煤層氣多分支水平井排采控制技術研究

劉國偉 李夢溪 劉 忠 張 聰 侯 濤 馬成宇

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

煤層氣多分支水平井排采控制技術研究

劉國偉 李夢溪 劉 忠 張 聰 侯 濤 馬成宇

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

多分支水平井排采控制技術影響著其產氣效果，對其進行研究對煤層氣多分支水平井排采制度的制定有重要的指導意義。本文從對煤儲層的改造及排采過程中裸眼段井眼切面應力變化方面，詳細論述了多分支水平井的生產機理。針對多分支水平井排采生產特征，把多分支水平井排采生產過程劃分為穩定降液、控壓排水、控壓放氣、穩定生產和衰減5個階段，并根據每一個階段的排采特征制定了合理的排采工作制度。在上述研究的基礎上，分析了排采速率對水平井產能的影響以及煤粉的產出規律和產出機理，指出多分支水平井井的排采必須制定精細的、合理的工作制度進行，否則將對煤儲層造成嚴重傷害。

煤層氣 多分支水平井 排采速率 排采控制技術

1 引言

煤層氣主要以吸附形式儲存在煤基質表面，一般采用抽排煤層中的承壓水達到降壓的目的，使吸附在煤層中的甲烷氣體釋放出來。煤層中甲烷氣體只有在儲層壓力低于臨界解吸壓力才會發生解吸，但對于低壓、低滲、低飽和的煤儲層，利用常規直井射孔壓裂技術開發，單井控制面積有限，產量低，效益差。多分支水平井開發煤層氣規避了常規直井射孔壓裂技術的局限性。多分支水平井技術是在美國和澳大利亞煤層氣鉆井技術的基礎上，結合中國獨特的煤層氣儲層條件，逐步發展起來的基本適宜國內煤層氣儲層條件的新興煤層氣開發技術。截止2009年5月，華北油田煤層氣分公司在沁水盆地南部完鉆多分支水平井40多口，投產水平井30口，排采時間最長520多天，單井最高產量5.5萬m3/d。多分支水平井產氣效果的好壞，除了地質與工程的因素外，最重要的就是排采控制的影響。因此，合理的排采制度是多分支水平井高產的保障。

2 多分支水平井水平井生產機理

多分支水平井是集鉆井、完井與增產措施于一體的新的鉆井技術。其生產機理是通過破壞煤層的原始結構狀態，打破煤層的原始地應力分布來改善煤儲層的滲透性。多分支水平井煤層進尺長，一般在4000m以上，最后又采取完全裸眼的方式完井，極大地增加了煤層的裸露面積，擴展了煤層流體的泄流面積，提高了導流能力(圖1)。

圖1 多分支水平井產氣機理框圖

在連續不斷排水降壓生產過程中，由于水平井段內的流體壓力不斷下降，導致煤層內的地應力不斷地被重新分布，致使煤層的內部結構不斷發生變化，有效地促進煤層裂隙的相互連通，改善了煤儲層的滲透性。排采過程中地應力變化如圖2所示。

圖2 多分支水平井排采過程井眼切面應力變化示意圖

3 多分支水平井排采階段及排采制度

3.1 排采階段

根據多分支水平井產氣機理及排采生產特征，多分支水平井排采生產過程一般劃分為穩定降液、控壓排水、控壓放氣、穩定生產和衰減5個階段。

圖3 多分支水平井排采示意圖

(1)第Ⅰ階段:穩定降液階段

在排水生產的初期階段，隨著排水生產的持續進行，生產井井筒內的動液面不斷下降，依靠流體對壓力的傳導作用，煤儲層內裂隙、孔隙的壓力不斷下降，有效應力逐步增加 (應力差效應)，煤儲層滲透率降低。通過控制井底流壓的下降速率達到減小應力差效應的目的。由于煤儲層的供水能力隨著井底壓力及降壓面積的變化而變化，所以，穩定降液階段需要對排采生產制度進行不斷調整，以滿足穩定降液的排采要求。

(2)第Ⅱ階段:控壓排水階段

煤儲層壓力不斷下降，當儲層壓力下降到臨界解吸壓力以下，煤層甲烷氣體開始解吸。這時，為了盡可能多的排出煤層內的游離水，擴大降壓面積，盡量保持井底流壓的穩定，控制好煤層和圍巖的壓力差，減小有效應力對滲透率的影響。

(3)第Ⅲ階段:控壓放氣階段

煤層的壓力降逐步向煤層深部擴展，煤儲層解吸面積不斷增大，煤層供氣能力逐漸增強，套壓上升，待煤層供氣能力與放氣速率匹配時，開井生產。此階段務必控制好套管的生產壓力，防止由于生產壓差過大造成煤層傷害。

(4)第Ⅳ階段:穩定生產階段

經過一段時間的排水采氣生產，煤層的壓力降基本穩定，煤層的供氣面積逐漸擴展，煤層的供氣、供水能力基本趨于穩定。就要穩定動液面，穩定排水采氣的生產制度，保持煤層氣井的穩定生產。

(4)第Ⅴ階段:衰減階段

大量氣體已經產出，動液面降到煤層，降壓面積不再擴展，煤層供氣能力逐漸減弱，氣產量逐漸下降。

3.2 排采制度

3.2.1 穩定降液階段排采制度

為了最大限度減少煤基質彈性負效應對煤儲層滲透率的影響，此階段的技術關鍵是控制適中的排采強度，保持動液面平穩下降。因此，根據地層的產水、供水能力，確定合理的排采強度，建立相對穩定的降壓制度。日降動液面穩定在5～10m/d最佳。

3.2.2 控壓排水階段排采制度

煤儲層壓力降到臨界解吸壓力以下，出現氣、水兩相流;壓力降傳遞加快，為防止由于生產壓差過大使煤儲層受到傷害，繼續平穩的順暢的排出煤層內遠端的游離水，盡量保持井底流壓穩定，控制好煤層和圍巖的應力差。此階段應減小抽排強度，穩定井底流壓的排采工作制度。

3.2.3 控壓放氣階段排采制度

降壓面積擴大到一定的范圍，動液面下降到較低的水平，煤層氣大量解吸，供氣能力不斷增強。為進一步降低煤儲層壓力，獲得更大的解吸氣量，控制套管壓力開始產氣。這個階段是煤層最容易出現問題的階段 (壓力變化、應力變化、氣-水相滲透率變化、流速變化)，需要嚴格地控制套管壓力的下降速度、放氣速率和煤粉的產出，確保排采工作的連續性。

3.2.4 穩定生產階段及衰減階段排采制度

經過前三個階段的排采生產，煤層的供氣面積逐漸擴展，供水能力大大減弱，動液面下降到煤層頂板附近，就要穩定排水采氣的生產制度，保持煤層氣井的穩定生產。

4 排采速率及排采連續性對排采的影響

合理的排采工作制度是多分支水平井高產的保障。如果排采速率過大，就會使有潛力的多分支水平井發生賈敏效應、速敏效應、煤粉含量過大導致卡泵致使排采的不連續性的發生，進而造成產氣量下降，甚至主井眼垮塌被廢掉。

4.1 賈敏效應

在排采過程中，在壓力梯度的作用下，遠處的煤層水源源不斷的流向井筒，長時間的停抽，煤儲層裂隙再次被水充填，使得煤層吼道處的流動空間變小，甲烷氣體流動阻力增大，嚴重的在吼道處發生“賈敏效應”，致使甲烷氣體不能順利通過吼道，造成供氣能力不足，產氣量下降。

4.2 速敏效應

在排采生產過程中，水平井段內流體壓力逐漸降低，與遠處煤層形成壓力差，驅使遠處的氣和水向水平井段運移。流體在煤儲層裂縫中的運移勢必攜帶一定量的固體顆粒 (煤粉)，壓力差越大，流速越大，攜帶煤粉能力越強。排采速率過快，將造成單位距離內流體壓差過大，從而造成煤儲層裂隙系統內流體流速加快。高速流動的流體攜帶大量的煤粉快速向水平井段運移。如果流體流速減小，煤粉發生沉淀，將堵塞裂縫，發生速敏效應。速敏效應的發生使得儲層滲透性嚴重降低，致使多分支水平井氣-水產量快速下降。

4.3 煤粉的影響

煤層是一種特殊的有機巖體，無論采用何種方式開采煤層氣，都難于消除煤層中煤粉的產生。排采生產過程中，煤粉的運移產出對疏通煤儲層裂隙通道，改善滲透率，擴大降壓面積起到了重要作用。如果堆積在近井地帶，則堵塞裂隙，降低滲透率，阻礙降壓面積的擴展。因此，掌握煤粉的產出規律及產出機制，對減少速敏效應的發生和卡泵次數，確保連續排采都有重要作用。煤粉的產出主要在控壓排水階段和控壓放氣階段 (如圖4)，受壓力和地應力的雙重作用，煤基質收縮造成的新生煤粉貫穿產氣的整個過程，要控制好煤儲層中的生產壓差及流體的流速，確保排采的穩定性和連續性。

4.4 排采連續性

由于卡泵、修井或其它原因而不能連續排采，也直接影響產氣量，其原因有多方面的。一是停泵后液面回升，井底流壓回升，抑制煤層氣的解吸，產氣量下降;二是流速減弱，流體攜帶的煤粉顆粒沉淀，發生速敏效應。

圖4 X-1井煤粉產出曲線

4.5 實例分析

沁水盆地南部X-1多分支水平井，煤層埋深483.70～489.20m(洞穴井數據)，該井2個主枝6個分支，完鉆總進尺5279m，煤層進尺5006m，井控面積 0.5km2，臨井含氣量 22.4m3/t，在第 I階段動液面以5～10m/d下降，在排采27天后產生套壓，初始套壓1.02MPa。第II階段，降低排采速率，動液面以3～5m/d下降，井底流壓維持在2.2MPa左右，產生套壓4天后開始放氣，初始放氣量200m3;第Ⅲ階段，井底流壓穩步下降，氣產量穩步上升，最高產氣量達到1.9萬m3，井底壓力1.428MPa，套壓1.047MPa，仍有較大的上升余地 (如圖5)。之后由于煤粉控制不當，致使兩次較長時間的卡泵停抽，第二次解卡開抽后，產氣量較低，動液面迅速下降到煤層頂板附近。究其產量下降原因有:一是長時間停抽致使煤層裂隙被水充填，吼道處發生“賈敏效應”;二是煤粉大量產出階段，長時間停抽，煤粉顆粒沉淀，發生速敏效應;二者的共同作用使得煤儲層滲透性遭受嚴重傷害。

圖5 X-1井排采生產曲線

5 結論與認識

多分支水平井開發煤層氣規避了常規垂直井開發技術地質的局限性，最大限度地溝通了煤層割理(微裂隙)和裂隙系統，增加了煤層的裸露面積，改善煤層的滲透性。在開發低滲透性儲層煤層氣資源時，具有單井產量高、經濟效益好的優勢。

(1)多分支水平井通過鉆井工程釋放煤巖及圍巖的地應力，使煤層的內部結構不斷地發生變化，促進煤層裂隙的相互連通，改善和提高煤層的滲透性。

(2)依據多分支水平井生產機理及排采生產特征，多分支水平井的排采生產過程劃分為穩定絳液、控壓排水、控壓放氣、穩定生產和衰減5個階段，針對不同階段的排采特征，指出了其排采控制原則，并制定合理的排采工作制度。

(3)詳細探討了排采生產過程中賈敏效應、不連續排采、煤粉對多分支水平井產量的影響。因此，在多分支水平井排采生產過程中，應根據不同的地質條件、不同的排采生產階段，制定合理的排采生產制度，

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Researches on Recovery Control for Multilateral Horizontal Wells in Coalbed Methane Development

LIU Guowei，LI Mengxi，LIU Zhong，ZHANG Cong，HOU Tao，MA Chengyu
(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000)

The out-flow and extraction control technology of multilateral horizontal wells has the impact of gas production.It has an important guiding significance to establish production system of multilateral horizontal wells.In this paper，the production mechanism of horizontal wells are detailed based on the reconstruct of multilateral horizontal wells to the reservoir and the stress changes of hole section during the process of production.According to the production mechanism of multilateral horizontal wells，the production schedule can be divided into 5 stages，including stability fall of fluid，pressure-controlled drainage，pressure-controlled gas production，stability production and decay.In accordance with the production characteristics at every stage，the work scheduling of out-flow and extraction is established.In the above study，the impact of production rate on production wells and the output mechanism of coal powder are analyzed.It indicates that the reasonable production scheduling need be established to the production of multilateral horizontal wells，and otherwise it will cause serious damage to the coal reservoir.

Coalbed methane;multilateral horizontal wells;drainage rate;drainage control technology

國家科技重大專項《大型油氣田及煤層氣開發》——山西沁水盆地煤層氣水平井開發示范工程 (二期)(2011ZX05061)和中國石油股份公司科技重大專項《沁水煤層氣田勘探開發示范工程》(2010E-2208)

劉國偉，工程師，現任中國石油山西煤層氣勘探開發分公司地質研究所主任，長期從事煤層氣勘探開發技術研究工作。

(責任編輯 韓甲業)