煤層氣徑向井井眼軌跡特征與監測方法

信 凱，季長江，肖 淳

煤層氣徑向井井眼軌跡特征與監測方法

信 凱1，季長江2,3，肖 淳4

(1.山西藍焰煤層氣工程研究有限責任公司, 山西 晉城 048000; 2. 河南理工大學 資源環境學院, 河南 焦作 454003; 3. 煤與煤層氣共采國家重點實驗室, 山西 晉城 048000; 4. 中國黃金集團地質有限公司, 北京 100012)

為查明徑向井分支在煤層中的施工軌跡是否與設計軌跡一致，保障煤儲層的增透改造效果。采用地面小型試驗與現場測試相結合的手段，先對煤儲層徑向井井眼軌跡的影響因素展開研究，并基于電位法監測技術分析該方法用于煤層氣徑向井軌跡監測的可行性，在此基礎上建立了基于電位法的煤儲層徑向井井眼軌跡監測方法與工藝，并進行現場監測分析。研究結果表明，煤層中徑向井井眼軌跡主要受原始裂隙、地應力、結構薄弱面等因素共同控制，導致煤層氣徑向井在噴射施工過程中井眼方位通常會發生不同程度的偏轉，角度在15°~30°間，徑向井分支長度也均小于設計的噴射長度。電位法煤層氣徑向井軌跡監測方法可以清晰地監測到方位、長度等徑向井軌跡參數的變化情況，研究結果可以有效地指導煤儲層徑向井的設計與施工。

煤層氣；徑向井；井眼軌跡；電位法；監測

徑向井技術是一種新型儲層增透改造技術。該技術可以在超短半徑內實現由垂直到水平的轉向，并完成套管開窗和水力破巖[1-2]。其原理是通過磁定位和自然伽馬測井來確定套管開窗深度，用陀螺測斜儀來確定開窗方位，用磨銑鉆頭在套管上開窗，之后借助特殊噴嘴產生的高壓水射流破碎、切割巖層，從而在地層中鉆進具有一定直徑和長度的徑向水平孔[3]。

成熟的徑向水平鉆井技術由美國Petrolphysics公司在20世紀七八十年代提出，經技術不斷改進與提升，在21世紀初形成了以美國Radial Drilling Service (RDS)公司為代表的新型徑向鉆孔技術[4]。徑向井技術提出后首先應用到油氣田的低滲儲層增透改造中，并取得了不錯的效果[5-12]。鑒于徑向井技術具有易穿透近井端鉆井、固井傷害帶，有效降低近井筒地帶應力集中等優勢[13-14]，近年來，新型徑向井技術在煤層氣開發中也逐步開展了一些研究與嘗試。在基礎理論研究方面，對煤層氣徑向井噴射過程中管柱系統壓力損耗和高壓水射流破巖機理進行了分析，建立了摩阻系數計算公式和噴嘴射流動力公式[15]；研究了徑向井改造煤層過程中氣體的滲流規律，并進行了產量預測[16]。針對煤儲層特征，探討了采用徑向井溝通煤層原始裂隙后，輔以水力壓裂進行儲層改造和增產的綜合技術手段[17-19]。但對于煤層中徑向井井眼軌跡監測等方面的研究卻鮮有涉及。

由于徑向井噴頭和噴射軟管直徑一般在20 mm左右，很難攜帶隨鉆測量系統。因此，通常將套管開窗方位默認為徑向分支的末端方位，在噴射過程中方位保持不變；將噴射過程中連續油管進入井筒的長度默認為徑向分支井眼長度。但由于煤儲層天然孔裂隙較發育，各向異性強，徑向井在噴射過程中井眼軌跡很難保持方位和長度始終不變，而徑向分支的實際軌跡，直接決定了煤儲層的改造增透效果。因此，針對煤儲層特征，對煤層氣徑向井井眼軌跡影響因素及監測方法與技術展開研究十分必要。

1 徑向井井眼軌跡特征及影響因素分析

為初步探明徑向井在煤層中的井眼軌跡特征及其影響控制因素，采集山西晉城礦區寺河礦3號煤層的大塊煤樣和煤粉，制備試驗樣品。煤樣層理發育，垂向裂隙貫穿其中，裂隙系統較為發育，如圖1所示。用混入10%煤粉的水泥作為膠結物，將大塊煤樣全部包裹住，制備成1 m×1 m×1 m的地面試驗樣品，如圖2所示。

在樣品箱的一側用直徑為2.54 cm的鉆頭先鉆成一定深度(10 cm)的導向孔，共4個。第1個孔距第2個孔20 cm，第2個孔距第3個孔30 cm，第3個孔距第4個孔15 cm。試驗過程由1號到4號依次進行徑向孔的噴射試驗作業，噴射鉆頭直徑20 mm，噴射軟管總長1 000 m。1號孔噴射鉆頭為前面4個噴嘴后面5個噴嘴(簡稱前4后5型)，試驗中鉆頭被破碎的煤塊卡住，多次嘗試仍不能繼續鉆進，導致試驗停止，噴射用時55 min，用水2 m3，徑向鉆機噴射泵最大壓力82 MPa(2—4號相同)。2號孔噴射鉆頭為前4后5型，噴頭順利穿過整個樣品，用時90 min，用水2.8 m3。3號孔試驗過程頻繁卡鉆，噴頭由前4后5更換為前7后5型，后噴射鉆頭泄壓，導致噴射終止，試驗用時4 h，用水13 m3。4號孔試驗過程通過煤塊中裂隙與3號孔相通，導致噴頭漏水泄壓嚴重，無法正常破煤、鉆進，試驗只持續了5 min。試驗結束后將樣品縱向剖開，觀測井眼軌跡，分析其影響因素，如圖3所示。

圖1 寺河3號煤層煤塊

圖2 徑向井地面試驗樣品

樣品剖面顯示，樣品的非均質性強，由煤粉和水泥混合而成的位置強度大，徑向孔在其中的軌跡相對較為平直，孔眼直徑也相對均一，變化幅度較小(1號孔、2號孔)。而裂隙較為發育煤塊處，徑向孔高壓水射流在此處泄壓較為顯著，孔眼直徑較大，局部會形成較大的噴射孔洞(3號孔)。綜合分析，徑向井井眼軌跡并不是理想的直線，存在多處拐彎。主要受煤樣的均質程度、原始裂隙(1、2、4號孔)、重力(3號孔)、結構薄弱面(4號孔)等因素共同控制。尤其在裂隙發育處，高壓噴射流泄壓嚴重，導致徑向孔很難穿透整個樣品。徑向孔眼直徑最小為30 mm，裂隙發育處最大可達75 mm，平均40~60 mm。

圖3 徑向井試驗后樣品剖面

因此，在進行煤層氣徑向井施工時，煤層的力學性質越差、非均質性越強、天然裂隙越發育，徑向井的噴射距離越短，孔眼越易塌孔，施工改造效果也就越差。

2 徑向井軌跡監測方法與工藝

基于地面試驗結果，進一步查明真實地層條件下徑向井井眼軌跡特征，對煤層氣徑向井施工軌跡監測方法進行研究。

2.1 電位法徑向井軌跡監測原理與可行性分析

電位法井間監測技術是以傳導類電法勘探為理論基礎，起源于20世紀70年代末，通過測量注入到壓裂層位內高電離能量工作液所引起地面電位梯度變化，達到解釋和推斷目的層有關參數的目的[20-21]。

該技術的基本原理是：將地層假設為一無限大的均勻介質，若以恒定電流向地層供電，則在地層中會形成一人工電場，當向地層注入的液體電阻率與地層介質的電阻率相差較大時，注入液體為一良好導體，該部分液體在地層中即可看作成一個場源(圖4)，該場源的存在必將使原電場(未施工前的地面電場)分布形態發生變化，大部分電流集中到低阻體帶，勢必引起地面電流密度減小，地面電位也隨之發生較大變化[22]。該技術常用于油氣井的水力壓裂監測中。

圖4 電位法測試原理[20]

煤層徑向井作業時，若通過被測井向地層供以高穩定度的電流，則在徑向井噴射過程中必然也會引起原電場分布形態發生變化。鑒于當前煤層氣徑向井尚無相關軌跡監測方法與技術，特選擇電位法對徑向井方位、長度等軌跡參數進行監測。在被測井周圍環形布置多組測點，利用地面高精度電位觀測系統，實時觀測地面電位變化情況，達到監測徑向井施工軌跡的目的。因此，采用電位法監測徑向井行進軌跡，原理上可行。

2.2 基于電位法徑向井軌跡監測工藝

2.2.1 煤層高穩定電流輸入方式

利用電位法進行煤層氣徑向井軌跡監測，核心部分就是保障地面高穩定度電流能夠順利傳導至煤層。由于徑向井施工工具串依次由連續油管、噴射軟管和噴頭3部分組成，連續油管和噴頭材質都為鋼質，具有良好的導電性，噴射軟管為內層鋼絲纏繞外層橡膠包裹的結構。在工具連接過程中首先將噴射軟管鋼絲層與連續油管通過鋼質萬向接頭連接，然后將噴頭與軟管另一頭的鋼質公扣連接，因此，整個徑向井施工管串具有良好的導電性。同時，施工過程中流經管串的噴射液為體積分數為2%的高電離KCl溶液，進一步保證了整個工具串的電流傳導性。

所以，在采用電位法進行徑向井軌跡監測時，只需將地面發電機電纜連接到徑向井的連續油管上，就可以借助整個噴射工具管串向煤層穩定輸入電流。

2.2.2 軌跡監測系統組成與步驟

a. 系統組成 徑向井軌跡監測系統主要由測量系統、供電系統、發送系統和接收系統4部分組成。測量系統主要由經緯儀等組成，用以確定電極布置點和方位。供電系統主要由可以輸出220 V、50 Hz交流電的發電機組成。發送系統可以將動力部分輸入的交流電壓轉換成偽隨機碼控制的電壓信號輸出，可發送0.1、0.3、1.0、3.0 Hz交流電流和直流電流，最大輸出電流為20 A，穩流精度在±1%內，頻率穩定性誤差為0.01%。接收系統采用了偽隨機碼序列控制的高精度測量技術，利用高速數字信號處理系統，分布式實時處理數據，提高數據的處理速度和精度。

b. 測點布置 依據徑向井設計施工長度，在被監測井周圍選擇合適的間距，分內圈、中圈和外圈環形布置地面測點，并用測量線將各測點相連。

c. 電流返回井選取 根據被監測井目的煤層深度，選擇其附近的另一口煤層氣井作為電流返回井，間距應盡量大于被監測井目的煤層的深度。

d. 系統啟動與監測 連接、調試好地面各儀器設備，在每個徑向井分支施工前，提前啟動監測系統，測試地面原電場的電位分布形態。在正常施工過程中和施工后一段時間內，持續監測電位變化情況，依據單個徑向井分支施工前、施工過程中和施工后異常場電位差的測試情況，判斷徑向分支方位和長度變化情況，達到監測徑向井井眼軌跡的目的。

電位法徑向井軌跡監測工藝如圖5所示。

圖5 電位法煤層氣徑向井軌跡監測工藝

3 現場監測試驗

3.1 試驗區基本地質條件

采用電位法對山西西山煤田屯蘭礦區XSJX-01井進行徑向井施工軌跡監測。屯蘭礦區區域構造位于太原西山向斜，該向斜為一軸向近于南北、兩翼不對稱(西翼陡、東翼緩)，軸部偏西、向南傾覆的梨形向斜。

礦區內地層傾角2°~15°，相對較為平緩，局部構造發育區傾角可達25°~30°。短軸背、向斜發育，中小型斷層較多且常成組出現，構造復雜程度中等。

主要含煤地層為石炭系上統—二疊系下統太原組(C2-P1)和二疊系下統山西組P1，可采煤層5層，分別為02號、2號、4號、8號和9號煤，其中2號和8號煤為本礦區煤層氣主采煤層。

3.2 徑向井成孔軌跡與改造效果分析

XSJX-01井徑向井施工目的層為8號煤層，由井下觀測和實驗室測試得出，8號煤層較地面試驗的寺河礦區3號煤層原始裂隙發育，煤體結構差，參數對比見表1。

屯蘭礦區8號煤孔隙率與滲透率均普遍高于寺河礦區3號煤，說明8號煤內生裂隙發育，煤體結構差。

對屯蘭礦區8號煤和寺河礦區3號煤的抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、泊松比等參數進行測試對比，結果見表2。

表1 煤層物性對比

表2 煤樣力學參數測試結果

注：0.176~1.621/0.793表示最小~最大/平均值，其他數據同。

測試結果顯示，屯蘭8號煤抗拉和抗壓強度低，橫向應變大，堅固性系數低，進一步證明了屯蘭8號煤內生裂隙較為發育，受構造影響顯著，煤體較為破碎。結合地面噴射試驗結果，由于屯蘭8號煤原始裂隙發育，高壓水射流會在裂隙發育區顯著泄壓，從而減小徑向井的施工長度。同時，徑向井成孔后，井眼難以保持，穩定性差，不利于改造增產。

綜合屯蘭礦區地質資料和煤層氣井壓裂裂縫監測結果，試驗區最大主應力方向在北偏東30°左右，該方向上煤體結構較差，對徑向井的行進方向會產生一定的影響。

3.3 徑向井施工與軌跡監測方案

XSJX-01井周圍地形相對平緩，符合電位法軌跡監測的需求。徑向井施工層位為8號煤層，深度為611.23 m和610.43 m兩層，每層含3個不同方向的徑向分支，共6個(表3)。

徑向井施工及監測順序從1至6依次進行。選擇與XSJX-01井直線距離887 m的XST-02井作為電流返回B井，將電極接入到井口套管上，形成閉環電路。然后，連接、調試好地面相關儀器和設備。

綜合考慮徑向分支長度和近井端施工干擾問題。前4個徑向分支地面測點布設方案是：以XSJX-01井為中心，分別在50、70和90 m的位置布置環形線圈。在監測z過程中，由于前4個徑向分支90 m處的測量環都無明顯異常信號顯示。特將5號與6號徑向分支的監測方案改為：距XSJX-01井40、50和70 m的位置布置環形線圈。

表3 徑向井施工設計

在每個徑向分支完成套管開窗，下入噴射軟管、連續油管等噴射管串后，啟動監測系統，監測施工前原電場電位分布情況。在施工過程中和施工后30 min，連續監測電位變化情況。在完成全部數據采集后，重復上述工作，進行下一個徑向分支的監測，直至完成全部6個分支，并依據采集的數據，解釋每一個分支施工過程中的實際方位和長度等參數。6個徑向井分支實際噴射施工參數見表4。

表4 徑向井噴射施工參數

3.4 徑向井軌跡監測結果

1號徑向分支測量結果顯示50~70 m的測量環內電位異常曲線在360o范圍內出現了一個周期的變化，異常低值區域中心對應345o方向。說明徑向井噴射方位由開窗的0°轉向了345°方向。而在70~90 m的測量環內，電位異常區域不明顯。經軟件模擬計算，該井眼軌跡長度49 m。

采用此方法，依次對剩余5個徑向分支的井眼軌跡進行監測(圖6，表5)。測試結果顯示，除4號分支沒能顯著觀察到電位異常，無法判斷徑向分支的軌跡變化情況外，其他5個分支均顯著地監測到了軌跡變化情況。4號分支難以監測到軌跡，其原因可能是在該分支施工層位的井筒附近裂隙發育，導致噴射液濾失，實際噴射鉆進尺寸較短，距離第一個50~70 m的測量環較遠，難以監測到有效數據。或者是在該分支監測過程中地層導電不連續，沒能形成穩定、可靠的電場。從而導致4號分支的電位異常數據不明顯，無法獲得軌跡變化情況。

圖6 徑向分支電位異常環形圖

表5 XSJX-01井徑向井眼軌跡監測成果

3.5 監測結果分析與討論

將監測明顯的5個徑向分支軌跡投影到平面上，如圖7所示。煤層徑向井施工過程中軌跡會發生不同程度的偏離，除了第3個徑向分支軌跡未監測到方位偏移外，其他4個徑向井分支實際行進方位與設計方位相比均發生了不同程度的偏離，角度在15°~30°之間，且都按逆時針方向發生。1號和2號兩個分支的偏離角度相同，5號和6號兩個分支方位可以保持在50 m內不發生明顯變化，超出該長度后軌跡則向最大主應力方向偏離。

監測結果進一步驗證了地面試驗結果。由前文分析可知，試驗區8號煤層煤體結構差，原始裂隙發育。8號煤井下實地觀測顯示，該煤層常發育兩對共軛“X”形裂隙，分別為NE50°~60°與NW20°~30°，NE30°~45°與NW40°~50°。NE向裂隙與最大主應力方向相近，在該方向上噴射阻力小，煤體結構較差，徑向井高壓水射流容易噴射破巖。因此，5號、6號分支在沿設計方位行進一段距離后，逐漸向最大主應力方向偏轉，其分支軌跡的主要影響因素是地應力與原始裂隙。而1號與2號分支，在沿設計的噴射方位0°行進一段距離后，NW 20°~30°天然裂隙與其距離較近，導致噴射軌跡向該方位發生偏離，其軌跡主要影響因素是原始裂隙發育方位。

同時，由于煤層局部裂隙發育，高壓水射流漏失、泄壓程度增加，造成分支長度均小于設計長度。而3號分支實際方位與設計方位較為一致，可能是由于該方位與最大主應力方位近于垂直，地應力對其影響較小，也可能是該方位附近煤層原始裂隙相對不發育，煤體結構較為完整，在地應力和原始裂隙的共同作用下，分支方位變化較小。所以，該分支的長度也最大。

綜合分析地面煤樣噴射試驗與現場監測結果，揭示出煤儲層徑向井井眼軌跡是地應力、煤體結構、原始裂隙等因素共同作用的結果。

圖7 徑向分支井眼軌跡平面投影

XSJX-01井在徑向井施工改造前產氣量120 m3/d左右，徑向井改造后產氣量150 m3/d左右，產氣量無顯著增加，進一步驗證了理論分析的結果。即8號煤層煤體結構差，徑向井實際鉆進長度小于設計長度，實際軌跡與設計存在一定偏差，且孔眼穩定性差，不利于成孔和井眼保持，增產效果不理想。

因此，徑向井的施工目的層應選擇煤體結構好、滲透率高，利于徑向井井眼成孔與穩定的煤層。同時，在施工過程中應同步進行施工軌跡監測，發現實際鉆進距離小于設計長度或實際噴射方位與設計方位偏離較為顯著時，應重新調整施工方案，從而達到理想的改造效果。

4 結論

a. 煤層氣徑向井井眼軌跡并不是理想的直線，井眼軌跡主要受煤層原始裂隙、地應力、煤體結構薄弱面等因素的共同控制，這些因素不僅影響徑向井行進方位和噴射長度，還會影響徑向井眼的成孔穩定性。

b. 徑向井施工過程中，在近井筒范圍內，行進方位變化不明顯。但超過一定長度后井眼方位往往會發生不同程度的偏轉，角度為15°~30°。徑向井分支實際長度往往小于設計長度。

c. 在進行徑向井改造時，實際施工長度應大于設計長度，施工角度需綜合考慮地應力和裂隙發育方位的影響。建議在徑向井施工過程中，同步進行軌跡監測，及時掌握各分支的實際軌跡，指導鉆進方案的調整。在充分掌握施工區徑向分支軌跡變化規律的基礎上，可提前進行設計與施工方案的變更與調整，以達到理想的改造效果。

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Characteristics and monitoring method of the trajectory of the radial CBM well

XIN Kai1, JI Changjiang2,3, XIAO Chun4

(1. Shanxi Lanyan Coalbed Methane Engineering Research Co. Ltd., Jincheng 048000, China; 2. School of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China; 3. State Key Laboratory of Coal and CBM Co-Mining, Jincheng 048000, China;4. China Gold Group Geology Co. Ltd.,Beijing 100012, China)

In order to find out whether the trajectory of radial well branch in coal seam is consistent with the design scheme to ensure the effect of permeability enhancement and reservoir reconstruction by radial well, by means of the combination of small-scale surface and field test, the influencing factors of radial well trajectory in coal reservoir were firstly studied. Based on the principle of the potentiometry monitoring technology, the feasibility of this method for the radial well trajectory monitoring was analyzed. On this foundation, the monitoring method and the technology of coal reservoir radial well trajectory based onpotentiometry was established, and the field monitoring analysis was carried out. The results show that the trajectory of radial well in coal seam is mainly controlled by the original fractures, ground stress, weak structural surface and other factors. In the process of jet, the borehole azimuth usually deflected in different degrees, and the angle was between 15° and 30°. The branch injection length of radial well was also shorter than the designed one. The change of radial well trajectory parameters, such as azimuth and length, could be monitored clearly by potentiometry. The research results could effectively guide the design and construction of the radial well in coal reservoir.

coalbed methane; radial well; bore hole trajectory; potentiometry; monitoring

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P618.11；P619.252

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.018

1001-1986(2020)06-0130-08

2020-08-12；

2020-10-26

國家科技重大專項任務(2016ZX05067-001-008)；山西省科技重大專項(20191102001)；山西省基礎研究項目(2016012012)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05067-001-008)；Shanxi Science and Technology Major Project (20191102001)；Shanxi Basic Research Project(2016012012)

信凱，1988年生，女，山西晉城人，碩士，工程師，從事煤層氣勘探與開發方面的研究. E-mail：407033613@qq.com

季長江，1986年生，男，江蘇徐州人，博士研究生，工程師，從事煤層氣地質方面的研究. E-mail：289218603@qq.com

信凱，季長江，肖淳. 煤層氣徑向井井眼軌跡特征與監測方法[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(6)：130–137.

XIN Kai，JI Changjiang，XIAO Chun. Characteristics and monitoring method of the trajectory of the radial CBM well[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：130–137.

(責任編輯 范章群)