(qū)進(jìn)行優(yōu)選。優(yōu)選要素的排序?yàn)槊簩託獾刭|(zhì)資源量及資源豐度—煤層氣資源可采性—埋深1 000 m以淺地質(zhì)資源量。根據(jù)遞階優(yōu)選的原理，在優(yōu)選出的礦區(qū)中確定最有利區(qū)、較有利區(qū)以及不利區(qū)。

2)甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選。

甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選是在已選出的有利區(qū)內(nèi)進(jìn)一步精選，即在有利區(qū)范圍內(nèi)尋找煤層氣開發(fā)的“靶區(qū)”，重點(diǎn)考慮構(gòu)造地質(zhì)條件。構(gòu)造復(fù)雜程度是影響本區(qū)煤層氣開發(fā)的重要因素，且與煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、滲透率等密切相關(guān)，并可通過斷層分維值、構(gòu)造曲率進(jìn)行表征。埋深影響地應(yīng)力大小，包括最大、最小、垂向主應(yīng)力，進(jìn)而影響煤層其他地質(zhì)參數(shù)。隨著埋深增大，應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)換，由水平主應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榇瓜蛑鲬?yīng)力。滇東黔西地區(qū)地形變化較大，影響施工難易程度，因此，在甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選時(shí)須將地形地貌作為參考指標(biāo)。

3)甜點(diǎn)段優(yōu)選。

甜點(diǎn)段優(yōu)選是針對(duì)滇東黔西地區(qū)多套疊置煤層提出的優(yōu)選體系，即在垂向上優(yōu)選有利層段，重點(diǎn)考慮開發(fā)地質(zhì)條件。影響煤層氣開發(fā)的主要因素有：含氣量、含氣飽和度、滲透率、煤體結(jié)構(gòu)、臨界解吸壓力、儲(chǔ)層壓力、煤巖力學(xué)性質(zhì)等。結(jié)合滇東黔西地區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造情況和多煤層、薄煤層發(fā)育的特點(diǎn)，選擇多煤層合層開發(fā)最具可行性。合采需考慮各層之間的壓力差異、滲透率差異、層間距等。因此，在甜點(diǎn)段優(yōu)選階段優(yōu)選的主要指標(biāo)為：煤體結(jié)構(gòu)、單層含氣飽和度、臨界解吸壓力差、儲(chǔ)層壓力梯度差、煤巖力學(xué)性質(zhì)、滲透率比值、最大層間距、單層含氣量。綜合有利區(qū)、甜點(diǎn)區(qū)、甜點(diǎn)段優(yōu)選，形成三級(jí)指標(biāo)體系(圖3)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合單井資料及綜合地質(zhì)分析，對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行量化，形成量化指標(biāo)體系(表1)，為該區(qū)的選區(qū)選段提供支撐。

圖3 滇東黔西地區(qū)煤層氣地質(zhì)選區(qū)指標(biāo)體系

表1 滇東黔西地區(qū)煤層氣地質(zhì)選區(qū)指標(biāo)參數(shù)

3 疊置含氣系統(tǒng)描述與開發(fā)技術(shù)

滇東黔西地區(qū)煤層氣勘探與開發(fā)試驗(yàn)井獲得工業(yè)性氣流突破的井極少，少數(shù)井不產(chǎn)氣，多數(shù)井低產(chǎn)，高產(chǎn)井產(chǎn)能普遍衰減過快。這一現(xiàn)狀指示該區(qū)煤層氣開采地質(zhì)條件和工藝技術(shù)更為復(fù)雜，缺乏明確的產(chǎn)層組合設(shè)計(jì)依據(jù)和方法，且中國北方乃至國外行之有效的煤層氣常規(guī)開發(fā)技術(shù)在該區(qū)無法適用。滇東黔西地區(qū)煤層多且相對(duì)較薄，頻繁交互的海陸相煤系沉積在垂向上形成了多套疊置含氣系統(tǒng)，巖性組合復(fù)雜。各煤層的厚度、含氣量、滲透率、儲(chǔ)層壓力等存在一定差異，如何合理選取產(chǎn)層組合及相匹配的開發(fā)方式是目前的難點(diǎn)。

3.1 動(dòng)靜態(tài)集成分析的煤層氣合采產(chǎn)層組優(yōu)選技術(shù)

以氣井產(chǎn)能方程為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了主產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)、擴(kuò)展指數(shù)、產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)3個(gè)參數(shù)，耦合主產(chǎn)層優(yōu)選(評(píng)價(jià)產(chǎn)層潛能)、產(chǎn)層擴(kuò)展優(yōu)選(考慮次要產(chǎn)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn))與產(chǎn)層貢獻(xiàn)指數(shù)(評(píng)價(jià)產(chǎn)層組開發(fā)經(jīng)濟(jì)性)3個(gè)步驟，結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層壓力差、產(chǎn)氣貢獻(xiàn)3參數(shù)“一票否決”約束，建立“三步三參數(shù)約束”的產(chǎn)層組優(yōu)化選擇方法，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巖性組合條件下的煤層氣合采產(chǎn)層組優(yōu)選[13-14](圖4)。

圖4 煤層氣合采產(chǎn)層組“三步三參數(shù)約束”優(yōu)選參數(shù)與流程

第1步，合采系統(tǒng)主力產(chǎn)層優(yōu)選。影響煤層氣井產(chǎn)能的原始物性參數(shù)主要是煤層厚度、滲透率、含氣量及儲(chǔ)層壓力。煤層氣開發(fā)實(shí)踐證實(shí)，現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)條件下，煤體結(jié)構(gòu)為碎粒煤及糜棱煤時(shí)，開發(fā)效果較差。因此，煤體結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵因素，當(dāng)多煤層條件下開發(fā)煤層為碎粒煤及糜棱煤時(shí)，建議“一票否決”?？紤]煤體結(jié)構(gòu)因素，以煤層氣井產(chǎn)能方程[15]為基礎(chǔ)，提出合采產(chǎn)層組優(yōu)選的第1個(gè)參數(shù)，即主產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)δ，其計(jì)算公式為

δ=HVKpS

(1)

式(1)中：δ為主產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)，10-15m6·MPa/t；H為煤層厚度，m；V為煤層含氣量，m3/t；K為煤層滲透率，mD；p為儲(chǔ)層壓力，MPa；S為煤體結(jié)構(gòu)系數(shù)，原生結(jié)構(gòu)煤或碎裂煤S=1，碎粒煤或糜棱煤S=0。根據(jù)上式計(jì)算，主產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)越大，產(chǎn)層潛在產(chǎn)能越大，則首選為主產(chǎn)層。

第2步，合采系統(tǒng)產(chǎn)層擴(kuò)展優(yōu)選。產(chǎn)層擴(kuò)展原則主要為保證主產(chǎn)層的主體地位以及產(chǎn)層組基本保證在一個(gè)流體壓力系統(tǒng)中。保證主產(chǎn)層的主體地位，即在一個(gè)產(chǎn)層組內(nèi)部依次開始產(chǎn)氣時(shí)，液面不能暴露主產(chǎn)層，以免造成對(duì)主產(chǎn)層的傷害。擴(kuò)展產(chǎn)層與主產(chǎn)層的壓力梯度差需小于0.1 MPa/100m。壓力梯度差過大，儲(chǔ)層能量較高的產(chǎn)層流體將通過井筒抑制低壓產(chǎn)層流體的產(chǎn)出，甚至在大壓差下向低壓儲(chǔ)層“倒灌”。

根據(jù)上述原則，提出多煤層合采的產(chǎn)層擴(kuò)展組合指數(shù)Ω：

Ω=dpc/(ρgh)

(2)

式(2)中：Ω為產(chǎn)層擴(kuò)展組合指數(shù)，無因次；d為系數(shù)，當(dāng)擴(kuò)展產(chǎn)層與主產(chǎn)層的壓力梯度差小于等于0.1 MPa/100 m時(shí)取值1.0，大于0.1 MPa/100 m時(shí)取值0；pc為臨界解吸壓力，MPa；ρ為產(chǎn)出水密度，103kg/m3；g為重力加速度，取值9.81 m/s2；h為其他擴(kuò)展產(chǎn)層與主產(chǎn)層的垂向間距，m。

當(dāng)產(chǎn)層擴(kuò)展組系數(shù)Ω大于等于1時(shí)，適宜擴(kuò)展組合；小于1時(shí)，則不適宜擴(kuò)展組合。

第3步，合采系統(tǒng)產(chǎn)能貢獻(xiàn)優(yōu)化。在穩(wěn)產(chǎn)階段，液面降至主產(chǎn)層頂板上部，套壓為0.05 MPa，此時(shí)主產(chǎn)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率應(yīng)在30%以上，而其他產(chǎn)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率最好在10%以上。若主產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)δ中不考慮開發(fā)工程影響系數(shù)，則各產(chǎn)層產(chǎn)氣潛能為

Qi=HiViKi(pi2-p0i2)

(3)

式(3)中：i為產(chǎn)層編號(hào)。其中，p0i=ρgh+pt。

則，產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)η計(jì)算公式為：

(4)

式(4)中：η為產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)，%；n為產(chǎn)層總數(shù)。除主產(chǎn)層之外，其他產(chǎn)層產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)η應(yīng)在10%以上，若低于10%則不宜加入組合。

3.2 產(chǎn)層組合及開發(fā)方式優(yōu)選

基于滇東黔西地區(qū)合采試驗(yàn)井生產(chǎn)歷史，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)及因素差異對(duì)比法，分析合采地質(zhì)條件特點(diǎn)，提出了該區(qū)煤層氣合采兼容性閾值及工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的地質(zhì)建議(表2)。對(duì)于產(chǎn)層組合的選擇，盡量不跨含氣系統(tǒng)，產(chǎn)層組埋深<800 m，最大跨度<60 m，產(chǎn)層累計(jì)厚度>6 m，產(chǎn)氣層數(shù)3～5層，優(yōu)選加權(quán)含氣飽和度高、飽和度差異系數(shù)小和壓力狀態(tài)差異系數(shù)小的產(chǎn)層組，同時(shí)高度關(guān)注產(chǎn)層組中各產(chǎn)層的均衡壓裂改造。

表2 黔西—滇東地區(qū)煤層氣合采產(chǎn)層組設(shè)計(jì)與排采管控措施優(yōu)化建議

基于國內(nèi)煤層氣工程探索得失、疊置煤層氣系統(tǒng)合采地質(zhì)兼容性研究等，提出了3個(gè)先導(dǎo)區(qū)煤層氣開發(fā)方式選擇建議，相關(guān)建議在黔西滇東地區(qū)具有普遍意義(表3)。直井/叢式井合采仍是區(qū)內(nèi)普遍適用的煤層氣開發(fā)首選技術(shù)，除了恩洪先導(dǎo)區(qū)之外，其他先導(dǎo)區(qū)乃至其他地區(qū)合采產(chǎn)層組應(yīng)該限制在同一煤層氣系統(tǒng)，還應(yīng)關(guān)注產(chǎn)層組空間特性、儲(chǔ)層屬性差異、儲(chǔ)層改造及排采控制條件等。建議黔西地區(qū)積極推動(dòng)單支水平井現(xiàn)場試驗(yàn)，首選頂板單層水平井技術(shù)，嘗試煤層單層水平井方式，探索頂板/夾層/煤層的多層水平井合采(產(chǎn)層組不跨含氣系統(tǒng))；滇東地區(qū)開展頂板/夾層多層水平井合采現(xiàn)場試驗(yàn)，其中老廠區(qū)塊產(chǎn)層組不跨含氣系統(tǒng)，恩洪區(qū)塊產(chǎn)層組在避免深度過大的前提下可適當(dāng)增大跨度。同時(shí)，恩洪區(qū)塊可嘗試直井/叢式井較大跨度層段連續(xù)油管壓裂合采技術(shù)。

表3 黔西—滇東地區(qū)先導(dǎo)區(qū)煤層氣開發(fā)方式選擇建議

上述技術(shù)應(yīng)用于滇東黔西地區(qū)14口先導(dǎo)試驗(yàn)井，11口井穩(wěn)產(chǎn)大于1 000 m3/d，驗(yàn)證符合率為78.6%(表4)。

表4 滇東黔西先導(dǎo)區(qū)合采兼容性符合率驗(yàn)證

4 易塌易漏地層鉆完井及儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)

4.1 地層漏失、井壁失穩(wěn)與儲(chǔ)層傷害機(jī)理

根據(jù)鉆井工程認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)井壁失穩(wěn)多發(fā)生在飛仙關(guān)組和龍?zhí)督M。飛仙關(guān)組泥巖較為發(fā)育，黏土礦物總含量高，以伊/蒙、綠/蒙混層為主，發(fā)生水化膨脹及水化分散能力強(qiáng)，容易發(fā)生井壁失穩(wěn)。龍?zhí)督M發(fā)育一套砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及泥巖夾煤層，砂泥巖頻繁互層，且互層段較長，泥巖遇水膨脹地層穩(wěn)定性差，在外力擾動(dòng)下，井壁極易失穩(wěn)垮塌。且煤層煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裂隙發(fā)育，煤層力學(xué)強(qiáng)度弱化，也易導(dǎo)致井壁垮塌失穩(wěn)。

針對(duì)煤儲(chǔ)層易破碎、排采共存等特性，建立了適合于滇東黔西破碎性煤層滲透性評(píng)價(jià)的 “氣液動(dòng)能等效”的流速敏感性評(píng)價(jià)方法以及“改進(jìn)回收率法”測定煤巖酸敏、堿敏、鹽水敏等特性[16]。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滇東黔西地區(qū)主力煤層為強(qiáng)酸敏、弱-中偏弱堿敏、弱-中偏弱鹽水敏、弱-中偏強(qiáng)液測速敏、強(qiáng)應(yīng)力敏感。

建立了高分辨三維CT掃描、微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡等傷害程度綜合定量評(píng)價(jià)方法，揭示了工作液傷害煤儲(chǔ)層機(jī)理：煤層裂縫寬度132～1 500 μm，濾液沿裂縫走向連續(xù)侵入，損害儲(chǔ)層(圖5)。

圖5 鉆井液侵入煤心傷害機(jī)理

根據(jù)上述地層漏失、井壁失穩(wěn)機(jī)理以及儲(chǔ)層傷害機(jī)理分析，確定了鉆完井液保護(hù)儲(chǔ)層基本原則：pH值≤9.5，礦化度≥2%，強(qiáng)化封堵，降低濾失，與地層壓差≤2 MPa。

4.2 新型低傷害強(qiáng)防塌鉆井液體系

自主研發(fā)的新型封堵防塌抑制劑(GFJ-1)，具有增黏降濾失的效果，以及良好的抑制性能，當(dāng)加量超過2%時(shí)可有效封堵煤巖，封堵率可達(dá)90%?；谶@種抑制劑，研制了上部地層防塌鉆井液體系和儲(chǔ)層段的無固相鉆井液體系。上部地層防塌鉆井液體系配方為：4%鈉土+1%封堵防塌抑制劑(GFJ-1)+1%銨鹽+2%羧甲基淀粉+0.4%聚丙烯酸鉀，該體系濾失量低，抑制性強(qiáng)，能有效防止地層失穩(wěn)，配制和維護(hù)方便。儲(chǔ)層段的無固相鉆井液體系配方為：水+1.5%封堵防塌抑制劑(GFJ-1)+0.4%聚丙烯酸鉀+1.0%成膜劑+3%褐煤樹脂+2%羧甲基淀粉，該體系具有較好流變性和濾失性。借助巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層段無固相鉆井液體系對(duì)煤層巖心的封堵效果，封堵率92.7%，滲透率恢復(fù)值90.3%(圖6)。

圖6 儲(chǔ)層段無固相鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)

自主研發(fā)的新型起泡穩(wěn)泡劑(ULIT-1)，具有較好的起泡效果，起泡量大，穩(wěn)泡時(shí)間長，且在煤層氣排液開采過程中易于脫附，有利于儲(chǔ)層保護(hù)[17]。基于這種起泡穩(wěn)泡劑，研制了新型低傷害微泡沫鉆井液體系：0.1%新型起泡穩(wěn)泡劑(ULIT-1)+0.2%十二烷基二甲基甜菜堿+0.3%生物聚合物+0.2%瓜膠+1%褐煤樹脂+1%銨鹽+ 0.2%聚丙烯酸鉀。相較于普通泡沫，微泡沫的水化膜較厚，性能更穩(wěn)定；微泡沫間呈分散排列，不存在Plateau邊界或受Plateau效應(yīng)影響小，性能更穩(wěn)定；微泡沫尺寸分布范圍廣(圖7)。該體系性能穩(wěn)定，低密度，抑制性強(qiáng)，抑制巖樣膨脹、分散，能將對(duì)巖心封堵率和返排后的滲透率恢復(fù)值都保持在90%以上，具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

圖7 微泡沫顯微鏡下照片(200倍)

應(yīng)用上述鉆井液對(duì)云南老廠煤層氣井進(jìn)行鉆進(jìn)，有效地降低了井徑擴(kuò)大率。煤系地層井徑平均擴(kuò)大率為8.87%，普通地層井徑平均擴(kuò)大率為4.98%(表5)。

表5 滇東地區(qū)老廠先導(dǎo)區(qū)井徑擴(kuò)大率統(tǒng)計(jì)表

4.3 強(qiáng)膠結(jié)低傷害固井液體系

研究出煤巖強(qiáng)粘附膠黏劑，通過在煤巖表面強(qiáng)粘附致密成膜，快速使煤巖變?yōu)閺?qiáng)親水性，與現(xiàn)有技術(shù)相比，煤巖-水泥石膠結(jié)強(qiáng)度提高60%。并基于此，確定了多功能前置液配方：清水+2.6%堵漏劑+5.6%填充劑+1.72%性能調(diào)節(jié)劑+8%乳膠類強(qiáng)化膠結(jié)劑(關(guān)鍵處理劑)，經(jīng)測試該種前置液體系親水潤濕改性快，其煤巖-水泥石膠結(jié)強(qiáng)度比現(xiàn)有技術(shù)提高了86.7%。

根據(jù)水泥漿對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害機(jī)理，創(chuàng)新性地提出“架橋+構(gòu)網(wǎng)+膠結(jié)+多級(jí)填充”的四位一體化封堵思想(圖8)，避免封堵材料的滑脫，有效減少水泥漿的侵入，降低水泥漿對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想，通過封堵材料粒徑、濃度以及外加劑的優(yōu)選，得到多級(jí)強(qiáng)黏結(jié)低密度塑性水泥漿配方：水泥+7.5%封堵材料+活性填料4%+0.3%纖維+10%環(huán)氧樹脂+2%納米液硅+1.0%降失水劑+0.5%分散劑。其具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，能保證水泥石環(huán)完整性。且侵入少，傷害小，對(duì)煤儲(chǔ)層傷害率比常規(guī)低密度固井平均減少30.55%(圖9)。固井液在現(xiàn)場應(yīng)用顯示CBL/VDL測井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率為95.38%、98.86%，煤層段二界面膠結(jié)優(yōu)質(zhì)。

圖8 低傷害水泥漿致密封堵原理

圖9 不同水泥漿對(duì)煤心傷害效果對(duì)比

5 多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層高效改造技術(shù)

5.1 多煤層速鉆橋塞分層與多級(jí)射孔聯(lián)作快速分層壓裂技術(shù)

基于地質(zhì)工程一體化思路，建立了多層疊置煤層壓裂方式優(yōu)化決策方法，并基于該方法采用Matlab工具開發(fā)了對(duì)應(yīng)的多層疊置含氣系統(tǒng)壓裂層組優(yōu)化決策軟件。以煤儲(chǔ)層壓力梯度和滲透率為地質(zhì)約束條件，對(duì)煤層進(jìn)行第1次和第2次劃分。在地質(zhì)劃分的基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同射孔位置煤層裂縫延伸情況進(jìn)行模擬，以最大限度提高產(chǎn)能為導(dǎo)向的第3次劃分。在上述劃分的基礎(chǔ)上，判斷該層組是否滿足現(xiàn)有封隔工具作業(yè)條件，進(jìn)行第4次劃分。優(yōu)選了速鉆橋塞分層與多級(jí)射孔聯(lián)作壓裂工藝，集成創(chuàng)新形成了多煤層快速分層壓裂技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了20口井應(yīng)用。圖10為速鉆橋塞分層與多級(jí)射孔聯(lián)作壓裂工具系統(tǒng)。

圖10 速鉆橋塞分層與多級(jí)射孔聯(lián)作壓裂工具系統(tǒng)

5.2 多級(jí)脈沖高壓氣動(dòng)力射孔誘導(dǎo)起裂壓裂技術(shù)

針對(duì)滇東地區(qū)地質(zhì)特征，提出高壓氣動(dòng)力誘導(dǎo)起裂，后續(xù)活性水壓裂或氮?dú)鈮毫蜒由炝芽p技術(shù)方案。復(fù)合射孔高壓氣動(dòng)力誘導(dǎo)起裂壓裂技術(shù)集射孔和高能氣體壓裂的優(yōu)點(diǎn)于一身，利用聚能射孔彈和壓裂火藥裝藥合理組合，產(chǎn)生了高能炸藥金屬射流、高溫高壓氣流的復(fù)合作用，可以有效消除射孔壓實(shí)帶，清除近井帶污染并產(chǎn)生多條誘導(dǎo)裂縫。設(shè)計(jì)了PerfoPlus多級(jí)脈沖復(fù)合射孔、PerfoFrac分體式復(fù)合射孔兩套射孔壓裂方案。

PerfoPlus多級(jí)脈沖復(fù)合射孔是在射孔槍內(nèi)裝配燃速不同的兩級(jí)壓裂火藥，兩發(fā)射孔彈之間裝配一級(jí)壓裂火藥(增效藥盒)，彈架上裝配二級(jí)壓裂火藥。兩級(jí)火藥在射孔槍內(nèi)被爆轟波點(diǎn)燃，燃燒后產(chǎn)生高溫高壓氣體脈沖，通過射孔槍上射孔和泄壓孔眼排出，作用于目標(biāo)地層，產(chǎn)生徑向誘導(dǎo)裂縫。

PerfoFrac分體式復(fù)合射孔是在射孔槍尾部下掛壓裂槍，火藥單元式裝配，可以實(shí)現(xiàn)裝藥量和不同燃速火藥靈活組合。通過爆轟轉(zhuǎn)燃燒控制技術(shù)點(diǎn)燃?jí)毫褬寖?nèi)火藥裝藥，燃燒后產(chǎn)生氣體通過壓裂槍上泄壓孔排出，作用于目標(biāo)地層，產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫。

云南老廠LC-C6井進(jìn)行多級(jí)脈沖高壓氣動(dòng)力射孔誘導(dǎo)起裂壓裂試驗(yàn)，注入壓裂液876.28 m3，石英砂57.21 m3；破裂壓力僅為18.19 MPa，有效降低了裂縫延伸壓力，保證了后期加砂壓裂成功。

5.3 弱含水煤層低傷害N2泡沫壓裂技術(shù)

針對(duì)已有泡沫壓裂液存在破膠困難、聚合物或天然大分子穩(wěn)泡劑對(duì)儲(chǔ)層傷害的缺點(diǎn)，以及沒有針對(duì)弱含水煤層的具有助解吸劑的泡沫壓裂液體系，在已有的泡沫壓裂液主體體系基礎(chǔ)上，篩選出助解吸劑、黏土穩(wěn)定劑、穩(wěn)泡劑等其他添加劑，從而得到低傷害的泡沫壓裂液體系，其配方為：1%LY-3-16(起泡劑)+0.5%LY-3-18(起泡劑)+0.5%XN-NT-20(防膨劑)+0.5%XN-ZJX-1(助解吸劑)+氮?dú)狻?/p>

通過對(duì)該低傷害泡沫壓裂液體系進(jìn)行相關(guān)性能的測試，發(fā)現(xiàn)這款泡沫壓裂液起泡體積大、半衰期長，懸砂性能較好，耐溫抗剪切性能、表面張力、防膨性能、縮膨性能等均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(表6)。這款泡沫壓裂液還具有3個(gè)顯著特點(diǎn)：一是引入了具有雙疏性質(zhì)的氟碳鏈，降低了甲烷、水分子吸附力，促進(jìn)了解吸，其助解吸率比常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩禾岣吡?1.26%；二是具有防膨和縮膨能力，對(duì)煤巖基質(zhì)的滲透率傷害率僅為-24.5%；三是試驗(yàn)井平均砂比達(dá)到18.4%。

表6 低傷害N2泡沫壓裂液性能參數(shù)

恩洪先導(dǎo)區(qū)EH-C6井宣威組21#、16#、7+8+9#煤層組采用“氮?dú)馀菽瓑毫岩?、電纜傳輸速鉆橋塞與多級(jí)射孔聯(lián)作”技術(shù)進(jìn)行了壓裂施工，三層累計(jì)注入壓裂液1 433.66 m3，液氮343.2 m3，泡沫質(zhì)量60%，石英砂126.23 m3(達(dá)到設(shè)計(jì)加砂量的105.2%)，平均砂比18.4%。

5.4 弱含水煤層前置液態(tài)二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)

研究發(fā)現(xiàn)微孔更有利于CO2在競爭吸附中占據(jù)優(yōu)勢地位，而大孔利于氣體擴(kuò)散，且CO2始終在擴(kuò)散中占優(yōu)勢。建立了考慮流-固-熱耦合的CO2壓裂三維裂縫擴(kuò)展模型，包含CO2壓裂井筒溫壓計(jì)算模型、縫內(nèi)流場計(jì)算模型以及應(yīng)力場模型。

自主研發(fā)的CO2與煤巖作用模擬裝置，研究CO2的注入時(shí)機(jī)對(duì)煤層的影響，研究發(fā)現(xiàn)相比后置CO2，前置CO2能增多、增寬煤的微裂隙及孔隙，且能有效提高煤的滲透率。

在借鑒以往CO2干法壓裂取得經(jīng)驗(yàn)效果的基礎(chǔ)上，通過前置液態(tài)CO2壓裂+活性水?dāng)y砂壓裂結(jié)合，提高近裂縫地層的能量，促進(jìn)煤巖裂縫的起裂和擴(kuò)展，減少壓裂液對(duì)煤層的傷害，促進(jìn)CH4的解吸，提高壓裂液的返排效率。

云南老廠先導(dǎo)區(qū)LC-C5井應(yīng)用前置CO2壓裂技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，共注入液態(tài)CO2213.36 m3，活性水壓裂液1 015.58 m3，石英砂33.47 m3；施工曲線及裂縫監(jiān)測表明：液態(tài)CO2注入有效溝通了割理及微裂隙，形成了復(fù)雜裂縫；裂縫長度230 m，裂縫網(wǎng)絡(luò)寬度150 m，裂縫體積(SRV)572 800 m3。

6 多層合采耦合及自適應(yīng)排采技術(shù)

6.1 多層合采全過程流動(dòng)模型的建立

為了解決現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置不能準(zhǔn)確表征多個(gè)油氣層之間的流體運(yùn)移情況的問題，針對(duì)滇東黔西地區(qū)煤層發(fā)育與多層合采的特點(diǎn)，研發(fā)了一種多煤層開發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置包括：軸壓加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、采氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖11)。該多煤層開發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置能夠建立3個(gè)產(chǎn)層煤層并根據(jù)滇東黔西地區(qū)實(shí)際煤層特征為每個(gè)煤層單獨(dú)施加軸壓和圍壓，從而真實(shí)模擬多煤層煤層氣合采過程中氣體在多煤層中的運(yùn)移過程，監(jiān)測在不同的煤巖物性、不同入口壓力、不同出口壓力條件下，氣體在多煤層層內(nèi)和層間的流動(dòng)情況。

圖11 多煤層組合開發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

針對(duì)滇東黔西地區(qū)煤層弱含水特點(diǎn)，在大量物理模擬的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析回歸，落實(shí)動(dòng)態(tài)滲透率模型、氣水競爭吸附模型和氣水相滲模型[18-19]中的儲(chǔ)層特性參數(shù)，揭示了弱含水環(huán)境煤層內(nèi)氣水流動(dòng)特征，滲透率擬合精度提高了約7%。

動(dòng)態(tài)滲透率模型為排采過程中的儲(chǔ)層狀態(tài)分析提供了可靠的方法，氣水競爭吸附模型與氣水相滲模型為不同階段的排采制度的設(shè)計(jì)與分析提供了直接依據(jù)。

6.2 高精度自適應(yīng)排采管控技術(shù)

依托于改進(jìn)的3個(gè)核心計(jì)算模型，根據(jù)排采過程中壓降擴(kuò)散與流體流動(dòng)的基本規(guī)律，形成了針對(duì)弱含水煤層氣井的 “三段三控”排采工作制度方案和排采初期“三步排水法” 控水排采優(yōu)化技術(shù)?！叭稳亍奔?，在初始排水階段控液生產(chǎn)，見套壓后既要控制產(chǎn)液也要控制套壓，當(dāng)產(chǎn)量開始遞減且液面下降時(shí)采取控套生產(chǎn)的措施。其中初始排水控液階段，需分3步走，第1步快速排水，使得地層壓力保持平衡；第2步控制排水速度，穩(wěn)定擴(kuò)展壓降漏斗；第3步緩慢排水，防止套壓突然上升。

對(duì)煤層氣井來說，壓降漏斗能夠持續(xù)、穩(wěn)定地?cái)U(kuò)展是產(chǎn)氣的基礎(chǔ)。在煤層氣井排采過程中，根據(jù)單井的靜態(tài)參數(shù)和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)，對(duì)壓降漏斗進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，實(shí)時(shí)掌握其范圍(圖12)。在此基礎(chǔ)上，可以通過對(duì)壓降速度、漏斗擴(kuò)展進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，通過二者的耦合關(guān)系尋找臨界降速，從而合理控制排采制度[20]。該對(duì)應(yīng)關(guān)系與X軸/壓速度存在一個(gè)交點(diǎn)，其理論意義為：低于該壓降速度壓降漏斗是持續(xù)擴(kuò)展的，高于該壓降速度，計(jì)算得到的漏斗就會(huì)等效萎縮，即該交點(diǎn)即為一口井在該分析階段的臨界降速。排采時(shí)要避免井底流壓的降速超過該值。

圖12 LC-S1井壓降漏斗跟蹤曲線

對(duì)壓降速度-漏斗擴(kuò)展速度的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)分析，可以得到煤層氣井排采過程中不同時(shí)間的臨界降速及其動(dòng)態(tài)變化，排采制度也就可以相應(yīng)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)一井一策：不同井采用不同的排采制度、同一口井不同時(shí)間采用不同的排采制度。

7 先導(dǎo)區(qū)應(yīng)用效果

利用多薄煤層選區(qū)選段技術(shù)，對(duì)滇東黔西地區(qū)進(jìn)行了有利區(qū)、甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選，共優(yōu)選了5個(gè)有利區(qū)：盤關(guān)向斜、楊梅樹向斜、土城向斜、阿弓向斜、老廠礦區(qū)，其中老廠礦區(qū)為最優(yōu)有利區(qū)。老廠雨旺為本文優(yōu)選的先導(dǎo)區(qū)之一，采用甜點(diǎn)選區(qū)技術(shù)，對(duì)老廠雨旺區(qū)進(jìn)行了甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選，甜點(diǎn)區(qū)主要位于礦區(qū)中西部，甜點(diǎn)段為16#、19#煤層。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)老廠雨旺、土城-盤關(guān)、文家壩先導(dǎo)區(qū)提出了煤層氣井井位44口，并提交了超過100億m3煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量。采用疊置含氣系統(tǒng)描述與開發(fā)技術(shù)，對(duì)上述先導(dǎo)區(qū)優(yōu)選的井位進(jìn)行了壓裂層段優(yōu)選，及產(chǎn)層合采設(shè)計(jì)，共有11口井穩(wěn)產(chǎn)大于1 000 m3/d，合采兼容性的驗(yàn)證符合率為78.6%。

自行研制的上部地層防塌鉆井液體系、儲(chǔ)層段的無固相及高性能微泡沫低傷害鉆井液體系，在老廠雨旺先導(dǎo)區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，大大降低了井徑擴(kuò)大率。其中，煤系地層井徑平均擴(kuò)大率為8.87%，普通地層井徑平均擴(kuò)大率為4.98%。并實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層有效保護(hù)，封堵率達(dá)到91.5%，滲透率恢復(fù)值為90.5%。水平井精細(xì)導(dǎo)向技術(shù)也在老廠雨旺先導(dǎo)區(qū)取得了較好的應(yīng)用效果，平均鉆遇率達(dá)到了90.9%。形成的4項(xiàng)直井壓裂技術(shù)，在老廠雨旺、土城-盤關(guān)、文家壩先導(dǎo)區(qū)進(jìn)行了20井次的應(yīng)用。其中低傷害N2泡沫壓裂液體系，對(duì)煤層基質(zhì)的滲透率傷害率為-24.5%，泡沫壓裂液促進(jìn)解吸率比常規(guī)氮?dú)馀菽瓑毫岩禾岣吡?1.26%，試驗(yàn)井平均砂比達(dá)到18.4%。

多層合采耦合及自適應(yīng)排采技術(shù)應(yīng)用于老廠雨旺、土城-盤關(guān)、文家壩先導(dǎo)區(qū)30口生產(chǎn)井中，排采時(shí)效達(dá)95%以上。其中已見氣井21口，11口平均日產(chǎn)氣量達(dá)1 000 m3，最高日產(chǎn)氣量突破6 000 m3，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

8 結(jié)束語

滇東黔西地區(qū)在中國煤層氣開發(fā)中具有重要區(qū)位優(yōu)勢。從地質(zhì)、鉆完井、壓裂、排采等方面，總結(jié)了“十三五”期間取得的研究進(jìn)展，形成了滇東黔西地區(qū)多薄煤層綜合開發(fā)技術(shù)體系，即①應(yīng)用關(guān)鍵要素遞階優(yōu)選法，選取合理參數(shù)，建立了適用于多薄煤層區(qū)煤層氣開發(fā)甜點(diǎn)選區(qū)選術(shù)；②建立了疊置含氣系統(tǒng)“三步三指數(shù)”煤層氣合采產(chǎn)層組優(yōu)選方法，并提出了基于兼容性分析的合采開發(fā)方式；③研發(fā)了高封堵易返排強(qiáng)防塌無固相鉆井液和強(qiáng)膠結(jié)低傷害固井液體系，建立了適用于易塌易漏地層鉆完井及儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)；④形成了速鉆橋塞分層與多級(jí)射孔聯(lián)作的多煤層分層壓裂技術(shù)、松軟煤層多級(jí)脈沖高壓氣動(dòng)力射孔誘導(dǎo)起裂壓裂、N2泡沫壓裂、弱含水煤層前置CO2壓裂等四項(xiàng)直井技術(shù)；⑤建立了“三段三控”排采優(yōu)化技術(shù)，提出了三段三控合排全過程管控優(yōu)化模式。滇東黔西地區(qū)多薄煤層綜合開發(fā)技術(shù)體系在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了先導(dǎo)試驗(yàn)，取得了重要突破，為中國滇東黔西地區(qū)煤層氣開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，推動(dòng)了貴州省煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。