煤層氣開發(fā)老區(qū)L型加密水平井鉆井及排采技術(shù)研究

＊陶占盛

（1.北京化工大學(xué) 北京 100029 2.山西蘭花煤層氣有限公司 山西 048000）

煤層氣開采前期主要采用的是直井/定向井，而直井/定向井在實(shí)施過程中因井間距大、鉆機(jī)技術(shù)水平低、儲(chǔ)層保護(hù)措施不當(dāng)?shù)纫蛩兀斐纱罅康闹本?定向井單井日產(chǎn)量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)產(chǎn)能，煤層氣產(chǎn)能得不到充分利用。但這些井的相關(guān)配套措施，如電網(wǎng)、管網(wǎng)、道路等，都已經(jīng)完成，大量資金已經(jīng)投入。因此，急需對(duì)低產(chǎn)能井所在的區(qū)域進(jìn)行改造，提高低產(chǎn)井的產(chǎn)量，也有效提升區(qū)域的采收率。

通過分析認(rèn)為，前期大部分直井/定向井雖然經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的排采，井間沒有建立有效的井間干擾，這是造成這些井產(chǎn)量低的主要原因。在此基礎(chǔ)上，筆者提出了老區(qū)加密井的概念，在這些低產(chǎn)的老井之間增加加密L型水平井，利用現(xiàn)在成熟的L型水平井技術(shù)建立各個(gè)單井之間的井間干擾，實(shí)現(xiàn)區(qū)域整體降壓，實(shí)現(xiàn)單井的產(chǎn)氣量的提升和采收率的提高，從兩個(gè)方面提升區(qū)塊的整體采收率。

1.地質(zhì)布井

直井/定向井通過壓裂改造的方式提高產(chǎn)氣量是煤層氣早期運(yùn)用最普遍的一種開發(fā)方式。但在布井的時(shí)候往往忽略了一個(gè)重要的信息，就是煤層中的端割理和面割理有著不同的滲透率。圖1和圖2分別從實(shí)物和理想狀態(tài)下進(jìn)行了滲透率對(duì)比，通過對(duì)比可以看出面割理與端割理之間滲透率差別高達(dá)100倍。關(guān)鍵因素。圖3顯示沁水盆地3口井煤層主裂縫方向?yàn)楸睎|方向，所以在沁水盆地水平井布井時(shí)水平段方向與主裂縫方向需存在一定夾角，避免水平段方向與主裂縫方向平行。

圖1 煤層割理示意圖煤層主裂縫方向是水平井及加密水平井布井時(shí)的

圖2 煤層不同割理滲透率圖

圖3 沁水盆地三口井壓裂裂縫監(jiān)測(cè)圖

根據(jù)國外煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀調(diào)研，國外煤層氣田井網(wǎng)的井距主要在400～800m（見表1）。我國煤層氣開發(fā)早期受到國外煤層氣開發(fā)井間距及壓裂影響半徑的影響，直井/定向井的井間距一般為250～300m。

表1 各大型煤氣田布井間距一覽表

通過對(duì)早期煤層氣井的研究表明，在井間距250～300m時(shí)，井網(wǎng)之間未達(dá)到耦合降壓的效果，整體產(chǎn)氣量效果不太理想。

通過上述不同方向上的滲透率的對(duì)比及主裂縫方向的分析，結(jié)合三種不同布井方式產(chǎn)氣量模擬曲線（見圖4），可以清楚地看到，b型布井方式（順著主裂縫方向延長(zhǎng)井間距）的產(chǎn)氣量較高，且穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖4 不同布井方式下的產(chǎn)量對(duì)比圖

通過以上對(duì)井間距、煤層主裂縫方向及產(chǎn)氣量情況分析，在加密水平井布井時(shí)，應(yīng)充分考慮以下因素：

（1）加密水平井水平段方向應(yīng)盡可能與主裂縫方向垂直。若無法滿足垂直情況時(shí)，應(yīng)保證水平段方向與主裂縫方向保持一定夾角；

（2）充分利用現(xiàn)有井場(chǎng)，盡量減少鉆前工程投入；

（3）因受早期壓裂影響，煤層破碎，加密井成井比較困難，煤層段不宜太長(zhǎng)。

2.鉆井難點(diǎn)

由于加密井需要穿越壓裂和已經(jīng)排采過的區(qū)域，煤層的原始地層應(yīng)力結(jié)構(gòu)已經(jīng)被改變。水平段鉆進(jìn)時(shí)井壁不穩(wěn)和煤層坍塌是加密井鉆井的主要技術(shù)難點(diǎn)。另外煤層保護(hù)也是加密井應(yīng)該考慮的一個(gè)主要因素。

(1)鉆井液

從力學(xué)方面來講，當(dāng)鉆井液密度大于地層破裂壓力當(dāng)量密度或者小于地層坍塌壓力當(dāng)量密度，井壁巖石就會(huì)失去平衡，造成井壁的崩裂或者垮塌。煤層氣井井壁失穩(wěn)是內(nèi)因和外因兩方面共同導(dǎo)致的。內(nèi)因?yàn)槊簝?chǔ)層機(jī)械結(jié)構(gòu)松軟破碎且含有易水化的黏土礦物等自身地質(zhì)條件。外因是鉆井液安全密度窗口決定的，即鉆井液密度要限制在地層破裂和地層垮塌當(dāng)量密度的范圍內(nèi)。加密井在三開水平段采用胍膠泥漿鉆井液體系，該鉆井液體系易于控制鉆井液密度并將其限制在地層破裂和地層垮塌當(dāng)量密度的范圍內(nèi)，有效地防止煤層坍塌。

胍膠鉆井液體系中添加的Clay Treat 3C是一種高效的黏土穩(wěn)定劑，可防止煤層中黏土膨脹和運(yùn)移達(dá)到穩(wěn)定地層的作用，其防膨效果優(yōu)于KCl。

通過防膨性能測(cè)試，進(jìn)行靜態(tài)黏土穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試液體有清水、1L/m3Clay Treat 3C、2% KCl三種。其測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 黏土穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

鉆進(jìn)過程中保持鉆井液良好的抑制性，以抑制地層造漿，注意防止井漏及泥巖因水化膨脹而產(chǎn)生的坍塌，以及由于巖性破碎而導(dǎo)致泥頁巖剝落掉塊。進(jìn)入煤層后嚴(yán)格控制固相含量，盡可能減小對(duì)煤層的損害，同時(shí)由于煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，因此煤層中鉆進(jìn)時(shí)鉆井液首先在確保安全鉆進(jìn)、確保井孔質(zhì)量的前提下盡量采用低密度泥漿鉆進(jìn)。原則上鉆進(jìn)煤層時(shí)的井液密度盡量不超過地層破裂和地層垮塌當(dāng)量密度的范圍，從而達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。

(2)煤層保護(hù)

造成儲(chǔ)層污染的因素也包括內(nèi)因和外因，內(nèi)因?yàn)槊簝?chǔ)層具有裂隙性和敏感性，機(jī)械強(qiáng)度弱，外因主要為鉆井液液柱壓力以及鉆井液與煤層流體的不配伍性。

胍膠鉆井液體系是從植物提取的胍膠為主體，配以一定比例的殺菌劑及黏土穩(wěn)定劑組成的無固相鉆井液體系。其儲(chǔ)層保護(hù)機(jī)理為在鉆井過程中胍膠鉆井液體在井壁形成一種膠狀保護(hù)膜，防止有害固相進(jìn)入煤層裂隙堵塞煤層通道。完井后按比例配制破膠劑進(jìn)行破膠，使井壁的胍膠鉆井液盡可能零殘留，以起到恢復(fù)原始地層的目的。通過近幾年在各個(gè)區(qū)塊胍膠體系的應(yīng)用及產(chǎn)氣量對(duì)比情況分析，該鉆井液體系穩(wěn)定井眼和保護(hù)煤層方面具有明顯的科學(xué)性及實(shí)用性。

3.排采控制

煤層氣的儲(chǔ)存方式主要以吸附為主，然而煤體屬于典型的“孔-裂隙”結(jié)構(gòu)，吸附于煤基質(zhì)中的煤層氣會(huì)在一定條件下發(fā)生解吸，游離于孔隙和裂隙中，且在孔隙和裂隙中符合不同的運(yùn)移規(guī)律。在煤層氣抽采過程中，由于煤基質(zhì)應(yīng)力作用，煤體中的孔隙和裂隙分布及形態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而反過來影響煤層氣的流動(dòng)和煤層氣壓力的分布，使得煤層氣的存儲(chǔ)和擴(kuò)散規(guī)律變得十分復(fù)雜，即在煤層氣排采過程中需要同時(shí)涉及到固體力學(xué)場(chǎng)、滲流場(chǎng)，甚至溫度場(chǎng)的相互耦合作用。因此，排采過程中必須遵守多場(chǎng)耦合條件下的煤巖基質(zhì)中煤層氣運(yùn)移規(guī)律。

對(duì)于加密井的排采，由于老區(qū)前期已經(jīng)進(jìn)行了直井/定向井的排采，地層多數(shù)處于欠壓狀態(tài)，因此多場(chǎng)耦合條件下的煤巖基質(zhì)中煤層氣運(yùn)移規(guī)律將更加復(fù)雜。為了做好加密井的排采，主要需要控制排采的速度，特別是每天液面的變化量不要太大，防止由于壓力的劇烈變化對(duì)煤層造成激蕩而影響到上述各個(gè)場(chǎng)之間的相互作用，從而對(duì)地層造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。

4.結(jié)論

在沁水盆地煤層氣開采早期，因受井間距較大、鉆井技術(shù)水平低、儲(chǔ)層保護(hù)措施不當(dāng)?shù)戎T多因素的影響，直井/定向井產(chǎn)氣效果不太理想，資源開采程度低的情況下。通過加密L型水平井的實(shí)施，可以很好地改造老區(qū)的整體降壓效果，實(shí)現(xiàn)老區(qū)產(chǎn)氣量的增加和采收率的提高，也可以使老區(qū)投入的大量基礎(chǔ)設(shè)施得以充分利用，是很好的一種老區(qū)改造方式。