高煤階煤層氣開發工程技術的不適應性及解決思路

朱慶忠劉立軍陳必武李佳峰劉斌李宗源葛騰澤

1.中國石油華北油田分公司；2.中石油煤層氣有限責任公司

高煤階煤層氣開發工程技術的不適應性及解決思路

朱慶忠1劉立軍1陳必武1李佳峰1劉斌1李宗源1葛騰澤2

1.中國石油華北油田分公司；2.中石油煤層氣有限責任公司

為了解決煤層氣開發普遍存在的區域儲層變化復雜、不同地區工程技術的適應性差異大等問題，基于沁水盆地高煤階儲層的橫向變化特征，分析研究了以往煤層氣開發中工程技術的應用效果，結合大量室內實驗及現場實踐，提出了一整套以疏導式開發理念為核心的煤層氣開發工程技術思路，形成了以可控水平井和疏通式煤層改造工藝為主體的技術系列。現場應用效果良好，可控水平井鉆井周期縮短20%～30%，鉆井成本降低30%～50%，直井疏通式改造平均單井日產氣增加大于500 m3/ d，有效提高了煤層氣開采效益，為今后煤層氣高效開發提供了理論與技術支撐。

煤層氣；水平井；直斜井；分段改造；分壓合采；不適應性；疏導式

山西沁水盆地高煤階煤層氣開發層系主要為石炭及二疊系地層，2006年正式投入開發后工程技術體系主要有2種：一是直井完井，水基壓裂后進行排水降壓；二是裸眼多分支水平井完井，洞穴井排采降壓。第二種技術在沁水盆地南部大樊莊區塊取得了較好的應用效果，產量逐年遞增。2015年該區塊年產氣量達6 億m3以上，平均單井日產氣量也將近1 500 m3/d，打破了國外“高階煤”產氣缺陷的理論認識，成為我國重要的煤層氣生產基地［1］。隨著開發區域的擴大，由于盆地內不同地區的地質條件存在差異，運用相同的工程技術就表現出了明顯的不適應性，需要通過研究來解決大量低產區工程技術的不適應性問題［2］。

1 不同區域儲層特征的差異

Differences of reservoir characteristics in different areas

以沁水盆地南部為例，分析研究了不同地區地質條件的差異性。

（1）沁南地區大樊莊區塊總體煤層埋藏淺、滲透率高、含氣量高、煤階高、原生結構煤發育；表現為直斜井壓裂裂縫延伸較好，裸眼多分支水平井井眼較穩定，開發效果較好。

（2）沁南地區鄭莊區塊總體煤層埋藏較深、滲透率低、含氣量中-高、煤階中-高、原生-碎裂結構煤發育；表現為直斜井壓裂裂縫延伸較差，裸眼多分支水平井井眼易堵塞、易坍塌，煤層氣開發的主要2種開發技術均不適用。

（3）沁南東地區總體煤層埋藏較深、滲透率低、含氣量中等、煤階中等、碎裂結構煤發育；表現為直斜井壓裂裂縫延伸差，支撐劑多堆積在井眼附近，裸眼多分支水平井井眼更易坍塌，常規2種開發技術亦表現為不適應。

2 工程技術不適應性的分析

Analysis on the inadaptability of engineering

2.1 直斜井壓裂不適應性分析

The inadaptability of slant hole fracturing

沁水盆地南部及東部共壓裂投產直斜井2 600余口，平均單井日產量約772 m3/d（見表1），整體開發效果差，工程技術沒有起到提高單井產量作用。

煤層具有泊松比高、楊氏模量低，割理發育的特點，只能造寬縫，不能造長縫。要想控制更大的面積，只有長縫才能實現，當煤層碎裂、煤階較低時，表現更為突出。壓裂液進入大量窄而多的微裂縫而支撐劑無法進入，形成近井帶支撐劑堆積，大幅度降低了壓裂裂縫的導流能力。形成了要求工程技術造長縫，而煤層壓裂不能實現的矛盾。

表1 不同地區直斜井壓裂投產統計Table 1 Production statistics of slant hole fracturing in different areas

在游離水不富集的煤層，由于煤層滲透率低、解析壓力低，大量壓裂液進入煤層，富集在煤層的裂隙中，使得氣體的流動受到了影響，阻礙了煤層氣的解析和流動，大幅度降低了解析壓力。甚至難以全部排出，降低了煤層氣的開發效率［3］。形成了降低解析壓力同提高開發水平的矛盾。

常規壓裂是通過液體攜帶支撐劑進入煤層實現的，而這個過程是個地層壓力抬升的過程，而煤層氣的開發是降壓開采，通過排水降低地層壓力，而壓裂使得降壓的周期增大，降壓效率降低。形成了升壓改造和降壓排采的矛盾。

總體來看，煤層壓裂技術存在上述三大矛盾，不同地區的矛盾突出程度不同。

2.2 裸眼多分支水平井不適應性分析

Analysis on the inadaptability of open-hole multilateral horizontal wells

沁水盆地南部大樊莊及鄭莊區塊共鉆裸眼多分支井100余口，日產氣量小于1 000 m3/d的井占47%（見表2），平均單井日產量約3 000 m3/d左右，綜合表明整體開發效果差。

表2 不同地區裸眼多分支水平井統計Table 2 Open-hole multilateral horizontal wells in different areas

裸眼多分支水平井采取一次成井技術，主眼和分支的連接不能保證，同時成井后由于井壁沒有有效的支撐，井眼易坍塌，甚至導致氣、水不出。出現了裸眼多分支水平井無法實現井眼暢通的問題。

裸眼多分支水平井采取洞穴井排采，生產期間氣液產出時往往伴隨大量煤粉低洼處容易形成煤粉堆積，成低產或者氣水不出。出現了裸眼多分支水平井無法作業解除污染的問題。

裸眼多分支水平井由于地質設計要求鉆遇更多的煤層，一般分支多，投資高，同現在的平均產量不相匹配，因此出現了投資風險較高的問題。

以上是裸眼多分支水平井開發出現的三大問題，不同地區程度不同。位于滲透率較低、煤層較碎裂、演化程度較低的地區更為突出。

3 工程技術不適應性的解決思路

Solution idea for engineering inadaptability

針對上述問題，從煤層氣的開發機理逐一梳理并研究對策，認為煤層氣應該采取疏導式的技術解決思路。

（1）用低成本可控水平井解決井眼易坍塌、易堵塞、不可改造、不可重入、壓裂裂縫難以延伸等問題。

（2）用疏通式改造解決壓裂液大量進入煤層、抬升地層壓力、煤粉易堵塞等問題。

（3）對于多煤層直斜井，采用分壓合采技術，提高單井產量和效益。

（4）對于可控水平井，煤層滲透性較好、鉆井污染較小的采用篩管完井直接投產，煤層滲透性較差，則采用套管完井分段改造。

3.1 可控水平井快速鉆完井技術

Quick drilling and completion technology of controllable horizontal well

可控水平井是指在水平段主井眼內下入支撐管串的水平井，具備主井眼穩定可控、通暢、可分段改造、可重復作業等特性。去掉洞穴井，采取無桿排采，降低投資。可控水平井井型包括：單支可控水平井和魚骨狀可控水平井，見表3。

表3 可控水平井井型分類Table 3 Classification of controllable horizontal wells

3.1.1 單支可控水平井鉆完井技術 以“井眼可控、分段改造、快速高效、廣泛適應”的可控水平井設計思路，優化形成了二開快速鉆井、綜合導向、防漏防塌鉆井液、半程固井等系列配套技術［4-5］。該技術具備鉆井速度快、費用低、井眼穩固、可分段增產改造、可上傾下傾、可下泵、可作業、適合大規模叢式井組工廠化開發等系列技術優勢，能夠最大限度地降低投資、提高速度、提高效益。單支可控水平井鉆完井技術如圖1所示。

圖1 單支可控水平井Fig. 1 Single-lateral controllable horizontal well

3.1.2 魚骨狀可控水平井鉆完井技術 魚骨狀可控水平井采用與裸眼多分支相反的遞進式鉆進方式，確保了主支順利下入管串［6］。具有鉆井速度快、費用低、主支穩定支撐、分支裸眼控面、可下泵、可作業、可分段增產改造等系列技術優勢，能夠最大限度的提高產量、提高效益。魚骨狀可控水平井軌跡如圖2所示。

圖2 魚骨狀可控水平井軌跡Fig. 2 Trajectory of fish-bone controllable horizontal well

3.2 疏通式煤層改造技術

Dredge coal reservoir stimulation technology

3.2.1 低前置快速返排壓裂技術 以降低儲層壓力的抬升、減少水體的進入、減少對煤層的破壞為原則，進行壓裂工藝優化。選用活性水壓裂體系，以低前置液的方式降低進入煤層的液量，在有效改造煤層的前提下降低煤層傷害；以低排量造縫、高排量加砂的方式變排量注入，提高裂縫延伸效率；以細砂支撐為主、中砂、粗砂為輔的方式變粒徑加砂，加大支撐劑運移距離；以壓后快速返排的方式，“變壓能為動能” 促進液體及煤粉返排，減小煤層堵塞［7］。

3.2.2 水力造穴復合壓裂技術 利用水力噴射切割原理（如圖3所示），對煤巖反復噴射擊動，使煤巖破碎、垮塌，最終在井筒周圍形成洞穴。其目的一是產生裂隙，增加滲透性；二是清除煤粉，減少堵塞。造穴完成后再進行壓裂，達到造穴、壓裂雙重增效。

圖3 水力造穴原理Fig. 3 Principle of hydraulic cave building

3.2.3 直斜井多煤層分壓合采技術 對于多煤層直斜井采用分壓合采技術，能夠最大限度提高單井產量，節省施工費用及排采費用，如圖4所示。

圖4 多煤層分壓合采技術Fig. 4 Staged fracturing and commingled producing technology for multiple coal seams

（1）對于套管完井的可控水平井，研究試驗了“連續油管底封拖動分段改造技術”、“普通油管底封拖動分段改造技術”、“射孔、造穴、壓裂一體化分段改造技術”［8］、“魚骨狀水平井分段改造技術”等，通過連續油管或普通油管，采用底封拖動或不動管柱逐級投球的方式依次完成水平段分段改造施工，上述技術均適用于單支及魚骨狀水平井。其中連續油管分段改造技術，地面設備多、占用場地大，不適合煤層氣大規模低成本開發。普通油管底封拖動分段改造費用較低（7段約200萬元），但周期較長。一體化分段改造功能多、分段多、施工快、成本低，目前正在直斜井試驗，待技術成熟后力爭成為水平井高效分段改造主體技術。

（2）對于篩管完井的可控水平井，研究試驗了“雙封拖動分段造穴技術”、“噴射拖動分段造穴技術”等，通過雙封工具或單噴射器逐段向上拖動，對煤層進行分段造穴，解除近井帶鉆井液污染，誘導煤層產生裂隙，改善煤層滲透條件，清理煤粉，提高單井產量。此系列工藝具有任意分段、施工簡便、費用低廉等優點，均適用于單支及魚骨狀水平井。

4 現場應用

Field application

4.1 可控水平井應用情況

Application of controllable horizontal wells

截至2016年6月，可控水平井鉆井總共合計33口，其中單支24口，魚骨狀9口；鉆井周期縮短20%～30%，鉆井成本降低30%～50%，見表4。已投產的井排采穩定后多數取得較好效果見表5。

表4 可控水平井鉆井統計Table 4 Drilling statistics of controllable horizontal wells

表5 可控水平井投產效果Table 5 Production results of controllable horizontal wells

4.2 疏通式煤層改造應用情況

Application results of dredge coal reservoir stimulation technology

（1）直斜井儲層改造。應用低前置快速返排壓裂、水力造穴復合壓裂、多煤層分壓合采等工藝的100余口井，平均降低壓裂液量20%～30%，排采周期縮短20%～30%，單井日產氣增加大于500 m3/d。

（2）可控水平井分段改造。針對套管完井的可控水平井實施了分段壓裂及分段造穴復合壓裂工藝技術，早期投產的5口分段改造水平井平均日產氣達到8 000 m3/d以上，在沁水盆地低滲區塊實施的一口分段改造井最高日產氣量達7 000 m3/d，是周圍直井的8～10倍。針對篩管完井的可控水平井實施了分段造穴工藝技術，目前實施了2口井，日產氣量達到2 000 m3/d以上，目前正在進行進一步提產。

5 結論

Conclusions

（1）高煤階煤層氣開發采取疏通式的技術對策，符合煤層氣開發規律，實現工程技術設計方法的轉變，為煤層氣高效開發提供了理論與技術支撐。

（2）可控水平井采用二開快速鉆井技術，實現了井眼穩定、利于改造、原井排采，能夠進行后期作業維護，解決了裸眼多分支水平井存在的多種問題，有希望成為煤層氣高效開發的主體工程技術。

（3）疏通式煤層改造技術、直斜井多煤層分壓合采技術、水平井分段改造技術大幅度提高了單井產量，是目前煤層氣高效開發的有效措施。

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（修改稿收到日期 2016-11-13）

〔編輯 李春燕〕

Inadaptability of high-rank CBM development engineering and its solution idea

ZHU Qingzhong1, LIU Lijun1, CHEN Biwu1, LI Jiafeng1, LIU Bin1, LI Zongyuan1, GE Tengze2

1. CNPC Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, Hebei, China; 2. Petrochina Coalbed Methane Compony Limited, Beijing 100028, China

It is common in the process of coalbed methane (CBM) development that the change of regional reservoirs is complex and the adaptability of engineering is diverse in different areas. To deal with these problems, the application results of engineering which was previously used for CBM development were analyzed based on the lateral variation characteristics of high-rank coal reservoirs in the Qinshui Basin. Then, based on abundant laboratory tests and field application, a complete set of CBM development engineering idea with the dredge development concept as the core was proposed. And a series of technologies with the controllable horizontal well and the dredge coal reservoir stimulation technology as the main parts were developed. The test results of field application are remarkable and CBM exploitation benefit is improved effectively. The drilling period of controllable horizontal wells drops by 20%-30%, the drilling cost declines by 30%-50%, and the average single-well gas production rate after vertical wells are stimulated in the dredge pattern rises by over 500 m3/d. The research results provide the technical support for the high-efficiency CBM development in the future.

coalbed methane; horizontal well; slant hole; staged stimulation; staged fracturing and commingled producing; inadaptability; dredge type

朱慶忠，劉立軍，陳必武，李佳峰，劉斌，李宗源，葛騰澤.高煤階煤層氣開發工程技術的不適應性及解決思路［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（1）：92-96.

TE377

B

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0092 – 05

10.13639/j.odpt.2017.01.018

:ZHU Qingzhong, LIU Lijun, CHEN Biwu, LI Jiafeng, LIU Bin, LI Zongyuan, GE Tengze. Inadaptability of high-rank CBM development engineering and its solution idea［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 92-96.

國家科技重大專項“山西沁水盆地煤層氣水平井開發示范工程”（編號：2011ZX05061）；中國石油股份公司科研項目“沁水煤層氣田勘探開發示范工程”（編號：2010E-2208）。

朱慶忠（1966-），1988年畢業于江漢石油學院物探專業，現主要從事煤層氣勘探開發工作，高級工程師。通訊地址：（062552）河北省任丘市會戰道華北油田公司機關。電話：0317-2752796。E-mail：cyy_zqz@petrochina.com.cn

劉立軍 （1964-），1986年畢業于成都地質學院石油地質專業，現主要從事煤層氣勘探開發工作，高級工程師。通訊地址：（046000）山西省長治市益東國際酒店。電話：0355-5550515。E-mail：zhb_llj@petrochina.com.cn