簡(jiǎn) 闊，馬 斌，許曉晨，陳召英，茹忠亮，劉 曉

（1.太原科技大學(xué) 能源與材料工程學(xué)院，山西 晉城 048011； 2.山西蘭花煤層氣有限公司，山西 晉城 048107；3.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204； 4.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

0 引言

煤層氣的有效開(kāi)發(fā)有賴(lài)于大幅度提高單井產(chǎn)氣量和資源動(dòng)用率，截至2020 年底，全國(guó)煤層氣累計(jì)鉆井21217 口，其中投產(chǎn)12880 口，按投產(chǎn)井?dāng)?shù)測(cè)算，全國(guó)2020 年煤層氣單井日均產(chǎn)氣量約1227 m3/d，單井日均產(chǎn)量總體達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)［1］。目前多分支水平井和大位移定向井技術(shù)逐漸成為開(kāi)發(fā)煤層氣的主要手段，煤層氣多分支水平井單井產(chǎn)量高，成本回收快，具有直井不能替代的優(yōu)勢(shì)和潛力，適合于低滲煤層氣的開(kāi)發(fā)。

我國(guó)地面煤層氣抽采在沁水盆地南部獲得了較好的商業(yè)化開(kāi)發(fā)效果，但低壓低滲煤儲(chǔ)層發(fā)育，直井產(chǎn)量普遍偏低，部分直井日產(chǎn)量長(zhǎng)期處于300 m3/d左右，而沁水盆地北部的陽(yáng)泉、潞安、霍州等礦區(qū)直井低產(chǎn)狀況也是長(zhǎng)期沒(méi)有得到解決。煤層氣多分支水平井技術(shù)極大地提高了資源動(dòng)用率和產(chǎn)能，為低壓低滲儲(chǔ)層煤層氣高效開(kāi)發(fā)提供了可能。2004 年國(guó)內(nèi)第一口煤層氣多分支水平井在晉城礦區(qū)大寧井田完成，鉆井進(jìn)尺8018 m，最高日產(chǎn)量達(dá)到35000 m3，實(shí)現(xiàn)地面煤層氣抽采工藝和產(chǎn)量的“雙突破”［2］。之后煤層氣水平井技術(shù)快速發(fā)展，當(dāng)前煤層氣水平井開(kāi)發(fā)研究主要集中在鉆完井工藝［3-7］、定向射孔技術(shù)［8-9］、分段壓裂和密集多簇壓裂技術(shù)［10-14］、一體化地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)［15］以及地質(zhì)適應(yīng)性研究［16-17］等。

總的來(lái)說(shuō)，煤層氣多分支水平井開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)主要集中在：（1）極大地增大儲(chǔ)層接觸面積；（2）“上翹式”井身結(jié)構(gòu)改變儲(chǔ)層流動(dòng)特征，實(shí)現(xiàn)“氣-水分異流動(dòng)”；（3）便于現(xiàn)場(chǎng)修井作業(yè)［18-21］。本次研究以沁水盆地鄭莊區(qū)塊太原組15 號(hào)煤層多分支水平井LDP-22H（山西蘭花煤層氣有限公司設(shè)計(jì)施工）的鉆完井工藝和排采數(shù)據(jù)為依據(jù)，全面介紹低壓低滲煤儲(chǔ)層煤層氣多分支水平井的開(kāi)發(fā)技術(shù)和煤層氣排采效果，以期為我國(guó)類(lèi)似儲(chǔ)層條件下地面煤層氣開(kāi)發(fā)提供技術(shù)借鑒和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造與含煤地層

鄭莊區(qū)塊主體位于沁水盆地南緣，寺頭斷層西側(cè)，行政區(qū)劃主要隸屬于山西省沁水縣和陽(yáng)城縣，整體為一個(gè)由東南向西北傾的斜坡構(gòu)造，地層較為寬緩，平均傾角約4°；研究區(qū)內(nèi)發(fā)育平行、低緩褶皺，呈近南北和北北東向展布，褶皺幅度一般較??；區(qū)內(nèi)斷距較大的斷層主要有寺頭斷層、后城腰斷層及與之伴生斷層，形成一組NE-EW 向的弧形斷裂帶；區(qū)內(nèi)發(fā)育一定的陷落柱，基本無(wú)巖漿活動(dòng)［22］。LDP-22H位于鄭莊區(qū)塊南部寺頭正斷層的東側(cè)（見(jiàn)圖1）。

圖1 鄭莊區(qū)塊構(gòu)造綱要[22]Fig.1 Structure profile of Zhengzhuang Block

鄭莊區(qū)塊含煤地層主要包括上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，其中山西組（P1s）厚33～64 m，平均45 m，主要巖性為泥巖、粉砂巖、砂巖及煤層。含煤1～3 層，其中3 號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，本組以底部K7 砂巖與太原組分界，K7 砂巖為灰色中-細(xì)粒砂巖，局部相變?yōu)榉凵皫r。3 號(hào)煤位于K7 砂巖之上，與K7 砂巖之間多為黑色泥巖；太原組（C3t）厚64～105 m，平均80 m，主要巖性為石灰?guī)r、砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層，為典型的海陸交互相沉積組合，其中含灰?guī)r5～6 層，含煤11 層左右，可采煤層15 號(hào)煤位于本組下部。

1.2 煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)特征

15 號(hào)煤為本文研究的目標(biāo)煤層，近年來(lái)鄭莊區(qū)塊開(kāi)始大面積在15 號(hào)煤部署L 型水平井。15 號(hào)煤在本區(qū)塊廣泛分布且保存完整，在寺頭斷層西側(cè)埋深較大，埋深主體位于800～1000 m，東側(cè)埋深較淺，一般在500 m 以深，地應(yīng)力梯度為1.99×10-2MPa/m，地應(yīng)力較大，煤層總厚度在2.07～6.40 m，平均4.63 m，以碎裂煤為主，煤體結(jié)構(gòu)較差，含氣性總體也低于山西組3 號(hào)煤［23］。其中LDP-22H 井所處的15 號(hào)煤層埋深362.00～365.70 m，煤厚在3.6 m左右，含氣量在15 m3/t 左右，總體含氣性較好（見(jiàn)圖2）。此外，15 號(hào)煤層頂板一般為石灰?guī)r、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，具有弱含水性，滲透性差到中等，底板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，含水性也較弱，滲透性差［24-25］。試井實(shí)測(cè)儲(chǔ)層平均壓力為1.95 MPa，儲(chǔ)層壓力梯度平均為4.0 kPa/m，屬于典型的低壓儲(chǔ)層。

圖2 鄭莊區(qū)塊南部15 號(hào)煤層含氣量、煤厚、埋深等值線(xiàn)Fig.2 Gas content, coal bed thickness and contour lines of burial depth of No.15 coal bed

2 15 號(hào)煤層多分支水平井開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水平井鉆完井工藝

LDP-22H 井施工的煤層為太原組15 號(hào)煤，需要克服煤層薄，傾角變化反復(fù)，煤層不穩(wěn)定等多方面困難，設(shè)計(jì)井深1300 m 以上，并與LDP-22V 垂直井連通，施工多個(gè)分支，完成4500 m 左右的煤層大進(jìn)尺完鉆，為了能在太原組15 號(hào)煤層安全高效地鉆進(jìn)，采用了三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，主體井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LDP-22H 井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of LDP-22H well

一開(kāi)采用?311.15 mm 鉆頭，鉆至井深44.55 m，進(jìn)尺結(jié)束后使用大排量鉆井液充分循環(huán)，確保井底無(wú)沉砂后，起鉆下入?244.48 mm 表層套管，固井水泥漿返出地面，憋壓候凝；

二開(kāi)采用?215.90 mm 鉆頭，鉆進(jìn)井段44.55～510 m，并于井深107 m 時(shí)開(kāi)始定向造斜鉆進(jìn)，鉆進(jìn)結(jié)束后下入?168.28 mm 技術(shù)套管，下入深度為509.06 m，此過(guò)程嚴(yán)格遵守每下5～10 根套管灌漿原則，防止套管內(nèi)空和套管環(huán)空擠壓套管變形，固井水泥預(yù)返至370 m，敞壓候凝；

三開(kāi)采用?130.18 mm 鉆頭鉆進(jìn)煤層水平段，鉆進(jìn)井段510～5110 m，鉆水泥塞結(jié)束后開(kāi)始連通鉆進(jìn)，連通鉆進(jìn)至570.70 m 連通成功，連通成功起鉆甩強(qiáng)磁接頭繼續(xù)各分支鉆進(jìn)。此外該工程LDP-22H 水平井主支采用?110 mm PE 篩管，下入井深1081 m 進(jìn)行篩管完井，分支采用裸眼完井，而LDP-22V 垂直井采用割縫襯管完井。

鉆井采用T200XD 型號(hào)鉆機(jī)，補(bǔ)心高2 m，鉆井周期36.46 d，完井周期37.33 d，建井周期41.96 d，鉆進(jìn)過(guò)程中，一開(kāi)采用聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭，鉆速為6.36 m/h，鉆壓為10 kN；二開(kāi)采用PDC、三牙輪鉆頭，鉆速由淺至深分別為6.93、3.60、2.12 m/h，鉆壓依次為40、80 和80 kN；三開(kāi)水平段采用PDC 鉆頭，鉆速顯著提高，為16.91 m/h，鉆壓為20 kN。全井有效總進(jìn)尺5110 m，有效煤層總進(jìn)尺4586 m，純煤進(jìn)尺4493 m，鉆遇率97.97%。

2.2 地質(zhì)錄井與標(biāo)志層判定

地質(zhì)錄井的目的是在鉆井過(guò)程中獲取各項(xiàng)反映地下地質(zhì)情況的原始資料和數(shù)據(jù)，為煤層氣地質(zhì)評(píng)價(jià)和工程施工提供第一手資料，是貫穿煤層氣勘探開(kāi)發(fā)全過(guò)程中的一項(xiàng)重要技術(shù)。依據(jù)鉆井程序，二開(kāi)開(kāi)始常規(guī)錄井工作，三開(kāi)井段只要求巖屑樣觀察錄井，在錄井過(guò)程中對(duì)工程參數(shù)等連續(xù)進(jìn)行了測(cè)量，主要錄井項(xiàng)目包括巖屑錄井（44.55～230 m 井段為4 m/包；230～510 m 井段為1～2 m/包）、鉆時(shí)錄井（1 m/點(diǎn)）、鉆井液錄井（12 h/次）以及鉆井液槽面觀察。其中，巖屑錄井是標(biāo)志層判定的最主要手段，標(biāo)志層是劃分和對(duì)比地層的重要依據(jù)，同時(shí)也是預(yù)測(cè)下部地層及三開(kāi)著陸點(diǎn)的重要參數(shù)，因此在上部地層錄井過(guò)程中為了卡準(zhǔn)各標(biāo)志層和15 號(hào)煤層，需要加強(qiáng)巖屑錄井。同時(shí)針對(duì)15 號(hào)煤層厚度薄、橫向厚度變化大的特點(diǎn)，在預(yù)計(jì)進(jìn)入標(biāo)志層前需要加密巖屑錄井間距，準(zhǔn)確地卡準(zhǔn)本井的區(qū)域性標(biāo)志層，如上石盒子組底界灰色細(xì)砂巖、下石盒子組底界灰色細(xì)砂巖、山西組底界灰色細(xì)砂巖等，經(jīng)錄井分析各標(biāo)志層特征同區(qū)域地層巖性特征基本一致，本井地層層序正常，鉆遇地層自上而下依次為第四系（Q）、二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、山西組（P1s）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t未穿）。各地層巖性組合特征見(jiàn)表1。

表1 LDP-22H 井鉆遇地層巖性特征Table 1 Lithology of strata drilled by LDP-22H well

2.3 鉆井液、鉆具組合優(yōu)選及其井眼軌跡控制

沁水盆地煤儲(chǔ)層往往具有低壓、低滲透、低飽和度和高吸附的特點(diǎn)，煤體結(jié)構(gòu)疏松，鉆進(jìn)和排采時(shí)孔壁容易發(fā)生垮塌，尤其在水平段大進(jìn)尺的情況下，容易形成巖屑床，造成起下鉆阻卡，因此鉆井液的選擇尤為重要。一開(kāi)采用膨潤(rùn)土鉆井液，使用土粉、HV-CMC、純堿配制而成，經(jīng)過(guò)充分水化，密度為1.04 g/cm3。二開(kāi)定向要求造斜率高，為了滿(mǎn)足鉆井和井下安全的需要，鉆井液要求保證潤(rùn)滑性能和攜砂效果良好，以確保井壁穩(wěn)定和提高鉆速，因而采用聚合物鉆井液，密度為1.03 g/cm3。在整個(gè)施工過(guò)程中鉆井液保持低密度固相，增強(qiáng)了護(hù)壁性、防滲漏、防塌；定向段隨著井斜和位移不斷增加，鉆具在井筒內(nèi)的摩阻及扭矩隨之增加，要求鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性能，需較小的失水、含砂量，為此加入HV-CMC 等提高鉆井液的潤(rùn)滑、防卡性能，同時(shí)加入防塌劑、潤(rùn)滑劑改善、提高泥餅質(zhì)量，這樣既能鞏固井壁又能減小摩阻，防止產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，充分實(shí)現(xiàn)了鉆井施工設(shè)計(jì)中所要求的造斜后全面實(shí)施減阻防卡措施的要求。三開(kāi)采用清水鉆井液，密度為1.01 g/cm3，保證攜巖能力，施工過(guò)程嚴(yán)格控制鉆井液的固相含量，保持鉆井液性能符合設(shè)計(jì)要求。

15 號(hào)煤層厚度薄，煤層跟蹤控制難度大，為了提高鉆進(jìn)速度，縮短鉆井周期，全井總體采用“PDC鉆頭+螺桿”鉆具組合。在偏心連通驗(yàn)證后，起鉆甩RMRS接頭，組合導(dǎo)向鉆具下鉆，進(jìn)入主井眼及分支井眼施工，鉆具組合為：?130.18 mm PDC 鉆頭×0.22 m+?101 mm 螺桿（1.5°）×4.36 m+?101 mm 浮閥×0.53 m+?101 mm UBHO（通用井底定向接頭）×0.88 m+? 101 mm NMDC（非磁性鉆鋌）×6.33 m+?101 mm GAP×1.18 m+?101 mm NMDC×4.20 m+?101 mm NMDC×2.10 m+SLH90×210 接頭×0.30 m+?73 mm DP（鉆桿）×9.64 m+?101.6 mm DP×1167.39 m+方入。具體不同井段鉆井液與鉆頭類(lèi)型組合見(jiàn)表2。

表2 不同井段鉆井液與鉆頭類(lèi)型組合Table 2 Drilling fluid and bit type combination in different well section

LDP-22H 井口距LDP-22V 井洞穴靶點(diǎn)水平位移301.81 m，方位196.45°。LDP-22H 井于井深524 m、垂深384.50 m 著陸（進(jìn)入15 號(hào)煤層），于井深570.70 m、垂深387.23 m 與LDP-22V 井洞穴連通。LDP-22H 井主井眼及其分支井眼分布情況如圖4所示，共完成主井眼及分支井眼11 支。其中L1 分支進(jìn)尺最大，為724 m；主支井眼M1 進(jìn)尺最小，為223 m；L6（L4）分支結(jié)束井深最大，為1321 m（見(jiàn)表3）。

表3 LDP-22H 井煤層鉆遇情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Coal beds drilled by LDP-22H well

圖4 LDP-22H 井主井眼及其分支井眼分布示意Fig.4 Distribution of main bolehole and branch boleholes of LDP-22H well

較高的煤層鉆遇率得益于精準(zhǔn)度較高的測(cè)井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和地層巖性辨識(shí)，從地層結(jié)構(gòu)來(lái)看，15 號(hào)煤層位于太原組下段，總體為半亮型煤，原生結(jié)構(gòu)情況較好，底板為較厚的泥巖層（約3.40 m），頂板薄泥巖層（約0.65 m）與深灰色厚層灰?guī)r（約11 m）相接。由圖5 中LDP-22V 井15 號(hào)煤層測(cè)井曲線(xiàn)可見(jiàn)，煤層與頂?shù)装迥鄮r層的測(cè)井響應(yīng)特征有明顯的不同，由于煤層中鈾、釷、鉀等天然放射性物質(zhì)含量很低，表現(xiàn)出較低的自然伽馬值（GR）；再者煤主要是由碳、氫、氧3 種元素組成的碳?xì)涓叻肿踊衔铮哂休^低的基質(zhì)密度，總體密度（DEN）也比較小，但相對(duì)于泥頁(yè)巖和砂巖，煤層的電阻率（RD，深側(cè)向）顯示高值，井徑（CAL）方面由于煤層原生結(jié)構(gòu)較好，相對(duì)于泥巖層變化不大（見(jiàn)圖5）。

此外，LDP-22H 井在?130.18 mm 水平井眼的鉆進(jìn)中使用了定向螺桿和EM 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。在鉆進(jìn)過(guò)程中，儀器測(cè)量的原始信號(hào)、鉆井參數(shù)和伽瑪曲線(xiàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從井下傳送到地面接收器，并且所有記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被輸入給隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向程序，通過(guò)該程序，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄與已鉆模型對(duì)比分析，并不斷修正對(duì)構(gòu)造變化的認(rèn)識(shí)，并通過(guò)對(duì)構(gòu)造認(rèn)識(shí)的不斷修正，設(shè)計(jì)鉆頭將要走的軌跡路線(xiàn)。

3 排采實(shí)踐

LDP-22V 抽排直井于2019 年7 月15 日投產(chǎn)，最新的排采數(shù)據(jù)截止到2021 年11 月25 日，總共排采生產(chǎn)865 d（含修井、檢泵作業(yè)），采用螺桿泵進(jìn)行排采，前期排采產(chǎn)水量較高，一度達(dá)到137.09 m3/d，短暫高峰后快速衰減，第400 d 后衰減至零，476～649 d 產(chǎn)水量在10 m3/d，之后又迅速衰減至零，累計(jì)產(chǎn)水量13490.04 m3。2019 年12 月27 日（第166 d）開(kāi)始產(chǎn)氣，產(chǎn)氣第1 天僅為500 m3/d，第3 天就達(dá)到2568 m3/d，之后迅速攀升，第243 d 產(chǎn)氣量突破10000 m3/d，截止修井作業(yè)前（第792 d 之前），已經(jīng)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)1 年半的時(shí)間（550 d），該階段產(chǎn)氣最高峰為35069 m3/d，此時(shí)的套壓為0.933 MPa，井底流壓為1.025 MPa；修井作業(yè)后（第794 d 之后），氣量突然增大，超過(guò)流量計(jì)最大估算值，日產(chǎn)氣量最高峰達(dá)到156640 m3/d，半個(gè)月的短暫高產(chǎn)后，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在80000 m3/d 左右，此時(shí)的套壓在0.7 MPa 左右，井底流壓在0.8 MPa 左右，全程累計(jì)產(chǎn)氣量為20915469.3 m3（圖6）。日產(chǎn)氣量突破15 萬(wàn)m3，這標(biāo)志著多分支水平井在低壓低滲煤儲(chǔ)層煤層氣高效開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大進(jìn)展。

圖6 LDP-22V 井排采曲線(xiàn)Fig.6 Drainage and production curves of LDP-22V well

值得關(guān)注的是，LDP-22H 多分支水平井由于“上翹式”井身結(jié)構(gòu)，在重力作用下使得氣、水分異，前期排水量較大，上產(chǎn)慢，但見(jiàn)氣后產(chǎn)量迅速攀升。但該井排采前期產(chǎn)水量過(guò)大、煤粉增多問(wèn)題嚴(yán)重，排采過(guò)程頻繁出現(xiàn)檢泵停產(chǎn)事件，從而影響排采的連續(xù)性，多次停排事件也會(huì)對(duì)儲(chǔ)層壓力進(jìn)行頻繁擾動(dòng)，破壞儲(chǔ)層降壓的連續(xù)性，影響產(chǎn)能恢復(fù)。此外，排采早期壓降不穩(wěn)，陡升陡降，容易引起煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性變化，對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率造成傷害，進(jìn)而影響壓降漏斗擴(kuò)展和氣、水產(chǎn)出效果。

4 結(jié)論

（1）多分支水平井三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)有助于克服煤層薄，煤層不穩(wěn)定的問(wèn)題，另外由于水平井與煤層接觸面積大，濾失量也大，鉆井液要保持低密度固相，增強(qiáng)防滲漏性能，同時(shí)要保證攜巖和潤(rùn)滑防卡能力。LDP-22H 水平井采用了鉆井-錄井-測(cè)井一體化地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，可以準(zhǔn)確卡準(zhǔn)目的煤層，同時(shí)實(shí)時(shí)修正鉆頭軌跡路線(xiàn)，極大地提高了煤層鉆遇率和煤層有效進(jìn)尺。

（2）優(yōu)化水平井井位，加強(qiáng)低部位水平井前期排采強(qiáng)度，降低停泵和檢修作業(yè)頻次，有效提高排采連續(xù)性，穩(wěn)定壓降速率，減弱煤儲(chǔ)層的壓敏、速敏以及賈敏效應(yīng)，減少對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的傷害，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

（3）LDP-22H 水平井實(shí)現(xiàn)了沁水盆地太原組低壓低滲煤儲(chǔ)層超高產(chǎn)開(kāi)發(fā)的突破，日產(chǎn)氣量最高峰達(dá)到15 萬(wàn)m3以上，為相似儲(chǔ)層條件的煤層氣水平井高效開(kāi)發(fā)提供了先導(dǎo)試驗(yàn)和參考樣版，值得進(jìn)一步研究和推廣。