煤層氣多分支水平井井身結構優化

曹立虎 張遂安 石惠寧 譚揚軍 谷 溢 劉 巖

（1.中國石油大學（北京）氣體能源開發與利用教育部工程研究中心，北京 102249；2.中國石油大學（北京）煤層氣研究中心，北京 102249；3.華北油田分公司采油工程研究院，河北任丘 062552）

煤層氣多分支水平井可有效溝通煤層割理和裂縫系統，增加泄流面積，降低裂隙內氣液流動阻力，提高導流能力［1-3］；采用裸眼完井方式，無需壓裂增產作業，大大降低了儲層傷害［4-5］，從而提高了單井產能和采出程度。實際生產和數值模擬結果都表明煤層氣多分支水平井單井產量是直井的3～10倍，現已發展成煤層氣開發的主流技術［3］。煤層含氣量、井身結構和排采程序等都是影響產能的關鍵因素［4］，本文分析了影響沁水盆地南部樊莊煤層氣區塊多分支水平井產能的地質和工程因素，通過數值模擬的方法，優化了多分支水平井的井身結構參數，利用生產實例進行了驗證，為煤層氣多分支水平井高效勘探開發提供了技術參考。

1 多分支水平井產能預測模型

通過煤儲層特征描述，建立研究區地質模型，利用COMET3數值模擬軟件建立煤層氣多分支水平井產能預測模型。

1.1 煤儲層特征描述

煤層氣的儲集和開采與常規氣藏差別很大，因此煤層氣儲層特征的描述也與常規儲層有很大區別。從煤層氣勘探開發的角度出發，蘇付義［6］將表征煤層氣儲層特征的參數歸納為：（1）煤層展布特征參數（厚度、埋深、分布、產狀）；（2）煤巖、煤質特征參數（顯微組分、鏡質體反射率、水分、灰分、揮發分、固定碳、巖石力學參數）；（3）儲層物性參數（孔隙度、滲透率、毛管壓力）；（4）儲層吸附儲集特征參數（蘭氏體積、蘭氏壓力、擴散系數）；（5）儲層流體特征參數（水型、氯根含量、氣體組分、氣、水高壓物性）；（6）儲層物理特征參數（地層壓力、地應力、地層溫度）；（7）煤層排采生產參數（氣產量、產水量、動液面、套壓）。

1.2 研究區地質模型

利用Petrol軟件，根據地質、鉆井、測井、煤巖測試數據，建立研究區地址模型，基本參數如表1所示。

表1 研究區地質模型基本參數設定

1.3 產能預測模型

在地質模型基礎上，利用COMET3軟件建立起近水平儲層多分支水平井的模型，模型初始條件參數的設定見表2。通過建立傾斜煤層多分支水平井產能的預測模型，以量化的數據分析地層傾角、井身結構參數對產能的影響。

表2 數值模擬初始條件基本參數設定

2 多分支水平井產能影響因素

2.1 煤層傾角

以往學者對儲層厚度、儲層埋深，儲層滲透率和儲層吸附解吸特性等地質因素對煤層氣多分支水平井產能的影響進行了研究，掌握了一定的規律［1-5］。本文就煤層傾角對煤層氣多分支水平井產能的影響進行了分析。根據煤層產狀的起伏特征，可以將煤層產狀分為近水平井延展、傾斜地層主支上傾和傾斜地層主支下傾3種情況（圖1）。

圖1 不同煤層傾角下煤層氣多分支水平井示意圖

利用產能預測模型，對比分析了不同傾角下的煤層氣多分支水平井產能。如圖2所示，煤層以水平面為基準面，主支下傾為正，上傾為負。順煤層鉆進的多分支水平井，當主支走向上傾程度最大（–5°）時產能狀況最好，走向近水平（0°）時其次，走向下傾程度最大（5°）時產能狀況最差。樊莊煤層氣多分支水平井的生產情況也證實了這一點［4］。走向下傾的多分支井，地層產出的水在重力的作用下流向多分支水平井的末端，不能抽出的水在井筒末端影響了煤層氣的解吸；主支上傾的多分支井會使地層產出的水由井筒流向直井位置，地層中的水產出，地層壓力解吸充分，因此產能較好。

2.2 工程因素

2.2.1 儲層保護 煤層屬于低孔低滲儲層，儲層敏感性強，易受污染，鉆井工程中不匹配的鉆井液體系和不合理的排采制度都會對其造成傷害，嚴重影響煤層氣井的產量。

圖2 不同煤層傾角下煤層氣多分支水平井產能

（1）不匹配的鉆井液體系。煤層氣多分支水平井鉆進時要求使用無固相、低傷害的鉆井液體系，且通常采用欠平衡鉆井，很容易引起井眼垮塌等井下復雜情況。為此，在樊莊水平井施工中有3口井試驗了增強井壁穩定的鉆井液體系，但不可避免地傷害了儲層。目前樊莊45口水平井中，造成儲層傷害的井產量通常不足 1 000 m3/d［4］。

（2）不合理的排采制度。煤層氣排采制度是影響產能的主要因素之一，合理的排采制度可有效保護儲層，實現煤層氣井的高效開發。現場生產表明，“連續、緩慢、穩定”三段式的排采制度可避免儲層壓力降低過快，傷害儲層［8-9］。

2.2.2 井身結構 除地質因素、儲層保護等工程因素外，煤層氣多分支水平井井身結構也是影響產能的重要因素［2］。由于煤層地質條件為不可控制因素，所以本文對煤層氣多分支水平井井身結構進行了優化研究，主要包括主支走向、主支長度、分支長度、分支間距和分支與主支夾角。

3 多分支水平井井身結構優化

單主支多分支水平井是現在使用最為廣泛的井型，也是多主支優化的基礎，因此單主支多分支水平井的優化對其他井型也具有指導性。本文井身結構優化以產能為指標，利用煤層氣多分支水平井產能預測模型，對比不同井身結構參數下的產能，結合經濟指標，獲得最優的井身結構參數。圖3是進行優化前的井型。

3.1 主支走向

煤儲層中的流動通道裂隙（割理）的密度、高度、寬度、連通性和方向表現出較強的非均質性，因此煤儲層的滲透率表現出明顯的方向性特點。煤層在面割理方向的滲透率要比其他方向高出3～10倍，并且相同類型的割理由于埋深和煤的發育程度不同，割理密度也不相同［10-11］。這些特征對煤層氣井的井型選取、鉆完井方法和產出造成很大的影響。為了研究滲透率的方向性與主支走向的關系，分別模擬了主支與主滲透率方向平行、垂直時的情況，由圖4可以看出，煤層氣多分支水平井的產能在主支與主滲透率方向垂直時最高。

圖3 單主支多分支水平井井身參數

圖4 不同主支走向條件下多分支水平井的產能

3.2 主支長度

保持分支結構不變，分別預測了主支長度從800增加到1 600 m時的產能，增長幅度為100 m（圖5）。模擬結果表明，隨著主支長度的增加，多分支水平井的產氣高峰推遲；主支從800 m增加到1 600 m，累積產量增加了34.1%；主支長度在900～1 300 m時增產效果比較明顯。隨著主支長度的增加，井筒和儲層的接觸面積增加，產能提高；但是由于受到邊界影響，產能增加的幅度變小，并且井眼長度增加也會增加井筒摩阻，影響煤層氣產出。隨著主支長度的增加，鉆井、排采和修井費用都會相應的提高，因此需要結合經濟性優選主支長度。

3.3 分支長度

保持主支長度、分支間距、主支和分支夾角不變，改變分支長度，分析其對煤層氣多分支水平井產能的影響。分別模擬分支長度從200 m增加到450 m的產能，增長幅度為50 m。隨著分支長度的增加，井身實際的控制面積進一步增加，而且長度增加更容易達到井間干擾，因此勢必會提高產能。但是分支長度的增加不是無限度的，由于施工成本隨著分支長度增加而增加，與之對應的井筒摩阻和井筒壓力損失也會隨之增加。從模擬結果來看，分支長度的增加對產能影響非常大，當分支長度從200 m增加到450 m時，井身總長度增加了1 600 m（8分支），累積產氣量增加了72.9%（圖6）。因此分支長度控制在250～450 m比較合理。

圖5 不同主支長度條件下多分支水平井的產能

圖6 不同分支長度條件下多分支水平井產能

3.4 分支間距

保持主支和分支長度不變，主支與分支夾角不變，改變分支間距，研究多分支水平井的分支間距對產能的影響。分別模擬分支間距為100、150、200、250、300、350和 400 m 時的產能（圖 7），結果顯示，多分支水平井在實際開發中存在最佳的分支間距。當分支間距太小時，分支間的干擾程度加強，產氣高峰出現時間早，但是由于井身控制面積小，產氣量下降很快，因此隨著生產時間增長，分支間距小的井身結構優勢下降；當分支間距太大時，井身的控制面積變大，可以從儲層流向井底的氣量增加，但是分支井間的干擾優勢會隨著分支間距的增加而下降。因此，分支間距宜控制在200～300 m。

圖7 不同分支間距條件下多分支水平井產能

3.5 分支與主支夾角

主支與分支夾角對煤層氣多分支水平井產能的影響體現在分支結構對儲層的控制上。在主滲透率方向明確的前提下，主支與分支夾角較小的井型穿過的裂縫數較多，分支與主支間的距離近，更容易達到井間干擾，產氣高峰出現的時間也會比較早。但是，主分支夾角小也意味著分支的控制面積小，壓力波不易傳遞到邊界上，因此需要結合煤層氣井的產能和控制面積來分析主分支夾角的合理性［13］。保持主支長度、分支長度、分支間距不變，預測主分支夾角分別為 26.57°、30°、36.87°、45°、53.13°和 60°時的產能。從模擬結果來看（圖8），主支與主支夾角對煤層氣單主支多分支水平井的產能有一定的影響，主分支夾角越小分支間越容易形成干擾，產氣峰值越高，但是由于控制面積的影響，累積產氣量比較低；分支角度較大時，分支間的干擾程度低，也影響產能；比較合適的主分支夾角在36°～53°。

圖8 不同分支夾角條件下多分支水平井產能

4 優化結果驗證

沁水盆地南部高煤階煤層氣田，具有低壓力、低滲透率、低飽和度、非均質性強的“三低一強”特征，采用水平井開發是非常有效的增產措施［12］。目前已經施工了100余口煤層氣水平井，其中鄭莊區塊40余口，樊莊區塊46口，潘莊區塊15口，大寧區塊7口，這些煤層氣水平井的采出狀況非常良好，單井產氣量可達2×104m3/d以上，實踐證明，水平井和多分支水平井措施能夠大幅度提高沁水南部煤層氣開發的效果。

樊莊的2組多分支水平井組樊平02井組和樊平04井組，雖然井位相鄰，地質條件接近，但其開發效果差別較大（表3）［13］。樊平02-2井比樊平02-3井的生產時間長，但累計產氣量卻不足樊平02-3的1/7，這是由于樊平02-3井的有效控制面積為樊平02-2井的2倍。雖然樊平04-3井與樊平04-2井生產時間、井控面積相同，但累積產氣量卻不足樊平04-2的1/15，這是由于樊平04-3井的井眼方向（主、分支方向）接近于本區塊主裂縫的方位，無法有效溝通煤層的裂隙系統形成網狀連通。因此，煤層氣多分支水平井的井型優選及結構參數優化對產能具有較大影響。

表3 樊平02井組和樊平04井組生產數據

5 結論與建議

（1）本文以產能為核心指標優化了煤層氣多分支水平井的井身結構，建議今后的研究中綜合考慮地質、氣藏、鉆井、排采和經濟等多方面因素，建立煤層氣多分支水平井井身結構的多目標優化體系，為煤層氣多分支水平井的高效抽采提供有力的理論支撐。

（2）順煤層鉆進的多分支水平井，當主支走向上傾時產能狀況最好，其次是走向近水平時，走向下傾時產能狀況最差。多分支水平井產能隨著主支長度和分支長度的增加而增加，結合經濟性和增產效果，主支長度宜控制在900～1300 m之間，分支長度宜控制在250～400 m之間；主支走向對產能影響較大，適宜的方向為垂直主滲透率方向；分支間距和主分支夾角在一定程度上影響產能，分支間距宜控制在200～300 m之間，主支和分支夾角宜控制在36°～53°之間。

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