基于煤層滲透率的鉆井完井方式選擇分析

付 利 申瑞臣 屈 平 楊恒林

(1.中國石油鉆井工程技術研究院,北京 100195;2.中國石油勘探開發研究院,北京 100093)

在煤層氣的開發過程中,即使煤層厚度、煤層含氣量、煤層賦存深度基本相當的情況下,就是因為其具有不同的煤層滲透性而往往需要采取不同的鉆完井開發方式才能取得較好的經濟效益。例如,在低滲透率煤層一般采用了水平井技術,而在中、高滲透煤層宜采用直井洞穴完井、直井壓裂措施等。針對不同滲透率究竟采用何種技術更適應煤層氣的開發,目前尚未形成明確的認識。煤儲層滲透性是煤層氣開發的關鍵技術參數,研究分析其對鉆井、完井方式以及增產措施對單井產量的影響,對經濟有效開發煤層氣具有一定的指導意義。

1 煤層滲透率級別劃分

煤儲層從宏觀角度上來說具有均一性,但從微觀角度來分析卻具有各向異性。我國各地煤層滲透率值相對于國外來講比較低,據不完全統計,滲透率一般在0.002～30md之間,變化范圍很大,極值相差4個數量級,其峰值分布在0.05～5md范圍內。在美國成功實施煤層氣經濟有效開發區塊,煤儲層的滲透率通常在3～30md之間。例如最早開發煤層氣的圣胡安盆地,滲透率值分布在1～60md;雖然黑勇士盆地煤儲層的滲透率比圣胡安盆地稍低,但其分布范圍也在1～25md之間。加拿大煤層氣開發主要集中在西加拿大盆地,該地區的滲透率分布范圍為1～15md。澳大利亞最主要的含煤層氣盆地之一鮑恩盆地滲透率比較低,分布范圍為0.1～2md,但是另一高含煤層氣盆地蘇拉特盆地滲透率則很高,滲透率值達到10～300md。國內外部分盆地煤層滲透性的統計數據見表1。

表1 世界主要含煤層氣盆地滲透率變化 (單位：md)

為此,通過優化選擇主要含煤層氣盆地的滲透率范圍,將煤層分類為致密低滲透性煤層 (＜5md)、中滲透性煤層 (5～20md)、高滲透性煤層(＞20md)。

2 以滲透率為基礎的鉆井完井策略

通過對國內外的現場作業實踐和研究報告分析,分別對低滲透、中滲透、高滲透這三種煤層所應用的鉆完井方式進行了歸類總結,得到了圖1所示的以滲透率為基礎的鉆完井策略圖。

國外經過多年的嘗試,針對不同的煤層滲透率采用了不同的完井方法,取得了良好的經濟效益。從圖1中可以看出,開發低滲煤層 (＜5md)的氣藏大都采用水平井的方式,只有在煤層滲透率大于5md時才會運用直井進行開采,而在滲透率大于20md的高滲透性煤層則幾乎沒有水平井的運用。在完井方式上,多分支水平井基本采用了裸眼完井,而普通的水平井或SIS井大都采用了塑料篩管完井作業;在直井的完井中最常用到的方式是下套管固井壓裂或者直接裸眼洞穴完井。當然在一些特高滲透性煤層 (＞100md)也有運用裸眼篩管完井或裸眼擴孔完井的嘗試。

圖1 以滲透率為基礎的鉆完井策略圖

3 鉆井完井策略的應用分析

3.1 致密低滲透性煤層

在致密低滲煤層,多分支水平井、SIS(Surface-In-Seam)水平井是目前開發煤層氣的最主要技術;微小井眼徑向井技術則是未來進行低滲煤層氣藏開采的有效技術,現在還沒有得到廣泛的應用。

(1)多分支水平井技術：在該滲透率范圍煤層,多應用多分支水平井。多分支水平井是在常規水平井和分支井的基礎上發展起來的,是指在一個主水平井眼的兩側再鉆出多個分支井眼作為泄氣通道。為了降低成本和滿足不同需要,有時在一個井場朝對稱的3或4個方向各分布一組水平井眼,有時還利用上下兩套分支同時開采兩套煤層。該技術在美國的阿巴拉契亞盆地北部得到了廣泛應用,在我國沁水盆地的煤層氣開發中也有應用。

分支水平井能在煤儲層內形成相互連通的網絡,最大限度的溝通低滲煤層裂隙和割理系統,大大降低煤層裂隙內流體的流動阻力,起到提高煤層排水降壓速度和煤層氣解吸運移速度,增加煤層氣產量的效果。與普通單一水平井方式相比,多分支井的煤層氣產量可以達到普通水平井的2～3倍,壓裂直井的6～10倍。

表2 沁水盆地樊莊區塊多分支水平井與直井產氣量對比

(2)SIS(Surface-In-Seam)水平井技術：SIS水平井技術是在普通U型水平井技術上發展而來的。普通U型水平井是指從地面鉆一口定向水平井,貫穿煤層,并和較遠處的一口生產直井相連通;而SIS水平井技術則是施工成V字型的兩口工程水平井,貫穿同一煤層或兩不同煤層,與同一生產直井相連通,組成象征意義上的兩組U型井,兩口工程井水平投影方位V型夾角大小一般在45°左右,如圖2所示。SIS水平井在澳大利亞的鮑恩盆地得到廣泛應用。

圖2 SIS水平井垂直剖面與水平投影示意圖

在低滲煤層應用SIS水平井技術進行煤層氣開采,一組井的產氣量可以達到兩口普通水平井的產氣量之和,但作業成本可以大大降低。在SIS井水平段,可采用割縫塑料篩管進行完井,這樣一旦井眼發生堵塞現象,就可以在工程井口注入清洗液進行洗井。

(3)微小井眼徑向井技術：微小井眼徑向井技術也是開發致密低滲煤層的一種新技術。徑向井技術是指鉆柱以極短的彎曲半徑 (約0.3m)實現從垂直方向到水平方向的轉向,并以水力驅動鉆桿送進、以完全高壓水噴射破碎巖石的一種水平鉆井方法。在低滲煤層,可以在已鉆直井中,快速鉆進直徑1″～2″的徑向井眼 (每一煤層3～4個井眼),這樣可以增大儲層的泄壓面積,擴大煤層氣解吸范圍,提高低滲煤層氣井的產量和采收率,解決了低滲煤層射孔、壓裂效果不理想的問題。

3.2 中滲透性煤層

在中滲透性煤層,可以采取普通水平井或直井進行氣藏開采,二者的具體選擇取決于最優煤層的產氣能力。

(1)普通水平井技術：在美國,大部分可商業開采的煤層氣區塊滲透率都在此范圍內,此類煤層應用最多的就是普通水平井方式開采。在拉頓盆地,直井壓裂開采 (8層煤層)單井產氣量QN為2.7×104m3/天,而運用水平井在煤層底部鉆進開采的單井產氣量Qh為7.5×104m3/天,其水平井與直井單井產氣量之比Qh/Qv為2.7;阿爾克馬爾盆地大部分只有一層煤,水平井與直井單井產氣量之比Qh/Qv為5～10;切諾基盆地,通常含有6～8層煤,有半數的水平井約Qh/Qv為3,其余半數水平井Qh/Qv約為1;在圣胡安盆地北部地區已經完成了大約100口水平井,其Qh/Qv大約為4～5。總之,在中滲透性煤層,水平井的產氣量基本為直井壓裂產氣量的3～10倍。

對于含有多煤層的盆地,水平井的應用要選擇條件最好的煤層,這一煤層必須具有比較高的Qh/Qv值 (一般大于3)。這里用kH來表示煤層的產氣能力,k是煤層滲透率,H是煤層凈厚度。最優煤層的產氣能力定義為kHmax,而kHtot則代表全部煤層總的產氣能力。對美國水平井應用廣泛的拉頓盆地、切諾基盆地、阿爾克馬爾盆地等進行統計得到,當 kHmax/kHtot低到 0.4時,Qh/Qv的值約為 3(圖3)。所以,當 kHmax/kHtot大于 0.4時,水平井的應用才具有很好的經濟效益。

(2)直井壓裂技術：當 kHmax/kHtot小于0.4時,中滲透性煤層也可應用直井開采,水力壓裂進行增產。該技術主要在美國黑勇士盆地、拉頓盆地、尤因和皮申斯盆地、加拿大西部沉積地區等地廣泛運用。

圖3 Qh/Qv與kHmax/kHtot之間的關系

根據煤層數目和間距,壓裂增產采用單煤層定點壓裂或多煤層分級壓裂,當煤層間距大于12m時,多采用分層壓裂措施。在生產過程中可能發生裂縫閉合或堵塞、套壓下降,并影響到煤層氣產量。此時可進行重復壓裂,促使套壓上升,從而恢復生產能力。

最常用的水力壓裂液有泡沫、清水體系 (滑溜水)、充能體系 (充氮或二氧化碳)和聚合物基凝膠體系。壓裂液的選擇取決于目標煤層的含水飽和度和壓力梯度。如果煤層含水飽和度小于5%,充能體系 (充氮或二氧化碳)壓裂液是最好的選擇。如果煤層含水飽和度大小為5%～50%或煤層壓力梯度小于0.2psi/ft,則采用具有支撐劑的泡沫壓裂液更為有效。當煤層含水飽和度大于50%或壓力梯度大于0.2psi/ft,清水體系 (滑溜水)或具有支撐劑的聚合物基凝膠壓裂液是最好的選擇。

3.3 高滲透性煤層

國外對于高滲透性煤層大多采用了直井方式進行開采,只是在完井方式選擇上有所不同,主要有裸眼洞穴完井、裸眼擴孔完井、裸眼篩管完井三種方式。

(1)裸眼洞穴完井：在含氣量高,儲層壓力大的高滲透性煤層,主要采用裸眼洞穴完井進行煤層氣開采。該方法最早應用在圣胡安盆地,它使得該煤田煤層氣單井產量達到直井壓裂產量的10倍左右。現在裸眼洞穴完井主要在美國圣胡安盆地、澳大利亞鮑恩盆地的Fairview和Spring Gully區塊得到了持續應用,并取得到了成功,而在其它地區的應用還不多見。

洞穴形成過程對井眼的影響表現為：①消除了鉆井污染,增加了井眼和儲層的連通性;②造成的大洞穴使洞穴直徑5倍左右范圍內的地應力顯著降低,擴大了煤層的裸露面積,提高了自然裂隙的滲透率。

裸眼洞穴完井的對象必須是裂隙發育完好的煤儲層 (滲透率通常大于20md),同時也必須以內生裂隙為主,外生裂隙次之。發育良好的裂隙系統為壓力的傳遞提供了通道;較高的施工壓力使得在卸壓階段從井筒表面到周圍地層較深的范圍內形成較大的壓力差,井筒附近的煤體所受壓力超過其破裂極限而發生破碎。較厚的煤層不僅能形成較大的洞穴,而且有利于形成較長的誘導裂隙。在超高壓、含氣量高的高滲透率煤層,洞穴完井的應用效果最為理想,十分優于壓裂增產井。

(2)裸眼篩管完井：高滲透性煤層的另一開采方式是直井裸眼篩管完井。該方法主要在澳大利亞蘇拉特盆地應用最為成功。直井裸眼篩管完井開發成本低,不用壓裂,并可同時對多煤層進行開采。

(3)裸眼擴孔完井：該方法是裸眼完井方法的一種改進,主要應用于滲透率相當高 (＞100md),埋深比較淺的煤層,例如美國的粉河盆地。裸眼擴孔完井方法,首先鉆至煤層上方下入套管,然后鉆過煤層并擴孔 (48″或72″),最后進行水力激勵增產,以此消除鉆井作業時對地層帶來的滲透率的損害,進而提高煤層氣的產量。由于煤層滲透率很高,增產過程不使用任何支撐劑,僅用清水即可。

與洞穴完井相比,裸眼擴孔完井由于沒有支撐劑的使用,煤粉產出易導致運移通道堵塞;而洞穴完井會使使洞穴直徑5倍左右范圍內的地應力降低,擴大了煤層的裸露面積,提高了自然裂隙的滲透率,煤粉的運移和堵塞并不能降低對滲透率的提高,所以相對而言,洞穴完井能更好的提高單井產量。

但是對于極高滲透率煤層,裸眼擴孔完井的優勢在于施工作業快,鉆井費用低,完井方法也比較簡單;而且擴孔作業的煤層比較精確,并不像洞穴作業時壓力波動那樣,有時會對兩層甚至更多的煤層進行作業,有可能導致某一煤層洞穴作業無效。

4 結論

(1)通過多年來的煤層氣開發試驗,同一煤層氣開發技術在不同滲透性煤層下具有不同的表現,因此不同滲透性的煤層選擇適宜的煤層氣開發技術是非常重要的。

(2)對世界主要含煤層氣盆地的煤層滲透率進行統計,明確主要的滲透率波段范圍,并暫將煤層劃分為低滲透、中滲透、高滲透三種級別。多分支水平井和SIS水平井技術是開采低滲透煤層的最好選擇;在中滲透煤層,根據kHmax/kHtot值的關系來選擇應用水平井或壓裂直井進行開采;高滲透煤層主要應用洞穴完井,對大于100md的高滲透煤層,也可應用裸眼擴孔完井或裸眼篩管完井。

(3)受高滲透煤田分范圍小的限制,在很大程度上看來,未來煤層氣的開采技術應該主要是水平井-多分支水平井、徑向井、普通水平井、SIS水平井。

[1] 趙慶波,李貴中,孫粉錦,李五忠編著.煤層氣地質選區評價理論與勘探技術 [M].石油工業出版社,北京,2009.

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