煤層氣排采中的“灰堵”問(wèn)題應(yīng)對(duì)技術(shù)——以沁水盆地多分支水平井為例

楊 勇崔樹(shù)清倪元勇張國(guó)生李立昌孟振期

1.中國(guó)石油華北油田公司 2.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

楊勇等. 煤層氣排采中的“灰堵”問(wèn)題應(yīng)對(duì)技術(shù)——以沁水盆地多分支水平井為例.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：89-93．

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煤層氣排采中的“灰堵”問(wèn)題應(yīng)對(duì)技術(shù)——以沁水盆地多分支水平井為例

楊 勇1崔樹(shù)清1倪元勇1張國(guó)生1李立昌2孟振期2

1.中國(guó)石油華北油田公司 2.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院

楊勇等. 煤層氣排采中的“灰堵”問(wèn)題應(yīng)對(duì)技術(shù)——以沁水盆地多分支水平井為例.天然氣工業(yè)，2016，36（1）：89-93．

摘 要煤層的性質(zhì)決定了煤層氣在排水采氣過(guò)程中“出灰”（產(chǎn)出煤粉）是一種必然現(xiàn)象，在煤層氣低能量開(kāi)采及關(guān)井后再次開(kāi)井條件下，煤粉的產(chǎn)出對(duì)產(chǎn)能的負(fù)面影響是不可逆轉(zhuǎn)的。為此，通過(guò)分析山西沁水盆地煤層氣排采特征以及該區(qū)多分支水平井實(shí)鉆井眼軌跡特征，找出了多分支水平井產(chǎn)氣量達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，以及關(guān)井實(shí)施維護(hù)性作業(yè)后難以恢復(fù)到關(guān)井前產(chǎn)量的2個(gè)原因：煤粉沉積堵塞了儲(chǔ)層的運(yùn)移通道，水平井段的波谷處形成的地層水和煤粉沉積加大了氣體流向井底的阻力。進(jìn)而提出了應(yīng)對(duì) “灰堵”問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)：①煤層氣水平井的井眼軌跡應(yīng)在保證一定煤層鉆遇率的前提下，以井眼光滑、總體上傾為原則，避免出現(xiàn)“波浪狀”井眼；②排采井洞穴具有“沉沙”功能，便于氣、液、固三相分離，是煤層氣多分支水平井不可或缺的重要組成部分；③主支在穩(wěn)定的煤層頂板或底板的仿樹(shù)形水平井為疏灰提供了穩(wěn)定的洗井通道。該研究成果為解決煤層氣排水采氣過(guò)程中的排灰問(wèn)題提供了有益的嘗試。

關(guān)鍵詞煤層氣 排采 煤粉 多分支水平井 煤層鉆遇率 仿樹(shù)形水平井 軌跡控制 洞穴完井 沁水盆地

煤層氣是一種以吸附狀態(tài)為主賦存于沉積盆地煤層中且與地層水共存的天然氣[1-2]。煤層氣藏作為一種非常規(guī)天然氣藏，其賦存特征、儲(chǔ)層特征的特殊性，決定了煤層氣的排采特征與常規(guī)天然氣有著質(zhì)的差別。

1 煤層氣排采具有“三排”特征

煤層氣儲(chǔ)層與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層具有不同成分組成，常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的成分組成主要是礦物質(zhì)，而煤儲(chǔ)層是由有機(jī)殘?jiān)?jīng)過(guò)化學(xué)蝕變和熱蝕變所形成的富碳物質(zhì)，煤儲(chǔ)層的這一自身性質(zhì)決定了煤粉產(chǎn)生是一種必然現(xiàn)象。同時(shí)，煤儲(chǔ)層自身性質(zhì)決定了煤巖的力學(xué)性質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度，工程擾動(dòng)成為煤粉產(chǎn)生的誘因。由于沁水盆地高階煤層后期構(gòu)造改造嚴(yán)重[3]，且具有抗壓強(qiáng)度低、楊氏模量小、泊松比小、易碎和易坍塌等特點(diǎn)[4-5]，煤層內(nèi)部存在著充填于煤層裂隙中處于游離狀態(tài)的自由煤粉、從煤巖裂隙表面脫落的骨架顆粒煤粉以及煤層結(jié)構(gòu)破壞所產(chǎn)生的塑性煤粉等[6]。前人對(duì)煤粉產(chǎn)出機(jī)理進(jìn)行了深入探討[5-8]，魏迎春等[8]以韓城區(qū)塊為實(shí)驗(yàn)區(qū)，從濃度、粒度、成分等方面對(duì)煤層氣排采中產(chǎn)出的煤粉特征進(jìn)行分析，認(rèn)為煤粉產(chǎn)出的主控因素有井型、完井工藝、排采制度、煤巖特征、煤體結(jié)構(gòu)和煤層結(jié)構(gòu)特征等，而煤體結(jié)構(gòu)(構(gòu)造破壞)是煤粉產(chǎn)出的首要控制因素。煤粉按成因可分為煤層中固有煤粉和工程誘因產(chǎn)生的煤粉[9-10]。在沁水盆地，煤粉粒徑變化范圍較大，從80目到300目不等，大部分甚至更細(xì)，在水中呈懸浮態(tài)。

煤儲(chǔ)層中固有煤粉和工程誘因產(chǎn)生的煤粉在煤層氣排水采氣過(guò)程，在生產(chǎn)壓差的作用下與煤層氣、地層水一起在煤層裂隙中運(yùn)移至井筒進(jìn)而排出地面。根據(jù)沁水盆地南部樊莊區(qū)塊煤層氣排采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煤粉在地層水中呈懸浮態(tài)，地層水呈灰色或深灰色，煤粉顆粒幾乎不可見(jiàn)，但長(zhǎng)時(shí)間靜置后可見(jiàn)深灰色糊狀沉淀。即：煤層氣排采呈現(xiàn)排水、排氣、排灰的“三排”特征。

2 煤粉對(duì)煤層氣水平井產(chǎn)能的影響

人們對(duì)煤粉的認(rèn)識(shí)源于煤層氣開(kāi)采實(shí)踐，前人關(guān)于煤粉產(chǎn)出對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響進(jìn)行過(guò)系列研究[10-13]，本文通過(guò)對(duì)沁水盆地南部煤層氣排采特征以及該區(qū)多分支水平井實(shí)鉆井眼軌跡特征分析，認(rèn)為煤粉產(chǎn)出對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

2.1 煤粉沉積影響煤儲(chǔ)層滲透率

煤粉產(chǎn)出對(duì)煤儲(chǔ)層物性影響是雙向的，煤粉隨煤層氣、地層水運(yùn)移至井筒，增加了煤儲(chǔ)層物性。但是，當(dāng)因各種原因關(guān)井時(shí)，煤粉將沉積堵塞在煤儲(chǔ)層割理和微小裂隙中。開(kāi)井后煤粉再次發(fā)生運(yùn)移將需要克服起動(dòng)摩阻、起動(dòng)切應(yīng)力等影響[14]，需要更大的起動(dòng)流速。由于煤層氣排采是在低于解析壓力的條件下進(jìn)行的，屬于低能量開(kāi)采條件，對(duì)于孔喉形狀、表面形態(tài)極其不規(guī)則的煤儲(chǔ)層割理和微小裂隙來(lái)說(shuō)，因關(guān)井而沉積的煤粉經(jīng)常難以再次發(fā)生運(yùn)移，從而堵塞了煤層氣運(yùn)移通道。這是沁水盆地諸多多分支水平井關(guān)井實(shí)施維護(hù)性作業(yè)后難以恢復(fù)到關(guān)井前產(chǎn)量的主要原因之一。

2.2 煤粉沉積易在水平井段井筒內(nèi)發(fā)生“過(guò)濾灰堵”

沁水盆地目標(biāo)煤層厚度一般在3～8 m，埋深介于500～1 000 m，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，煤層并非水平，且起伏波動(dòng)較大。為追求高的煤層鉆遇率，實(shí)鉆中追蹤煤層鉆進(jìn)，往往會(huì)造成U型井眼。特別是當(dāng)遇到煤層傾角局部發(fā)生變化時(shí)，往往會(huì)鉆遇煤層頂板或底板。當(dāng)鉆遇煤層頂板時(shí)，就要降斜以求進(jìn)入煤層；當(dāng)鉆遇煤層底板時(shí)，就要增斜進(jìn)入煤層。從而使實(shí)鉆井眼軌跡呈“波浪狀”起伏（圖1）。

在煤層氣排采過(guò)程中，“波浪狀”井眼的“波谷”處易形成地層水和煤粉的滯留區(qū)，從而使水平井眼的有效截面積減小。特別是，當(dāng)實(shí)鉆井眼的起伏高度大于井眼直徑時(shí)，地層水以及煤粉就會(huì)在“波谷處”聚集，形成一個(gè)“段塞”從而增加了煤層氣由地層流向井底的流動(dòng)阻力（圖2）。

圖2 “波浪狀”井眼中“段塞”示意圖

隨著煤層氣排采的進(jìn)行，由于重力分異作用，煤粉會(huì)在“波谷”處的段塞中不斷聚集，或溶解、或懸浮、或沉積，“段塞”對(duì)煤粉形成過(guò)濾效應(yīng)。煤粉的不斷聚集，進(jìn)一步增加了煤層氣通過(guò)“段塞”的流動(dòng)阻力，直至最終發(fā)生“過(guò)濾灰堵”。同時(shí)，煤層氣水平井在關(guān)井后重新開(kāi)井時(shí)，水平井水平段存在的一個(gè)個(gè)“段塞”，對(duì)煤層氣的排出形成封堵。當(dāng)煤儲(chǔ)層能量不足以克服“段塞”阻力時(shí)，就會(huì)造成煤層氣解析的停止。這是沁水盆地多分支水平產(chǎn)氣量達(dá)不到預(yù)期的一個(gè)重要原因，也是多分支水平井關(guān)井實(shí)施維護(hù)性作業(yè)后難以恢復(fù)到關(guān)井前產(chǎn)量的另一個(gè)重要原因。

3 解決煤層氣“灰堵”問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)

煤層氣排采是一個(gè)排水、排氣、排灰的過(guò)程，煤粉的產(chǎn)出對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響已引起國(guó)內(nèi)學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的高度重視，目前一致的觀點(diǎn)是通過(guò)排采制度的優(yōu)化和利用防砂泵等工藝措施[10,15-18]進(jìn)行控制煤粉適度產(chǎn)出，這些“控灰”措施對(duì)維持煤層氣多分支水平井的產(chǎn)能起到了積極作用，但未能從根本上解決煤粉對(duì)產(chǎn)能影響問(wèn)題，煤粉治理成為目前煤層氣水平井開(kāi)發(fā)技術(shù)的核心問(wèn)題之一。煤粉沉積對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響以及煤粉沉積在水平井水平段井筒內(nèi)發(fā)生的“過(guò)濾灰堵”，在煤層氣藏低能量開(kāi)采條件下往往是不可逆的。因此，“控灰”不如“疏灰”， 通過(guò)煤層氣水平井設(shè)計(jì)技術(shù)可以達(dá)到“疏灰”目的。

3.1 上傾軌跡設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮地層水的重力勢(shì)能，有利于“疏灰”

沁水盆地煤層氣排采過(guò)程中大部分井的產(chǎn)液量較少（一般在3～10 m3/d），不能滿足進(jìn)入井筒的煤粉排出條件。特別是，為追求高的煤層鉆遇率而形成的“波浪狀”井眼對(duì)于煤粉的排出尤為不利。因此，煤層氣水平井應(yīng)合理選擇井位[19]，水平段的軌跡設(shè)計(jì)應(yīng)以上傾為原則。實(shí)鉆中應(yīng)改變過(guò)去為追求煤層鉆遇率而采取的“出煤頂就降斜、出煤底就增斜”的軌跡控制方法，為確保井眼平滑可以犧牲一定的煤層鉆遇率，即：在保證一定煤層鉆遇率的前提下，以井眼光滑、總體上傾為原則進(jìn)行軌跡控制，盡可能避免出現(xiàn)“波浪狀”井眼。

3.2 排采井洞穴具有“沉沙”功能，是多分支水平井不可或缺的重要組成部分

煤層氣多分支水平井的排采井“洞穴”是為了便于工藝井連通[20]，隨著連通技術(shù)的發(fā)展，目前已實(shí)現(xiàn)無(wú)洞穴連通。采用CFD軟件Fluent的離散相模塊，利用CFD-DEM耦合方法計(jì)算水平井和“洞穴”交匯處流體—顆粒之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量的傳遞，對(duì)不同粒徑顆粒的運(yùn)移、沉積過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)氣、液、固不同流體力學(xué)參數(shù)的描述，研究水平井和“洞穴”交匯處流場(chǎng)和煤粉、煤屑數(shù)量變化，結(jié)果表明：鉆井液攜帶出井筒的巖屑顆粒占16.5%，沉入口袋的顆粒占83.5%。因此，排采井“洞穴”不僅方便了工藝井與排采井連通，更具有排采時(shí)氣、液、固的分離腔功能（圖3），是多分支水平井不可或缺的重要組成部分。

圖3 煤層氣水平井和“洞穴”交匯處流場(chǎng)變化示意圖

根據(jù)長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，為充分發(fā)揮排采井“洞穴”的氣、液、固分離腔功能，應(yīng)遵循下述設(shè)計(jì)原則：

1）為確保洞穴長(zhǎng)期穩(wěn)定，洞穴應(yīng)建在穩(wěn)定地層中，可以選擇在煤層頂板或底板。

2）排采井“洞穴”應(yīng)處于水平井軌跡的低部位，便于主、分支順“勢(shì)”排水，便于氣、液、固三相分離，同時(shí)當(dāng)水平井眼有垮塌物時(shí)，流水可將其搬運(yùn)到洞穴處，保證井眼暢通。

3.3 穩(wěn)定的主支是實(shí)現(xiàn)多分支水平井洗井的基礎(chǔ)

煤層的性質(zhì)決定了煤層氣在排水采氣過(guò)程中“出灰”是一種必然現(xiàn)象，因此，洗井成為確保煤層氣水平井正常生產(chǎn)的一種有效手段。但是，現(xiàn)有技術(shù)條件下的煤層氣多分支水平井主支、分支均在煤層內(nèi)，由于煤層漏失壓力低，而且主支井眼易坍塌、堵塞，因此，常規(guī)的多分支水平井沒(méi)有洗井通道，不能進(jìn)行有效洗井，對(duì)于煤層內(nèi)或井筒中沉積的煤粉缺乏有效處理措施。華北油田公司經(jīng)過(guò)探索與實(shí)踐，首次提出“主支疏通、分支擴(kuò)面、脈支增產(chǎn)”的煤層氣水平井成井理念，創(chuàng)新提出一種仿樹(shù)形水平井新井型[21]，將主支建在穩(wěn)定的煤層頂板或底板上，分支由主支側(cè)鉆進(jìn)入煤層，再?gòu)姆种?cè)鉆若干脈支。該井型利用建在穩(wěn)定頂板或底板巖層中的主支，為洗井疏灰提供了穩(wěn)定的通道。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為解決煤層氣多分支水平井排采過(guò)程中的“灰堵”問(wèn)題，中國(guó)石油華北油田公司在山西沁水盆地設(shè)計(jì)實(shí)施了一口仿樹(shù)形水平井ZS1平-5H井。該井由一口工藝井（ZS1平-5H）、一口排采井（ZS1平-5V1）、一口監(jiān)測(cè)井（ZS1平-5V2）組成（圖4），工藝井主支設(shè)置在煤層頂板泥巖中，距煤層頂部保持在0.5～3.0 m，井斜角大于90°；排采井、監(jiān)測(cè)井在煤層頂板造洞穴，洞穴底部距離煤層為1 m，直徑為0.6 m，高度為6 m。該井設(shè)計(jì)滿足了3個(gè)條件：①主支上傾；②排采井洞穴位于穩(wěn)定的頂板泥巖；③有穩(wěn)定的洗井通道。該井于2013年5月洗井成功并投產(chǎn)，目前日產(chǎn)氣大于1×104m3，是該區(qū)塊直井最高產(chǎn)氣量的14.3倍，通過(guò)監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)，該井主支始終處于一種穩(wěn)定的排輸狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)生“灰堵”問(wèn)題。

圖4 ZS1平-5H 井實(shí)鉆三維立體圖

5 結(jié)論與建議

1）“出煤頂就降斜、出煤底就增斜”的傳統(tǒng)軌跡控制方法，往往導(dǎo)致井眼軌跡呈“波浪狀”，在煤層氣排采過(guò)程中易發(fā)生“過(guò)濾灰堵”。建議煤層氣水平井的軌跡控制應(yīng)在保證一定煤層鉆遇率的前提下，以井眼光滑、總體上傾為原則，為確保井眼平滑可以犧牲一定的煤層鉆遇率，盡可能避免出現(xiàn)“波浪狀”井眼。

2）排采井洞穴具有“沉沙”作用，是煤層氣多分支水平井不可或缺的重要組成部分。為發(fā)揮“沉沙”功能，洞穴應(yīng)建在穩(wěn)定地層中，并處于水平井軌跡的低部位，可以選擇在煤層頂板或底板。

3）主支在穩(wěn)定的煤層頂板或底板的仿樹(shù)形水平井為解決煤粉問(wèn)題提供了有益嘗試。ZS1平-5H井通過(guò)主支上傾、將主支與排采井洞穴置于穩(wěn)定的頂板泥巖等優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了主支長(zhǎng)期穩(wěn)定，有效解決了“灰堵”問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

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Key technology for treating slack coal blockage in CBM recovery: A case study from multi-lateral horizontal wells in the Qinshui Basin

Yang Yong1, Cui Shuqing1, Ni Yuanyong1, Zhang Guosheng1, Li Lichang2, Meng Zhenqi2
(1. PetroChina Huabei Oilfield Company, Renqiu, Hebei 062552, China; 2. Engineering Technology Research Institute of CNPC Bohai Drilling Engineering Co., Ltd., Tianjin 300457, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.89-93， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:Due to the natures of coal beds, slack coal production is inevitable in gas recovery by water drainage. The negative effect of slack coal production on production capacity of coalbed methane (CBM) is irreversible, when CBM wells are reentered after low-energy exploitation and shut-in. In this paper, therefore, the CBM production characteristics and multi-lateral horizontal well trajectory in the Qinshui Basin, Shanxi Province, were analyzed. In the multi-lateral horizontal wells, the expected gas production rate could not be reached and the production rate after shut-in maintenance could not recover to the level before shut-in. The reason for these issues is that migration pathways in the reservoirs are blocked by slack coal deposits and formation water and slack coal deposit accumulate at the troughs of horizontal sections. Furthermore, the three key technologies to deal with slack coal blockage were proposed. First, CBM horizontal well trajectory should follow the principle of keeping the wellbores smooth and up-dip instead of being "wavy", on the premise of guaranteeing coalbed drilling rate. Second, the caves of production wells, as an important part of multi-lateral horizontal wells, are capable of settling sand, and can be used for gas-liquid-solid separation. And third, a tree-like horizontal well with its main laterals set at the stable roof or floor, provides a stable well flushing passage for coal powder. This research provides a useful attempt in solving the problem of slack coal production in gas recovery by water drainage.

Keywords:Coalbed methane (CBM); Recovery by water drainage; Slack coal; Multi-lateral horizontal well; Coalbed drilling rate; Treelike horizontal well; Wellbore trajectory control; Cavern completion; Qinshui Basin

收稿日期（2015-08-20 編 輯 凌 忠)

通信作者：崔樹(shù)清，1967年生，高級(jí)工程師，博士。電話：（0317）2722842。E-mail:bh_cui@petrochina.com.cn

作者簡(jiǎn)介：楊勇，1958年生，教授級(jí)高級(jí)工程師；現(xiàn)任中國(guó)石油華北油田公司總工程師。地址：（062552）河北省任丘市中國(guó)石油華北油田公司。ORCID:0000-0002-6005-4196。E-mail:hbyangyong@petrochina.com.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)“山西沁水盆地煤層氣水平井開(kāi)發(fā)示范工程”（編號(hào)：2011ZX05061）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.011