貴州新田礦區(qū)頂板L型水平井煤層氣抽采技術(shù)

別小飛,李廣生,張青松,陳祖國(guó)

(1.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司,河南 鄭州 450000;2.河南省瓦斯治理研究院有限公司,河南 鄭州 450000;3.永貴能源開發(fā)有限責(zé)任公司新田煤礦,貴州 黔西 551507;4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100080)

貴州省煤層氣資源豐富,據(jù)統(tǒng)計(jì),煤層氣地質(zhì)資源量約為3.15×1012m3,約占全國(guó)煤層氣地質(zhì)資源總量的10%[1]。開發(fā)煤層氣資源具有清潔利用資源和保障煤礦安全高效開采雙重意義。由于黔西煤田受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,煤體變形破壞嚴(yán)重,構(gòu)造煤發(fā)育,煤礦瓦斯災(zāi)害問(wèn)題頻發(fā)。井下采用的高密度鉆孔抽采方式成本高、抽采效率低、安全系數(shù)小,造成礦井抽掘采失衡。針對(duì)“有氣難出”的問(wèn)題,如何進(jìn)一步提升礦井區(qū)域煤層瓦斯抽采效率,杜絕瓦斯事故發(fā)生,蘇現(xiàn)波等[2]提出了強(qiáng)化改造“虛擬儲(chǔ)層”思路;馬耕等[3]利用井下頂板定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采,將“虛擬儲(chǔ)層”模式于煤礦井下得到成功應(yīng)用;羅開艷[4]依據(jù)盤江礦區(qū)松河煤礦煤儲(chǔ)層條件,提出了叢式井煤層氣抽采技術(shù)具有適應(yīng)可行性;胡海洋等[5]針對(duì)貴州松河礦區(qū)多煤層煤層氣開發(fā),優(yōu)化了多煤層分層壓裂技術(shù),提升了煤層氣井產(chǎn)氣量;彭興平等[6]通過(guò)貴州織金區(qū)塊多煤層合采排采控制,提出了“低速-低套-階梯式”排采制度;張群等[7]通過(guò)對(duì)蘆嶺井田碎軟低滲煤層的地質(zhì)構(gòu)造及儲(chǔ)層特征的分析研究,提出了頂板U型水平井高效抽采模式,并取得了良好的工程應(yīng)用效果;許耀波等[8]通過(guò)碎軟煤層頂板水平井穿層壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究,優(yōu)化了頂板水平井軌跡位置,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明緊鄰碎軟煤層頂板巖層水平井開發(fā)煤層氣技術(shù)可行;龐濤等[9]采用擴(kuò)展有限元方法揭示了煤層頂板巖層水平井井眼空間位置對(duì)壓裂裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律,并優(yōu)化了一口水平井的射孔位置,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明水平井井眼空間位置的優(yōu)選有助于煤層頂板巖層水平井分段壓裂煤層氣高效抽采。目前新田煤礦煤巷掘進(jìn)主要采用底板穿層鉆孔進(jìn)行煤巷條帶瓦斯抽采,回采工作面主要采用順層鉆孔配合底板瓦斯抽采巷穿層鉆孔進(jìn)行抽采,井下瓦斯治理措施難度大,采掘抽難以實(shí)現(xiàn)平衡,無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)能的高產(chǎn)高效,急需探索地面超前預(yù)抽進(jìn)行礦井區(qū)域瓦斯治理。

本文依托“貴州省新田煤礦井上下三區(qū)聯(lián)動(dòng)抽采煤層瓦斯大區(qū)域瓦斯治理示范項(xiàng)目”,借鑒頂板虛擬儲(chǔ)層煤層氣抽采模式,在礦井規(guī)劃區(qū)部署1口頂板L型水平井,深入剖析礦井地質(zhì)構(gòu)造及煤儲(chǔ)層特征,優(yōu)化研究目標(biāo)層位優(yōu)選、鉆井、分段壓裂及精細(xì)化排采等系列頂板L型水平井抽采關(guān)鍵技術(shù),形成了一套適宜于新田煤礦煤層氣高效抽采的技術(shù)體系,以期為類似地質(zhì)條件的礦井工程應(yīng)用提供借鑒。

1 煤層氣地質(zhì)特征

1.1 礦井地質(zhì)特征

新田煤礦位于黔西向斜北西翼近軸部地帶,區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)為次一級(jí)寬緩褶曲。地層總體走向NE,傾向以NW和SE為主,地層傾角一般為5°～10°,斷層集中發(fā)育于礦區(qū)北部及南部邊界。根據(jù)鉆孔揭露,區(qū)內(nèi)地層由新至老主要為第四系(Q)、三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)、三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)、二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P3c)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)及二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)等。二疊系龍?zhí)督M是該區(qū)主要含煤地層?？刹擅簩又饕?號(hào)、9號(hào)煤層,其中本次設(shè)計(jì)抽采的目的煤層為9號(hào)煤層。

1.2 礦井9號(hào)煤層發(fā)育特征

礦井9號(hào)煤層為中厚煤層,煤層平均厚度為2.41 m.煤層頂?shù)装逯饕陨百|(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖為主。煤巖成分主要以亮煤為主,暗煤次之,鏡煤呈細(xì)條帶狀結(jié)構(gòu),棱角狀、貝殼狀斷口,內(nèi)生裂隙較發(fā)育,性脆,煤體較堅(jiān)硬,部分疏松。煤層變質(zhì)主要為無(wú)煙煤Ⅶ階段,主要為無(wú)煙煤三號(hào)。

1.3 礦井煤儲(chǔ)層特征

1) 氣含量及成分。礦井9號(hào)煤層氣含量(空氣干燥基)3.48～32.63 m3/t,平均為16.27 m3/t;9號(hào)煤層甲烷氣體成分為53.07%～98.98%,平均為82.54%.由于斷層等張性構(gòu)造的影響,其周圍附近煤層氣含量及成分相對(duì)較低,但整體而言,礦區(qū)內(nèi)煤層氣含量及成分較高。

2) 吸附性特征。通常高階煤具有生氣量大、吸附能力強(qiáng)的特征。根據(jù)測(cè)試煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn),礦井9號(hào)煤層蘭氏體積(平衡水分基)為35.54～36.66 cm3/g,平均36.10 cm3/g,蘭氏壓力2.19～2.34 MPa,平均2.26 MPa.

3) 滲透率。煤儲(chǔ)層滲透率大小直接體現(xiàn)了儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力,是影響煤層氣產(chǎn)能的主要因素。通過(guò)對(duì)礦井煤層氣參數(shù)井9號(hào)煤層進(jìn)行注入/壓降試井,9號(hào)煤儲(chǔ)層滲透率為0.056 md,屬于低滲儲(chǔ)層。

礦井9號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)為碎裂-碎粒結(jié)構(gòu)煤,見(jiàn)圖1.地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于受到脆性形變及韌性形變破壞,煤種宏觀裂隙、內(nèi)生裂隙出現(xiàn)不同程度的壓縮、變形。根據(jù)壓汞法孔徑結(jié)構(gòu)測(cè)試,9號(hào)煤層孔隙率平均為9.48%.通過(guò)宏觀煤巖描述及顯微裂隙統(tǒng)計(jì),割理密度為3～6條/5 cm,最長(zhǎng)大于1 cm,顯微裂隙密度4～5條/cm,裂隙中部分被方解石礦物充填,連通性中等-差。整體上呈現(xiàn)出碎軟低滲特征。

圖1 鉆井取芯樣品

4) 儲(chǔ)層壓力。煤儲(chǔ)層壓力是影響煤層氣抽采效果的關(guān)鍵參數(shù),決定著煤層氣的吸附、解吸能力。9號(hào)煤層埋深360.95～400.30 m.注入/壓降試井測(cè)試結(jié)果顯示,9號(hào)煤儲(chǔ)層壓力為2.91 MPa,儲(chǔ)層壓力梯度為7.55×10-3MPa/m,屬于欠壓儲(chǔ)層。

2 頂板L型水平井煤層氣抽采技術(shù)

頂板L型水平井煤層氣抽采技術(shù),即是針對(duì)變形強(qiáng)烈的構(gòu)造煤儲(chǔ)層,采用L型水平井進(jìn)行鉆井、壓裂儲(chǔ)層改造以及排采一體化施工,進(jìn)行地面煤層氣抽采,提高煤礦區(qū)瓦斯抽采效果。L型水平井水平段軌跡位于目標(biāo)煤層一定距離的頂板砂泥巖層中,通過(guò)對(duì)頂板向煤層進(jìn)行定向射孔分段壓裂,使井筒與下部煤層充分溝通,建立煤層氣滲流通道,最后在水平井中安裝抽采設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。

2.1 目標(biāo)區(qū)及層位優(yōu)選

為了確保水平井順利實(shí)施,目標(biāo)區(qū)選擇需要優(yōu)先考慮:①煤層賦存連續(xù)、穩(wěn)定、厚度較大;②煤層氣含量相對(duì)較高,地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,煤層埋藏深度適中;③與煤礦采掘部署緊密結(jié)合,宜選取規(guī)劃區(qū)或準(zhǔn)備區(qū),滿足最大化抽采煤層氣的時(shí)限;④地形平坦,交通便利。

目標(biāo)層位的選擇關(guān)乎到水平井的順利鉆進(jìn),進(jìn)而影響到壓裂裂縫破裂、擴(kuò)展,以及是否可以延伸到下部煤層中,達(dá)到有效改造煤層的目的。綜合考慮9號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r性特征,借鑒其他區(qū)塊經(jīng)驗(yàn),并借助多極子陣列聲波測(cè)井擁有的地應(yīng)力測(cè)量、巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)量的優(yōu)勢(shì),進(jìn)行目標(biāo)層位優(yōu)選。

礦井煤層氣參數(shù)井(XT-V1井)鉆井施工過(guò)程中,采用多極子陣列聲波測(cè)井技術(shù)獲得了9號(hào)煤層及其頂?shù)装鍑鷰r的巖石力學(xué)參數(shù)。測(cè)試層段井深500～520 m,9號(hào)煤層埋深為509.9～513.15 m.通過(guò)陣列聲波測(cè)井信息提取演算,9號(hào)煤層及其頂板均表現(xiàn)為垂直應(yīng)力大小接近于水平應(yīng)力,壓裂裂縫形態(tài)是以垂直裂縫為主的復(fù)雜裂縫。頂板破裂壓力大于9號(hào)煤層5 MPa以上。同時(shí)對(duì)礦井內(nèi)參數(shù)井和地勘鉆孔柱狀圖分析,9號(hào)煤層上部穩(wěn)定分布著1層4～5 m厚的泥質(zhì)粉砂巖,伽馬測(cè)井和電阻率測(cè)井響應(yīng)明顯,結(jié)合其他施工參數(shù),水平段在該層中鉆井,易于控制井眼軌跡,安全性相對(duì)較高,并且壓裂裂縫易于頂板起裂,并進(jìn)一步向煤層中擴(kuò)展、延伸。

采用ABAQUS軟件進(jìn)行水力壓裂數(shù)值模擬,結(jié)果表明,水平段井筒布置在煤層上方一定距離范圍內(nèi)(0～2 m),壓裂裂縫可以快速穿過(guò)巖層擴(kuò)展,溝通井筒與下部煤層之間的聯(lián)系[8]。由此基于礦區(qū)內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)及地應(yīng)力分析,在9號(hào)煤層頂板0～2 m范圍內(nèi)布置水平井水平段,然后通過(guò)分段壓裂強(qiáng)化改造煤儲(chǔ)層,可以實(shí)現(xiàn)煤儲(chǔ)層改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)的目的。

2.2 鉆井技術(shù)

1) 井眼軌跡部署及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)今地應(yīng)力形態(tài)控制著煤儲(chǔ)層壓裂裂縫的起裂、擴(kuò)展及延伸方向。根據(jù)煤層氣井壓裂裂縫微震監(jiān)測(cè)表明,裂縫總是沿著平行于最大主應(yīng)力方向、垂直于最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展、延伸[10]。因此,水平井井眼軌跡部署應(yīng)垂直于或斜交于最大主應(yīng)力方向。參數(shù)井多極子陣列聲波測(cè)井演算顯示,儲(chǔ)層最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W60°,因此,當(dāng)水平井水平投影方位大角度斜交于主應(yīng)力方位,即約NW0°時(shí),儲(chǔ)層分段壓裂改造形成的一系列相互平行的切割水平井筒的復(fù)雜裂縫所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),極大地增加了泄流面積,加快了瓦斯氣體的運(yùn)移速度,有利于高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。地面水平井軌跡與主應(yīng)力方位關(guān)系如圖2所示。

圖2 地面水平井軌跡與主應(yīng)力方位關(guān)系示意

根據(jù)新田礦區(qū)地層巖性特征、含水層特征及地質(zhì)構(gòu)造特征,結(jié)合鄰區(qū)煤層氣成功井型資料,從排水采氣方面考慮,必須對(duì)目標(biāo)煤層上部松散黃土層及含水層進(jìn)行封堵;水平段的井眼直徑需要考慮井壁穩(wěn)定性及導(dǎo)向工具配套性;二開套管下至目標(biāo)煤層頂部巖層,防止裸眼段過(guò)長(zhǎng),摩阻大,生產(chǎn)套管不易下放。綜合考慮,XT01-H1水平井設(shè)計(jì)采用三開井身結(jié)構(gòu)。

一開采用Φ444.5 mm空氣潛孔錘鉆穿第四系進(jìn)入基巖層以下20 m,下入Φ339.7 mm、壁厚9.65 mm、鋼級(jí)J55表層套管封固松散地層,固井水泥返至地面。

二開采用Φ311.15 mmPDC鉆頭配合單彎螺桿鉆進(jìn),鉆至著陸點(diǎn)(即9號(hào)煤層上部1 m處)完鉆,下入Φ244.5 mm、壁厚8.94 mm、鋼級(jí)J55技術(shù)套管,固井水泥返至地面。

三開采用Φ215.9 mmPDC鉆頭配合單彎螺桿沿煤層頂板0～2 m范圍內(nèi)有效鉆進(jìn),完鉆后下入Φ139.7mm、壁厚7.72 mm、鋼級(jí)P110生產(chǎn)套管,固井水泥返至地面。

2) 造斜著陸段、水平段井眼軌跡精準(zhǔn)控制。二開造斜著陸段采用黑星無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀(BlackStar EMWD)定向鉆進(jìn)至井斜角80°穩(wěn)斜進(jìn)行導(dǎo)眼孔施工,利用測(cè)井信息數(shù)據(jù)查明9號(hào)煤層埋深、斜厚度、真厚度、頂?shù)装鍘r性、位置以及煤層和頂?shù)装宓淖匀毁ゑR參數(shù)。依據(jù)施工的導(dǎo)眼孔數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)二開設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)垂深后,導(dǎo)眼孔回填側(cè)鉆,結(jié)合造斜段前期掌握的地層造斜規(guī)律和單彎螺桿造斜能力,精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)著陸。

三開水平段鉆進(jìn)過(guò)程中,利用黑星無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀(BlackStar EMWD)實(shí)測(cè)方位伽馬值及鉆時(shí)、巖屑、氣測(cè)全烴值等四要素與二開導(dǎo)眼段測(cè)井所獲取的9號(hào)煤層及其頂?shù)装逅囊財(cái)?shù)值進(jìn)行綜合對(duì)比分析,實(shí)施監(jiān)測(cè)水平段井眼軌跡情況,保證井眼在煤層頂板2 m范圍內(nèi)有效鉆進(jìn)。同時(shí)采用間斷探煤方式進(jìn)行水平段的軌跡精確控制。通過(guò)設(shè)計(jì)下探目的煤層軌跡,優(yōu)化調(diào)整井斜角鉆進(jìn)直至進(jìn)入煤巖交界面,然后調(diào)整增斜率確保實(shí)鉆軌跡處于距離煤層0～2 m控制范圍內(nèi)。

2.3 多簇定向射孔分段壓裂技術(shù)

1) 定向射孔工藝技術(shù)。射孔的作用是盡可能地使井筒近距離與煤儲(chǔ)層裂縫溝通,加快氣體運(yùn)移速度。針對(duì)頂板水平井,為了使壓裂裂縫快速穿過(guò)頂板溝通下部煤儲(chǔ)層,采用深穿透射孔彈垂直向下射孔技術(shù),穿過(guò)套管、水泥環(huán)及部分泥質(zhì)粉砂巖層,使壓裂裂縫縱向上延伸至煤層中,提升壓裂成功率。為了實(shí)現(xiàn)定向射孔的目的,確保后續(xù)壓裂改造煤儲(chǔ)層復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成,依據(jù)新田礦區(qū)地層特征,綜合考慮小槍配大彈的地面穿透試驗(yàn)結(jié)果以及射孔簇?cái)?shù)數(shù)值模擬結(jié)果[11],采用95型射孔槍配102型射孔彈,孔密為12孔/m,射孔簇?cái)?shù)3簇/段進(jìn)行射孔施工。射孔后經(jīng)檢查射孔器材發(fā)射率均超過(guò)95%.

2) 分段壓裂工藝技術(shù)。①射孔壓裂層段及段數(shù)設(shè)計(jì)。為了最大化提升氣井產(chǎn)能,提高煤礦區(qū)域煤層瓦斯治理的時(shí)效性,國(guó)內(nèi)不少學(xué)者通過(guò)軟件數(shù)值模擬進(jìn)行了壓裂層段優(yōu)選、不同煤體結(jié)構(gòu)段間距優(yōu)化、射孔簇間距等方面的研究[11-12],同時(shí)結(jié)合新田礦區(qū)地質(zhì)地層條件以及鉆完井實(shí)鉆情況,優(yōu)選水平段固井質(zhì)量好、距離煤層頂面近、隨鉆伽馬值低、氣測(cè)值高的層段作為壓裂層段,采用“先等距分段、再優(yōu)化微調(diào)”的方式對(duì)不同段數(shù)、段間距、簇間距進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,將L型水平井水平段劃分為9個(gè)壓裂層段,每段長(zhǎng)度為63～88 m,平均為77.8 m.每段射孔3簇,簇間距平均為10 m,每簇長(zhǎng)度1～2 m(頂板巖層1 m、煤巖交界面位置2 m),壓裂層段之間采用可鉆式機(jī)械橋塞封隔,采用泵送橋塞+分簇射孔聯(lián)作的方式進(jìn)行水平井的逐級(jí)分段壓裂,見(jiàn)表1、圖3.

圖3 XT01-H1水平井壓裂分段示意

3) 施工參數(shù)設(shè)計(jì)。為了最大限度地延伸煤儲(chǔ)層中有效支撐裂縫,溝通煤巖裂縫網(wǎng)絡(luò),形成高效導(dǎo)流通道,通過(guò)壓裂軟件模擬可知,隨著排量增大,裂縫縫高增大,且裂縫向頂界延伸變短、向底界延伸變長(zhǎng),當(dāng)水平段軌跡在煤層頂板2 m時(shí),排量≥10 m3/min,裂縫縫高可以貫穿整個(gè)煤層,裂縫基本在煤層中擴(kuò)展延伸;排量<6 m3/min,裂縫幾乎不能溝通煤層。表明較大的施工排量在一定范圍內(nèi)有利于頂板井取得較好的壓裂效果。為了促使裂縫盡可能擴(kuò)展延伸,設(shè)計(jì)施工排量為12 m3/min左右。

基于礦區(qū)地層特性及煤儲(chǔ)層物性的充分考慮,運(yùn)用壓裂軟件模擬優(yōu)化施工規(guī)模。壓裂施工選取3種不同規(guī)模的施工用量,裂縫模擬結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同壓裂規(guī)模下裂縫模擬結(jié)果

由表2可知,隨著壓裂規(guī)模的增大,半縫長(zhǎng)和裂縫體積增大,但是當(dāng)壓裂規(guī)模達(dá)到一定程度時(shí),半縫長(zhǎng)和裂縫體積增長(zhǎng)幅度逐步變緩。綜合考慮成本及效果,壓裂規(guī)模設(shè)計(jì)采用液量1 200 m3加支撐劑80 m3.

4) 壓裂液及支撐劑設(shè)計(jì)。壓裂液在壓裂施工過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用,直接影響著有效支撐裂縫的擴(kuò)展、延伸。借鑒水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法,選擇4種壓裂液體系:活性水(1.5%KCl)、2%KCl、凍膠壓裂液及清潔壓裂液(0.8%VES),測(cè)試其對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的傷害率,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同類型壓裂液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害率

結(jié)果表明,活性水(1.5%KCl)和2%KCl對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率傷害率較低(<12%)。綜合考慮新田礦區(qū)9號(hào)煤層物性特征、材料成本及現(xiàn)場(chǎng)配制性,并參考臨近區(qū)塊殺菌劑添加比例,設(shè)計(jì)采用配液簡(jiǎn)單的活性水壓裂液(清水+1.5%KCl+0.05%殺菌劑),具有防膨、返排易、傷害小、成本低等特征。

支撐劑是形成有效支撐裂縫的重要材料。目前常用的支撐劑主要有石英砂、陶粒、樹脂覆膜砂等。結(jié)合礦區(qū)目的煤儲(chǔ)層埋藏淺、閉合應(yīng)力較低(8.06 MPa)等特征,通過(guò)不同支撐劑在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力測(cè)試,見(jiàn)圖5.

圖5 不同支撐劑在不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力圖

石英砂在10 MPa閉合壓力下形成的導(dǎo)流能力大于30 μm2·cm,滿足煤儲(chǔ)層改造的需要,同時(shí)考慮到材料成本以及避免砂堵對(duì)壓裂設(shè)備的影響,設(shè)計(jì)采用40/70目和20/40目?jī)煞N不同粒徑的石英砂組合作為壓裂支撐劑可以充填不同寬度裂縫,進(jìn)行降濾和有效支撐裂縫。

2.4 精細(xì)化排采技術(shù)

1) 排采設(shè)備選擇。針對(duì)新田礦區(qū)L型水平井所具有的井斜角大、狗腿度大、斜井段長(zhǎng)和水平位移大等特點(diǎn)以及地面煤層氣井排水降壓的要求,決定了地面排水降壓需要采用無(wú)桿抽排方式?；诖?結(jié)合新田礦區(qū)煤儲(chǔ)層條件及產(chǎn)水預(yù)測(cè),排采設(shè)備選擇美國(guó)沃威電潛泵,型號(hào)為4VE2-90,理論最大排量50 m3/d,功率4 kW,舉升高度550 m;考慮到排采后期氣液比大易造成氣鎖傷害,優(yōu)化管柱組合為Φ73 mm絲堵+Φ73 mm尾管+電泵+Φ48 mm中心管+Φ114 mm泵套+Φ73 mm短節(jié)+Φ73 mm篩管+Φ73 mm短節(jié)+Φ60 mm壓力計(jì)短節(jié)+Φ60 mm平式油管串;同時(shí)采用“DAPS油氣井只能排采控制系統(tǒng)”,遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)控制L型水平井生產(chǎn)參數(shù)。

2) 井底流壓精確控制。綜合考慮L型水平井鉆完井方式、分段壓裂改造規(guī)模以及地層供液能力,按照“連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢、長(zhǎng)期”的原則進(jìn)行排采生產(chǎn)。排采采用低套壓方式生產(chǎn),最大限度避免吐砂吐煤粉,排采過(guò)程中實(shí)時(shí)精細(xì)化調(diào)節(jié)產(chǎn)水、產(chǎn)氣速度,重點(diǎn)精確控制各階段井底流壓降幅。單相排水降壓階段:井底流壓降幅小于等于0.04 MPa/d;初始產(chǎn)氣階段:井底流壓降幅小于等于0.02 MPa/d;提產(chǎn)階段:井底流壓降幅小于等于0.01 MPa/d;穩(wěn)產(chǎn)階段:井底流壓降幅小于等于0.003 MPa/d;衰減階段:井底流壓降幅小于等于0.001 MPa/d.

3 工程實(shí)踐

2021年1月至2021年12月,組織在新田礦區(qū)施工了1口煤層頂板L型水平井。采用三開井身結(jié)構(gòu),水平井XT01-H1井完鉆井深為1 230 m,水平段軌跡控制在9號(hào)煤層頂面0～2 m范圍內(nèi)的泥質(zhì)粉砂巖中鉆進(jìn),長(zhǎng)度為700 m.井身結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 XT01-H1水平井井身結(jié)構(gòu)圖

XT01-H1水平井下入生產(chǎn)套管固井后,利用電纜泵送橋塞將射孔槍下至設(shè)計(jì)井深位置(首段采用油管傳輸射孔)進(jìn)行重力內(nèi)向下分簇射孔,并進(jìn)行光套管分段壓裂施工。700 m水平段分為9段壓裂,段間距63～88 m,每段3簇,簇間距平均10 m,共27簇408孔(圖3)。全井9段共注入活性水壓裂液11 537.6 m3,砂比5%～12%,平均9%,累計(jì)加砂740 m3,施工排量12～13 m3/min.壓裂過(guò)程中第1段、第3段、第9段進(jìn)行了微地震實(shí)施裂縫形態(tài)監(jiān)測(cè),結(jié)果表明,壓裂主裂縫與水平段井眼大斜度相交,主要分布在NW35°～50°之間,裂縫單翼縫長(zhǎng)為88～172 m,平均為122 m.圖7為第三段裂縫方位長(zhǎng)度平面圖。

圖7 第3段裂縫方位長(zhǎng)度平面圖

XT01-H1水平井壓裂結(jié)束后,經(jīng)過(guò)放噴管理,于2021年12月5日采用電潛泵進(jìn)行抽采作業(yè),同年2月4日該井出現(xiàn)氣顯示,之后進(jìn)行穩(wěn)步提產(chǎn)。2022年7月2日,XT01-H1水平井產(chǎn)氣量達(dá)到5 334 m3/d,截至2023年4月,累計(jì)產(chǎn)氣量為134.5×104m3,穩(wěn)產(chǎn)氣量為4 050 m3/d左右(圖8),水平井多簇射孔分段壓裂后抽采效果顯著。

圖8 新田礦區(qū)XT01-H1水平井排采曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 新田煤礦9號(hào)煤層屬于碎裂-碎粒結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為煤層瓦斯含量高、煤層吸附能力強(qiáng)、裂隙不發(fā)育、煤層滲透率低、煤儲(chǔ)層壓力欠壓、煤層頂板可鉆性好等特征。

2) 通過(guò)目標(biāo)區(qū)及目標(biāo)層位優(yōu)選、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌跡精準(zhǔn)控制技術(shù)、多簇定向射孔分段壓裂精確優(yōu)化工藝技術(shù)及排采作業(yè)精細(xì)控制技術(shù),形成了煤層頂板L型水平井煤層氣高效抽采技術(shù)體系。結(jié)合工程實(shí)踐的應(yīng)用,頂板L型水平井在新田礦區(qū)取得了產(chǎn)能突破,最高產(chǎn)氣量達(dá)到了5 334 m3/d,并獲得了長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的試驗(yàn)結(jié)果。

3) XT01-H1水平井實(shí)現(xiàn)了碎軟煤層瓦斯高效抽采技術(shù)和產(chǎn)能的雙重突破,為具有類似地質(zhì)條件的高突礦井煤層氣抽采及煤礦區(qū)瓦斯治理提供了技術(shù)方向,具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。