復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣高效開發(fā)實(shí)踐與認(rèn)識(shí)?以沁水盆地鄭莊區(qū)塊為例

朱慶忠，李志軍，李宗源，王三帥，孫瑞雪，王玉婷，肖宇航，王 靜，王景悅，關(guān)小曲

(1.中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552；2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司煤層氣開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地，河北 任丘 062552)

我國煤層氣2 000 m 以淺資源總量達(dá)30.05 萬億m3，而高階煤煤層氣資源豐富是我國煤層氣的獨(dú)特稟賦，約占全國煤層氣資源的1/3，資源潛力巨大[1-2]。沁水盆地鄭莊區(qū)塊是國內(nèi)高階煤煤層氣最早商業(yè)化開發(fā)的區(qū)塊之一，整體呈現(xiàn)含氣量高、斷裂構(gòu)造復(fù)雜、埋深變化大、滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)的地質(zhì)特點(diǎn)，早期照搬構(gòu)造和地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單、高滲透率的樊莊區(qū)塊成熟技術(shù)，采用直井大井距、常規(guī)壓裂，裸眼多分支水平井整體開發(fā)效果差，低效井連片出現(xiàn)，直井平均日產(chǎn)氣量?jī)H350 m3，產(chǎn)建方案達(dá)產(chǎn)率不足30%，針對(duì)地質(zhì)上高產(chǎn)富集區(qū)和非均質(zhì)性強(qiáng)認(rèn)識(shí)不足、常規(guī)工程技術(shù)制約產(chǎn)量提升的關(guān)鍵難題，經(jīng)過開發(fā)中地質(zhì)條件與工程應(yīng)用邊研究、邊研發(fā)、邊實(shí)踐，逐步形成了煤體結(jié)構(gòu)精細(xì)識(shí)別、富集甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選、二開優(yōu)快一趟式鉆井、疏導(dǎo)式改造、定量化疏導(dǎo)排采等核心技術(shù)成果[3-8]，單井平均日產(chǎn)氣量比以往提高4～10 倍，開發(fā)14 年年產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)。筆者通過剖析沁水盆地鄭莊區(qū)塊產(chǎn)建開發(fā)與技術(shù)革新歷程，研究甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選方法及匹配工程技術(shù)，提煉高效率、低風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)建實(shí)施方法，以期為國內(nèi)類似復(fù)雜地質(zhì)條件的煤層氣區(qū)塊開發(fā)產(chǎn)建提供借鑒，對(duì)國內(nèi)煤層氣高效開發(fā)具有重要意義。

1 鄭莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)實(shí)踐

1.1 區(qū)塊地質(zhì)概況

鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地東南部NNW 向單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)東南部由南向北依次發(fā)育寺頭斷層、后城腰斷層及鄭莊斷層，控制了本區(qū)的構(gòu)造格局，并形成一系列NE 向相間展布的背、向斜構(gòu)造。區(qū)塊內(nèi)西南部處于拉張應(yīng)力區(qū)，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主；東部及北部處于過渡–擠壓應(yīng)力區(qū)，構(gòu)造整體較為復(fù)雜，微幅褶曲十分發(fā)育，小型斷層、陷落柱較多，煤體結(jié)構(gòu)以碎裂結(jié)構(gòu)煤為主。主力開發(fā)層位為二疊系下統(tǒng)山西組3 號(hào)煤和石炭?二疊系太原組15 號(hào)煤。3 號(hào)煤層平均厚度約5.7 m，含氣量21.5～28.5 m3/t，孔隙率3.4%～6.5%，注入/壓降試井滲透率(0.01～0.15)×10?3μm2，埋深由西南向東北逐漸變深，整體介于500～1 200 m。15 號(hào)煤層埋深整體較3 號(hào)煤深約100 m，平均厚度約2.5 m，含氣量20.8～27.0 m3/t，孔隙率3.8%～8.5%。與沁水盆地早期商業(yè)開發(fā)的樊莊、潘莊相比(表1)，鄭莊區(qū)塊埋深大、地應(yīng)力高、滲透率低、煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)差，區(qū)塊內(nèi)不同構(gòu)造煤層非均質(zhì)性強(qiáng)、開發(fā)效果差異大，地質(zhì)條件整體更為復(fù)雜。

表1 沁水盆地3 號(hào)煤主要地質(zhì)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of main geological parameters of No.3 coal seam in Qinshui Basin

1.2 開發(fā)歷程與關(guān)鍵技術(shù)升級(jí)

2010 年開始，鄭莊區(qū)塊煤層氣開始快速產(chǎn)建，截至目前，先后經(jīng)歷3 輪次開發(fā)調(diào)整，伴隨區(qū)塊地質(zhì)認(rèn)識(shí)程度的加深和工程技術(shù)的研發(fā)升級(jí)，開發(fā)方案達(dá)產(chǎn)率由29.3%提升到調(diào)整方案的98.5%(表2)。

表2 鄭莊區(qū)塊產(chǎn)建開發(fā)主要?dú)v程Table 2 Practice history of production and construction development in the Zhengzhuang Block

1.2.1 快速擴(kuò)張期(2010?2013 年)

應(yīng)用樊莊成功開發(fā)技術(shù)，采用直斜井壓裂為主、裸眼多分支水平井為輔的開發(fā)技術(shù)，開展鄭莊新區(qū)產(chǎn)建，鉆直斜井1 029 口、裸眼多分支水平井50 口，峰值累計(jì)日產(chǎn)氣量?jī)H53×104m3，且穩(wěn)產(chǎn)效果差，達(dá)產(chǎn)率僅29.3%。

問題分析：未擺脫“有煤就有氣”認(rèn)識(shí)，區(qū)塊地質(zhì)富集規(guī)律、煤儲(chǔ)層差異性研究不足，未認(rèn)識(shí)到與樊莊的地質(zhì)差異，簡(jiǎn)單復(fù)制樊莊常規(guī)開發(fā)技術(shù)，2 年快速完成規(guī)模建產(chǎn)。其中直斜井約1/3 井鉆遇構(gòu)造煤、斷層、斷裂帶、高應(yīng)力區(qū)，全段射孔、低排量常規(guī)壓裂難以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，單井平均日產(chǎn)氣量350 m3；裸眼多分支井井眼垮塌嚴(yán)重、排采中煤粉易堵塞滲流通道，難以維護(hù)作業(yè)，峰值單井平均日產(chǎn)氣量?jī)H3 300 m3，整體工程技術(shù)適應(yīng)性差。

1.2.2 技術(shù)攻關(guān)期(2014?2017 年)

針對(duì)第一次開發(fā)整體低效的嚴(yán)峻形勢(shì)，從地質(zhì)、井型、壓裂、排采等全方位開展大反思，提出壓裂改造 “降壓開發(fā)與壓裂增壓、液體造縫和抑制解吸、易造寬短縫和造長(zhǎng)縫需求”三大主要矛盾，分析裸眼多分支水平井地質(zhì)不適應(yīng)性[9-10]。借助開發(fā)資料，開展鄭莊精細(xì)地質(zhì)描述和可動(dòng)用儲(chǔ)量甜點(diǎn)區(qū)的二次評(píng)價(jià)，優(yōu)選西南部開發(fā)甜點(diǎn)區(qū)編制鄭莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)調(diào)整方案，以叢式直斜井組和L 型篩管水平井為主體，并開展套管水平井分段壓裂試驗(yàn)。

1) 關(guān)鍵技術(shù)

基于鄭莊區(qū)塊差異化地質(zhì)特征、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成以下關(guān)鍵技術(shù)：

(1) 非富集剔除有利區(qū)優(yōu)選技術(shù) 基于“協(xié)同演化、互補(bǔ)成藏、建設(shè)性和破壞性共存”的煤層氣成藏模式地質(zhì)理論認(rèn)識(shí)[11]，在前期地質(zhì)勘探、評(píng)價(jià)中采用逆向思維方式構(gòu)建了4 種非富集模式(圖1)，剔除大斷層附近甲烷逸散帶、與高滲透活躍水層相連的斷層附近甲烷逸散帶、地表露頭附近甲烷風(fēng)化帶、巖溶陷落柱，落實(shí)地質(zhì)富集區(qū)，優(yōu)選出鄭莊西南部和中部開展系列新型工藝技術(shù)試驗(yàn)。在煤層氣富集區(qū)，形成了以微裂隙、地應(yīng)力、儲(chǔ)層流體可疏導(dǎo)性為指標(biāo)的三元控產(chǎn)理論[12]，指導(dǎo)高階煤煤層氣產(chǎn)能建設(shè)選區(qū)。

圖1 煤層氣非富集剔除模式Fig.1 Non-enrichment and elimination modes of coalbed methane

(2) 疏導(dǎo)式增產(chǎn)改造技術(shù) 針對(duì)鄭莊煤儲(chǔ)層低滲、縱橫向強(qiáng)非均質(zhì)性特點(diǎn)，形成了“優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段集中射孔造長(zhǎng)縫、低前置液比?快速返排降傷害、低排量起泵?變排量壓裂控縫高、低傷害壓裂液?支撐劑組合廣支撐”的疏導(dǎo)壓裂設(shè)計(jì)模式[13]，避開不利于造長(zhǎng)縫的構(gòu)造煤射孔，優(yōu)選縱向優(yōu)質(zhì)原生結(jié)構(gòu)煤進(jìn)行集中射孔，使水力壓裂能量更加集中；在保證前置液造縫的前提下，控制前置液用量比例，合理提早加砂打磨裂縫和鋪砂，降低高壓流體對(duì)煤巖滲透率的傷害[14]。

(3) 二開全通徑水平井優(yōu)快鉆井技術(shù) 為解決裸眼多分支水平井井眼垮塌、通道堵塞、無法增產(chǎn)作業(yè)等難題，通過低污染鉆井液、綜合地質(zhì)導(dǎo)向、無桿排采設(shè)備升級(jí)[15]，并針對(duì)性改進(jìn)全通徑的免鉆塞半程固井工具，實(shí)現(xiàn)了二開生產(chǎn)套管內(nèi)全通徑120 mm，鉆井周期較裸眼井大幅縮短50%，鉆井、壓裂成本整體降低30%。

同時(shí)，針對(duì)復(fù)雜地面占?jí)簠^(qū)資源動(dòng)用等問題，設(shè)計(jì)長(zhǎng)水平段水平井。采用水力加壓器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確加壓及均勻送鉆，井眼清潔工具減少水平井鉆井作業(yè)中巖屑堆積，清除巖屑床；漂浮下套管工具[16]，降低管柱在大斜度和水平井段下入摩阻(圖2)。在鄭4-76-X 井創(chuàng)造18 d鉆井周期完成水平段長(zhǎng)2 001 m、水平位移2 253.93 m、水平位移與垂直段長(zhǎng)度比3.67 等記錄，并成功進(jìn)行了21 段63 簇分段壓裂。

圖2 長(zhǎng)水平井漂浮下套管與半程固井聯(lián)作方法Fig.2 Combined operation method of floating casing and halfcourse cementing in a long horizontal well

(4) 水平井無桿舉升技術(shù) 基于區(qū)塊不同垂深、產(chǎn)水量、出砂量、井眼軌跡等差異化需求，形成4 種無桿設(shè)備優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的工藝技術(shù)系列(表3)，簡(jiǎn)化了原水平井專用排采直井，可以滿足垂深 2 000 m 以內(nèi)、日產(chǎn)水量60 m3以內(nèi)、井斜小于85°、固體顆粒含量10%以內(nèi)的排采需求[17]。

表3 煤層氣無桿舉升工藝指標(biāo)Table 3 CBM rod-free lifting process indexes

2) 開發(fā)效果

通過儲(chǔ)量滾動(dòng)評(píng)價(jià)、工程與地質(zhì)技術(shù)的不斷優(yōu)化，新井達(dá)產(chǎn)率達(dá)到85.3%。229 口直斜井采用疏導(dǎo)壓裂理念，日產(chǎn)氣量由500 m3提升至1 800 m3，穩(wěn)產(chǎn)氣量為周圍老井的2.5～3.0 倍；在西南部高滲區(qū)實(shí)施12 口L 型篩管水平井，平均日產(chǎn)氣量4 500 m3，但中部低滲區(qū)的井日產(chǎn)氣量不足3 000 m3；逐步開展套管分段改造12 口，平均日產(chǎn)氣量達(dá)到7 000 m3，并在鄭莊的中部、北部早期直井低產(chǎn)區(qū)以及西南部15 號(hào)煤層獲得高產(chǎn)氣量，夯實(shí)了新一輪開發(fā)調(diào)整技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2.3 技術(shù)成熟推廣期(2018 年至今)

運(yùn)用新一輪地質(zhì)評(píng)價(jià)、工程技術(shù)成果，開展了新一輪儲(chǔ)量評(píng)價(jià)，以鄭莊中部3 號(hào)煤、西南部15 號(hào)煤為主體編制鄭莊區(qū)塊新一輪開發(fā)調(diào)整方案，布置3～8 口/井臺(tái)的叢式水平井165 口，加密直井10 口。

1) 關(guān)鍵技術(shù)

(1) 產(chǎn)建甜點(diǎn)區(qū)滾動(dòng)評(píng)價(jià)技術(shù) 基于富集有利區(qū)優(yōu)選和三元控產(chǎn)認(rèn)識(shí)，利用地震解釋成果和探井/評(píng)價(jià)井資料，對(duì)產(chǎn)建區(qū)儲(chǔ)量進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，剔除暫不可有效開發(fā)的地質(zhì)儲(chǔ)量，主要包括斷裂發(fā)育區(qū)、超高地應(yīng)力區(qū)、碎粒煤–糜棱煤發(fā)育區(qū)。

其次，開展煤層氣可采性評(píng)價(jià)，梳理了影響高階煤煤層氣可采性關(guān)鍵因素[18]，構(gòu)建了高階煤煤層氣可動(dòng)用儲(chǔ)量評(píng)價(jià)體系及流程(圖3)。經(jīng)過以上綜合評(píng)價(jià)，再次剔除目前工程技術(shù)條件下難以效益動(dòng)用區(qū)域，降低產(chǎn)建地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)[19]。

圖3 高階煤煤層氣可動(dòng)用儲(chǔ)量評(píng)價(jià)體系及流程Fig.3 Usable reserves evaluation system and process of high rank coal coalbed methane

(2) 水平井煤體結(jié)構(gòu)識(shí)別及精準(zhǔn)鉆遇技術(shù) 縱向上，利用評(píng)價(jià)井測(cè)井資料構(gòu)建不同井區(qū)煤體結(jié)構(gòu)縱向發(fā)育模型，建立縱向優(yōu)質(zhì)層導(dǎo)向區(qū)間模型[20]。平面上，基于鄭莊區(qū)塊大量地震、取心、測(cè)井、生產(chǎn)資料研究，找出地震波形與煤體結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合構(gòu)造變形對(duì)煤體結(jié)構(gòu)影響，將煤體結(jié)構(gòu)與地震波組反射特征進(jìn)行對(duì)應(yīng)，形成基于波形聚類分析的區(qū)域煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型(圖4)，實(shí)現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)平面分布有效預(yù)測(cè)。

圖4 基于波形聚類分析的煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型Fig.4 Coal structure prediction model based on waveform cluster analysis

建立單井縱、橫向煤體結(jié)構(gòu)導(dǎo)向模型，結(jié)合壓裂段間距，每百米段長(zhǎng)、構(gòu)造變化處預(yù)設(shè)原生優(yōu)質(zhì)煤鉆遇靶點(diǎn)，并配套近鉆頭精準(zhǔn)導(dǎo)向工具，將伽馬測(cè)量間距縮短至0.6 m，提前預(yù)判調(diào)整，實(shí)現(xiàn)煤層內(nèi)高氣測(cè)值、低伽馬值的優(yōu)質(zhì)層精準(zhǔn)導(dǎo)向，目前整體鉆遇率提升至98%。

(3) 大排量控壓疏導(dǎo)改造技術(shù) 鄭莊中北部埋深逐步增大、地應(yīng)力增高、煤體復(fù)雜程度加大，6～7 m3/min低排量分段改造施工超壓、砂堵、加砂困難等問題逐步凸現(xiàn)，同等技術(shù)下平均產(chǎn)量較南部區(qū)域降低30%。結(jié)合區(qū)域煤層縱向煤體分布和煤巖脆塑性特征，優(yōu)選原生脆性煤層水平定向射孔[21]，以施工壓力控制為核心，前期采用小排量活性水充填未飽和裂縫，中期逐步提高排量疏導(dǎo)裂縫使其形成主通道、排量?砂比同步提升實(shí)現(xiàn)裂縫有效支撐，后期最大排量增加縫內(nèi)靜壓力啟動(dòng)更小級(jí)別微縫系統(tǒng)，形成體積縫網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了活性水18 m3/min 超大排量壓裂，裂縫監(jiān)測(cè)顯示，較早期7 m3/min 排量控制體積增大近4 倍，日產(chǎn)氣量達(dá)15 300 m3。

(4) 疏導(dǎo)式排采控制技術(shù) 以儲(chǔ)層壓力管控為核心，利用流體動(dòng)能疏通滲流通道，減緩基質(zhì)裂隙降壓幅度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層自改善，持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)[22]。

煤層排水的本質(zhì)是彈性驅(qū)動(dòng)排水，基于煤儲(chǔ)層開發(fā)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)三段式排采控制模式(圖5)。單相流階段：考慮排采效率可快速降壓至地層壓力，而從地層壓力降到臨界解吸壓力，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的變速排采制度，既考慮排采效率，又減小壓敏對(duì)滲透率的負(fù)面影響。臨界解吸階段：穩(wěn)壓排采，以實(shí)現(xiàn)壓力擴(kuò)展的最大化。見套壓后提產(chǎn)階段：逐步由液面控制流壓向液面和套壓共同控制流壓過渡，設(shè)計(jì)低套壓值定壓放氣，避免套壓過快上升導(dǎo)致井底壓力的突然增大，造成生產(chǎn)壓差突然變小，導(dǎo)致煤層中氣水流動(dòng)的不連續(xù)，影響排采效果。

圖5 疏導(dǎo)式排采控制方法Fig.5 Dredging drainage control method

2) 開發(fā)效果

在鄭莊中部、東部等直井低效區(qū)，水平井單井最高日產(chǎn)氣量達(dá)到17 000 m3；鄭莊西部15 號(hào)煤層水平井平均單井日產(chǎn)氣量超過10 000 m3，實(shí)現(xiàn)了3 號(hào)、15 號(hào)煤層立體開發(fā)；鄭莊北部直井低效區(qū)采用水平井壓裂單井日產(chǎn)氣量突破8 000 m3；鄭莊區(qū)塊開發(fā)實(shí)現(xiàn)全面提升，截至2022 年11 月，新投產(chǎn)井105 口，穩(wěn)產(chǎn)井平均日產(chǎn)氣量7 860 m3，調(diào)整項(xiàng)目產(chǎn)能達(dá)產(chǎn)率98.5%。

2 鄭莊區(qū)塊開發(fā)實(shí)踐認(rèn)識(shí)

剖析鄭莊區(qū)塊十余年開發(fā)歷程，體現(xiàn)了高階煤煤層氣的復(fù)雜性，針對(duì)區(qū)塊早期產(chǎn)建模式、地質(zhì)認(rèn)識(shí)與開發(fā)技術(shù)等方面存在的問題及經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)一套高效可行的產(chǎn)建模式和頂層設(shè)計(jì)方法，指導(dǎo)煤層氣新區(qū)產(chǎn)建和老區(qū)調(diào)整。

2.1 產(chǎn)建高效開發(fā)流程

采用“整體部署、分批實(shí)施、滾動(dòng)產(chǎn)建”模式，在現(xiàn)有地質(zhì)認(rèn)識(shí)的甜點(diǎn)區(qū)抽稀設(shè)計(jì)井網(wǎng)并逐步加密實(shí)施，應(yīng)用新的鉆井、壓裂、排采資料，持續(xù)開展?jié)L動(dòng)研究，不斷“孵化”甜點(diǎn)區(qū)，及時(shí)調(diào)整開發(fā)方案，不斷將新井布置在地質(zhì)、工程雙甜點(diǎn)區(qū)，并通過井臺(tái)的多批次實(shí)施，有效規(guī)避低效井成批出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.1 開發(fā)方案編制與實(shí)施

以3 次開發(fā)方案為例，利用不斷增加的地質(zhì)、工程、開發(fā)資料，研究調(diào)整開發(fā)方案。

(1) A 版開發(fā)方案 利用探井、評(píng)價(jià)井地質(zhì)資料和鉆、測(cè)、壓、排采資料，結(jié)合首次可動(dòng)用儲(chǔ)量評(píng)價(jià)結(jié)果，在預(yù)測(cè)有利的開發(fā)區(qū)域，編制A 版開發(fā)方案。每個(gè)平臺(tái)優(yōu)先設(shè)計(jì)2～3 口井，在每年(輪次)計(jì)劃的全部井臺(tái)上完成年度(輪次)計(jì)劃的鉆井、壓裂及排采任務(wù)，獲取產(chǎn)量數(shù)據(jù)，完成A 版方案產(chǎn)建與開發(fā)評(píng)價(jià)。

(2) B 版調(diào)整方案 利用新增的第一輪開發(fā)井動(dòng)靜態(tài)地質(zhì)、工程數(shù)據(jù)，進(jìn)行第二輪研究預(yù)測(cè)，進(jìn)行井位調(diào)整，改進(jìn)工程技術(shù)，編制B 版方案。在A 版方案高產(chǎn)井臺(tái)加密布井，完成高產(chǎn)平臺(tái)上全部的鉆井產(chǎn)建工作，暫時(shí)停止A 方案失利的井臺(tái)鉆井，在新的有利區(qū)增補(bǔ)相同新井臺(tái)，重復(fù)第一輪次的鉆井及建產(chǎn)工作，完成B 版方案產(chǎn)建與開發(fā)評(píng)價(jià)。

(3) C 版調(diào)整方案 在B 版方案基礎(chǔ)上，利用新的動(dòng)靜態(tài)資料，編制C 版方案。在B 版新增平臺(tái)實(shí)施成功的平臺(tái)上，完成加密產(chǎn)建工作，停止失利平臺(tái)的鉆井工作。在C 版方案的新增平臺(tái)上，重復(fù)第一輪次的井位設(shè)計(jì)及建產(chǎn)工作，并在實(shí)施成功的平臺(tái)上完成加密鉆井產(chǎn)建工作。

2.1.2 叢式井組優(yōu)化運(yùn)行

多輪次的開發(fā)方案實(shí)施一定程度增大了生產(chǎn)組織難度，通過針對(duì)性改進(jìn)，提高整體建產(chǎn)效率。

1) 井臺(tái)開發(fā)優(yōu)化運(yùn)行

組織做好平臺(tái)運(yùn)行頂層設(shè)計(jì)，分年度(輪次)實(shí)施鉆井壓裂投產(chǎn)工作。以A 版開發(fā)方案為基礎(chǔ)，編制產(chǎn)建實(shí)施方案；做好首輪井位運(yùn)行，確保完成年度(輪次)產(chǎn)能建設(shè)任務(wù)，同時(shí)做好新增平臺(tái)的準(zhǔn)備；做好各輪次井位銜接工作，提前謀劃各輪次鉆機(jī)和壓裂設(shè)備的整體運(yùn)行計(jì)劃，減少設(shè)備等停；視平臺(tái)面積大小，可采取交叉作業(yè)、拉鏈?zhǔn)綁毫咽┕さ确绞剑s短平臺(tái)建設(shè)周期，提高產(chǎn)建效率。

2) 產(chǎn)建開發(fā)輪次設(shè)計(jì)

多輪開發(fā)促進(jìn)了地質(zhì)富集甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測(cè)和工程開發(fā)水平的不斷提升，但過多的調(diào)整將造成產(chǎn)建周期和投資成本的增加。若假定地質(zhì)甜點(diǎn)預(yù)測(cè)能力和水平保持不變，如采用常規(guī)分區(qū)整體規(guī)模鉆井、統(tǒng)一投產(chǎn)方式，方案A 的達(dá)產(chǎn)率不變；采用全區(qū)滾動(dòng)實(shí)施開發(fā)綜合達(dá)產(chǎn)率如圖6 所示，初始預(yù)測(cè)成功率越低，則采用滾動(dòng)開發(fā)所提高的達(dá)產(chǎn)率幅度越大，至第5 輪后基本保持穩(wěn)定。因此，需結(jié)合區(qū)塊地質(zhì)認(rèn)識(shí)和技術(shù)成熟度設(shè)計(jì)實(shí)施批次，建議以3～4 次為佳。

圖6 全區(qū)實(shí)施批次與綜合達(dá)產(chǎn)率關(guān)系Fig.6 Relationship between implementation batches and comprehensive production rate in the whole area

2.2 水平井地質(zhì)工程一體化設(shè)計(jì)

鄭莊區(qū)塊十余年曲折的開發(fā)實(shí)踐，也是煤層氣地質(zhì)認(rèn)識(shí)與工程技術(shù)不斷匹配與升級(jí)的過程。煤層氣開發(fā)作為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，任一問題均可能產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響，早期各專業(yè)單兵作戰(zhàn)、銜接流水化、信息共享不足、問題分析片面化，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)未能通過工程有效規(guī)避。隨著煤層氣開發(fā)逐步向中深層、2 000 m以深的煤層邁進(jìn)，面臨的研究對(duì)象更加復(fù)雜，需從頂層設(shè)計(jì)促進(jìn)地質(zhì)與工程深度融合，支撐滾動(dòng)開發(fā)方案的持續(xù)升級(jí)，消減煤層氣整體開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 地質(zhì)工程一體化框架

需打破“技術(shù)條塊分割、管理接力進(jìn)行”固有模式，構(gòu)建“一體化理念的團(tuán)隊(duì)、協(xié)同作戰(zhàn)的管理構(gòu)架、多學(xué)科數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與工作平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與工程“換位思考、無縫銜接、跨學(xué)科協(xié)作、快速?zèng)Q策”。

采用“逆向思維、正向設(shè)計(jì)”思路，以單井產(chǎn)量最大化為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)排采、壓裂、鉆井、地質(zhì)提出必要需求(圖7)。

圖7 地質(zhì)–工程一體化方案Fig.7 Geology and engineering integration diagram

2.2.2 地質(zhì)工程一體化實(shí)施方案

1) 井震結(jié)合，建立綜合地質(zhì)模型

一是利用已有鉆井、地震資料，建立區(qū)域構(gòu)造、儲(chǔ)層模型，指導(dǎo)區(qū)域布井，預(yù)測(cè)軌跡變化；二是改變以往以“含氣量+構(gòu)造”的簡(jiǎn)單部署設(shè)計(jì)，通過建立三維模型，利用多屬性預(yù)測(cè)煤體結(jié)構(gòu)，多手段預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育特征，實(shí)現(xiàn)精細(xì)部署設(shè)計(jì)[23]；三是依據(jù)地震解釋、煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)資料，建立井組區(qū)域鉆井模型。

2) 建立單井鉆完井模型，提高壓裂點(diǎn)優(yōu)選率

一是建立單井著陸控制模型，加強(qiáng)對(duì)比跟蹤，保障優(yōu)質(zhì)軌跡著陸,依據(jù)鄰井測(cè)井、取心資料，預(yù)測(cè)標(biāo)定“有利層”，采用幾何+近鉆頭綜合導(dǎo)向，保持軌跡 “單調(diào)性”，結(jié)合壓裂段/簇間距和地質(zhì)軌跡標(biāo)定壓裂控制點(diǎn)，引導(dǎo)軌跡優(yōu)質(zhì)層鉆進(jìn)；二是建立單井完井評(píng)價(jià)模型，采用“地震屬性預(yù)測(cè)+隨鉆跟蹤+煤層測(cè)井解釋+巖屑判識(shí)”為一體的綜合評(píng)價(jià)方法，甄選優(yōu)質(zhì)煤體定向射孔，提高裂縫延伸效果。

3) 基于地質(zhì)建模，差異化設(shè)計(jì)段/簇施工參數(shù)

一是基于地質(zhì)和壓裂改造目標(biāo)，選用合適的壓裂工藝，形成區(qū)域壓裂施工差異化設(shè)計(jì)模式；二是開展單井壓裂施工精細(xì)化設(shè)計(jì)，結(jié)合段內(nèi)優(yōu)質(zhì)煤鉆遇長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)差異化段、簇?cái)?shù)和射孔密度，匹配不同的排量和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)有效體積壓裂；三是精細(xì)化單井壓裂，推廣大排量控壓疏導(dǎo)改造方法，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)入井材料和施工指導(dǎo)；四是推進(jìn)井組同步壓裂施工，逐步實(shí)現(xiàn)井組雙壓裂機(jī)組同時(shí)/同步體積壓裂[24]，利用壓裂裂縫應(yīng)力干擾形成網(wǎng)狀縫網(wǎng)，增大改造體積。

4) 建立差異化排采控制及配套管理模式

一是結(jié)合區(qū)域地質(zhì)模型，明確不同開發(fā)單元煤層氣賦存、產(chǎn)出特征，制定與之匹配的排采控制制度；二是結(jié)合鉆井軌跡、壓裂規(guī)模和出砂情況，選用穩(wěn)定可靠的排采設(shè)備，確保氣水連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出。

3 結(jié)論

a.鄭莊區(qū)塊多輪次的產(chǎn)建實(shí)踐中，逐步形成了適用于高階煤煤層氣開發(fā)的一套水平井疏導(dǎo)開發(fā)技術(shù)體系，地質(zhì)與適用工程技術(shù)隨開發(fā)過程持續(xù)提升，達(dá)產(chǎn)率由首輪開發(fā)的29.3%逐步提升到98.5%。

b.形成的一套高效開發(fā)產(chǎn)建模式符合沁水盆地高階煤煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)、滲透率低、橫向差異性大的需求，可有效提高方案綜合達(dá)產(chǎn)率，也為開發(fā)工程技術(shù)升級(jí)提供了試驗(yàn)平臺(tái)，為類似煤層氣田的效益開發(fā)提供借鑒。

c.地質(zhì)?工程一體化的深度融合，是實(shí)現(xiàn)國內(nèi)復(fù)雜煤層氣高效開發(fā)的必然選擇，建立的煤層氣水平井一體化的運(yùn)行框架及實(shí)施方案，可有效提高地質(zhì)與工程技術(shù)匹配度，指導(dǎo)國內(nèi)類似復(fù)雜煤層氣區(qū)塊高效開發(fā)。