穿煤柱水平煤層氣井工程開發與實踐

李 浩

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048200)

1 煤層開采技術

目前常見的煤層氣開發技術體系主要有以下三個階段：

1.1 鉆井技術

煤儲層一般具有低孔低滲的特點，會導致大量煤層氣在開采過程中流失掉，降低煤層氣開采的產量。如果采用常規直井開采方式，即使后續進行壓裂作業，也不能保證水平井產量。因此，根據煤層氣儲層特點，逐漸形成了多分支水平井鉆井技術，欠平衡鉆井技術，超短半徑水平井鉆井技術，U型井、L型井鉆井技術等，將這些技術應用到煤層氣水平井開發實踐中，大大增加了氣井與煤層接觸面積，提高了煤層氣井單井產能。

1.2 壓裂增產技術

煤層壓裂改造作為一種重要的強化增產措施，在國內外煤層氣開采過程中得到了廣泛的應用，尤其是低壓低滲地區。煤層壓裂改造的實際意義在于通過實施壓裂，可以十分有效地將井筒與煤層天然裂隙溝通，提高了煤層至井筒的導流能力，擴大了排水降壓范圍，從而有效地提高了煤層氣產量和采收率。

在水平井開發過程中，形成了多種增產改造工藝方法，目前主要有以下三大類分段壓裂方式：水力噴射分段壓裂、滑套分段壓裂和泵送橋塞分段壓裂。

1.3 排采選擇與控制

煤層氣的產出機理決定了煤層氣井必須進行排水降壓，才能達到產氣的目的。合理的排采制度和精細的排采控制是保證煤層氣井排采成功的關鍵因素。

1.3.1 泵的選擇

開采煤層氣排水的方法有桿泵、螺桿泵、電潛泵、氣舉、水力噴射泵、泡沫法及優選管柱法等。在垂直井中我國目前主要采用有桿泵、螺桿泵、電潛泵來實現油管排水，套管采氣。適宜在斜井或水平井(工程井)中的排采設備主要有電潛泵、電潛螺桿泵、液壓泵和射流泵等。

1.3.2 排采工藝技術

煤層氣排采工藝技術體現在兩個方面：合理的排采制度和精細的排采控制。

井底流壓是反映產氣量滲流壓力特征的參數，煤層氣的產出機理決定了只有降低井底流壓至臨界解吸壓力以下，才能有解吸氣體的產出。較低的井底流壓，有利于增加氣的解吸速度和解吸氣體量。制定合理的排采制度和進行精細的排采控制應該以井底流壓為依據。

2 穿煤柱水平井主要研究內容

2.1 穿煤柱鉆井技術

綜合運用煤層氣地震勘探技術和測井技術，準確穿越中間煤層找到目的層。

2.2 水平井鉆井工藝與技術

1) 水平井井身結構設計。

2) 鉆井施工方式及位置優選。根據實驗地質條件，地面鉆井采用三開以上定向鉆井工藝，以導氣裂隙帶為鉆遇目的層，沿運輸大巷向切眼位置方向進行鉆進。

3) 鉆井液設計優選。根據鉆遇層地巖性條件，鉆井液的選擇以穩定井壁和保證施工安全為主，確保造斜段和水平段不出現垮塌。

4) 鉆井施工中事故處理安全預案。分析考慮確定鉆井施工過程可能的安全隱患，進行事故處理安全預案設計。

2.3 水平井壓裂技術

煤層壓裂改造作為一種重要的強化增產措施，在國內外煤層氣開采過程中得到了廣泛的應用，尤其是低壓低滲地區。煤層壓裂改造的實際意義在于通過實施壓裂，可以十分有效地將井筒與煤層天然裂隙溝通，提高了煤層至井筒的導流能力，擴大了排水降壓范圍，從而有效地提高了煤層氣產量和采收率。

在水平井開發過程中，形成了多種增產改造工藝方法，目前主要有以下三大類分段壓裂方式：水力噴射分段壓裂、滑套分段壓裂和泵送橋塞分段壓裂。考慮實際情況和以往施工經驗，該井利用連續油管帶底封拖動工藝實施水力噴射分段壓裂。

2.4 抽采工藝

1) 確定合適的抽采設備及配套設施，通過實驗井抽采效果確定合理的抽采工藝。

2) 確定合適的排采制度。

2.5 成果與推廣

1) 總結穿煤柱水平井施工工藝，形成一套穿煤柱水平井施工方案。

2) 在合適礦區進行推廣應用。

3 關鍵技術運用

3.1 穿煤柱鉆井技術

通過運用煤層氣地震勘探技術，利用地震波運動學和動力學特征研究煤巖層巖性，將油氣勘探中的儲層預測理論、雙相介質理論、各向異性介質理論與煤田地震資料的特點相結合，把地震屬性技術、方位各向異性技術、彈性波阻抗反演技術等作為主要手段，進行目的層預測；通過裸眼井測井，劃分地層、判別巖性；解釋煤層深度、厚度及結構；求取目的煤層的固定碳、灰分、水分的質量分數；求取其他巖層的砂質、泥質和水分(孔隙)的體積分數；進行目的煤層及其圍巖的含水性、滲透性分析。從而尋找中間煤層應力穩定區域，選擇確定著陸點方位。

3.2 鉆井工藝研究

根據試驗地質條件和目的煤層15#煤的特點，結合目前水平井鉆井技術、設備及工具能力，采用“單弧剖面”(直-增-穩)三段制剖面形式。初步確定造斜率不大于7°/30 m，鉆井軌跡在煤層中上部。穿煤柱水平井軌跡剖面圖見圖1。

圖1 穿煤柱水平井軌跡剖面圖

3.3 壓裂工藝研究

工藝方面，連續油管帶入噴砂射孔槍及座封底部封隔器，利用連續油管實施水力噴射射孔，再通過環空實施大型的壓裂作業。逐級完成座封、射孔、壓裂、解封上提工序，實施多層段壓裂。圖2、圖3為兩種常用系列底封封隔器。

圖2 Y系列底封封隔器

圖3 K系列底封封隔器

技術特點：

1) 一趟管柱可成功實施5段以內壓裂改造。

2) 管柱結構簡單，工具性能可靠，提高了施工效率和安全性。

3) 壓裂油管排量：2.5 m3/min～ 4.5 m3/min，單只噴砂射孔器過砂能力不小于40 m3。

作業能力：針對吐哈油田致密油氣藏、薄互層、水平井分段改造的技術需求，提高壓裂效果。可完成直井一次連續改造5段(層)以內的壓裂施工。滿足壓裂施工油管排量2.5 m3/min～4.5 m3/min的要求。

4 試驗井井位選擇

根據實驗地質條件，在沁水盆地某區塊優選井位，地面鉆井采用三開以上定向鉆井工藝，以導氣裂隙帶為鉆遇目的層，沿運輸大巷向切眼位置方向進行鉆進。

穿煤柱L型井位置示意圖如圖4、圖5所示， MZML-01井3#煤見煤點距離巷道482 m，15#煤著陸點距離巷道372 m。

圖4 MZML-01井位布置圖

圖5 MZML-01井與巷道、千米鉆孔位置關系

5 排采數據跟蹤與分析

經過歷時10個月以上的排采數據跟蹤監測與分析(見圖6)，總結如下：

抽采之初，螺桿泵頻率由最初5 Hz逐步調整至20 Hz左右，通過排水降壓，井底流壓由1.2 MPa逐步降至1 MPa左右，后期產水量穩定在6 m3/d左右，日均產量穩定在1.2萬m3以上，最高日均量達到1.56萬m3。

圖6 MZML-01井排采曲線

從日均產量、穩產期等排采效果來看，該井已達到既定目標，且運行平穩，繼續創造著產量新高，為穿煤柱下組煤水平井抽采積累了寶貴成功經驗。

6 結語

本次試驗初步定在沁水盆地某區塊，有賴于周邊設備條件和地質條件都比較好，煤層氣勘探開發較為成熟。試驗取得成功后，可持續優化、完善穿煤柱水平井開發技術體系，并不斷向周邊、省內以至其他省份礦井進行推廣。且從煤炭資源開發進程來看，許多礦區上組煤開發已接近尾聲，下組煤因埋藏深、儲層壓力大、瓦斯組分同上組煤也呈現較大差異，因此下組煤開采面臨很大的安全風險。下組煤水平井抽采示范工程的成功，取得的經濟、社會、環保效益不僅有利于煤層氣行業本身的發展，對各礦安全采煤預抽也提供了堅實保障，從而使得下組煤煤層氣抽采具有更加廣闊的開發前景。