趙 軍 孟尚志 郭本廣 莫日和 張 勁 徐 浩

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 102200;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油與天然氣工程學(xué)院，北京 100000;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100000)

我國(guó)陸上埋深2000 m以內(nèi)煤層氣資源量為32.86 ×1012m3，可采資源量為 13.90 ×1012m3。鄂爾多斯盆地東緣蘊(yùn)藏著豐富的煤層氣資源，預(yù)測(cè)1500 m以內(nèi)淺煤層氣地質(zhì)資源量約9×1012m3，盆地東緣煤層在太原組和山西組集中發(fā)育，其縱向發(fā)育特征如圖1所示，是實(shí)施中煤階煤層氣大井組勘探的理想地區(qū)［3］。

柳林示范區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣河?xùn)|煤田中部，煤層發(fā)育層數(shù)多，煤層穩(wěn)定且厚度大，煤層含氣量高，煤層氣地質(zhì)條件優(yōu)越。煤田總體呈一個(gè)基本向西傾斜的單斜構(gòu)造，屬于呂梁復(fù)背斜西翼的一部分，斷層發(fā)育數(shù)量少，水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單。含煤地層為晚古生界石炭系上統(tǒng)太原組及二疊系下統(tǒng)山西組，總厚為110～180 m，含煤層有8～13層，煤層總厚10～42 m，含煤系數(shù)8% ～12%。目標(biāo)煤層3#+4#、5#、8#+9#煤層，熱演化程度中等，主要產(chǎn)焦煤，含氣量一般為10～20 m/t，埋深400～1000 m，煤層含氣飽和度為17.90% ～101.83%，平均含氣飽和度為 63.59%，滲透率為(0.29 ～12.72) ×10－3μm2，儲(chǔ)層壓力為正常 — 欠壓。

國(guó)內(nèi)中煤階煤層開采的主要工程技術(shù)難點(diǎn)較多。與高煤階煤層相比較，中煤階煤層更軟，割理豐富，鉆井中容易發(fā)生井壁坍塌，儲(chǔ)層容易受到傷害。采用水平井鉆井面臨的工程風(fēng)險(xiǎn)多，導(dǎo)致水平井低產(chǎn)或者工程報(bào)廢。煤層氣多分支水平井技術(shù)集成了煤層造洞穴、兩井對(duì)接、隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向、鉆水平分支井眼、欠平衡等多項(xiàng)先進(jìn)鉆井技術(shù)，特別適合于開采低滲透儲(chǔ)層的煤層氣［4］。自2004年我國(guó)引入多分支水平井技術(shù)以來(lái)，實(shí)踐表明該技術(shù)很適合我國(guó)煤層地質(zhì)條件，是今后我國(guó)煤層氣開發(fā)的技術(shù)趨勢(shì)［5］。中石油2010年度多分支水平井的施工井?dāng)?shù)，達(dá)到191口，單井日產(chǎn)氣6000～40000 m3d，是直井的5～10倍［6］。多分支水平井技術(shù)仍存在很多工程技術(shù)問(wèn)題需要總結(jié)［7－10］。

經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)與試驗(yàn)，柳林地區(qū)初步形成了中煤階煤層氣高效開發(fā)的配套技術(shù)，本文重點(diǎn)介紹富集高產(chǎn)區(qū)預(yù)測(cè)、鉆完井配套、增產(chǎn)改造和排采等技術(shù)，以及主要?jiǎng)?chuàng)新之處。

1 整體實(shí)施效果

1.1 儲(chǔ)量落實(shí)和產(chǎn)能建設(shè)

2012年柳林示范區(qū)提交163億m3煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量報(bào)告，“十一五”期間提交53億m3，全區(qū)總共216億m3。建設(shè)1億m3a煤層氣示范基地，已經(jīng)建成CNG集氣站一座，集氣管已經(jīng)鋪設(shè)8 km。簽訂煤層氣銷售合同，預(yù)計(jì)2013年6月實(shí)現(xiàn)售氣，計(jì)劃初期銷售規(guī)模為 10萬(wàn) m3d，2013年底達(dá)到15 萬(wàn) m3d。

圖1 柳林示范區(qū)煤層縱向發(fā)育特征

1.2 鉆井?dāng)?shù)量和規(guī)模

截至2012年9月30日，中聯(lián)公司和富地柳林燃?xì)庥邢薰驹诹謪^(qū)塊已施工9組多分支水平井和128口直井，“十二五”期間擬在柳林示范區(qū)共進(jìn)行26口多分支水平井的生產(chǎn)試驗(yàn)。

1.3 技術(shù)配套和創(chuàng)新

“十二五”期間圍繞獲得儲(chǔ)量、提高單井產(chǎn)量、建成產(chǎn)能、建設(shè)煤層氣示范基地的目標(biāo)，以地質(zhì)研究為指導(dǎo)，開展鉆井、壓裂、排采、儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究與試驗(yàn)應(yīng)用，取得了豐碩成果。期間提出多分支水平井“鉆井—地質(zhì)—排采一體化”的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，突破了斜井連通的多分支水平井技術(shù)技術(shù)，探索成功了3#+4#和5#煤層合采的雙煤層多分支水平井技術(shù)，以及增產(chǎn)改造采用分層投球壓裂、多層共采的技術(shù)等，配套完善了排采工藝和設(shè)備。

2 柳林中煤階煤層氣開發(fā)配套技術(shù)

2.1 富集高產(chǎn)區(qū)研究成果

富集區(qū)和高產(chǎn)區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果見圖2，示范區(qū)產(chǎn)氣能力高值區(qū)大體呈西北 —東南方向展布，以北部和東部地區(qū)為主，其中楊家坪井組附近為產(chǎn)氣能力的最高值區(qū)，而西部地區(qū)主要為產(chǎn)氣能力低值區(qū)。這主要是由于西部地區(qū)隨之煤層的埋深，煤層滲透率較低，從而導(dǎo)致其產(chǎn)氣能力降低。示范區(qū)水動(dòng)力場(chǎng)分布特征見圖3，Ⅰ型為高產(chǎn)水徑流區(qū)，位于研究區(qū)東北部地區(qū)，Ⅱ型為低產(chǎn)水徑流區(qū)，位于研究區(qū)東南部，Ⅲ型弱徑流區(qū)—滯流區(qū)，位于研究區(qū)西南深部地區(qū)。太原組8#+9#+10#煤層頂板灰?guī)r含水層及煤系基底奧陶系灰?guī)r裂隙巖溶含水層對(duì)太原組煤層氣的開采具有潛在的影響。太原組含水層與山西組含水層之間厚度較大的泥巖類隔水層使二者處于相對(duì)獨(dú)立的含水系統(tǒng)，幾乎不存在水力聯(lián)系。

圖2 柳林示范區(qū)富集高產(chǎn)區(qū)分布特征

圖3 柳林示范區(qū)水動(dòng)力場(chǎng)分布特征

通過(guò)煤層氣井氣、水產(chǎn)能地質(zhì)控制效應(yīng)研究、煤儲(chǔ)層水動(dòng)力場(chǎng)特征及開發(fā)地質(zhì)響應(yīng)、煤層氣富集主控因素與有利區(qū)預(yù)測(cè)等研究，劃定了開發(fā)區(qū)域。優(yōu)選多分支水平井有利區(qū)位于柳林區(qū)塊的東北部，目標(biāo)煤層是3#+4#和5#煤層，示范區(qū)南部采用直井+套管完井方式開發(fā)3#+4#、5#和8#+9#煤層。

2.2 儲(chǔ)層傷害機(jī)理和保護(hù)技術(shù)

柳林煙煤儲(chǔ)層的比表面積平均為1.80 m2g，總孔容平均為0.00255 mLg，平均孔直徑 8.205 nm，孔喉特征具有“口小肚大”的特點(diǎn)，一旦儲(chǔ)層受到傷害，就很難恢復(fù)。對(duì)儲(chǔ)層巖心進(jìn)行速敏、水敏、堿敏、酸敏、水鎖試驗(yàn)，結(jié)果表明柳林煙煤儲(chǔ)層傷害平均權(quán)重比為:水鎖(9.355)∶吸附(2.385)∶固相堵塞(1.48)∶水敏(1)，傷害最嚴(yán)重的是水鎖，其次是吸附傷害和固相堵塞傷害，最后是水敏傷害。

根據(jù)傷害機(jī)理試驗(yàn)結(jié)果，制定了多分支水平井儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)措施，采用“清水+充氣”的欠平衡鉆井技術(shù)保護(hù)儲(chǔ)層，排采過(guò)程中要求控制液面降低速度等保護(hù)措施。

2.3 鉆完井工藝技術(shù)

(1)柳林煙煤儲(chǔ)層“地質(zhì) —鉆井 —排采一體化”的煤層氣多分支水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其核心技術(shù)是考慮地應(yīng)力和井眼軌跡的井壁穩(wěn)定技術(shù)、煤層及頂?shù)装搴匦耘c出水定量預(yù)測(cè)技術(shù)、依據(jù)地層產(chǎn)狀的軌跡優(yōu)化技術(shù)、依據(jù)應(yīng)力場(chǎng)和滲流主方向的軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，有效地預(yù)防水平井鉆井的井壁失穩(wěn)和儲(chǔ)層傷害、排采中出水過(guò)大和水淹造成的解析壓差難以建立、排采產(chǎn)量過(guò)低等工程風(fēng)險(xiǎn)。

(2)示范區(qū)北部常規(guī)多分支水平井鉆完井技術(shù)。示范區(qū)北部煤層3#+4#和5#煤層厚度達(dá)到4 m，適宜采用多分支水平井開發(fā)。數(shù)值模擬表明，多分支水平井連續(xù)排采期達(dá)10 a，平均單井日產(chǎn)氣8380 m3d，單井平均累計(jì)產(chǎn)氣量為2765.36×104m3，10 a末產(chǎn)氣量為4285 m3d。實(shí)際完鉆的3口多分支水平井產(chǎn)量達(dá)到1萬(wàn)m3d。其中，CLH－04H井組于2010年3月22日投產(chǎn)，開發(fā)上組煤3#+4#煤層，最高日產(chǎn)氣量達(dá)到1.6 萬(wàn) m3d，目前井底流壓為 0.54 MPa，穩(wěn)產(chǎn)8500 m3d以上。CLH－04H井和CLH－05H井的排采曲線分別見圖4和圖5。

(3)斜井連通技術(shù)。柳林區(qū)塊地處西北黃土高原地帶，地表大部分被黃土覆蓋，覆蓋在各種地貌上的第四紀(jì)黃土層，久經(jīng)風(fēng)雨流水的侵蝕剝蝕，被逐漸切割成梁峁起伏、溝壑縱橫、山丘交錯(cuò)、支離破碎的復(fù)雜地貌單元。對(duì)煤層氣勘探井位的選擇有很大影響，尤其是對(duì)常規(guī)多分支水平井的部署要求200～250 m的大井場(chǎng)，井場(chǎng)選擇和征地難度很大，常規(guī)多分支水平井采用直井連通工藝，兩口井地面距離為200～250 m，適用于地面平坦的地區(qū)。示范區(qū)從2011年開始進(jìn)行斜井連通技術(shù)技術(shù)攻關(guān)試驗(yàn)，排采井距離工程水平井的井口距離僅僅10 m，排采井在井斜為50°～60°的井段與水平井連通，目前已經(jīng)成功實(shí)施了3口此類斜井連通多分支水平井組，為柳林示范區(qū)克服地面不利條件推廣應(yīng)用多分支水平井技術(shù)提供了工程技術(shù)保障。

圖4 CLH－04多分支水平井排采曲線

圖5 CLH－05多分支水平井排采曲線

常規(guī)直井連通的多分支水平井鉆井方式如圖6所示，斜井連通的多分支水平井鉆井方式如圖7所示。

圖6 常規(guī)直井連通的多分支水平井鉆井示意圖

(4)雙目標(biāo)多分支水平井共采3#+4#和5#煤層技術(shù)。示范區(qū)的3#+4#煤層與5#煤層地層壓力和水動(dòng)力條件相似，適合合采以提高產(chǎn)量、延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，直井試驗(yàn)已經(jīng)成功。如果采用水平井合采這兩組煤層，數(shù)值模擬研究預(yù)測(cè)單井平均日產(chǎn)氣14780 m3d，單井累計(jì)產(chǎn)氣量為4877.72 ×104m3，10 a末產(chǎn)氣量穩(wěn)定在8793 m3d。若氣井連續(xù)排采15 a，單井平均累計(jì)產(chǎn)氣量為6107×104m3，平均單井日產(chǎn)氣 12337 m3d。

圖7 斜井連通的多分支水平井鉆井示意圖

2011和2012年完成3#+4#和5#煤層合采的多分支水平井共計(jì)4個(gè)井組(圖8)，目前日產(chǎn)氣量5萬(wàn)m3d，已經(jīng)成為柳林示范區(qū)煤層氣多分支水平井的主要示范技術(shù)。

(5)水平井完井方式。目前國(guó)內(nèi)多分支水平井的完井方式主要以裸眼完井為主，主井眼及分支井眼完全裸露。由于中階煤煤層性脆、易碎、硬度低，井眼容易發(fā)生坍塌，裸眼完井風(fēng)險(xiǎn)較大。柳林示范區(qū)的水平井采用裸眼完井和篩管方式兩種方式。下入篩管完井方式現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用6口水平井組，有效地預(yù)防了煙煤井壁坍塌給完井及排采帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，并實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口篩管國(guó)產(chǎn)化，成本降低一半。排采井在目標(biāo)煤層段采用“下入玻璃鋼套管+造洞穴”的完井方式。

圖8 雙煤層多分支水平井示意圖

(6)示范區(qū)南部鉆完井方式。示范區(qū)南部煤層薄，不適宜部署水平井，主要采用“直井+套管”的鉆完井方式，需要增產(chǎn)壓裂改造才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)開發(fā)目標(biāo)。

2.4 增產(chǎn)改造技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外煤層氣垂直井增產(chǎn)改造措施主要有水力壓裂改造技術(shù)、注氣驅(qū)替技術(shù)和動(dòng)力洞穴完井技術(shù)。水力壓裂改造技術(shù)能改善儲(chǔ)層的滲透性以及與井筒的連通性，提高單井產(chǎn)量;水力壓裂產(chǎn)生的裂縫可以通過(guò)改變井眼周圍和儲(chǔ)層中的滲流模式，提高“有效井眼半徑”，擴(kuò)大泄流面積;壓裂還可以在一定程度上消除鉆井施工對(duì)近井帶儲(chǔ)層的傷害。水力壓裂適應(yīng)性廣，尤其是低壓低滲煤層，大多采用這種增產(chǎn)措施。

中聯(lián)公司和富地公司在柳林區(qū)塊的27口直井均采用水力壓裂增產(chǎn)措施，增產(chǎn)效果比較明顯。壓裂施工中壓裂液都為活性水壓裂液，添加1%的KCl作為黏土膨脹抑制劑和0.05%的殺菌劑;FL－EP8井和FL－EP9兩口井伴注液態(tài)CO2。支撐劑絕大多數(shù)為蘭州石英砂(20～40目的中砂，12～20目的粗砂)。

針對(duì)煤層多且薄的特點(diǎn)，開展了分層投球壓裂、多層共采的增產(chǎn)改造措施，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)6口井，煤層氣單井產(chǎn)量大幅度提高。其中，CLG－02D井3#、4#、5#的壓裂施工曲線見圖9，該井壓后煤層初期產(chǎn)能較高，最高達(dá)2776 m3d，后期產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1000 m3d左右，生產(chǎn) 1 a以上，目前已經(jīng)累計(jì)產(chǎn)氣33.7×104m3。

圖9 CLG－02D井3#+4#、5#煤層投球分壓施工曲線

2.5 排采技術(shù)

(1)柳林區(qū)塊北部各井最高日產(chǎn)水量介于2.3～476.35 m3d，其中除了位于北東區(qū)的 CLH －03V井和CLH－04V井產(chǎn)水較小外，其他各井大都在50 m3d以上。對(duì)于區(qū)塊南部，除了FL－EP3井由于靠近區(qū)塊北部產(chǎn)水量較大外，其他井產(chǎn)水量則較小(一般小于 10 m3d)。

(2)針對(duì)示范區(qū)南部大部分煤層產(chǎn)水量過(guò)低，不足以攜帶煤粉的問(wèn)題，開展了防煤粉研究與試驗(yàn)，采用了補(bǔ)水注水來(lái)提高煤粉攜帶的技術(shù)，連續(xù)排采5個(gè)月未發(fā)生煤粉卡泵事故。

(3)試驗(yàn)了新型防煤粉泵，在泵上部增加擋閥和扶正器、下部增加沉砂總成、煤粉系統(tǒng)和吸入濾砂管等裝置，能有效地防止砂卡、砂埋抽油泵，減輕泵筒與柱塞之間的磨損。此技術(shù)減少了煤粉的吸入，延長(zhǎng)了泵的壽命。

(4)針對(duì)斜井連通配套設(shè)計(jì)排采技術(shù)措施:采用了“螺桿泵+導(dǎo)向器+短抽油桿+扶正器”的方案，現(xiàn)場(chǎng)排采試驗(yàn)，連續(xù)排采4個(gè)月以上，日產(chǎn)氣10000 m3，效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

中煤階煤層氣采用水平井技術(shù)開采面臨的工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)主要是水平井鉆井的坍塌、儲(chǔ)層傷害、井眼軌跡不合理導(dǎo)致的排采不暢、以及低產(chǎn)等技術(shù)難題，針對(duì)這些工程難點(diǎn)探索提出了“鉆井－地質(zhì)－排采一體化”的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，有效地規(guī)避了這些工程風(fēng)險(xiǎn)。

配套形成了柳林示范區(qū)常規(guī)多分支水平井、斜井連通的多分支水平井、雙煤層共采的多分支水平井技術(shù)，以及完井采用PE篩管的完井方式，初步形成了國(guó)內(nèi)中煤階煤層氣高效開發(fā)的鉆完井示范技術(shù)。中煤階煤層氣水平井日產(chǎn)氣量達(dá)到1.6×104m3d，四口雙煤層氣多分支水平井日產(chǎn)氣量達(dá)到5×104m3d。

針對(duì)煤層多、煤層薄，單層開發(fā)產(chǎn)量低的難題，配套形成了直井鉆井和套管完井，并采用分層投球壓裂、多層合采的鉆完井和增產(chǎn)改造技術(shù)，直井排采日產(chǎn)氣量達(dá)到1500 m3d。

制定了合理的排采工作制度，并針對(duì)產(chǎn)水少、煤粉攜帶困難問(wèn)題創(chuàng)新了補(bǔ)水排采，針對(duì)斜井連通改進(jìn)了增加了導(dǎo)向器和扶正器的螺桿泵系統(tǒng)。

在此提出以下建議:

(1)柳林示范區(qū)的北部適宜多分支水平井開發(fā)，但受到地面黃土塬地貌限制，建議進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用斜井連通工藝技術(shù)和雙煤層多分支水平井技術(shù)高效開發(fā)。

(2)柳林示范區(qū)南部煤層薄、煤層多，單井產(chǎn)量低，建議進(jìn)一步優(yōu)選壓裂液，試驗(yàn)新型納米纖維壓裂液，配合單層投球分層壓裂、多層共采的技術(shù)，提高單井產(chǎn)量。

(3)建議在示范區(qū)南部試驗(yàn)水平井+分段壓裂改造的鉆完井技術(shù)，共采致密砂巖氣和煤層氣，初步推薦在3#+4#煤層和5#煤層之間的砂巖層儲(chǔ)層鉆水平井，采用裸眼分段壓裂的完井方式，試驗(yàn)分段改造的壓裂增產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)致密砂巖氣和煤層氣高效共采。

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