煤層氣水平井井眼堵塞原因分析及治理措施探索

崔新瑞 張建國 劉 忠 張光波 彭 鶴 申興偉

（中國石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 048000）

煤層氣水平井井眼堵塞原因分析及治理措施探索

崔新瑞 張建國 劉 忠 張光波 彭 鶴 申興偉

（中國石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 048000）

目前沁南煤層氣田廣泛采用多分支水平井開發建產，但受裸眼完井工藝影響，排采過程中局部井眼易被堵塞，導致單井產能降低。通過對多分支水平井井壁垮塌機理、煤粉產出規律等研究后，結果表明多分支水平井井眼堵塞存在主井眼煤粉堵塞、近井筒主井眼垮塌堵塞和中遠端井眼垮塌堵塞等三種主要原因。針對不同的堵塞原因分別探索試驗了氮氣泡沫解堵、主井眼重建和耦合降壓等針對性增產措施，現場實施14口井，平均單井日增產量2000m3以上，措施成效較好。

煤層氣 多分支水平井 井眼垮塌 堵塞增產技術

1 樊莊區塊多分支水平井開發概況

1.1 多分支水平井井型概況

自2006年至今，樊莊區塊內累計完鉆煤層氣多分支水平井65口。該井型一般由2口井組成，分別為1口垂直井，也可稱為洞穴井或排采井，用于下泵生產；1口工藝井，也可稱為H井，與垂直井連通后，在煤層中鉆大量水平分支后裸眼完井。工藝井采用三開井身結構，一般鉆2主支6分支，煤層進尺4000m以上，井控面積大于0.35km2。

1.2 多分支水平井生產概況

樊莊區塊自2006年至今累計投產多分支水平井60口，單井最高日產氣量可達50000m3／d。其中南部區域開發效果最好，區內埋深約300～500m，構造簡單，單井日產氣量一般大于20000m3／d；中部區域埋深500～700m，構造較復雜，單井日產氣量100～15000m3／d；北部區域埋深大于700m，滲透性變差，單井產量一般3000～8000m3／d。生產中發現，部分水平井因水平井眼通道被堵塞導致產氣能力低于預期，長期自然排采產量不能有效增加，亟待治理。

2 水平井井眼堵塞原因及位置分析

根據水平井開發效果、井眼實鉆軌跡、井壁應力分布和煤巖結構等綜合分析后，認為井眼堵塞原因和堵塞位置主要有三種類型，第一類為煤粉在井眼V型低洼處逐漸堆積形成煤橋堵塞井眼；第二類為洞穴井附近主井眼發生垮塌導致堵塞；第三類是鉆遇大段構造煤的主、分支井眼垮塌堵塞。

2.1 煤粉在井眼V型低洼處堆積堵塞的原因分析

水平井鉆井過程中為了追求純煤鉆遇率，井眼軌跡盡量追煤層鉆進（見圖1）。由于煤層存在較多的微幅構造，傾角變化快，導致水平井井眼不平直，局部呈W型或V型形狀。排采過程中，煤粉在氣、水作用下向井筒方向運移。當卡泵、關井等原因停止排采后，煤粉在水平井眼內自然沉降；再次恢復排采后，煤粉再次運移，但聚集在V型井眼低洼處的煤粉難以被全部排出。多次停抽后，V型井眼低洼處沉降的煤粉越來越多，導致通道變窄，最后可能被完全堵塞。尤其是近井筒附近主井眼軌跡V型處多或高差較大時，極易造成嚴重堵塞，導致產氣量明顯下降。

圖1 樊平06井實鉆軌跡剖面

以樊平06井為例，該井位于局部小型向斜翼部，無斷層，3號煤埋深290m，煤厚6～7m，含氣量19～24m3／t；鉆2主支6分支，煤層進尺4400m，控制面積0.5km2，地質、工程條件好。該井2009年4月投產，2010年5月初達到最高日產氣量35000m3／d。因煤粉產出量大，頻繁卡泵，每次檢泵后日產氣量臺階式下降，最低降至5000m3／d，長期排采產氣量無法自然上升（見圖2）。

圖2 樊平06井排采曲線

2.2 位于洞穴井附近的主井眼發生垮塌的原因分析

采用有限元理論模擬鉆井過程，發現多分支水平井主、分支井眼結合部應力集中明顯，容易發生變形、坍塌（見圖3）。鉆井過程中應增大側鉆點的間距。但由于受煤巖結構、鉆井條件等限制，部分水平井分支側鉆點集中分布在短距離主井眼上，該段易發生嚴重垮塌、堵塞。

圖3 主、分支結合部有限元模型

該類水平井生產表現為正常排采過程中日產氣量、日產水量、井底流壓快速下降為0，水質突然變差，井筒內出現大量的煤粉。檢泵過程中可撈出大量煤粉、煤塊，后期無法恢復正常產量。表明近井筒附近發生了嚴重垮塌。

以樊平20井為例，該井位于局部單斜構造，無斷層，3號煤埋深572m，煤厚5～6m，含氣量20～26m3／t，鉆3主支8分支，煤層進尺4600m，控制面積0.45km2。該井2010年8月投產，產氣量最高達到12000m3／d后，產氣量、產水量、流壓短時內突然快速下降至0，產出水中含大量煤粉。檢泵過程中撈出6m3煤粉、煤塊。后期日產氣量恢復至1000m3／d左右，長期排采無自然上升趨勢（見圖4）。

圖4 樊平20井排采曲線

2.3 鉆遇大段構造煤井眼堵塞的原因分析

樊莊區塊內3號煤層底部普遍發育一層0.5～1m左右的構造煤，俗稱軟煤。水平井實鉆過程中，井眼軌跡易鉆入軟煤層中。當井眼內水持續排出，井壁有效應力增加后，軟煤段內井眼發生不同程度的垮塌、堵塞，導致堵塞段后的分支不再解吸產氣，造成資源浪費。

以樊平03井為例，該井位于局部向斜翼部，無斷層，3號煤埋深388m，煤厚6～7m，含氣量20～26m3／t，鉆2主支6分支，煤層進尺3800m，控制面積0.35km2，地質、工程條件好。該井2009年4月投產，產氣量上升緩慢，大于13000m3／d后波動（見圖5）。同一井組多分支水平井產量可達30000m3／d以上。應用四維向量動態監測后發現，中遠端分支內流體流動性差，表明堵塞嚴重，對產氣量貢獻低（見圖6）。

3 增產技術探索

圖5 樊平03井生產曲線

圖6 樊平03井四維向量監測數據

水平井采用裸眼完井的工藝，如果采用水力注入方式進行解堵、增產時，會導致煤粉沖入井眼中后段或導致井眼垮塌，引起二次污染。因此，必須探索新型增產技術。

3.1 氮氣泡沫解堵技術探索

氮氣是惰性氣體，可壓縮且不污染煤層。利用氮氣泡沫液高膨脹能沖擊解除煤橋堵塞，且氮氣返排過程中可大量攜帶煤粉返出，疏通堵塞。以樊平06井為例，該井2015年初實施氮氣泡沫解堵，放噴過程中返出煤粉及煤糊近2m3。措施后日產氣量由5000m3／d上升至13000m3／d，增產8000m3／d（見圖2），成效明顯。樊莊區塊累計實施10口井氮氣泡沫解堵，已有6口井見到明顯效果，平均日增產3000m3／d以上。

3.2 主井眼重鉆增產技術探索

因側鉆點集中分布段主井眼垮塌堆積嚴重，必須利用較大的沖擊能力持續作用才能解除堵塞。因此，創新提出了重建主井眼的增產技術。對樊平20井實施該技術試驗，重鉆1000m長主井眼，完鉆后下入D114.3mm篩管完井，恢復滲流能力的同時防止再次垮塌。措施后樊平20井產氣量持續上升，目前日產氣量達4000m3，純增量3000m3，仍有流壓0.3MPa（見圖4）。

3.3 耦合降壓增產技術探索

利用四維向量監測技術確定無貢獻的分支后，鉆直井壓裂，利用壓裂裂縫與原井眼形成溝通，使直井、水平井形成耦合降壓，擴大壓降范圍，提高單井產氣量。對樊平03井實施后，樊平03井產氣量快速上升，由措施前最高13000m3／d增加到19000m3／d，并保持穩產1.5年以上。目前受采出程度逐漸增高影響，產氣量緩慢下降（見圖5）。助排直井日產氣量最高達8000m3／d，穩產氣量6000m3／d以上，是鄰井穩產氣量的近3倍。樊莊區塊累計對3口水平井耦合降壓，水平井平均增產2000m3／d以上，耦合直井產氣量4000m3／d以上。

綜合對比三類增產措施優缺點及適用對象見表1。

表1 水平井解堵措施工藝優缺點對比表

4 結論與建議

對樊莊－鄭莊區塊煤層氣多分支水平井井眼堵塞原因分析及增倉措施探索后，得出以下幾點結論。

（1）多分支水平井受煤巖煤質、裸眼完井工藝等影響，排采過程中易發生井眼堵塞，導致單井產能降低。

（2）井眼堵塞主要有三種類型，分別為煤粉聚集堵塞、主井眼垮塌堵塞和鉆遇構造煤井眼垮塌堵塞。煤粉堵塞主要發生在洞穴井附近主井眼V型軌跡的低部位，受煤粉沉降堆積形成煤橋堵塞，產氣量臺階式下降；主井眼垮塌堵塞出現在主井眼分支側鉆點集中段，堵塞后產氣量大幅突降；鉆遇構造煤井眼垮塌主要是煤體結構差導致垮塌，部分分支無貢獻，產氣量明顯低于鄰井。

（3）探索試驗了氮氣泡沫解堵、井眼重建和耦合降壓等針對性增產措施，解除了部分堵塞，平均單井日增產量2000m3以上，措施成效較好。

（4）需要對水平井完井方式進行持續優化，實現井眼平滑、穩定，達到氣、水暢通流動且發生堵塞時能在水平段內下入工具進行維護性作業的效果。

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（責任編輯 黃 嵐）

Reason Analysis and Control Measures Exploration of Hole Blocking for CBM HorizontalWell

CUIXinrui，ZHANG Jianguo，LIU Zhong，ZHANG Guangbo，PENG He，SHEN Xinwei
（Shanxi Coalbed Methane Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi048000）

At present，multi-branch horizontal well has been widely used in development and construction of CBM field in south Qinshui Basin.However，affected by open hole completion technology，partial holes are easily blocked in the process of drainage and lead to the production decreasing of single well.Through the research of wall collapse mechanism，pulverized coal production rule，and so on，it shows there are three main reasons for hole blocking of multi-branch horizontal wells，Using targeted methods for different blocking reasons to increase production，such as Nitrogen foam plug removal，main hole reconstruction and coupled buck.After using thesemethods for 14 wells，average daily production of single well increasesmore than 2000 m3，which shows the good effect of themethods.

CBM；multi-branch horizontal well；wellbore collapse blocking；pulverized coal blockage；production increasing technology

崔新瑞，男，從事煤層氣勘探、開發等現場工作。