基于葉片仿真的煤層氣多分支水平井優化研究

劉長華 畢井龍 李金昱 郭 琪 范 楠

(1.山西華新煤成氣勘查開發有限公司，山西 031000；2.太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西 030024)

我國煤層氣經過20多年的發展，從引入美國相關成熟的開發手段，到目前自研適用于我國地質構造的特有技術，現在鄂爾多斯盆地、沁水盆地等地已建成產業化、規模化的煤層氣開發基地。煤層氣產量逐年上升，諸多專家學者從地質、工藝、井型等多方面研究了提高單井產量的方法。吳靜等針對彬長礦區等低階、高滲煤提出多分支水平井井型優化方法。王國玲等對多分支水平井鉆井井型及配套鉆井工藝進行了探索，提高了成井概率。李浩等提出了仿樹型多分支煤層氣水平井開發理念，對煤層氣多分支水平井實施提供了一定的參考。

煤層中含有大量不規則發育的孔隙和裂縫，是煤層氣的主要運移通道，而植物為了生存，輸送水分和無機鹽，進化出了優良的形態和結構。多分支水平井和植物葉脈在功能上有很大的相似性，它們都具有增強系統連通性和促進系統內流體流動的功能，本文通過研究葉脈的分布特征，優化水平井的設計。

1 研究區地質概況

1.1 構造概況

研究區位于我國最新發現的榆社-武鄉超大型氣田的核心區域，本區位于沁水盆地復向斜東翼。總體為一走向NNE，傾向NWW的單斜構造，斷裂以NE、NNE、NEE向高角度正斷層為主，主要分布于盆地的西部、西北部以及東南緣。在盆地周邊及南東部局部發育近EW向和NE向的斷層組形成的地壘構造。

1.2 地層概況

本區基巖出廣泛露。從老至新出露有二疊系上統上石盒子組(P2s)及石千峰組(P2sh)，三疊系下統劉家溝組(T1l)及和尚溝組(T1h)，三疊系中統二馬營組(T2er)。區內地層走向北東、傾向北西。二疊系上統上石盒子組(P2s)及石千峰組(P2sh)主要出露于勘查區東北角。

1.3 煤層概況

主要可采煤層為3、8、15號煤層，其中3號煤層位于山西組中部，為大部分可采的穩定煤層；8號煤層位于太原組上部，為大部分可采的較穩定煤層；15號煤層位于太原組下部，分屬全區可采的較穩定煤層。

15號煤層埋深為650～1600m，從東部到西部埋深逐漸變大,結構簡單，層位穩定，厚度3.50～7.55m，平均5.25m。直接頂板為砂質泥巖、泥巖及粉砂巖、細粒砂巖，直接底板為砂質泥巖、泥巖及粉砂巖(表1)。

表1 主要可采煤層情況

15號煤以原生結構煤為主，少量碎煤粒。階梯狀、參差狀斷口，上部為細條帶狀、線理狀結構，層狀構造，下部為塊狀構造。煤層氣含量平均18.78m3/t，CH4濃度高達98.96%。由于埋藏較深15號煤層滲透率僅為0.01mD，屬超低滲透儲層。

2 葉脈特征

葉脈的發育程度反映了葉片中水分、無機鹽等物質的輸送能力，植物通過優優化葉脈結構和合理降低葉脈密度，提高了運輸效率，反映了植物葉脈的生態戰略。結合華北地區植物分布情況，選擇了網狀葉脈的葉片為研究對象，葉片一級靜脈類比于多分支水平井主支，二級靜脈類比于多分支水平井分支。

2.1 二級靜脈的對稱性

不同植物葉片中對稱脈和不對稱脈的比例是不同的，樣本分析中不對稱葉脈的比例高達73%。因此推測煤層氣多分支水平中非對稱分支優于對稱分支。

2.2 一級和二級靜脈之間的角度

一級葉脈和二級葉脈夾角在不同植物中的分布是不同的。樣本分析中一、二級葉脈夾角的平均值相差不大，分別為介于37.26°和52.01°之間。因此推測煤層氣多分支水平中主支與分支夾角30°～60°為宜。

3 數值模擬

利用有限元軟件COMSOL分析不同類型分支其對煤層氣開采率的影響，根據研究區內15號煤層地質資料選取物理參數，建立地質模型，模型區域為邊長2000m的正方形區域。

3.1 仿真方案

采用單一變量控制法進行分組模擬，第1組為研究分支對稱性的影響，第2組為研究主支與分支夾角的影響，考慮開發實際中面臨分支長度與分支數量的匹配性問題，增加第3組是研究分支長度的影響，第4組是研究分支數量的影響(表2)。

表2 數值模擬方案及參數

設置煤層煤層孔隙率9.59%。頂板抗剪壓力42.45MPa，抗壓強度45.36MPa，抗拉強度1.24MPa，彈性模量10.92GPa，泊松比0.27；底板抗剪壓力10.25MPa，抗壓強度40.28MPa，抗拉強度1.21MPa，彈性模量9.45GPa，泊松比0.23。

3.2 對稱性模擬

模擬運行4000天后，非對稱結構的CH4累積產量比對稱結構的高1.82%，分析認為非對稱支路之間的相互作用小于對稱支路之間的相互作用，從而提高了非對稱支路的利用率，因此，非對稱結構的性能優于對稱結構(圖1)。

圖1 對稱結構與非對稱結構甲烷產量模擬結果

3.3 主支與分支夾角模擬

發現隨著夾角的增大，CH4累計產量增大，但增加速率減小，模擬運行4000天后，當夾角為20°、35°、50°和65°時，CH4累計產量分別為1.47×108m3、1.59×108m3、1.67×108m3和 1.70×108m3(圖2)。

圖2 不同夾角下的甲烷產量模擬結果

3.4 不同分支長度模擬

分支長度的增加有利于CH4的產出，分析認為分支越長，CH4與煤儲層的接觸面越寬，氣體動用量也越大。模擬運行4000天后，當分支長度分別為200m、300m和400m時，CH4累計產量分別為1.53×108m3、1.70×108m3和1.87×108m3(圖3)。

圖3 不同分支長度CH4產量模擬結果

3.5 不同分支數量模擬

在主支長度不變的情況下，分支數量的增加意味著分支間距的減少，模擬運行4000天后，當分支數分別為6、8、10時，CH4累計產量分別為1.55×108m3、1.60×108m3、1.63×108m3(圖4)。

圖4 不同分支數量CH4產量模擬結果

由以上分析看出，在設計多分支水平井時，應優先考慮非對稱分支結構，主支和分支之間的夾角應盡可能大，但考慮到煤層結構穩定性、鉆井施工難度，可考慮夾角在35°～50°。同時，通過增加分支的長度和數量，也可以提高氣井產能，但由于煤層裂隙所導致的井間干擾性，容易存在重復控制，同樣考慮到分支側鉆施工難度、井壁穩定、煤層浸泡與暴露時間等所帶來的井下安全問題，將此部分數值模擬結果與當前鉆井實際經驗結合，分支長度建議在200～300m，數量4～8為宜，在施工條件允許的情況下，盡可能增加長度與數量。

4 優化后多分支水平井應用

選取區內埋深較淺的區域實施一口ZQ05-H1井，為多分支水平井(表3)。該井完成1個主支和5個分支，全井總進尺2793m，煤層進尺1951m，純煤鉆遇率88%，穩定后日產氣量達6000m3以上，相比于區內其他分支井產量提高約23%。優化后多分支水平井產量達到壓裂后單分支水平井產量持平，投入成本僅為壓裂井的30%，顯現出良好的經濟效益。

表3 ZQ05-H1井身結構設計數據

5 結論

(1)煤層氣多分支水平井具有與網狀結構葉片類似形態，可借鑒植物結構優化設計多分支水平井井型。

(2)在設計多分支水平井時，應優先考慮非對稱分支結構，主支和分支之間的夾角應盡可能大，但考慮到煤層結構穩定性、鉆井施工難度，可考慮夾角在35°～50°之間。

(3)考慮到施工難度與井下安全，多分支水平井分支長度建議在200～300m，數量4～8為宜，在施工條件允許的情況下，盡可能增加長度與數量。

(4)相比壓裂后單分支水平井，多分支水平井具有投資小、見氣快、產量相當、快速回本的優勢，具有良好的經濟效益。